冀西北宣化盆地侏罗纪九龙山组凝灰岩形成时代、构造环境及地质意义

杨济远 ，李杰，* ，白春东 ，张家辉 ，胡新茁 ，田颖 ，刘蓓蓓 ，许凡 ，齐朋超

（1. 河北省区域地质调查院，河北省地学旅游研究中心，河北 廊坊 065000；2. 中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170；3. 中国地质调查局前寒武纪地质研究中心，天津 300170；4. 中国地质调查局廊坊自然资源综合调查中心，河北 廊坊 065000；5. 河北省地矿局第六地质大队，河北 石家庄 050000）

宣化盆地位于华北板块北部，20世纪20年代以来，针对宣化盆地侏罗纪地层，建立了比较完整的年代地层和岩石地层格架，自下而上发育南大岭组、下花园组、九龙山组、髫髻山组和土城子组（张晔卿等，2017）。九龙山组以碎屑沉积岩为主，化石较少。长期以来，许多学者重点对其开展了岩石地层、沉积环境和古生物学研究（武法东等，2004；柳永清等，2006），但缺少精确的同位素年龄资料，其形成时代一直存在较大争议。近年来开展的区调、综合研究项目（李声之等，1996；朱更新等，2000；刘晓文等，2005；郭金城等，2008；林成发，2019）主要根据地层叠置关系将九龙山组时代厘定为中侏罗世。季强等（2004）、张路锁等（2016）主要根据热河生物群种属将九龙山组时代置于中—晚侏罗世。陈海燕等（2014）对承德盆地九龙山组凝灰岩进行了锆石U—Pb定年，获得了（163.4±1.1）Ma的年龄数据，并结合区域资料将九龙山组时代限定于中侏罗世晚期—晚侏罗世早期。笔者在冀西北宣化盆地及周缘开展1∶50 000区域地质调查时，于九龙山组中下部识别出3层流纹质凝灰岩，呈夹层状产出。笔者通过岩石学、岩石地球化学及锆石U—Pb同位素定年研究，确定该套流纹质凝灰岩形成于晚侏罗世早期（161.9±0.8）Ma挤压构造背景，为冀西北侏罗纪地层研究提供了新的资料。

1 区域地质背景

研究区位于宣化区北东杨家营-响水铺村一带，中生代时期的区域大地构造位置属于燕山褶皱带（图1a），区内褶皱、断裂和逆冲推覆构造发育，构造线以EW向和NE向为主，近SN向次之（张长厚等，2011；Liu et al.，2013；Zhang et al.，2014）。

图1 冀西北宣化盆地一带地质简图（a据郑亚东等，2000修改；b据白春东等，2022修改）Fig. 1 Simplified geological map of Xuanhua Basin in Northwest Hebei

研究区东南角少量出露中元古代铁岭组海相碳酸盐岩沉积地层。区内中生代沉积—火山地层发育，自下而上划分为下花园组、九龙山组、髫髻山组和土城子组（图1b）。

下花园组为一套以河湖相细砂岩、粉砂岩及碳质粉砂岩为主的岩性组合，产丰富的银杏类、真蕨类、苏铁纲等植物化石，根据化石组合、种属，确定其为早侏罗世沉积。髫髻山组总体为一套中性、中碱性火山岩夹凝灰质砂、砾岩，底部发育不稳定的基性火山岩，整合于九龙山组之上。土城子组主要由厚层含砾砂岩、砂质砾岩、泥质粉砂岩和泥岩等组成，顶部夹流纹质凝灰岩、沉凝灰岩（孙立新等，2007），整合于髫髻山组之上，形成时代为晚侏罗世（Davis et al.，2001，2005；Liu et al.，2015）。

区域上，九龙山组以河流相杂色粗细碎屑岩沉积为主，偶夹火山碎屑岩，厚为55～1 520 m（朱更新等，2000；郭金城等，2008；张晔卿等，2017）。在宣化区北东杨家营-响水铺村一带九龙山组为一套以杂色砾岩、岩屑粗砂岩、细砂岩为主的河流相碎屑岩组合，中下部夹流纹质凝灰岩夹层，总厚度约为790.7 m。与下伏下花园组呈平行不整合接触，与上覆髫髻山组为整合接触关系（图2、图3）。根据其岩性组合特征，将其划分为3个段。

图2 宣化盆地杨家营-响水铺一带九龙山组实测剖面图（PM15）Fig. 2 The measured profile of the Jiulongshan Formation in the Yangjiaying-Xiangshuipu area of the Xuanhua basin (PM15)

图3 宣化盆地杨营-响水铺一带九龙山组实测剖面图（PM42）Fig. 3 The measured profile of the Jiulongshan Formation in the Yangjiaying-Xiangshuipu area of the Xuanhua basin (PM42)

一段：为灰绿色、灰黄色薄层-块状层复成分砾岩，灰黄色、灰色、灰黄色中层砂质砾岩，灰白色、灰黄色中层砾质岩屑砂岩及灰白色、灰黄色、浅灰绿色中层粗粒岩屑砂岩。厚为282.8 m。

二段：底部为灰白色流纹质含角砾晶屑凝灰岩，上部为灰黄色、灰色、青灰色薄-中层粗粒岩屑砂岩，灰白色、深灰色长石砂岩，灰白色、灰绿色、褐黄色薄-中层砾岩，深灰色、灰黄色含砾砂岩夹深灰绿色薄层泥质粉砂岩与灰绿色、砖红色薄层泥岩。厚为245.3 m。

三段：为灰绿色中-厚层复成分砾岩、灰白色、紫红色薄层—厚层含砾粗粒岩屑砂岩、灰绿色、紫红色中层岩屑砂岩、灰绿色紫红色薄层泥岩及灰绿色薄层长石砂岩。厚为262.6 m。

笔者重点对九龙山组中部流纹质凝灰岩开展同位素年代学和岩石地球化学特征、形成环境等研究。

2 地质特征及岩石学特征

研究区内九龙山组流纹质含角砾晶屑凝灰岩主要发育于九龙山组二段中下部，呈夹层状产出，共包括3个夹层，单层厚度为4～16 m，横向延伸不稳定。笔者在流纹质凝灰岩夹层共采集4件样品：PM15-15-b2（N 40°34′54″，E 115°12′57″）、PM15-16-b2（N 40°34′54″，E 115°12′57″）、PM15-23-b2（N 40°34′54″，E 115°12′57″）以及PM42-7-b1（N 40°34′38″，E115°13′07″）（图4a、图4b）。

图4 宣化盆地九龙山组流纹质凝灰岩野外露头和显微镜下图Fig. 4 Microscopic characteristics of the Jiulongshan Formation tuff in Xuanhua area

蚀变流纹质玻屑凝灰岩（样品PM15-15-b2）：风化面呈灰色-灰白色，新鲜面呈浅褐灰色，凝灰结构，块状构造。由火山角砾岩屑（5%±），晶屑（20%±），岩屑（15%±），玻屑、火山尘（60%±）组成，以小于2 mm的凝灰物为主，大于2 mm的火山角砾次之。晶屑：主要由石英、长石组成，粒径一般为0.1～2 mm，星散状分布。石英呈他形粒状，粒内可见轻波状消光。长石包括钾长石、斜长石，表面高岭土化、碳酸盐化发育，斜长石粒内可见较模糊聚片双晶残留。岩屑：以刚性岩屑为主，少见塑性岩屑，主要为＜2 mm的凝灰物，个别为＞2 mm的火山角砾。刚性岩屑主呈团块状、不规则状等，星散状定向分布，成分主要为粗面岩、细砂岩等。玻屑外形已完全消失，与火山尘一起脱玻化为隐微晶状长英质等，杂乱状分布，稍显定向特征（图4c、图4d）。

3 岩石地球化学特征

样品岩石地球化学分析测试由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。主量元素采用碱烧法制备样品，使用AxiosmaxX射线荧光光谱仪完成分析测试。烧失量、H2O+和H2O—采用P1245电子分析天平完成测试。微量元素和稀土元素采用酸溶法制备样品，使用X Serise2等离子体质谱仪完成测试（高剑峰等，2003），测试结果见表1。

4件流纹质凝灰岩样品SiO2为72.59%～73.57%，平均为73.10%；分异指数DI为86.92～93.73，显示岩浆经历了中等-较强的分异演化作用；Na2O+K2O为7.03%～9.22%，全碱含量较高；K2O/Na2O为0.62%～1.21%，平均为0.87%；里特曼指数σ为1.66～2.84，平均为2.02。在TAS分类图解中（图5a），4件样品全部落在流纹岩区域内；在Na2O+K2O图解中（图5b）显示为钙碱性-高钾钙碱性系列；Al2O3含量为13.25%～13.91%，铝饱和指数A/CNK为1.02～1.19，属于过铝质系列（图5c）。上述特征表明，九龙山组流纹质凝灰岩属于高Si、高K钙碱性过铝质岩石（邓晋福等，2015）（表1）。

图5 宣化盆地九龙山组流纹质凝灰岩岩石学、岩石地球化学图Fig. 5 Petrology and petrogeochemistry diagrams of rhyolite tuff in Jiulongshan Formation in the Xuanhua basin

在微量元素蛛网图上（表1，图6a），流纹质凝灰岩富集Ba、Th、U等元素，亏损Rr、Sr、P、Nb、Ti等元素。∑REE=135.25×10—6～184.76×10—6，稀土元素总量较低，∑LREE/∑HREE=12.39～18.54，（La/Yb）N=16.24～25.01，总体显示岩石具富集轻稀土元素特征，同时，具强烈的轻、重稀土分馏特征；具弱负Eu异常特征（δEu＝0.73～0.98）。稀土配分模式为右倾型平缓-低“V”曲线（表1，图6b）。地球化学特征显示，九龙山组流纹质凝灰岩与岛弧火山岩特征相近，根据其产出于华北地台板内造山带的事实，说明其形成于挤压构造环境。

图6 宣化盆地九龙山组流纹质凝灰岩原始地幔标准化微量元素蛛网图（a）和球粒陨石标准化稀土元素配分图（b）（标准值化值据Sun et al.，1989；b标准化值据Boynton et al.，1984）Fig. 6 (a) The normalized trace element spider web diagram of the original mantle of the rhyolitic tuff in the Jiulongshan Formation in the Xuanhua Basin and (b) the normalized rare earth element distribution map of the chondrites

4 锆石U-Pb和Hf同位素测试分析

4.1 测试分析方法

河北省区域地质矿产调查研究所实验室负责九龙山组流纹质凝灰岩样品粉碎及锆石挑选。采用重矿物分离方法分选锆石，在双目镜下人工挑选，将挑选好的锆石制成样品靶，在阴极发光上进行锆石显微照相。北京锆年领航科技有限公司使用激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）完成同位素测试及定年工作。激光剥蚀平台及质谱仪型号详见文献Thompson等（2018）。此外，数据处理及分馏校正等过程详见文献吴福元等（2007）、Paton等（2010）和李艳广等（2023）。

九龙山组流纹质凝灰岩锆石原位Hf同位素测试分析在中国地质调查局天津地质调查中心完成，所用仪器系统、型号、条件及分析方法详见文献吴福元等（2007）、耿建珍等（2011）。其中，176Lu衰变常数为λ=1.865×10—11/y（Scherer et al.，2001），球粒陨石的（176Hf/177Hf）CHUR和（176Lu/177Hf）CHUR分别为0.033 2和0.282 772 （Blichert et al.， 1997）， 现今亏损地幔的（176Hf/177Hf）DM和（176Lu/177Hf）DM值分别为0.283 25和0.038 4（Nowell et al.，1998），用于计算地壳模式年龄（tDM2）的大陆地壳平均值为0.015（176Lu/177Hfcc）（Griffin et al.，2000）。

4.2 分析结果

九龙山组流纹质凝灰岩锆石CL图像显示锆石具清晰震荡环带，Th/U值为0.45～0.84，平均值为0.62，属岩浆成因锆石。对20粒锆石的U-Th-Pb原位区开展了同位素测定，测得的12个数据的206Pb/238U同位素结果近于一致，其变化范围为160.3～163.4 Ma（表2，图7），加权平均值为（161.9±0.8）Ma（置信度95%，MSWD=1.03，n=12）（图8），该年龄代表流纹质凝灰岩的形成时代，为晚侏罗世早期。

表2 宣化盆地九龙山组流纹质凝灰岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb定年测试结果表Tab. 2 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb dating results of the rhyolite tuff in the Jiulongshan Formation in the Xuanhua basin

图7 宣化盆地九龙山组流纹质凝灰岩锆石锆石阴极发光图Fig. 7 Zircon cathodoluminescence images of zircons from the rhyolite tuff of the Jiulongshan Formation in the Xuanhua Basin

图8 宣化盆地九龙山组流纹质凝灰岩锆石U-Pb年龄谐和图Fig. 8 Zircon U-Pb age harmony diagram of the rhyolite tuff in the Jiulongshan Formation in the Xuanhua basin

锆石原位Hf同位素测试分析结果见表3。11颗岩浆成因锆石176Hf/177Hf值为0.281 720～0.282 601，平均为0.282 43；εHf（t）=—33.79～—2.71，平均为—8.69，二阶段亏损模式年龄（tDM2）主要为1 379～1 736 Ma。

表3 宣化盆地九龙山组流纹质凝灰岩锆石Hf同位素测试分析结果表Tab. 3 Zircon Hf isotope analysis results of the rhyolitic tuff in the Jiulongshan Formation in the Xuanhua Basin

4.3 九龙山组形成时限

区域上，九龙山组自建组以来，其时代的厘定，大多依据其组内发育的古生物化石及其上覆的髫髻山组火山岩年龄推断而成（Davis et al.，2001；李伍平等，2001；Cope，2003；季强等，2004；袁洪林等，2005；刘健等，2006），缺少精确的年代学数据支持。在古生物学方面，宣化盆地九龙山组陆相沉积地层中化石稀少，区域上该组中产Coniopters—Pnoenicopsis植物群化石，为中侏罗世植物群特征（米家榕，1996）。在同位素年代学方面，刘健等（2006）依据上覆髫髻山组底部粗安岩锆石U-Pb年龄和下部的崖门子花岗闪长岩（九龙山组角度不整合于该岩体之上）侵位年龄，将九龙山组时代暂定为158～161 Ma，属晚侏罗世早期。陈海燕等（2014）在承德盆地九龙山组下部凝灰岩中获得了（163.4±1.1） Ma的锆石U-Pb年龄数据。王卫国等（2017）在宣化盆地九龙山组二段火山岩标志层中获得了167.0 Ma的锆石U-Pb年龄。本次工作在九龙山组中下部的流纹质凝灰岩获得了（161.9±0.8） Ma的锆石U-Pb年龄，但由于取样位置并非九龙山组底部（图1b、图2、图3），说明九龙山组形成的下限年龄要大于161.9 Ma。九龙山组上限年龄可参考上覆髫髻山组火山岩底界年龄确定为156.6～161.1 Ma（表4），同时该年龄也代表了九龙山组上限年龄值。按照国际地层委员会（ICS）中侏罗世和晚侏罗世界限（163.5±1.0） Ma，文中结合王卫国等（2017）在宣化盆地九龙山组火山岩获得167.0 Ma的锆石U-Pb年龄，认为九龙山组形成时代为中侏罗世晚期—晚侏罗世早期较为合理。

表4 宣化盆地附近地区中晚侏罗世九龙山-髫髻山期同位素年龄数据表Tab. 4 Middle and Late Jurassic Jiulongshan-Tiaojishan period isotopic age data in the area near the Xuanhua basin

5 岩石成因及形成环境

5.1 岩石成因

九龙山组流纹质凝灰岩夹层富集Ba、Th、U元素，亏损Rr、Sr、P、Nb、Ti等元素；岩石具富集轻稀土元素特征，同时具强烈的轻、重稀土分馏特征，以及具弱负Eu异常等特征。稀土配分模式为右倾型，总体特征与岛弧火山岩特征相近，根据其产出于华北地台板内造山带的事实，确定其形成于板内挤压构造环境。

Rb/Sr=0.21～0.66，平均为0.35，接近于地壳平均值（0.32）（Taylor et al.，1985）；Zr/Hf=32.30～43.94，平均为39.44，接近于地壳平均值（33.33）（Taylor et al.，1985）；副矿物中发育石榴子石。说明九龙山组流纹质凝灰岩岩浆主要来源于地壳，为壳熔型富铝的岩浆源区。Sr/Y=15.1～21.6，可能暗示岩浆源于一个加厚陆壳的底部（Deng et al.，1998）。在C/FM-A/FM图中落入变杂砂岩部分熔融区和变质泥岩部分熔融区附近（图5d），表明其为地壳部分熔融而成。

由于锆石原位Lu-Hf同位素能更好地收集岩浆混合、分异等阶段的同位素组成变化，所以其能有效判断地幔岩浆端元（Li et al.，2007；吴福元等，2007）。Hf同位素研究表明，εHf（t）＜0的岩石为地壳物质部分熔融的产物（Vervoort et al.，2000；Griffin et al.，2004）。研究区九龙山组流纹质凝灰岩εHf（t）＝—33.79～—2.71，大多为—8.40～—2.71，fLu/Hf值为—0.93～—0.98，平均为—0.96，明显小于镁铁质地壳的fLu/Hf值（—0.34）（Amelin et al.，2000），接近硅铝质地壳的fLu/Hf值（—0.72），说明其为地壳物质部分熔融的产物。九龙山组流纹质凝灰岩176Hf/177Hf=0.281 720～0.282 601，比值很接近，指示其物源比较单一。在Hf同位素相关图解中（图9）样品分析结果落入1.8 Ga地壳与球粒陨石演化线之间，说明成岩物质来源于下地壳接近亏损地幔一侧，因此其物源多为古元古代—中元古代加厚的下地壳。

图9 宣化盆地九龙山组流纹质凝灰岩锆石Hf同位素特征图（a据Yang et al.，2006；b据吴福元等，2007）Fig. 9 Zircon Hf isotope characteristics of the rhyolite tuff in the Jiulongshan Formation in the Xuanhua Basin

综上所述，九龙山组流纹质凝灰岩岩浆源于古元古代—中元古代加厚的下地壳熔融。

5.2 构造环境讨论

董树文等（2008，2019）研究认为，在175～136 Ma期间中国东部为强挤压造山期，具体表现为幕式挤压变形，对应燕山地区早期强挤压变形期（髫髻山组底部不整合事件170～160 Ma及晚期张家口组底部不整合事件150～135 Ma。

研究区九龙山组底部总体为一套陆相块状复成分砾岩和夹含砾粗砂岩沉积岩层，可能发育于冲积扇扇根亚相泥石流沉积微相，基本层序不发育。复成分砾岩中砾石成分有白云岩、火山岩、花岗岩及沉积砂砾岩，层理不发育，混杂堆积，分选性较差，大小不一排列无序，砂泥质充填，与下伏下花园组接触面凹凸不平，推测为山脉受强烈挤压剥蚀而在山前或山间坳陷中快速堆积而致（图10a），表明九龙山早期盆地构造活动非常剧烈。在Pearce等（1984）定义的花岗岩构造环境判别图（图11a、图11b）中，流纹质凝灰岩样品投点均落在火山弧和同碰撞造山区域，结合其产出于华北地台板内的事实，说明其形成于板内挤压构造背景。众多学者（刘少峰等，2004；Dong et al.，2013；Li et al.，2018）认为，早侏罗世下花园组煤系地层之上的九龙山组砾石层、张家口组火山岩之下发育的土城子组砾岩及具有埃达克质的髫髻山组基性火山岩（图10b）及170～140 Ma的逆冲推覆构造（刘少峰等，2018）等，均为挤压变形的标志。研究区九龙山组下部砾岩为快速堆积的产物，之上的髫髻山组下部发育具有埃达克质的基性火山岩；张家口组下部土城子组复成分砾岩十分发育；晚侏罗世晚期，区内至少发生两次逆冲推覆事件，形成逆冲推覆构造和高角度逆冲断层系，说明从中侏罗世—晚侏罗世，研究区区域大地构造背景为挤压环境。

图10 宣化盆地九龙山组底部砾岩与上部玄武岩接触宏观面貌图Fig. 10 Macroscopic appearance of conglomerate at the bottom of Jiulongshan Formation in Xuanhua Basin in contact with basalt at the upper part

图11 宣化盆地九龙山组流纹质凝灰岩（Y+Nb）-Rb判别图解和Y-Nb判别图（据Pearce et al.，1984）Fig. 11 (Y+Nb)-Rb discriminant diagram and Y-Nb discriminant diagram of rhyolite tuff in Jiulongshan Formation in the Xuanhua Basin

综上所述，宣化盆地九龙山组形成于挤压坳陷盆地环境，与最新的研究成果不谋而合。

6 结论

（1）本次工作在宣化盆地九龙山组偏下部流纹质凝灰岩中获得了（161.9±0.8）Ma的锆石U-Pb年龄，结合前人资料，确定宣化盆地九龙山组形成于中侏罗世晚期—晚朱罗世早期。

（2）九龙山组流纹质凝灰岩Rb/Sr值平均为0.35，Zr/Hf值平均为39.44，副矿物中发育石榴子石。εHf（t）值大多为—8.40～—2.71，fLu/Hf值平均为—0.96，说明其为地壳物质部分熔融的产物。176Hf/177Hf＝0.281 720～0.282 601，指示其物源比较单一。结合相关图解判别，确定其物源为古元古代—中元古代加厚的下地壳。

（3）九龙山组流纹质凝灰岩富集Ba、Th、U，亏损Rr、Sr、P、Nb、Ti，稀土配分模式为右倾型，结合图解判别及其产出于华北地台板内造山带的事实，确定其形成于板内挤压构造环境。

（4）宣化盆地九龙山组下部发育快速堆积的砾岩，之上的髫髻山组下部发育具有埃达克质的基性火山岩；区内张家口组下部发育土城子组复成分砾岩；晚侏罗世晚期，区内至少发生了两次逆冲推覆事件。这说明从中侏罗世—晚侏罗世，研究区区域大地构造背景为挤压环境。由此判断，宣化盆地九龙山组形成于挤压坳陷盆地环境。

致谢：本文是以“河北省沙岭子、宣化县、深井镇、涿鹿县1∶5万区域地质调查”项目为依托，文中所用的原始数据是项目组成员在极为恶劣的工作生活条件下取得的，在此对项目组人员表示感谢,并衷心的感谢审稿人对本文提出的宝贵意见和建议。