华北东部地区早白垩世火山-沉积岩的成因

华北东部地区早白垩世火山-沉积岩的成因

研究区包括辽宁省阜西盆地和显武黑山盆地的两个部分。阜新盆地勘探开发和研究程度都高,是一个早白垩世含煤、油页岩和天然气的断陷型沉积盆地,沿NNE方向延伸,展布在医巫闾山西部。盆地基地由太古宇片麻岩和中、新元古界碳酸盐岩等构成,盖层下白垩统义县组火山岩直接角度不整合于基底之上,上覆陆相含煤地层沙海组和阜新组,均含储量可观的可采煤层,其上又被孙家湾组红层不整合覆盖。盆地东西两侧被断裂限制,地层自SW向NE倾斜,盆地南端翘起,出露了义县组、吐呼噜组(又称黄花山组)火山岩。此外,沿大凌河南岸分布有大凌河组火山岩,被认为覆盖在含煤地层之上,时代为晚白垩世。大凌河以北局部出露榆树沟组火山岩。彰武-黑山地区第四系覆盖面积大,露头主要分布在医巫闾山东麓,半数以上为火山岩,除南部黑山县附近的八道壕煤矿已有多年开发历史外,20世纪70年代电法勘探圈定了其他17个小型中生代盆地,根据少量普查钻探资料发现有与阜新盆地相似的含煤地层,但难以作出评价。随着阜新盆地资源面临枯竭,国土资源部危机矿山办决定在彰武—黑山地区开展地震勘探并进行精查勘探和研究工作,为阜矿集团寻找接替资源。彰武—黑山区南部有义县组、吐呼噜组火山岩,向北有冮台山组火山岩和分布广泛的大兴庄组火山岩,后两者与该区早白垩世含煤地层八道壕组的上下层位关系尚存争议。1彰武—火山岩年龄和层序问题的提出阜新盆地南部义县组火山岩的绝对年龄资料积累较多,前人公认早白垩世义县组火山岩伏于本区主要含煤地层沙海组、阜新组之下并构成了阜新盆地盖层的底部沉积,但大凌河组火山岩与沙海组、阜新组的关系却存在争议[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]。阜新、义县幅1/20万地质图和1/5万煤田地质图认为义县县城东部大凌河沿岸分布的大凌河组火山岩为晚白垩世,覆盖在沙海组、阜新组之上;彰武、黑山幅1/20万地质图将露头面积占半数以上的火山岩定名为大兴庄组,与黑山县附近的冮台山组一起,被认为是覆盖于该区主要含煤地层八道壕组之上的火山岩,而八道壕组与阜新盆地的沙海组、阜新组是否可以对比也存在争议。1972年辽宁省煤田地质研究所和107队提出了在火山岩下寻找早白垩世煤的建议,但一直没有突破。由此可见搞清区内火山岩的时代、层位及其与主要含煤地层的上下关系,理顺火山岩和含煤地层的层序,是解决区内进一步找煤的关键。阜新盆地外围彰武—黑山地区火山岩的测年工作起步较早,也已取得了一些成果[17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37]。总之,研究区内火山岩分布广泛、种类繁多、命名不一、层位存疑,其与本区主要含煤地层的上下层位关系一直没有理清,实为寻找接替资源必须解决的关键问题。2岩石u-pb同位素年龄本次对火山岩的研究采用野外调查研究取样和室内鉴定测试并重的方法开展。野外调查和取样从义县县城以西的义县组和以东的大凌河组开始,逐步向北观察了榆树沟组火山岩,更向东北彰武—黑山区调查研究了冮台山组和大兴庄组火山岩,还到阜新盆地以北的务欢池碱锅观察了柱状节理十分发育的玄武岩,共采集了火山岩样品20余块,取样点位置如图1。室内工作除岩矿鉴定外,选取了不同地区、不同时代有代表性的火山岩样品11块,碎样后挑选出样品中所含较完整的锆石,用当前国际公认的SHRIMPⅡ法在中国地质科学院离子探针中心进行测试。结果除彰武区那立闪的玄武岩样品的U-Pb同位素年龄为(56±2.9)Ma属于古近纪外,其他10块样品的绝对年龄都在122～132Ma,且大多集中在125～127Ma,均属早白垩世(表1)。某些含锆石过少的样品未能进行测试。应该指出,虽然用SHRIPMP法所测得的火山岩U-Pb同位素年龄比用钾氩法或氩氩法所测得的结果可信度更高,但仍存在一定误差。因钾氩法或氩氩法所测是全岩样,而SHRIPMP法所测结果实际是火山岩中所含锆石的实际年龄值。当岩浆从火山通道上涌过程中会将更老的或再旋回的锆石带到地表固结成岩,故所测得的火山岩年龄值往往偏老而不可能偏新。因此本次在确定火山岩层位、年龄和火山喷发期次时更注重考虑野外所见火山岩的岩性、岩相、产状及其与围岩的接触关系等因素,综合分析而定。火山岩上下沉积层的层位则根据岩性和生物化石组合而定。3旋回至中基性火山岩本次研究认为全区早白垩世的火山喷发活动可分为4期(图2),所形成的火山-沉积层序相应分为4个旋回,每个旋回以火山喷发活动形成的火山岩开始,以火山喷发间歇期的湖相沉积层结束,自下而上命名为:义县组-金刚山组旋回,吐呼噜组(或黄花山组)-九佛堂组旋回,榆树沟组(冮台山组)旋回、沙海组(八道壕组)-阜新组旋回。义县组的火山岩为基性至中基性,以玄武岩、安山岩、粗面岩及其过渡类型为主;吐呼噜组(黄花山组)的火山岩为酸性至中酸性,常见为英安质火山角砾岩、流纹岩等;榆树沟组(冮台山组)主体为未喷出地表的基性至中基性的潜火山岩,产状陡立而非层状,常见侵入于前期火山岩如义县组及火山喷发间歇期的沉积夹层九佛堂组之中。上述4期的火山活动以早白垩世中期(约130～122Ma)最为强烈,成为火山活动峰期,晚期岩浆喷发能量减弱形成未达地表的潜火山岩。第1、3旋回基性至中基性火山岩的义县组和榆树沟组(冮台山组)由裂隙式火山喷发形成,火山岩分布面积广;第2旋回酸性至中酸性火山岩的吐呼噜组(或黄花山组)为中心式火山喷发形成,火山岩分布比较局限。通过对研究区下白垩统火山岩和沉积层、含煤地层的野外调查和室内对比编图等研究,本次工作得出的主要认识和结论分述如下。3.1义县组火山岩形成的地质背景20世纪30年代以来,中外地质学家即已对阜新盆地和外围的地层和火山岩系进行过研究。1929年黄汲清和王竹泉在阜新盆地将阜新煤系下伏的安山岩时代定为中侏罗世;1940年日本人室井渡将分布在锦州至清河门一带阜新夹炭层以下的火山岩和沉积岩自下而上分别命名为义县火山岩类、金刚山层、黄花山角砾岩和泥河子层,时代为中晚侏罗世;1960年北京地质学院将阜新盆地下部的火山岩夹碎屑岩系合并统称为义县组,并认为其与上覆的九佛堂组(泥河子组下部)均属于晚侏罗世,更上的沙海组(泥河子组上部)和阜新组含煤地层为早白垩世。1970年辽宁省区调队在义县幅1/20万填图时将广义的义县组又分成了3个填图单位,自下而上为义县组、金刚山组和吐呼噜组,取消了沙海组而代之以九佛堂组,时代均属于晚侏罗世,阜新组定为早白垩世。1972年彰武、新民1/20万区测填图时没有区别出狭义的义县组,而认为金刚山组火山岩是直接不整合覆盖在早侏罗世北票组之上。1989年王五力等再次使用广义的义县组名称,涵盖了原义县组(狭义)、金刚山组和吐呼噜组。季强等将辽西早白垩世义县组的火山活动分为4个期。根据国际地层委员会(2008)地层划分方案,侏罗系与白垩系的界限年龄已由1989年方案中的135Ma(140Ma)下移至(145±4)Ma,下白垩统与上白垩统的界限年龄也从95Ma下移至99.6Ma。因此前人所确认的晚侏罗世火山岩现在都应该归为早白垩世,火山活动的峰期是早白垩世中期(130～122Ma左右),即巴列姆期至阿普第期。本次研究参考了前人研究对义县组的划分方案,认为义县组实有广义和狭义之分:广义的义县组泛指从义县组、金刚山组至黄花山组所有基性、中基性以至中酸性和酸性的火山岩,而狭义的义县组仅指金刚山组以下、分布在义县西三道壕村尖山沟剖面底部的玄武安山质火山岩,清河门西南部北砖城子剖面起点的安山岩,还有分布在义县城东南枣茨山剖面底部的玄武安山岩,彰武以东、小新立屯东北十家子乡的玄武安山岩等,均以具有气孔和杏仁状构造为特征,新立屯的玄武安山岩的杏仁状构造中还富含玛瑙。狭义的义县组是下白垩统第一套火山岩,通过取样测试,北砖城子剖面起点的安山岩绝对年龄为(132.3±2.3)Ma,见表1中的N6样品。狭义义县组底部为一套粗碎屑岩沉积,在尖山沟剖面称为尖山沟层,以紫红色含大块火山岩砾冲积扇粗碎屑岩为主夹灰绿色泥岩,产鹦鹉嘴龙化石,为陆内裂谷初始破裂的产物。狭义义县组之上是一套湖相沉积岩,在义县城南甘南屯砖城子剖面该层位为湖相凝灰岩、泥灰岩,产东方叶肢介、三尾拟蜉蝣等热河生物群化石,称砖城子层;义县以西杨家沟村至破台子大桥南,义县组玄武安山岩之上的湖相凝灰岩中也含热河生物群化石,称为大康堡层;枣茨山剖面安山岩之上(图3)含热河生物群化石的灰绿色凝灰质泥岩(底部为灰绿色粗碎屑沉积)称为金刚山层。砖城子层、大康堡层和金刚山层均为灰白色、白色泥岩和钙质泥岩,均含热河生物群化石,并都覆盖在安山岩之上,可视为同期的火山口湖沉积,常又被后期潜火山岩穿插而肢解分离。夹有上述3套湖相沉积层的狭义义县组火山岩,有可能是第1个火山喷发旋回中的次级小的喷发旋回,但先后时间间隔不长,也有可能是同期异地喷发形成的火山岩及其夹层,因与找煤关系不大,本文未及深究,笼统视为早白垩世中期第1次大规模火山活动的产物。早白垩世中期第2个火山活动旋回由黄花山组和其上的九佛堂组构成。黄花山组由室井渡于1940年命名为黄花山角砾岩,北京地质学院(1960)、王五力等(1989)和辽宁省岩石地层(1997)将其与下伏的义县组火山岩和金刚山组三者合并,统称为义县组,为广义的义县组;顾知微(1962)和1/20万区测图和华北地层表(1978)又将义县组恢复三分,将黄花山角砾岩称为吐呼噜组。义县枣茨山剖面上部黄花山组(即吐呼噜组)不整合覆盖在金刚山层之上,二者之间存在沉积间断,岩性主要为中酸性英安质火山角砾岩,火山角砾直径约2cm,局部为火山集块岩,黄花山组之上又被富含热河生物群的九佛堂组所覆盖(图4)。本次在枣茨山采取了黄花山组的英安岩进行测试,得出其绝对年龄为(126.3±1.7)Ma,属于早白垩世第2次火山喷发的产物。黄花山火山角砾岩分布范围有限,但其上的九佛堂组在区内的分布却比较广泛。彰武—黑山区相应第2套火山岩以粗安岩和其上的膨润土矿床为代表(图5),分布在彰武县西南的哈拉和稍尖山子、新立屯西北的腰仓土下石土和彰武县东南的豆芽窝铺。膨润土矿床的成分80%以上为蒙脱石,成因与粗安质火山灰、火山碎屑降落在湖盆中经水化作用、成岩作用和后期风化作用有关,代表中性火山岩的古风化壳,可以与义县枣茨山的黄花山组(吐呼噜组)对比,都是早白垩世第2套火山活动的产物。在尖山子、腰仓土,膨润土矿床之上又被第3套玄武安山岩不整合覆盖,在豆芽窝铺,膨润土矿床之上被古近纪灰黑色玄武岩覆盖,其顶部见明显的红色烘烤层。此外,黑山县八道壕煤矿以北罗台山附近的流纹质角砾熔结凝灰岩(N14)和张罗屯所见的流纹岩(N2),均属早白垩世第2套火山岩,实测其U-Pb同位素年龄分别为(129.0±2.4)和(124.9±2.9)Ma。本文认为上述中性至中酸性火山岩无论是称作黄花山角砾岩还是吐呼噜组,都与其上覆的九佛堂组不应分开,因为二者都属于第2个火山活动旋回。因此过去一直所称谓的义县组不应该只包括义县组(狭义)、金刚山组和吐呼噜组,如果一定要建立一个广义的义县组,就应该包括2个完整的火山活动旋回,即从狭义的义县组开始,除金刚山组、吐呼噜组(或黄花山组)外,还应包括与后者有密切成因联系的九佛堂组。否则不如仍沿用四分的义县组、金刚山组、吐呼噜组(或黄花山组)和九佛堂组更合适。3.2潜安山岩和火山冮台山组1926年由谭锡畴命名,为分布在彰武—黑山区小新立屯潜玄武安山质火山岩,明显侵入于九佛堂组之中。原认为分布在八道壕煤矿附近潜玄武安山岩均为冮台山组,故在八道壕东南张罗屯和BS1钻孔深部八道壕组含煤地层底部的潜火山岩取样鉴定测试,得知其绝对年龄分别为(124.9±2.9)Ma和(125.7±1.7)Ma。野外工作期间在彰武以东距新立屯10km左右的腰仓土乡取得潜火山岩样品,经野外和镜下鉴定为潜石英粗安岩,明显侵入于九佛堂组之内,测得其U-Pb同位素年龄为(115.5±1.5)Ma,与冮台山组大致接近。榆树沟组由煤炭系统命名,钾氩法测得其同位素年龄为105Ma左右(常征路口述),分布在清河门西南的榆树沟村,明显侵入于九佛堂组凝灰岩中的潜安山岩,层位较九佛堂组晚,时代大致与彰武—黑山区的冮台山组相当,可惜当时未能给予应有的重视,没有取样进行绝对年龄测试。在义县张老公屯,榆树沟组潜安山岩侵入于九佛堂组凝灰质泥岩之上(图6),同时见到沙海组的底砾岩又覆盖在榆树沟组之上(图7)。照理早白垩世第3期侵入成因的潜火山岩与前两期喷出呈层状分布的火山岩或火山沉积岩不同,不应作为独立的地层单元对待,但因其活动时期较前两期火山活动要晚,是发生在下伏九佛堂组与上覆沙海组(八道壕组)沉积期之间,为了表示其形成时代和地层层序的上下关系,姑且将其列于地层表之内,以示其侵入活动的时间意义。总之,无论彰武—黑山区的冮台山组或阜新盆地南部的榆树沟组火山岩,都是中基性的潜火山岩,时代应晚于狭义的义县组和吐呼噜组,是早白垩世晚期火山活动的产物,代表一次火山活动事件,分布局限。本次下白垩统火山岩测试的年龄数据与国际地层委员会及季强等的火山喷发分期的对比关系见表2。3.3孙家湾组火山岩形成时代探讨大凌河火山岩由日本人室井渡于1940年命名,指分布在大凌河两岸、层位在主要含煤地层和上覆红色砾岩以上的中基性火山岩,并将其时代定为白垩纪。1960年北京地质学院将本区含煤地层以上的红色砾岩称为孙家湾组,上覆火山岩为大凌河组,二者统称为孙家湾群,时代定为晚白垩世。1970年辽宁省区调队在义县幅1/20万填图时对阜新组的上覆地层仍称为孙家湾组和大凌河组,时代也定为晚白垩世。1972年彰武、新民1/20万区测填图时在孙家湾组之上没有提到火山岩。本次野外工作在大凌河南岸、义县东南巨粮屯、岳家屯找到了大凌河火山岩的命名地,107队当时称这里的大凌河组为榆树沟组。观察中发现所谓的孙家湾组的红色砾岩应该是狭义义县组的底砾岩(相当于三道壕剖面下部的尖山沟层),灰色砾岩则应为沙海组底砾岩,并非不整合覆盖在含煤地层之上的孙家湾组。因为孙家湾组砾岩中的砾石成分复杂,在孙家湾组命名地孙家湾村后万人坑边见砾岩中有花岗片麻岩、花岗岩、石英砂岩、基性火山岩、硅质岩和脉石英等的砾石,而大凌河南岸所见的砾岩成分比较简单,只有很少量的花岗片麻岩的砾石,也即其形成年代应早于孙家湾组,当时物源区医巫闾山的隆升剥蚀程度尚浅,基底深部的花岗片麻岩刚开始出露。再者,该红色底砾岩、火山岩与灰色砾岩为断层接触,不是红色砾岩、火山岩覆盖在灰色砾岩之上。经在附近李家台对该火山岩取样(图8),用SHIMP法进行U-Pb同位素测定,确定其绝对年龄为(125.8±1.9)Ma,层位应该属于狭义义县组,时代为早白垩世中期,由此确定所谓大凌河火山岩原定时代有误。真正覆盖在孙家湾组之上的火山岩并不分布在大凌河沿岸,而是分布在彰武以东腰苍土那立闪的灰黑色玄武岩,本次测得其绝对年龄值是(56±2.9)Ma,属于古近纪。3.4典型研究的地质特征大兴庄组火山岩由辽宁省区调队在编制彰武、新民幅1/20万区域地质图说明书中所命名,认为这套粗安质火山岩时代较新,与室井渡1940年所建立的大凌河组时代相当,晚于孙家湾组,属于晚白垩世的火山岩,据此后来成为火山岩下寻找早白垩世沙海组、阜新组厚煤层的重要依据。典型分布区为黑山县八道壕煤矿以北的罗台山和新民县以西梁山镇西南的双山子,义县东南兴隆沟的潜粗安岩也被认为属于大兴庄组。野外对上述3个典型的大兴庄组进行了调查研究取样测试,发现出露在罗台山的流纹质角砾熔结凝灰岩不整合覆盖在下侏罗统北票组的含煤岩系之上(图9),通过SHRIMP法测得绝对年龄为(129.0±2.4)Ma(N14),时代较老,应定为吐呼噜组。新民县梁山镇双山子的潜粗安岩为被第四系环绕覆盖的孤立小山包,顶部有30～40cm的烘烤层。潜粗安岩深灰色,结构致密,柱状节理发育(图10),取样测定其U-Pb同位素年龄为(129.5±1.6)Ma和(129.7±1.6)Ma(N5),层位与冮台山组可以对比。义县东南兴隆沟的潜粗安岩为紫红色,取样测试结果绝对年龄为(127.0±5.1)Ma(N12),可以归为榆树沟组。3.5沙海组—九佛堂组与沙海组是两个不同地层单元,不应合并或互相替代九佛堂统1934年由远滕隆次命名,层型剖面位于辽宁西部喀左县九佛堂村,由湖相砂页岩和油页岩组成,覆于狭义义县组火山岩之上,以含热河生物群为特征。1937年植田房雄、笛仓正夫引用远腾隆次的剖面将九佛堂统改称九佛堂系,定其时代为早白垩世。1962年顾知微将分布在阜新—义县地区相当于九佛堂组的一套地层称为沙海组,时代确定为晚侏罗世。1970年辽宁区调一队以辽西西部的九佛堂组代替阜新—义县地区的沙海组,统称九佛堂组,时代定为晚侏罗世。1982年郝诒纯等将九佛堂组的时代确定为早白垩世中期。1989年辽宁地质矿产局定为九佛堂组,时代为早白垩世。九佛堂组以盛产狼鳍鱼、东方叶肢介和三尾拟蜉蝣等热河生物群化石为特征。沙海组命名地在阜新市附近的沙海村,层型剖面暂置于阜新市西北郊宫官营子附近的钻孔剖面。1980年王鸿祯、刘本培根据含热河生物群将沙海组并入九佛堂组。1991—1992年中国地质图集编撰时取消了沙海组。《中国地层典》中的白垩系(郝诒纯负责)也将沙海组取消;2002年程裕琪负责的地层委员会编写《中国地层表》时,在白垩系中又将沙海组分出,建立了沙海阶。与下伏九佛堂组相比,沙海组中生物化石以手取蚬(Tetoria)的出现为标志,所含叶肢介主要是一些小个体的延吉叶肢介类,热河生物群的典型分子已不再出现,却含大量蕨类、苏铁类、松柏类和银杏类等植物化石。本次野外观察见九佛堂组主要由灰绿色凝灰质泥岩和灰白色泥岩、泥灰岩组成,富含热河生物群化石,在野外非常容易找到;底部粗碎屑沉积砾石的成分主要为火山岩,几乎不存在花岗岩、片麻岩的砾石。沙海组底部常见有红色砾岩、砂砾岩,粗碎屑沉积中开始出现有花岗岩和花岗片麻岩的砾石,意味着物源区医巫闾山的隆起剥蚀加剧,深部基底岩石开始出露于地表。沙海组的中上部由深灰色砂岩、粉砂岩夹黑色泥岩、炭质泥岩、油页岩和煤组成,动物化石只见到一些小个体的双壳类,绝不再有热河生物群化石出现。这两个岩石地层单元中沉积物的颜色和岩性明显不同,除上述生物化石群组合与粗碎屑沉积的区别外,富含火山灰的灰绿、灰白色和白色的九佛堂组表明是形成于干燥、半干燥的热带、半热带气候,而黑色、灰黑色为主的沙海组含煤沉积则表明形成于潮湿的热带、半热带气候,二者还是比较容易区别的。过去之所以出现九佛堂组、沙海组时而互相替代、时而合并的问题,可以这样解释:因为九佛堂组为早白垩世第2套火山喷发之后的湖相沉积,而沙海组则是第4套火山-沉积旋回的冲积-湖相沉积,二者之间存在第3套冮台山组或榆树沟组的潜玄武安山岩,但是这套火山岩已经处于早白垩世火山活动的晚期,喷发作用已很微弱,潜火山岩不呈层状且分布局限,在冮台山组或榆树沟组没有分布的地区,沙海组就直接覆盖在九佛堂组之上,不仔细观察二者界线就比较难分,因此造成地层单元命名上的混乱。3.6生物化石群地层阜新盆地早白垩世重要含煤地层有上下两套:下部沙海组,上部阜新组,均形成于火山活动期之后。义县附近的杨柳屯组和彰武黑山区的八道壕组也含早白垩世重要可采煤层。过去有人认为杨柳屯组和八道壕组均比阜新盆地沙海组的层位要低,属于九佛堂组;有人则认为二者与沙海组为同期沉积。黑山县的八道壕组由谭锡畴于1926年命名,时代定为侏罗纪。1929年王竹泉、黄汲清将阜新盆地的含煤岩系统称阜新煤系,时代定为中侏罗世。1940年室井渡将阜新盆地的含煤地层分为上下两部分:下部清河门以南称为泥河子层,以北称为县城互层和沙海页岩层;上部称为阜新夹炭层,时代为中晚侏罗世。1960年北京地质学院始将沙海页岩层称为沙海组,其下的县城互层称为九佛堂组,阜新夹炭层称为阜新组,并将沙海组、阜新组的时代定为早白垩世。通过野外露头剖面、钻孔岩心和地表小煤窑对上述含煤地层的观察,沙海组、杨柳屯组和八道壕组生物化石群面貌相似,不同于九佛堂组。前文已述及九佛堂组典型的化石组合为热河生物群,而在八道