冀東缸山火山機構的主要特征及構造環境分析

趙忠海

摘? 要：冀東缸山一帶火山巖的出露面積不大，但巖性復雜，構造發育，產狀變化較大，給地層厘定帶來較大困難。本文在1：50000區域地質礦產調查工作的基礎上，通過巖性-巖相雙重填圖方法，對該地區的火山巖進行了詳細調查與劃分。根據巖性、巖相和構造的分布特點，認為該地存在一個火山機構。該火山機構主要由火山頸相、爆發相、溢流相、降落相、碎屑流相以及潛火山巖相組成，主要巖性為流紋斑巖、流紋巖、粗面安山巖、角礫熔巖以及角礫凝灰巖等。據同位素測年結果，該火山機構流紋巖的年齡為110.5±1.2Ma，形成于早白堊世;據巖石化學成分圖解分析，該火山機構的巖石樣本均投影于造山帶或同碰撞區內，這表明其形成于活動性大陸邊緣環境，是早白堊世燕山期造山運動的產物。缸山火山機構的確定，特別是同位素測年結果，對該地區火山巖地層的重新厘定具有十分重要的意義。

關鍵詞：火山機構;火山巖;巖相劃分;同位素測年;早白堊世;造山帶;同碰撞區;活動性陸緣環境

中圖分類號：P535;P317? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-1903（2019）03-0087-08

Main Characteristics and Tectonic Setting of the Gangshan Volcanic Edifice

in Eastern Hebei

ZHAO Zhonghai

（Beijing Institute of Geology， Beijing 100195）

Abstract： The volcanic rocks located in the Gangshan region， Eastern Hebei， is not large， but its lithology is complex， structure is developed and stratum attitude is changeable， so it is difficult to definite its stratum. Based on 1：50 000 regional geology and mineral resources survey， the detailed investigation and division of volcanic rocks in this region had been carried by lithology-lithofacies mapping method. According to the distribution characteristics of the volcanic rock’s lithology， lithofacies and structure， it is believed that there is a volcanic edifice in the region. The volcanic edifice is mainly composed of the volcanic neck facies， eruption facies， overflow facies， debris flow facies， landing facies and subvolcanic facies， which lithology is mainly the rhyolitic porphyry， rhyolite， trachyandesite breccia lava， lava tuff breccia and so on. By isotopic dating， the rhyolite age of the volcanic edifice is 110.5±1.2Ma， indicating that it was formed in Early Cretaceous. According to the chemical composition diagram analysis， its rock samples are projected in the orogenic belt or collision zone， indicating that the volcanic edifice formed in the active continental margin is the products of Yanshanian Movement. Determining the volcanic edifice， especially the isotopic dating， is very important to reclassify volcanic stratum in the region.

Keywords： volcanic edifice; volcanic rock; lithofacies division; isotopic dating; early cretaceous; orogenic belt; collision zone; active continental margin

0 引言

冀東昌黎—撫寧一帶的中生代火山巖出露不多，主要分布在昌黎縣東北的后營村—河西張各莊村—大新莊村—黃金山頭村一帶，空間上總體呈一長軸近NNW向的橢圓形展布，面積約15km2。由于巖性較復雜，構造較發育，地層產狀變化較大，給地層劃分和歸屬帶來了較大困難。前人在本區開展區域地質調查工作時曾將這一帶的火山巖劃為晚侏羅世的白旗組（河北省地質局第二區域地質測量大隊，1974）和義縣組（天津市地質調查研究院，2005），本次工作通過巖性-巖相雙重填圖方法，對區內的火山巖進行了詳細調查與劃分，根據巖性、巖相和構造的分布特點，在缸山附近識別出一處火山機構，并通過鋯石U-Pb測年，確定其形成年代為早白堊世。賦存地層應為早白堊世張家口組，缸山火山機構的確定，特別是鋯石U-Pb測年結果，對本區火山巖地層的重新厘定以及中生代華北地塊巖漿構造活動的研究具有十分重要的意義。故本文在河北1∶50000雷莊、石門、昌黎縣和灤南縣區域地質礦產調查工作的基礎上，認真分析了該火山機構的地球化學特征，并對其構造環境進行了初步探討。

1 缸山火山機構的主要特征

1.1 區域地質特征

（1） 地貌

缸山火山機構位于昌黎縣東北、撫寧縣南的后營村—政莊—白莊—黃金山頭村一帶，總體呈一近南北向延伸的壟形低崗，其最高點為缸山，海拔為369.7m;外圍地勢則相對較低，海拔為94～286m;坡度由下至上由緩漸陡，總體為30°～60°;四周V型溝谷比較發育，大體呈放射狀展布。火山機構的中心即位于缸山，為一近圓形陡峻孤峰，其上部較陡，坡度約70°左右，下部稍緩，坡度約40°左右，在地貌上屬于比較典型的火山穹形地貌。

（2）地層

缸山火山機構在大地構造位置上位于華北地塊東北端的次級構造單元燕山臺褶帶的古隆起東南，即遵化-山海關隆起的東段、昌黎臺凹的西南邊緣，在地層劃分上屬中生代早白堊世張家口組，除西南部被早白堊世似斑狀正長花崗巖侵入外，其東部、西部和北部均為第四系所覆蓋（圖1）。該火山機構的組成地層為中生代早白堊世張家口組一段（K1z1）和二段（K1z2）。其中張家口組一段的主要巖性為紫紅色粘土質粉砂巖、熔結凝灰巖、堿性流紋巖、流紋巖以及粗面質集塊巖;張家口組二段的主要巖性為粗安質含角礫沉凝灰巖、粗安巖、熔結凝灰巖以及流紋巖。一段和二段的分界是以二段底部的具有正粒序層理和平行層理的粗安質含角礫沉凝灰巖為標志，該巖層代表了本次火山活動兩個噴發亞旋回之間的噴發間斷。

在火山機構的中心附近，見有潛火山巖相的流紋斑巖和石英正長斑巖零星出露（北京市地質研究所，2008）。

（3）巖相

火山巖的巖相是指火山活動環境及在該環境下所形成的特定火山巖巖石類型的總和（陶奎元，1994），是相同類型火山作用及其產物的時空分布和地質特征（王璞等，2008）。火山巖相能夠揭示火山巖的空間展布規律和不同巖性組合之間的成因聯系，是火山巖物性、成因及其構造環境研究的重要內容（冉啟全等，2011）。

關于火山巖相的劃分，不同的學者從各自角度所提出來的劃分方案不盡相同。科普切弗—德沃爾尼科夫等（1978）將火山巖分為原始噴發相、次火山巖相和火山管道相;李石和王彤（1980）把火山巖劃分為噴發相、次火山巖相和火山管道相，并在此基礎上將上述3個相進一步劃分為8個亞相;Cas和Wright（1987）根據物源特征和搬運方式將火山巖劃分為熔巖流相、火山碎屑巖相、火山碎屑降落沉積相、陸上碎屑流和涌浪相、凝灰巖相和水下碎屑流和深海火山灰相;陶奎元和邱家驤等（1996）將火山巖劃分為噴溢相、空落相、火山碎屑流相、涌流相、火山泥流相、崩塌相、侵出相、火山口-火山頸相、次火山巖相、隱爆角礫巖相和火山噴發沉積相;金伯祿等（1994）將火山巖劃分為爆發相、噴崩及噴溢相、侵出相及潛火山相和噴發—沉積相，并在此基礎上將上述4個相進一步劃分為11個亞相。除此之外，謝家瑩（1996）、劉祥（1997）及劉文燦等（1997）也各自提出了不同的劃分方案。本文主要參照陶奎元和邱家驤提出的劃分方案，根據缸山火山機構火山巖的巖性和產狀特征，將該火山機構火山巖大致劃分為火山頸相（VNF）、爆發相（E）、降落相（FOF）、溢流相（SF）、碎屑流相（PRF）及潛火山巖相（SIF）。其中，火山頸相主要出露于火山機構的中心部位，其主要巖性為流紋巖;爆發相主要出露于火山機構中心的附近，圍繞在火山頸相的四周分布，其主要巖性為流紋質集塊角礫巖和流紋質角礫熔巖;降落相在火山機構中心的附近零星出露，其主要巖性為流紋質火山角礫巖及流紋質含角礫凝灰巖;溢流相的出露面積較大，在張家口組一段和二段中均有出露，分布地帶距火山機構中心較遠，其主要巖性為粗面巖、粗安巖和流紋巖;碎屑流相出露較少，主要出露于張家口組二段中，其主要巖性為熔結角礫凝灰巖，巖石的成層性較好;潛火山巖相主要出露于火山機構中心的附近，在張家口組二段中也有零星出露，其主要巖性為潛流紋巖和潛石英粗面巖，巖石呈脈狀分布，與其周圍巖石呈明顯的侵入關系。

（4）構造

缸山火山機構的斷裂構造比較發育，主要在火山機構北部及其中心附近呈放射狀分布，斷裂規模不等，總體以北東和北西向為主，地貌上多呈現為V型溝谷，沿斷裂帶有構造角礫巖發育，局部地段見蝕變礦化現象。

1.2 巖石地球化學特征

（1）樣品及分析方法

本次工作分別在缸山附近的張家口組一段和二段火山巖中采集10件流紋巖和粗安巖樣品用于主量、稀土和微量元素分析。 其中主量元素由天津地質礦產研究所實驗室測試完成，主要采用等離子發射光譜儀分析，除SiO2采用堿熔法測定外，其它氧化物均采用酸溶法測定，分析精度優于2%;稀土和微量元素由河北省區域地質礦產調查研究所實驗室測試完成，主要采用質譜儀和X熒光光譜儀分析，分析精度優于3%。

（2）主量元素地球化學特征

缸山火山機構火山巖主量元素特征見表1。由表1可知，缸山火山機構火山巖SiO2含量為58.36%～75.71%， Al2O3含量12.89%～16.90%，CaO含量為0.15%～4.27%，Fe2O3含量0.96%～6.95%，FeO含量為0.12%～3.42%，MgO含量為0.03%～2.15%，TiO2含量為0.10%～1.43%，Na2O+K2O含量為6.48%～9.19%，在TAS圖解中投影至粗安巖和流紋巖區域內（圖2），屬中—酸性巖類。經計算求得其堿度率AR值為1.88～5.46，里特曼組合指數δ值為2.36～3.74，屬鈣堿性系列太平洋型火山巖。巖石固結指數SI值為0.26～12.54，且由粗安質至流紋質，巖石固結指數由大至小，表明巖漿分異程度由高變低，酸性由中至強。

（3）稀土和微量元素地球化學特征

缸山火山機構火山巖稀土和微量元素特征見表2。由表2可知，缸山火山機構火山巖稀土元素總量較低，∑REE為106.0×10-6～234.5×10-6，其中LREE總量為92.6×10-6～213.5×10-6，HREE總量為13.32×10-6～22.03×10-6，LR/HR值為6.95～10.66，La/Yb值為4.73～16.67，表明LREE相對HREE強烈富集。流紋質巖石中，δEu值為0.06～0.13，負銪異常比較明顯;粗安質巖石中，δEu值為1.12～1.14，銪異常不明顯（圖3）。

同維氏同類巖石的平均值相比，缸山火山機構流紋巖中Nb、Zr等微量元素富集，Rb、Sr、Ba、Cr、Ni、Th、U、V等微量元素虧損;粗安巖中Ba、U、Zr等微量元素富集，Rb、Sr、Cr、Ni、Nb、Th、V等微量元素虧損（圖4）。

1.3 鋯石U-Pb年代學特征

（1）樣品處理及測試方法

本次工作在缸山附近采集多個流紋巖樣品進行鋯石U-Pb年齡測定。其中，人工重砂及鋯石分選由河北省區域地質礦產調查研究所實驗室完成，鋯石陰極發光圖像及U-Pb年齡測定由天津地質礦產研究所實驗室完成。U-Pb年齡測試儀器為激光熔蝕多接收器電感耦合等離子質譜儀（LA-MC-ICP-MS），其207Pb/206Pb、206Pb/238U和207Pb/235U的測試精度約2%（2σ），定年精度和準確度約1%（2σ）。實驗中，普通鉛校正采用Andersen法，數據處理采用ICPMSDataCal程序，用Isoplot程序完成年齡計算及諧和圖的繪制。

（2）測試結果

本次工作共測試30顆鋯石，所測鋯石均為無色透明，以自形短柱狀為主，少量長柱狀，長/寬變化不大，粒徑80～200μm，大多數鋯石結晶良好，具較明顯的韻律環帶，表明為巖漿鋯石（吳元保等，2004），其結晶年齡可代表流紋巖的成巖年齡。測試結果表明，在207Pb/206Pb、238U/206Pb值諧和曲線對比圖上（圖5），各點數據擬合較好，擬合直線的誤差MSWD=1.8，滿足精度要求。擬合直線與諧和曲線相交于110.5±1.1Ma，表明缸山火山機構流紋巖的年齡為110.5±1.1Ma，屬中生代早白堊世。

2 缸山火山機構的構造環境分析

2.1 構造環境判別

總體看來，缸山火山機構火山巖具有高K、高AI、低Ti 的特點，具島弧及活動大陸邊緣環境火山巖的特征。但巖石中K2O的含量值為2.65%～5.86%，平均4.72%，遠高于島弧環境火山巖K2O的含量（K2O平均為1.6%），而與活動大陸邊緣環境火山巖K2O的含量（K2O平均為3.25%）比較接近。SiO2含量為58.36%～75.71%，FeO*/MgO的值為3.24～50.27>2.0，K2O/Na2O的值為0.69～2.03>0.6，按照Jakes等人（1972）的觀點，其形成環境應屬活動大陸邊緣環境。LREE平均含量為174.3×10-6，HREE平均含量為18.7×10-6，LR/HR平均值為9.32，δEu平均值為0.34，具有輕稀土富集、重稀土虧損、較弱負Eu異常的特征，與島弧及活動大陸邊緣環境火山巖特征相似。

在lgσ-lgτ圖解中（圖6），巖石均投影于造山帶，即島弧與活動大陸邊緣區內;在Y-Nb圖解中（圖7），巖石均投影于“火山巖弧+同碰撞”區內，且相對靠近板內區一側。

綜上所述，本文認為缸山火山機構火山巖的形成環境應屬造山帶之活動大陸邊緣構造環境。

2.2 火山活動分析

缸山火山機構火山巖在區域地層上屬于中生代早白堊世張家口組一段（K1z1）和二段（K1z2），牛寶貴、和政軍等人（2003）應用SHRIMP U-Pb同位素測年方法測得冀北地區張家口組下部流紋巖年齡為135.8±3.1Ma;李佩賢、柳永清等人（2004）應用相同測年方法測得流紋巖的年齡為135.4±1.6Ma;本次工作應用鋯石LA-ICP-MS U-Pb測年方法測得流紋巖的年齡為110.5±1.1Ma，故缸山火山機構的形成年代大致在110～135Ma之間，屬早白堊世無疑，同位素測年結果與區域地層劃分情況一致。

據區域研究成果，中生代是華北地區重要的構造變革與轉型時期，構造盆地演化受控于歐亞構造域的板塊擠壓拼接和濱太平洋構造域“洋-陸”俯沖碰撞兩大動力學背景。特別是晚侏羅世—早白堊世時期，太平洋板塊活動取代了揚子板塊、西伯利亞板塊活動對華北地區構造演化的控制地位（吳智平等，2007），華北陸塊及其周緣地區受到了來自古太平洋板塊，尤其是伊澤奈崎板塊運動的影響。伊澤奈崎板塊快速向北運動所產生的側向拖曳應力與來自西伯利亞板塊的向南擠壓作用、來自印支陸塊的北向擠壓作用以及來自中國西南地區由于特提斯洋閉合所引起的被動擠壓作用（圖8）（范蔚茗等，2005），引起了華北陸塊巖石圈的伸展—減薄，在華北大部分地區形成了較大規模的裂陷盆地、斷陷盆地及火山-斷陷盆地，并導致了大規模以中酸性為主的火山噴發及巖漿侵入活動，形成了本區早白堊世的中酸性侵入巖和火山巖（許溫良等，2004）。

3 結論

冀東昌黎—撫寧一帶的中生代火山巖由于出露少，巖性雜，構造比較發育，給地層劃分和歸屬帶來了較大困難，導致前人工作對該區火山巖的認識存在較大分歧。本次工作通過巖性-巖相雙重填圖方法，識別出了缸山火山機構;通過鋯石U-Pb測年，確定了其形成年代;通過巖石地球化學分析，對其構造環境及火山活動進行了分析與探討。研究結果表明，缸山火山機構是由中心式火山噴發所形成的穹形火山，其形成時代為中生代早白堊世，其構造環境為活動性大陸邊緣環境，是中生代早白堊世燕山期造山運動的產物。缸山火山機構的確定，特別是鋯石U-Pb測年結果，對本區火山巖地層的重新厘定以及中生代華北地塊巖漿構造活動的研究具有十分重要的意義。

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