五大連池第四紀火山巖層序劃分及其構造與生態意義

曾普勝, 丘順帆, 李睿哲, 劉斯文, 王十安, 趙九江

1)自然資源部生態地球化學重點實驗室, 國家地質實驗測試中心, 北京 100037;2)黑龍江省地質調查研究總院, 黑龍江哈爾濱 150036; 3)中國地質大學(北京), 北京 100083

五大連池火山群是我國著名的第四紀火山群。多年來, 不少研究單位和個人先后對其進行了研究,積累了大量資料, 取得了豐碩的成果(Li et al., 2016;Rasskazov et al., 2016; Li et al., 2020)。但是, 至今在第四系巖石地層劃分和命名及其時代歸屬等方面,仍未取得較統一的認識。近年來, 作者在20世紀末五大連池火山群 1:5萬區調四幅聯測工作基礎上,對該火山群的巖石地層進行了較為深入的研究, 認識到第四系火山地層也屬于水平巖層, 它的劃分與對比必須是在查明每座火山噴發過程基礎上, 輔以同位素年齡資料佐證, 再依據火山巖層間的沉積夾層對比, 確定各火山的噴發時代。

最早對五大連池火山巖研究的是20世紀30年代的日本人小倉勉(1936), 將其兩分為新期(晚全新世)石龍熔巖和舊期(晚更新世)玄武巖。以后各家劃分基本參照此進行。20世紀黑龍江省區測一隊(1978)在開展1:20萬龍鎮公社幅區測時, 主要依據火山巖層間的沉積夾層對比, 將五大連池火山巖自下而上劃分為焦得布山(中更新世早期)、筆架山(中更新世晚期)和老黑山(晚全新世)等 3個玄武巖組(佟志芳,1978), 徐衍強和劉振環(1979)也進行了類似的劃分。胡世玲(1984)只劃分為五大連池玄武巖組和老黑山玄武巖組。王承祺(1987)對科洛—五大連池火山巖帶進行專題研究時, 主要依據 K-Ar同位素年齡資料, 將其自下而上分為雙泉(1.0—0.9 Ma)、焦得布山(0.90—0.80 Ma)、龍門山(0.65—0.50 Ma)、臥虎山(0.45—0.40 Ma)、影背山(0.40—0.30 Ma)、筆架山(0.30—0.25 Ma)、老黑山(距今265 a)等7個噴發亞期; 在 30屆國際地質大會五大連池火山地質旅行路線指南中, 也主要依據K-Ar同位素年齡資料, 將其自下而上分為格拉球山(2.076 Ma)、臥虎山(1.053—1.416 Ma)、焦得布山(0.88—0.70 Ma)、尾山(0.57—0.4 Ma)、筆架山(0.34—0.28 Ma)、西龍門山(0.19—0.17 Ma)和老黑山(1721—1719 a)等 7期火山熔巖(Wang, 1996)。李齊等(1999)在“五大連池地區火山巖年代學研究”一文中, 利用新采集K-Ar的同位素年齡資料, 將其自下而上劃分為1.3 Ma、0.9—0.8 Ma、0.6—0.45 Ma、0.38—0.24 Ma、0.16 Ma、0.09 Ma和距今 270 a等7個時段玄武巖。丘順帆等(2003)在1: 5萬五大連池農場四幅連測報告中, 主要依據火山巖層間的沉積夾層對比, 輔以同位素年齡資料佐證手段, 將其自下而上分為格拉球山(2.706—2.101 Ma)、焦得布(1.33—0.80 Ma)、尾山(0.57—0.317 Ma)、筆架山(0.25—0.145 Ma)和老黑山(距今284—228 a)等5期玄武巖。

勿庸質疑, 前人的每一次研究都使得五大連池火山巖石地層的劃分在向著正確的方向邁進, 特別是李齊等(1999)、Wang(1996)的劃分。然而, 這種劃分主要是依據同位素年齡資料進行的, 缺少巖石地層方面的佐證資料。本文從野外調查的巖石學資料, 結合年代學數據, 探討中國最新的火山巖的噴發層序及其生態環境意義, 為后續研究提供基礎地質數據。

1 地質背景

五大連池火山巖帶位于汾渭地塹—大興安嶺新生代火山巖裂谷帶的北東端, 與鏡泊湖—科洛火山巖帶交匯處(圖1a)(白志達等, 2012), 屬于北東向火山巖帶最年輕的火山巖。

五大連池火山群位于黑龍江省中部, 屬德都縣所轄。地理坐標為東經 126°00′—126°20′, 北緯38°34′—38°48′。區內丘陵起伏, 丘陵之上聳立著十四座火山(圖1b), 即: 尾山、莫拉布山、東龍門山、西龍門山、影背山(小孤山)、東焦得布山、西焦得布山、南格拉球山、北格拉球山、臥虎山、筆架山、藥泉山、老黑山和火燒山, 分布面積達八百余km2。自中更新世以來, 火山多次爆發, 最新的火山噴發發生在公元 1719年(清康熙五十八年)和公元 1720—1721年(清康熙五十九年—六十年)間, 清朝大臣吳振臣1721年所著的《寧古塔紀略》記載了火山的噴發景觀: “離城(都德)五十里有水蕩, 周圍三十里,于康熙五十九年六、七月間, 忽煙火朝天, 其聲如雷, 晝夜不絕, 聲聞五、六十里, 其飛出者, 皆黑石硫磺之類, 經年不斷, 竟成一山, 兼像城廓, 熱氣逼人三十余里, 只可登而遠望”, 這就形成了老黑山、火燒山兩座火山。這種早期的記錄對于理解火山爆發的過程和確切的噴發時間, 意義重大。

老黑山和火燒山噴發熔巖流從北往南流并占據白河故道及其附近低洼沼澤, 形成五個相互串通的火山堰塞湖, 這便是“五大連池”——相互連通的一池、二池、三池、四池和五池(圖1b)。

圖1 東北五大連池區域構造(a, 據白志達等, 2012修改)和火山群地質圖(b, 據Liu et al., 2001和Zhao et al., 2014修改)Fig.1 Regional geological map of Wudalianchi (a, modified from BAI et al., 2012), and distribution diagram of Quaternary volcanoes in northeast China (b, data from Liu et al., 2001 and Zhao et al., 2014)

長期以來, 五大連池第四系巖石地層, 尤其是五大連池火山巖石地層的劃分, 前人眾說紛紜。他們主要采用兩種劃分方法, 一種主要依據 K-Ar同位素年齡資料, 一種主要依據火山巖層間的沉積夾層對比。現就五大連池火山巖石地層的劃分情況概括如表1和表2。

表1 五大連池第四紀巖石地層劃分沿革表Table 1 Division and evolution of Quaternary rock strata in Wudalianchi area

表2 五大連池火山巖K-Ar同位素年齡一覽表Table 2 K-Ar dating data of the Wudalianchi volcanic rocks

2 五大連池第四紀火山巖層序劃分

2.1 巖石地層劃分原則

火山巖區地層比較復雜, 有的以火山巖為主,有的以沉積巖為主, 可統稱為火山-沉積巖系。在以火山巖為主的火山巖區, 巖石地層的劃分應以火山活動及其噴發層序本身的特點作為重要依據。在火山巖和沉積巖均較發育的地區, 還應將火山作用和沉積作用結合起來考慮巖石地層的劃分(巫建華,1999)。

上述兩條劃分原則決定了五大連池第四系巖石地層如下的具體劃分原則:

(1)五大連池既屬于以火山巖為主的火山巖區,又屬于火山巖和沉積巖均較發育的地區(火山巖約占第四系面積的 40.39%)。該區巖石地層的劃分除應以火山活動及其噴發層序本身的特點作為重要依據外, 還應將火山作用和沉積作用結合起來考慮巖石地層的劃分, 即火山噴發只不過是松嫩盆地連續沉積過程中的短暫的幕式火山活動, 正常沉積應劃分到組。而火山噴發考慮到其重要性, 理應劃分到組, 但因其時空間的短暫, 只賦予其組級單位含義,不賦予組名。

(2)五大連池火山位于松嫩盆地北緣, 沉積地層的劃分理應采用哈爾濱地層分區巖石地層單位。

(3)五大連池第四紀火山屬于水平巖層, 鉆孔層序資料表明除南格拉球山與北格拉球山、尾山、莫拉布山熔巖臺地上只存在有一層玄武巖外, 其余各座火山熔巖臺地上均存在有兩層玄武巖。因此, 五大連池地區第四系火山地層的劃分與對比必須是在地表巖石層序與鉆孔巖石層序劃分對比的基礎上,結合火山巖同位素地質年齡值進行。因此, 五大連池地區已有資料的95個鉆孔和12 543.36 m的總進尺,達到平均每個1:5萬幅有23.75個鉆孔和134.87 m/孔的深部層位控制密度, 充分保證了此項工作的開展。

(4)火山巖區的火山巖石地層比較復雜, 應在查明各火山的火山地層、噴發韻律、噴發旋回、火山巖相、噴發過程和噴發時代特征的基礎上, 才能切實進行火山巖石地層的劃分與對比。五大連池火山群新期火山裸露, 調查比較容易。舊期火山除了錐體半裸露, 熔巖臺地幾乎全掩蓋。因此, 在1:5萬五大連池區調工作中, 重點采用十字形剖面解剖每一座火山錐體, 同時重點對新期火山熔巖臺地上的熔巖溢流現象進行調查, 又施以ZK3-24等22個淺鉆,還在老黑山和小孤山近錐腳臺地上施以 ZK1和ZK2這2個深鉆, 鉆孔總進尺423.52 m, 才得以基本上完成此項工作。

(5)五大連池各期火山從老至新, 噴發量由少到多、再由多到少的規律, 反映了本區火山活動由弱到強、再由強到弱的演化特點。

(6)五大連池地表各期火山均存在復式錐, 經1:5萬區調工作后表明各期火山復式錐中的單錐均為同時噴發, 但噴發結束是有先后的, 從而證實各期火山復式錐中的單錐均為同期噴發產物。

2.2 巖石地層劃分方案

按上述劃分原則, 結合2003年獲得的10個玄武巖 K-Ar同位素年齡值, 使五大連池第四紀巖石地層劃分對比的依據更為充分。方案需要考慮以下幾點:

(1)經 1:5萬區調后期研究, 區內及外圍鉆孔資料顯示無有下更新統猞猁組和東深井組沉積。原在尾山農場六隊一帶垅崗地貌的低洼處和崗坡處沉積的一套花崗巖原地風化殘坡積砂礫石劃歸的“猞猁組”具鐵質膠結成巖沉積特征(丘順帆等, 2003), 可與五大連池火山北側大面積下—中更新統下荒山組對比。

(2)1:5萬區調在火山巖組間劃分的沉積巖組大致與前人的劃分相同, 考慮到五大連池火山-沉積盆地內幕式火山短暫噴發, 并為正常沉積巖組所夾特點, 本文將 1:5萬區調報告中的夾早更新世晚期“焦得布玄武巖”(1.33 Ma)的下荒山組下、上段(丘順帆等, 2003), 分別修改為下荒山組和上荒山組。西鄰 1:20萬區調嫩江縣幅荒山組沉積中心在榮軍農場五隊—雙山農場呈北北東向帶狀連續沉積資料也證實這一點(丘順帆等, 2003)。前人所劃分的“下荒山組”(1.2—0.6 Ma, 鄭慶道, 1991)和“上荒山組”(0.5—0.24 Ma, 鄭慶道, 1991)雖不符合地層命名原則, 在未有新的命名之前, 仍予沿用。

(3)格球山農場四連點處(舊址)的格拉球山北臺地玄武巖K-Ar同位素年齡值(2.101±0.063) Ma、(2.076±0.054) Ma(丘順帆等, 2003), 經新獲得的K-Ar同位素年齡值(0.472±0.021) Ma(丘順帆等,2003)、(0.398±0.015) Ma(丘順帆等, 2003), 另南格拉球山錐體與莫拉布山復式錐西錐體內均有積水沼澤, 又南、北格拉球山熔巖順古地形北流26 km達東風水庫(丘順帆等, 2003), 與尾山期錐體剝蝕程度和巖流噴發規模大的特點相同看, 應為中更新世早期尾山期(0.62—0.285 Ma)產物。因此, 1:5萬區調劃分的早更新世早期“格拉球山玄武巖”理應廢棄。而原位于格球山農場四連點處(舊址)玄武巖之下的“猞猁組”(N26孔)(丘順帆等, 2003)應改為下—中更新統下荒山組。原位于訥謨爾河谷岸上白堊統嫩江組之上、中—上更新統哈爾濱組之下(ZK7、ZK5孔)和位于訥漠爾河谷北岸焦盾臺地之下的下更新統“猞猁組”、“東深井組”(De16、De18孔)(丘順帆等, 2003), 應分別改為下—中更新統下荒山組和上荒山組, 即構成隱伏的訥謨爾河谷Ⅱ級階地。

(4)東焦得布山東南 W17孔中被下—中更新統下荒山組和上荒山組所夾的下層玄武巖, 與在臥虎山西北W1孔中覆蓋在上白堊統嫩江組砂泥巖之上的下層玄武巖為同一層位。五大連池鉆孔資料表明,該下層玄武巖分布零星, 與五大連池火山西側蓮花山玄武巖分布特點大致相同。蓮花山玄武巖 K-Ar同位素年齡值1.214～1.113 Ma(李齊等, 1999), 表明早更新世中期“焦得布玄武巖”的存在, 符合該初始期火山噴發規模小的特征。

(5)小孤山火山錐體覆蓋程度較厚, 與尾山、西焦得布山與東焦得布山的火山錐體覆蓋程度相似,完全不同于西龍門山與東龍門山錐體覆蓋程度。航片解譯資料證實西龍門山與東龍門山巖流繞過小孤山火山錐體南下而去。小孤山火山口內壁玄武質浮巖礫塊K-Ar同位素年齡值((0.470±0.026) Ma, 丘順帆等, 2003 )比西龍門山與東龍門山熔巖K-Ar同位素年齡值((0.132±0.006) Ma, 丘順帆等, 2003)也說明了這一點。

(6)西龍門山與東龍門山盾狀熔巖臺地東緣玄武巖K-Ar同位素年齡值(0.132±0.006) Ma, 表明與該兩座火山同為中更新世晚期筆架山玄武巖(0.25—0.132 Ma)。該期玄武巖以盾丘和復式錐發育、錐體與熔巖臺地剝蝕程度較低為特征, 明顯區別于其它各期玄武巖。筆架山同樣具有這個特征。東焦得布山東南ZK24孔玄武巖K-Ar同位素年齡值(0.209±0.010) Ma顯示為西龍門山與東龍門山盾狀熔巖向南圍繞西焦得布山與東焦得布山臺地南緣,沿訥謨爾河谷北側流淌。

(7)三池東岸邊(東焦得布山臺地)ZK17證實尾山玄武巖之上的中—上更新統哈爾濱組的熱釋光年齡值為(0.01775±0.0014) Ma(丘順帆等,2003)(表 3)。

表3 14C測年結果表Table 3 14C dating results

本次補充完成的 K-Ar同位素測年由國家地震局地質研究所李大明完成, 使用儀器: MM5400靜態真空質譜計; 測試條件: 樣品在 1500℃左右熔化的同時, 加入準確定量的38Ar稀釋劑, 測定混合稀釋劑后的同位素比值(40Ar/38Ar)m和(38Ar/36Ar)m, 求出樣品的放射性成因40Ar, 再根據樣品的鉀含量計算年齡。常數: λe=0.581×10-10/年; λβ=4.962×10-10/年;40K/K=1.167×10-4。參見李齊等(1999)。

炭質黏土14C測年由中科院長春分院地理所王超英、李崇玲完成。方法參見仇世華和蔡蓮珍(1997)。

(8)老黑山南 ZK1孔證實老黑山玄武巖之下為上更新統顧鄉屯組(0.0601—0.0144 Ma)黃褐色砂礫石(丘順帆等, 2003)。其砂的熱釋光年齡值為(0.0601±0.004) Ma(丘順帆等, 2003)。這個現像表明此處原為隱伏的“烏德鄰河”(陳洪洲等, 1999)Ⅰ級階地。1:5萬區調還證實老黑山新、舊錐噴發物間沒有沉積間斷(丘順帆等, 2003)。滿文史料記載老黑山玄武巖于 1720—1721年(陳洪洲等, 1999)和1776年(陳洪洲等, 2004)兩次噴發。老黑山舊北錐體火口緣相的磚紅色火山集塊巖中砂泥巖捕虜體熱釋光結果為距今(273±19) a B.P(計鳳桔和李齊, 1998),即1721年前后噴發時限。另從該期錐體與熔巖臺地絕大部分裸露, 地貌景觀保存完好看, 也不應存在0.09 Ma噴發活動(圖2a)。

2.3 五大連池火山巖地層層序

五大連池地表火山巖的面積為 851.15 km2(去掉盾狀臺地表皮上的沉積覆蓋層后), 其巖石地層單位由下而上劃分為 8個巖石地層單位, 即: (1)下—中更新統下荒山組(Q1-2x)、(2)下更新統焦得布玄武巖(βQ1j)、(3)下—中更新統上荒山組(Q1-2s)、(4)中更新統尾山玄武巖(βQ2w)、(5)中—上更新統哈爾濱組(Q2-3h)、(6)中—上更新統筆架山玄武巖(βQ2-3b)、(7)上更新統顧鄉屯組(Q3g)、(8)全新統老黑山玄武巖(βQhl)。具體如下:

(1)下—中更新統下荒山組(Q1-2x)

該組為調查區最早的第四系沉積物, 地表未出露, 主要隱伏于訥謨爾河北岸熔巖臺地之下, 其次隱伏于訥謨爾河南Ⅱ級階地之下, 東焦得布山東南W17鉆孔剖面可以代表前者層序, 厚度10.08 m(圖2b)。

圖2 五大連池火山的構造格架(a)及鉆孔柱狀對比圖(b)Fig.2 Structural framework (a) and borehole column comparison (b) of Wudalianchi Volcanoes

據其下伏地層為上白堊統嫩江組、上覆地層為下—中更新統上荒山組, 中間夾有下更新統焦得布玄武巖, 下段為河流相沉積、上段為湖相沉積, 含鐵錳質結核或條帶和具鈣質淋濾斑點, 頂部古土壤表層發育凍融褶皺特征與比較偏冷濕與偏冷干的氣侯環境下的樺林-草原植被景觀, 大致與構成松嫩盆緣山前部位的下—中更新統下荒山組(Q1-2x)層位基本相當, 形成時限應置于早更新世晚期—中更新世早期, 即＞1.2～0.4 Ma或1.2～0.6 Ma。五大連池鉆孔資料中反映出的下荒山組在臥虎山一帶缺失現象, 證實臥虎山一帶為古隆起。

(2)下更新統焦得布玄武巖(βQ1j)

該玄武巖僅零星出露于五大連池西側的蓮花山。在五大連池, 則零散見于臥虎山、東焦得布山和西焦得布山下幾個鉆孔內的下層玄武巖中。臥虎山北側 W1鉆孔剖面可以代表該層序, 厚度61.00 m(圖2b):

該孔玄武巖當中夾有 6層火山砂, 最厚一層火山砂厚度 3.71 m, 表明距離當時噴發的火山口不遠。在東焦得布山東南側W17鉆孔剖面上, 該玄武巖厚度為26.87 m。

該下層玄武巖, 前人未有 K-Ar同位素地質年齡值資料控制。但是從 W1孔上層玄武巖 K-Ar同位素地質年齡值為(0.415±0.048) Ma, 和從與 W17孔上層玄武巖同層位的東焦得布山和西焦得布山流至三池子東岸玄武巖臺地邊緣ZK17孔K-Ar同位素地質年齡值為(0.318±0.008) Ma(表 1)看, 均顯示為中更新統尾山玄武巖。又從該玄武巖零星出露于五大連池和蓮花山, 不具有面狀噴發特點, 符合五大連池火山初始噴發能量少和弱的規律。所以, 依據蓮花山玄武巖 K-Ar同位素地質年齡值為1.214～1.113 Ma(表 1), 該兩孔的下層玄武巖沿用1:20萬龍鎮公社幅區調命名在先原則, 確定為下更新統焦得布玄武巖。

(3)下—中更新統上荒山組(Q1-2s)

該組在五大連池火山群內為隱伏地層, 位于東焦得布山東南側 W17鉆孔下更新統焦得布玄武巖之上(圖2b)。據位于訥謨爾河南Ⅱ級階地表層的建設鄉東溢洪道 2995點剖面和二龍山農場一分場ZK7號鉆孔剖面孢粉資料顯示, 該組第6層仍以草本花粉占優勢, 但較下荒山組有所減少, 木本植物花粉較下荒山組有所增加。草本植物花粉以蒿屬占絕對優勢, 蘆葦屬、苔屬花粉很少, 顯示比較干旱的氣侯環境。木本植物花粉以樺屬、鵝耳櫪屬為主,說明氣溫偏冷。第7層草本植物花粉稍多于木本植物花粉, 草本植物花粉以蒿屬花粉為主, 苔屬和蘆葦屬較少, 仍是較干的氣候環境。木本植物花粉以闊葉樺、鵝耳櫪屬花粉為主, 顯示比較偏冷干的氣侯環境。這種差別可能仍然反映為區東南側森林較多, 而區西南側草原較多的緣故。

據其下伏地層為下—中更新統下荒山組、上覆地層為中更新統尾山玄武巖、湖相沉積, 含鐵錳質結核或條帶、具鈣質淋濾斑點和凍融褶皺不發育特征與比較偏溫涼的氣侯環境下的樺林-草原植被景觀, 該組與構成松嫩平原盆緣山前部位的下—中更新統上荒山組層位相當, 時代為中更新世中期, 即0.80—0.60 Ma。

(4)中更新統尾山玄武巖(βQ2w)

該玄武巖出露于北格拉球山、南格拉球山、臥虎山、西焦得布山、東焦得布山、小孤山、莫拉布山和尾山。其次作為筆架山、西龍門山、東龍門山熔巖臺地下隱伏的下層玄武巖, 地表出露面積為530 km2, 是五大連池火山爆發最強烈、溢流范圍和堆積厚度最大一期的玄武巖。小孤山南ZK2孔下層玄武巖剖面可以代表該層序, 厚度為 77.77 m(圖2b):

第7層玄武巖K-Ar同位素年齡值為(0.285±0.015) Ma,與臥虎山西北 W1孔上層玄武巖 K-Ar同位素年齡值(0.415±0.048) Ma相當, 也與東焦得布山和西焦得布山流至三池子玄武巖臺地邊緣 ZK17孔 K-Ar同位素地質年齡值為(0.318±0.0008) Ma(表1)相當。其次, 尾山錐體的 K-Ar全巖同位素地質年齡值(0.51±0.02) Ma 和(0.52±0.14) Ma, 莫拉布山北西熔巖臺地K-Ar全巖同位素地質年齡值(0.57±0.05) Ma。再者, 北格拉球山北臺地 K-Ar同位素年齡值分別為(0.472±0.021) Ma、(0.398±0.015) Ma(表 3, 表 4)也屬于該層位。所以依據該層玄武巖的下伏地層為下—中更新統上荒山組(Q1-2x)黃褐色亞黏土, 上覆地層為中—上更新統哈爾濱組(Q2-3h)黃褐色亞黏土,分布又最為廣泛, 有必要將其劃分出來, 又該玄武巖以尾山最為典型, 將其歸為中更新世中期0.57—0.285 Ma。位于尾山西側的 De9孔, 和東焦得布山東側的W17孔也很具代表性(圖2a)。

表4 熱釋光測年結果表Table 4 Thermoluminescence dating results

(5)中—上更新統哈爾濱組(Q2-3h)

該組主要出露于五大連池舊期火山的熔巖臺地上, 為黃色亞黏土, 厚度一般為＜3～5 m。其次,在溝谷低洼地段充填湖沼相沉積的淤泥質亞黏土,最大厚度為14 m。小孤山南ZK2孔可以作為代表性剖面, 厚度5.10 m(圖2b)。其中所夾的17-18層為中更新統筆架山玄武巖(βQ2b)。在藥泉山東翻花泉附近W38孔西約200 m處的該層位2.5 m深處,采到蒙古原始野馬牙齒化石(經魏正一初步鑒定)。三池子東岸玄武巖臺地邊緣ZK17鉆孔剖面可以代表后者層序(圖2b):

該剖面孢粉組合中第3層下、中部為Ⅰ帶, 木本花粉含量稍高, 以闊葉樹種樺屬、鵝耳櫪屬為主,針葉樹種花粉極少。草本植物以蒿屬、禾本科、苔屬為主。蕨類植物孢子很少, 是冷偏濕的氣侯環境。第3層上部、5、6、7、8層為Ⅱ帶, 木本花粉含量稍多, 以針葉樹種占絕對優勢, 闊葉樹種花粉較Ⅰ帶顯著減少; 草本植物以蒿屬花粉為主。其次是禾本科、毛茛科、十字花科、薔薇科。在第7層中, 水生植物香蒲屬、眼子菜屬花粉含量稍多, 說明局部地段處于水下, 但大環境還是冷偏干的氣候環境。第9、10層為Ⅲ帶, 草本植物比木本植物含量高, 草本植物以禾本科、菖蒲屬、蒿屬花粉為主, 其次還有一些毛茛科、十字花科、薔薇科。木本植物以闊葉植物鵝耳櫪屬為主, 針葉樹種花粉很少, 是一種偏暖濕的氣侯環境。

東焦得布山東南 W17孔剖面可以代表前者層序, 厚度5.40 m(圖2b)。

ZK17第 4、7、10層熱釋光測年值分別為:(17.75±1.4)×104a、(14.37±1.12)×104a、(9.86±0.76)×104a(表 4)說明該堆積層序形成時限為中更新世晚期—晚更新世早期。據其覆蓋在中更新統尾山玄武巖(βQ2w)之上, 其中又夾有中更新統筆架山玄武巖(βQ2b), 并以普遍以含鐵錳質結核和小礫往上巖相穩定為洪水漫覆相細碎屑沉積為特征, 與構成松嫩盆地Ⅱ級階地和各類臺地上部表層的中—上更新統哈爾濱組(Q2-3h)相當, 即形成時限為0.24—0.07 Ma。

(6)中—上更新統筆架山玄武巖(βQ2-3b)

該玄武巖主要出露于筆架山、西龍門山、東龍門山、藥泉山, 面積253 km2。其次, 作為老黑山熔巖臺地下隱伏的下層玄武巖。筆架山北W9孔剖面可以代表前者層序, 厚度為 53.65 m, 層序如下(圖2b):

老黑山南 ZK1孔下層玄武巖剖面可以代表后者層序, 厚度5.71 m(圖2b)。

從該層玄武巖被夾于中—上更新統哈爾濱組(Q2-3h)中的現像, 說明了其噴發期較為短暫, 依據筆架山盾狀臺地 K-Ar全巖同位素地質年齡值分別為(0.145±0.015) Ma、(0.162±0.004) Ma, 西龍門山西錐腳熔巖 K-Ar全巖同位素地質年齡值為(0.16±0.007) Ma、(0.132±0.006) Ma, 藥泉山翻花泉處與小孤山熔巖 K-Ar全巖同位素地質年齡值分別為(0.25±0.002) Ma、(0.24±0.07) Ma, 老黑山南 ZK1孔下層玄武巖 K-Ar全巖同位素地質年齡值為(0.090±0.007) Ma(表 1)。因此, 將該玄武巖確定為中更新世晚期和晚更新世早期, 即形成時限在0.24—0.09 Ma。

(7)上更新統顧鄉屯組(Q3g)

該組主要斷續分布于本區南部的訥謨爾河兩岸, 構成河谷殘留Ⅰ級階地。其次, 作為石龍河的前身—隱伏的古“烏德鄰河”河谷殘留Ⅰ級階地。老黑山南 ZK1孔剖面可以代表后者該層序, 厚度1.74 m(圖2b), 層序如下:

可明顯地分為下、上兩部分, 1—3層為粗碎屑堆積, 厚度6.30 m, 4—9層為細碎屑堆積, 厚度5.20 m,表現出一個完整的正旋回韻律沉積。下部為河床相兼夾有牛軛湖相沉積, 上部為沖洪積邊灘沉積。孢粉組合中第3、5層為Ⅰ帶, 以草本花粉占絕對優勢為特征(＞80%); 木本植物花粉較少, 蕨類植物孢子更少。草本植物花粉以蒿屬高含量為特征, 其次是菖蒲屬、蘆葦屬, 其它如毛茛科、薔薇科、十字花科花粉也有一定含量。顯示涼偏干的氣侯環境。第6、7層為Ⅱ帶, 和Ⅰ帶相比, 草本植物花粉顯著減少, 相應的木本植物花粉明顯增多。木本植物花粉比草本植物花粉百分含量稍多。草本植物花粉以蘆葦屬、蒿屬花粉為主; 木本植物花粉以闊葉鵝耳櫪為主, 針葉樹種花粉極少, 顯示暖濕的氣候環境。第 8層為Ⅲ帶, 和Ⅱ帶相比, 草本植物花粉又有所增加, 百分含量超過木本植物花粉。木本植物花粉主要由闊葉樹種花粉組成, 未見針葉樹種花粉。草本植物花粉以蒿屬花粉含量最多, 其次是菖蒲屬、蘆葦屬花粉。指示一種冷偏干的氣侯環境。

剖面自下而上木本植物花粉和草本植物花粉由少(多)—多(少)—少(多)的變化, 反映這種古氣候向涼干—暖濕—冷干交替的方向發展, 是以榛、菖蒲、嵩為主的疏林草原湖沼植被類型。其中第 1、3、7層熱釋光測年值分別為(4.53±0.38)×104a、(3.50±0.28)×104a、(1.54±0.12)×104a, 第6層14C 測年為(21 854 ± 637) a(表3)。ZK1孔第5層中砂的熱釋光測年值為(60 100 ± 4600) a(表4), 以及被晚全新世老黑山玄武巖(βQhl)噴發覆蓋關系(圖 2b—ZK1),說明該堆積層序形成時限為晚更新世晚期, 并與松嫩盆地顧鄉屯組相當, 即形成時限在0.07—0.011 Ma。

(8)全新統老黑山玄武巖(βQhl)

該玄武巖出露于老黑山、火燒山, 面積約為68.15 km2, 可以老黑山南ZK1孔剖面為代表, 厚度41.78 m(圖2b)。據滿文史料記載(陳洪洲等, 1999),該玄武巖于 1720—1721年形成, 因此將其時代確定為全新世。具東、南、西、北不同方向溢出口及多次復合(圖3)。其中保留了至今仍屬相對新鮮的天然火山巖樣品。

圖3 五大連池五大連池老黑山、火燒山火山地質圖與地幔橄欖巖包體觀察點分布圖(a)及老黑山(b)與火燒山(c)剖面圖(地質圖和剖面圖據白志達等, 1999修改)Fig.3 Map showing volcanic eruption types and sampling sites of peridotite xenoliths of Laoheishan and Huoshaoshan in Wudalianchi (a) and cross-sections of the volcanic cones of Laoheishan(b) and Huoshaoshan (c)(modified after BAI et al., 1999)

3 火山巖層序的構造與生態環境意義

3.1 地質構造意義

火山噴發受NW向和NNE向兩組斷裂控制, 形成由南西逐漸向北東遷移的火山群(圖 2a), 與區域上的大同—大興安嶺裂谷帶和松遼地塹的火山活動趨勢(圖1a)一致(Basu et al., 1991; 白志達等, 2012;劉廣等, 2021), 并且位于大興安嶺地區與松遼地塹西北部的交匯部位, 展示出五大連池火山群是汾渭地塹-大興安嶺幔源火山活動帶的最新前鋒的趨勢,這對于理解華北板內火山裂谷的深部運移情況和地震預測具有極為重要的意義。

同時, 該帶上巖石圈伸展減薄, 是富含揮發分的巖漿攜帶大量的地幔橄欖巖包體(圖 4), 是研究中國東部深部地幔的直接窗口(曾普勝等, 2021), 與西南部的漢諾壩一帶的玄武巖中的地幔包體開展對比研究, 可以準確了解從古近紀到現代“汾渭—大興安嶺地幔流體”流動的性狀和巖石圈地幔的變化趨勢, 這是中國東部深部探測的寶貴的天然實驗室和理想場所。

圖4 五大連池老黑山北溢出口火山巖的噴發層序(a)及其攜帶橄欖石巨晶(b和c)Fig.4 Eruptive sequences(a) of volcanic rock at the northern breached crater of the Laoheishan in Wudalianchi and the olivine megacrysts carried by the lava (b and c)

3.2 生態環境意義

3.2.1 土壤及優質農產品意義

從長白山、鏡泊湖、科洛等火山群的爆發, 再到五大連池火山群的噴發堆積, 形成的一系列的新生代富鉀的堿性玄武巖堆積區, 由于其含有豐富的微量元素(ΣREE)和鉀、磷等作物生長的必要元素(表4), 其中鉀(5.25%～5.97%, 平均 5.55%)是中國玄武巖的(1.18%, 遲清華和鄢明才, 2007)的 4.7倍、磷(1.04%～1.09%, 平均 1.06%)是中國玄武巖的(0.343%, 遲清華和鄢明才, 2007)的 3.1倍, 其他微量元素也都顯著富集(表 5); 這些顯著富集的鉀、磷、微量元素是天然植被和農作物生長的最重要營養物質(王承祺, 1979; Basu et al., 1991)。其實, 從鏡泊湖—長白山—龍崗—千山一線的新生代富鉀磷火山巖, 與五大連池火山巖一樣, 對東北肥沃黑土地的形成皆有重要貢獻, 是該區得以種植出優質農產品的一個重要因素。深入研究火山巖中的主微量元素與土壤之間的營養元素豐缺的關系對于農業基礎資料有支撐。

表5 五大連池富鉀堿性玄武巖主量成分Table 5 Composition of major elements of the potassium-rich alkaline basalts in Wudalianchi

3.2.2 生態多樣性

嫩江平原經中—新生代的風化剝蝕和夷平作用, 已形成平坦的地形, 其植被和生態多樣性相對簡單, 然而, 經過五大連池新生代的火山群的噴發活動, 使平地上升起的若干火山錐, 并伴有優質的地下水從火山口和相關裂隙中不斷涌出, 如火山群南部的藥泉山等地, 使得本區的植物-動物群落豐富多樣, 參見前述巖石地層單位(1)—(8)的描述, 生態多樣性顯著增加且與非火山群地區的生物組合顯著差異, 成為天然的生物基因寶庫。

4 結論

根據野外填圖與觀測, 結合巖石礦物成分及其化學成分的測試, 可得出以下結論。

(1)五大連池火山巖的地層層序可劃分為8個巖石地層單位, 由上到下(新到老)依次是:

⑧全新統老黑山玄武巖(βQhl), 玄武巖年齡為270 a BP;

⑦上更新統顧鄉屯組(Q3g)河湖相沉積和沖洪積邊灘沉積, 形成時限為0.07—0.011 Ma;

⑥中—上更新統筆架山玄武巖(βQ2-3b), 形成時限為0.16—0.07 Ma;

⑤中—上更新統哈爾濱組(Q2-3h): 為熔巖臺地上的黃色亞黏土和湖沼相沉積的淤泥質亞黏土, 形成時限為0.17—0.09 Ma;

④中更新統尾山玄武巖(βQ2w): 是五大連池火山爆發最強烈、溢流范圍和堆積厚度最大一期的玄武巖, 形成時限為0.57—0.38 Ma;

③下—中更新統上荒山組(Q1-2s): 亞黏土, 時代為0.80—0.60 Ma;

②下更新統焦得布玄武巖(βQ1j): 玄武巖形成時代為1.214—1.113 Ma;

①下—中更新統下荒山組(Q1-2x): 河湖相沉積并含鐵錳質結核或條帶, 頂部古土壤層, 形成時限為大于1.2 Ma。

(2)大連池火山群是汾渭地塹—大興安嶺幔源火山活動帶的最新前鋒, 堿性玄武巖中攜帶大量的地幔橄欖巖等巨晶或包體, 是研究深部地幔流體活動的理想場所。

(3)巖石地層單位劃分中觀察到的復雜的動物-植物組合表明, 五大連池火山群鑄就的火山巖臺地、火山錐等平原隆起地形增加的本區動物-植物群落的多樣性。

(4)五大連池富鉀磷等多種元素的堿性玄武巖對嫩江平原肥沃的黑土地形成有重要貢獻。

致謝: 野外工作得到五大連池風景區自然資源局的大力支持, 特別是賀亮先生給予細致入微的幫助; 國家地質實驗測試中心研究生張婕參與了野外取樣工作, 在此表示感謝。特別感謝兩位審稿專家對論文提出的建設性的修改意見。

Acknowledgements:

This study was supported by Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund(No.JYYWF20180101), China Geological Survey(Nos.0100123057; DD20190589; DD20160220;DD20190703), and National Natural Science Foundation of China (No.41072073).