山東煙臺門樓水庫火山巖剖面特征及地學意義

蒙永輝 , 趙希濤, 程鴻雁, 于得芹, 王慶兵 ,王振濤 , 羅 梅 , 劉妍芬

1)山東省國土空間生態修復中心, 山東濟南 250014;2)自然資源部黃河三角洲土地利用安全野外科學觀測研究站, 山東濟南 250014;3)中國科學院地質與地球物理研究所, 北京 100029; 4)山東省地質調查院, 山東濟南 250014

地質遺跡是在地球演化的漫長地質歷史時期,由于各種內外地質作用形成、發展并遺留下來的珍貴的、不可再生的地質現象(曹曉娟等, 2020)。新發現的火山巖剖面地質遺跡資源位于山東省煙臺市福山區門樓水庫東, 出露良好, 交通方便(趙希濤,2016)。剖面從門樓水庫東延伸至馬山山頂, 大地構造上位于華北陸塊(Ⅰ)、魯東隆起區(Ⅲ)、膠北隆起區(Ⅲa)、煙臺凸起區()內(張增奇和劉明渭,1996)。為查清剖面的接觸關系, 本次研究對發現的馬山剖面進行了全面的清理與現場實測。

1 馬山剖面及其重要地質現象

馬山為門樓鎮西南、門樓水庫東側的一個由玄武巖組成的小丘, 海拔僅約150 m(圖版I-1)。根據山東省區域地質圖(1: 25萬), 馬山地區出露的巖石主要有古元古代粉子山群崗崳組、新近紀牛山組及第四紀地層等(圖1)。為詳細掌握剖面特征, 根據剖面地層巖性特征, 馬山火山巖剖面自上而下可進一步細分如下(圖2)。

圖1 采樣剖面位置及地質背景Fig.1 Location of sample with geological background

圖2 門樓水庫火山巖剖面Fig.2 Volcanic rock profile of the Menlou Reservoir

1.1 新近紀牛山組玄武巖

由多套致密與氣孔狀玄武巖互層組成(宋明春等,2003; 張增奇等, 2011), 經自然資源部濟南礦產資源監督檢測中心測試, 主要巖性為灰黑色伊丁石化橄欖玄武巖, 斑狀結構, 基質為微晶-隱晶質結構, 塊狀構造。主要礦物成分有輝石、隱晶質和伊丁石化橄欖巖組成, 其次含有斜長石和不透明礦物。為火山噴發相沉積, 下部玄武巖水平層理較發育, 上部玄武巖柱狀節理發育, 出露厚度約50 m(圖版I-2)。

1.2 火山角礫巖

在火山角礫巖層中, 除火山成分外, 還含有巖性不同的磨圓礫石, 表明其火山活動性質。凝灰巖略呈黃色或暗紫色, 成分相對均一。火山集塊巖厚度由南東大于15 m, 向北西方向減少至3～5 m。該層在實測剖面上可進一步劃分為以下兩層:

上層為玄武質洪積礫石層, 該層由下至上礫石粒徑逐漸加大, 分選不均勻, 礫石粒徑最大約12 cm, 礫石成分有玄武巖、花崗巖和角閃巖等, 玄武巖礫石較多約占 45%, 分選差, 磨圓程度差; 花崗巖礫石磨圓程度較好, 粒徑 1～5 cm, 層厚1.58 m(圖版 I-3)。下層為火山角礫巖層, 底部巖石顆粒較粗含變質巖、花崗巖及角閃巖包體, 且含玄武巖碎塊及橄欖巖等, 巖石堅硬, 呈灰黑色; 中上部巖石呈灰白色, 無包體, 顆粒較細, 層厚2.00 m(圖版 I-4)。

1.3 凝灰巖

分上下兩層, 厚度2～3 m, 上層為火山碎屑巖層,總體上呈淺棕綠色-深棕綠色, 砂狀結構, 塊狀構造,主要礦物成分為石英、斜長石和黑云母碎屑、硅質巖屑, 被鐵泥質礦物膠結, 碎屑粒度大多在0.05～1 mm 之間, 分選性較好, 磨圓較差(王集寧等,2018)。該層頂部可見火山玻璃和橄欖石等, 層厚1.65 m(圖版I-5)。下層為砂巖層, 呈土黃色, 巖石堅硬, 膠結程度中等, 巖石成分以中細砂為主, 內含少量礫石, 粒徑約3～5 mm, 該層厚度0.75 m(圖版I-6)。

1.4 河流相礫石層

礫石粒徑普遍在3～20 cm之間, 分選與磨圓中等,成分較為復雜, 含有花崗巖、片麻巖等不同于上覆與下伏基巖等成分, 系一種小河的河床相沉積物, 應為古代內夾河的河床相沉積物。厚2～5 m(圖版I-7)。

1.5 古元古代粉子山群崗崳組

上述幾套地層之間, 均呈角度不整合接觸關系。主要巖性為疙瘩狀黑云片巖夾長石石英巖, 黑云變粒巖、二云片巖和透閃巖等(圖版I-8)。

1.6 玄武巖巖脈

必須著重指出的是, 在馬山西南部的剖面中,發現有寬度約0.50 m的一條玄武巖脈, 不僅穿插了基巖與古河流相礫石層, 也穿過了覆于其上的火山凝灰巖、集塊巖和玄武巖層。玄武巖脈產狀呈高角度(60°～85°)產出, 其旁還發現有平行的高角度小逆沖斷層存在。據露頭觀察, 該斷層也錯斷了河流相砂礫石層和上覆的火山凝灰巖、集塊巖和玄武巖,斷距約0.3～0.5 m(圖版I-9, 10)。

2 樣品的采集及測試結果

本次調查在馬山火山巖剖面上共采集了玄武巖樣品3件, 砂樣1件。

2.1 巖礦與地球化學測試

為了解巖礦成分, 采集玄武巖樣品3件送至自然資源部濟南礦產資源監督檢測中心進行切片鑒定和巖礦地球化學測試, 測試結果見表1。

表1 煙臺馬山玄武巖主量數據/%Table 1 Major elements content /% of Mashan basalts in Yantai

2.2 年齡測試

為了確切掌握馬山火山巖剖面的形成時代, 本次在該剖面上采取了玄武巖樣品 3件, 砂樣 1件,分別送至中國地震局地質研究所和成都理工大學進行K-Ar法和ESR法年齡測試。

2.2.1 K-Ar法同位素測年

具體實驗方法是利用同位素稀釋法在質譜儀上測定氬的同位素,38Ar稀釋劑純度優于99.9%。利用火焰光度計或原子吸收光譜測定鉀, 然后根據年齡公式和測試數據計算樣品的年齡:

式中,λ=5.543×10-10/年,λe=0.581×10-10/年和λβ=4.962×10-10/年, 將這些衰變常數代入公式, 則有K-Ar法計算年齡的基本表達式:

所有樣品的 Ar同位素比值均在中國地震局地質研究所實驗測試中心測試完成, 在MM1200質譜儀上測定氬的同位素, 采用同位素稀釋法測定,38Ar稀釋劑純度優于 99.9%。利用火焰光度計或原子吸收光譜測定鉀, 然后計算樣品的年齡,MM1200質譜儀與全金屬萃取系統及純化系統連接。萃取系統為內外雙真空系統, 采用電子轟擊爐方式加熱, 包括圣誕樹的內真空系統與純化系統和質譜儀相連通, 外真空系統用于電子轟擊加熱, 利用補償法精確控制溫度, 誤差為±5 ℃。

根據測年結果(表 2)顯示馬山地區玄武巖噴發主要發生于新近紀中新世墨西拿期(全國地層委員會, 2016)。第一期大規模玄武巖噴發位于新近紀中新世墨西拿期早期(7.19 Ma), 第二期大規模玄武巖噴發位于新近紀中新世墨西拿期中期(6.75 Ma), 第三期小規模玄武巖噴發位于新近紀中新世墨西拿期晚期(5.32 Ma)。

表2 煙臺馬山玄武巖K-Ar法同位素年齡和有關分析數據Table 2 K-AR isotopic age and related analysis data of Mashan basalt in Yantai

2.2.2 石英熱活化ESR測年

石英ESR測年方法是一種微波吸收技術, 用來檢測和研究含有未成對電子的順磁性物質; 是一種物理現象, 它是電子自旋能級在外磁場的作用下發生塞曼分裂, 同時在外加微波能量的激發下電子從低能級向高能級躍遷的共振現象。石英ESR法測年的前處理和測試均在成都理工學院應用核技術研究所電子自旋共振測年實驗室完成, 順磁測定用德ER-200D-SRC型電子自旋共振譜儀。天然放射性核素含量用CIT-3000F數字化全自動鈾釷鉀譜儀測定,微機α數據采集系統。各類儀器由中國核技術工業應用工程技術研究中心-核探測與分析技術研發部研制, 順磁測量相對誤差小于1%。

根據測年結果(表 3)顯示該處河流相沉積形成于新近紀中新世托爾托納期。兩種測年結果所得到的玄武巖同位素年齡和湖相沉積物年齡與研究區地層年齡基本一致(丁夢麟和裴靜嫻, 1984), 證實了測年結果的可靠性。張有瑜等(2015)、Filippo et al.(2020)報道了 K-Ar同位素測年的可靠性, 同時,盡管ESR測年受到多種不確定因素的影響, 目前的研究表明, 該方法測定中生代以來的年齡仍然具有一定的可信度。

表3 石英熱活化ESR測年實驗數據Table 3 Thermal activation and ESR dating of quartz experimental data

3 門樓馬山剖面對地殼運動和地質遺跡研究的意義

3.1 該剖面可用于研究新近紀以來膠東地區的地殼隆升幅度和速率

在該剖面的厚層玄武巖與火山巖下, 覆蓋有厚度2～5 m的河流相砂礫質沉積物, 其出露標高為海拔102 m, 高出現代河床(海拔約15 m)87 m, 應為內夾河的古河床相沉積物。該河床相沉積物所夾砂層的石英熱活化電子自旋共振法(ESR)測年結果,為距今(11.59±1.1) Ma, 表明內夾河在1000多萬年前就已經存在, 且 1000多萬年以來, 該河流已經下切了85～90 m。這說明了膠東地區為地殼長期穩定或微微隆起的地區, 可作為我國第三地勢階梯中地殼穩定或相對隆升區的一個代表(趙志軍等,2013)。

3.2 該剖面可用于研究新近紀以來膠東地區的火山活動

根據玄武巖測年結果可以判定馬山玄武巖剖面為中新世晚期的產物。馬山剖面的研究表明,其火山活動大致可分為三期: 第一期為火山凝灰巖與火山集塊巖噴發時期, 發生在 7.19 Ma左右,第二期為玄武巖的多期次溢流時期, 大約發生在6.75 Ma, 第三期為小型斷裂活動與玄武巖脈的侵入時期, 發生在 5.32 Ma左右, 但其規模明顯弱于前兩期。

3.3 馬山玄武巖是山東境內分布最東的玄武巖

火山凝灰巖與集塊巖的噴發, 多期次玄武巖的溢流, 玄武巖脈的侵入與逆斷層的活動, 直接證明了中新世以來在膠東地區地殼運動與火山活動較為頻繁(陳道公和彭子成, 1985; 金隆裕, 1985), 為研究膠東地區新近紀以來的地殼運動、火山活動與地貌發育歷史提供了重要的地質依據。

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3.4 該剖面是我國少有的玄武巖侵入剖面

王慧芬等(1988)研究表明晚新生代玄武巖與火山巖在我國東部分布較為廣泛, 玄武巖覆蓋于新近紀古河床相沉積物之上的現象比較鮮見, 玄武巖脈侵入于基巖、晚中新世河流相沉積物及上覆火山凝灰巖、集塊巖和玄武巖并伴生有斷層活動的現象,在我國甚至在世界上均較為少見, 具有重大的地質意義與科學價值(王世進等, 2014; 蒙永輝等, 2016;趙希濤, 2017)。

4 結論與建議

(1)膠東地區為地殼長期穩定或微微隆起的地區, 可作為我國第三地勢階梯中地殼穩定或相對隆升區的一個代表。

(2)馬山玄武巖是山東境內分布最東的玄武巖,屬中新世晚期的產物。其火山活動大致可分為三期,第一期為火山凝灰巖與火山集塊巖噴發時期, 第二期為玄武巖的多期次溢流時期, 第三期為小型斷裂活動與玄武巖脈的侵入時期。

(3)馬山剖面在我國甚至在世界上較為少見, 具有重大的地質意義與科學價值。為研究膠東地區火山活動提供了寶貴天然實驗室, 建議設立地質遺跡保護區, 以保護寶貴的地質資源。

致謝: 十分感激煙臺市自然資源和規劃局、煙臺市福山區自然資源局為項目的野外考察提供的大力幫助, 同時感謝中國地震局地質研究所和成都理工大學核技術與自動化工程學院對樣品分析測試所付出的大量心血。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No.DD2017078), and Department of Natural Resources and Department of Finance of Shandong Province (No.Lu cai jian zhi [2012]110).

圖版說明

圖版I Plate I

1-門樓水庫—馬山全貌;

2-新近紀牛山組玄武巖;

3-玄武質洪積礫石層;

4-火山碎屑巖;

5-火山角礫巖;

6-砂巖;

7-新近紀河流相礫石層;

8-古元古代粉子山群崗崳組長石石英巖;

9-玄武巖脈;

10-玄武巖侵入剖面

1-Menlou Reservoir-panorama of Mashan;

2-Neogene Niushan Formation basalt;

3-basaltic proluvial gravel layer;

4-pyroclastic rock;

5-volcanic breccia;

6-sandstone;

7-Neogene fluvial gravel layer;

8-feldspathic quartzite of Gangyu formation of Paleoproterozoic Fenzishan Group;

9-basalt vein;

10-basalt intrusion profile

圖版I Plate I