山東煙臺門樓水庫火山巖剖面特征及地學(xué)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(tài)修復(fù)中心, 山東濟(jì)南 250014;2)自然資源部黃河三角洲土地利用安全野外科學(xué)觀測研究站, 山東濟(jì)南 250014;3)中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京 100029; 4)山東省地質(zhì)調(diào)查院, 山東濟(jì)南 250014

地質(zhì)遺跡是在地球演化的漫長地質(zhì)歷史時期,由于各種內(nèi)外地質(zhì)作用形成、發(fā)展并遺留下來的珍貴的、不可再生的地質(zhì)現(xiàn)象(曹曉娟等, 2020)。新發(fā)現(xiàn)的火山巖剖面地質(zhì)遺跡資源位于山東省煙臺市福山區(qū)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(gòu)造上位于華北陸塊(Ⅰ)、魯東隆起區(qū)(Ⅲ)、膠北隆起區(qū)(Ⅲa)、煙臺凸起區(qū)()內(nèi)(張?jiān)銎婧蛣⒚魑?1996)。為查清剖面的接觸關(guān)系, 本次研究對發(fā)現(xiàn)的馬山剖面進(jìn)行了全面的清理與現(xiàn)場實(shí)測。

1 馬山剖面及其重要地質(zhì)現(xiàn)象

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

圖1 采樣剖面位置及地質(zhì)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(jì)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?jiān)銎娴? 2011), 經(jīng)自然資源部濟(jì)南礦產(chǎn)資源監(jiān)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(jié)構(gòu), 基質(zhì)為微晶-隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu), 塊狀構(gòu)造。主要礦物成分有輝石、隱晶質(zhì)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(fā)相沉積, 下部玄武巖水平層理較發(fā)育, 上部玄武巖柱狀節(jié)理發(fā)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(zhì)。凝灰?guī)r略呈黃色或暗紫色, 成分相對均一?；鹕郊瘔K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(shí)測剖面上可進(jìn)一步劃分為以下兩層:

上層為玄武質(zhì)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(zhì)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(jiān)硬, 呈灰黑色; 中上部巖石呈灰白色, 無包體, 顆粒較細(xì), 層厚2.00 m(圖版 I-4)。

1.3 凝灰?guī)r

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(jié)構(gòu), 塊狀構(gòu)造,主要礦物成分為石英、斜長石和黑云母碎屑、硅質(zhì)巖屑, 被鐵泥質(zhì)礦物膠結(jié), 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(jiān)硬, 膠結(jié)程度中等, 巖石成分以中細(xì)砂為主, 內(nèi)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(fù)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(yīng)為古代內(nèi)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(guān)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(fā)現(xiàn)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?guī)r、集塊巖和玄武巖層。玄武巖脈產(chǎn)狀呈高角度(60°～85°)產(chǎn)出, 其旁還發(fā)現(xiàn)有平行的高角度小逆沖斷層存在。據(jù)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?guī)r、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(jié)果

本次調(diào)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(xué)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(jì)南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心進(jìn)行切片鑒定和巖礦地球化學(xué)測試, 測試結(jié)果見表1。

表1 煙臺馬山玄武巖主量數(shù)據(jù)/%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(zhì)研究所和成都理工大學(xué)進(jìn)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(shí)驗(yàn)方法是利用同位素稀釋法在質(zhì)譜儀上測定氬的同位素,38Ar稀釋劑純度優(yōu)于99.9%。利用火焰光度計(jì)或原子吸收光譜測定鉀, 然后根據(jù)年齡公式和測試數(shù)據(jù)計(jì)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(shù)代入公式, 則有K-Ar法計(jì)算年齡的基本表達(dá)式:

所有樣品的 Ar同位素比值均在中國地震局地質(zhì)研究所實(shí)驗(yàn)測試中心測試完成, 在MM1200質(zhì)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(yōu)于 99.9%。利用火焰光度計(jì)或原子吸收光譜測定鉀, 然后計(jì)算樣品的年齡,MM1200質(zhì)譜儀與全金屬萃取系統(tǒng)及純化系統(tǒng)連接。萃取系統(tǒng)為內(nèi)外雙真空系統(tǒng), 采用電子轟擊爐方式加熱, 包括圣誕樹的內(nèi)真空系統(tǒng)與純化系統(tǒng)和質(zhì)譜儀相連通, 外真空系統(tǒng)用于電子轟擊加熱, 利用補(bǔ)償法精確控制溫度, 誤差為±5 ℃。

根據(jù)測年結(jié)果(表 2)顯示馬山地區(qū)玄武巖噴發(fā)主要發(fā)生于新近紀(jì)中新世墨西拿期(全國地層委員會, 2016)。第一期大規(guī)模玄武巖噴發(fā)位于新近紀(jì)中新世墨西拿期早期(7.19 Ma), 第二期大規(guī)模玄武巖噴發(fā)位于新近紀(jì)中新世墨西拿期中期(6.75 Ma), 第三期小規(guī)模玄武巖噴發(fā)位于新近紀(jì)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(guān)分析數(shù)據(jù)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(shù), 用來檢測和研究含有未成對電子的順磁性物質(zhì); 是一種物理現(xiàn)象, 它是電子自旋能級在外磁場的作用下發(fā)生塞曼分裂, 同時在外加微波能量的激發(fā)下電子從低能級向高能級躍遷的共振現(xiàn)象。石英ESR法測年的前處理和測試均在成都理工學(xué)院應(yīng)用核技術(shù)研究所電子自旋共振測年實(shí)驗(yàn)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(shù)字化全自動鈾釷鉀譜儀測定,微機(jī)α數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。各類儀器由中國核技術(shù)工業(yè)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心-核探測與分析技術(shù)研發(fā)部研制, 順磁測量相對誤差小于1%。

根據(jù)測年結(jié)果(表 3)顯示該處河流相沉積形成于新近紀(jì)中新世托爾托納期。兩種測年結(jié)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(qū)地層年齡基本一致(丁夢麟和裴靜嫻, 1984), 證實(shí)了測年結(jié)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Thermal activation and ESR dating of quartz experimental data

3 門樓馬山剖面對地殼運(yùn)動和地質(zhì)遺跡研究的意義

3.1 該剖面可用于研究新近紀(jì)以來膠東地區(qū)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(zhì)沉積物, 其出露標(biāo)高為海拔102 m, 高出現(xiàn)代河床(海拔約15 m)87 m, 應(yīng)為內(nèi)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(jié)果,為距今(11.59±1.1) Ma, 表明內(nèi)夾河在1000多萬年前就已經(jīng)存在, 且 1000多萬年以來, 該河流已經(jīng)下切了85～90 m。這說明了膠東地區(qū)為地殼長期穩(wěn)定或微微隆起的地區(qū), 可作為我國第三地勢階梯中地殼穩(wěn)定或相對隆升區(qū)的一個代表(趙志軍等,2013)。

3.2 該剖面可用于研究新近紀(jì)以來膠東地區(qū)的火山活動

根據(jù)玄武巖測年結(jié)果可以判定馬山玄武巖剖面為中新世晚期的產(chǎn)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?guī)r與火山集塊巖噴發(fā)時期, 發(fā)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(fā)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(fā)生在 5.32 Ma左右, 但其規(guī)模明顯弱于前兩期。

3.3 馬山玄武巖是山東境內(nèi)分布最東的玄武巖

火山凝灰?guī)r與集塊巖的噴發(fā), 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(qū)地殼運(yùn)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(qū)新近紀(jì)以來的地殼運(yùn)動、火山活動與地貌發(fā)育歷史提供了重要的地質(zhì)依據(jù)。

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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(jì)古河床相沉積物之上的現(xiàn)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?guī)r、集塊巖和玄武巖并伴生有斷層活動的現(xiàn)象,在我國甚至在世界上均較為少見, 具有重大的地質(zhì)意義與科學(xué)價值(王世進(jìn)等, 2014; 蒙永輝等, 2016;趙希濤, 2017)。

4 結(jié)論與建議

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

(2)馬山玄武巖是山東境內(nèi)分布最東的玄武巖,屬中新世晚期的產(chǎn)物。其火山活動大致可分為三期,第一期為火山凝灰?guī)r與火山集塊巖噴發(fā)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(zhì)意義與科學(xué)價值。為研究膠東地區(qū)火山活動提供了寶貴天然實(shí)驗(yàn)室, 建議設(shè)立地質(zhì)遺跡保護(hù)區(qū), 以保護(hù)寶貴的地質(zhì)資源。

致謝: 十分感激煙臺市自然資源和規(guī)劃局、煙臺市福山區(qū)自然資源局為項(xiàng)目的野外考察提供的大力幫助, 同時感謝中國地震局地質(zhì)研究所和成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)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(jì)牛山組玄武巖;

3-玄武質(zhì)洪積礫石層;

4-火山碎屑巖;

5-火山角礫巖;

6-砂巖;

7-新近紀(jì)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