對山東省第四紀(jì)史家溝組劃分的再認(rèn)識

蒙永輝，于得芹，王慶兵，王振濤，楊曉娟

(1.山東省國土空間生態(tài)修復(fù)中心，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

第四紀(jì)史家溝組是全國地層清理工作中厘定的第四紀(jì)火山巖層，以蓬萊城西史家溝村命名[1-2]。從20世紀(jì)80年代開始，許多專家學(xué)者針對“第四紀(jì)玄武巖”的形成年代開展了大量的研究工作，形成了系列成果[3-5]，但玄武巖的形成時(shí)代仍存在一定爭議。1984年，丁夢麟等[6]對蓬萊紅石山剖面2個(gè)玄武巖噴發(fā)旋回之間的“黃土烘烤層”進(jìn)行了熱發(fā)光年代測定，其年齡在1.14～0.83 Ma之間,故將其確定為早更新世末至中更新世；1985年，陳道公等[7]對蓬萊地區(qū)的玄武巖進(jìn)行了K-Ar測年，得到的年齡范圍為5.70～4.39 Ma，并將蓬萊火山活動(dòng)劃分為2個(gè)旋回及若干個(gè)韻律，在時(shí)代上分別為上新世和更新世；2003年，宋明春等[8]將山東省新生代火山巖分為古近紀(jì)沙河街旋回和新近紀(jì)牛山旋回、堯山旋回及第四紀(jì)史家溝旋回,其中牛山旋回火山巖的K-Ar年齡為19～16 Ma,堯山旋回火山巖的K-Ar 年齡為12～4 Ma，史家溝旋回火山巖的年齡為1.03～0.73 Ma?？偟膩砜?，由于測年方法的差異和采樣位置的不同，蓬萊玄武巖年齡存在明顯差異，需要進(jìn)一步深入研究。

為系統(tǒng)梳理史家溝組的各項(xiàng)研究成果，重新厘定地層時(shí)代，有效保護(hù)典型地質(zhì)剖面，在山東省史家溝組地層出露區(qū)系統(tǒng)采集了前人所劃史家溝組的樣品，對其進(jìn)行了K-Ar和ESR測年，為史家溝組的合理劃分提供了同位素年齡依據(jù)。

1 史家溝組地層及其特征

史家溝組主要分布于山東蓬萊市沿海的北溝鎮(zhèn)、史家溝、劉家溝及黃城羊嵐一帶，少量分布于長島的黑山島、無棣縣大山等地(圖1)。1958年，長春地質(zhì)學(xué)院將該組劃分為第三系；1976年，山東省地質(zhì)局805隊(duì)將其劃分為新近系，其后有研究者將該組中的玄武巖歸為第四系[9]；1991年，山東省地質(zhì)礦產(chǎn)局區(qū)域地質(zhì)調(diào)查隊(duì)在1∶20萬蓬萊、煙臺、砣磯島幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告中，將蓬萊一帶的玄武巖稱第四紀(jì)赤山組[10]；1995年，在山東省地層清理研究中，將該組確定為第四紀(jì)史家溝組，創(chuàng)名地點(diǎn)為蓬萊市城西史家溝村[11]。

1.第四系沂河組；2.第四系寒亭組；3.第四系旭口組；4.第四系臨沂組；5.第四系大站組；6.第四系史家溝組；7.新近系堯山組；8.白堊系曲格莊組；9.震旦系香夼組；10.震旦系南莊組；11.南華系鋪?zhàn)愚沤M；12.滹沱系陡崖組；13.滹沱系野頭組；14.滹沱系祿格莊組；15.新太古界郭家莊巖組；16.白堊系花崗閃長斑巖；17.白堊系石英閃長玢巖；18.白堊系細(xì)粒二長花崗巖；19.白堊系含斑中細(xì)粒二長花崗巖；20.白堊系斑狀中粗粒二長花崗巖；21.白堊系斑狀中細(xì)粒含黑云二長花崗巖；22.白堊系斑狀粗中粒含黑云花崗閃長巖；23.侏羅系偉晶不等?；◢弾r；24.侏羅系中粗粒二長花崗巖；25.侏羅系中粒含黑云二長花崗巖；26.古元古界細(xì)粒含黑云二長花崗巖；27.新太古界細(xì)粒二長花崗巖；28.新太古界中細(xì)粒變輝長巖；29.采樣位置及編號。圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of research area

史家溝組層型位于蓬萊市上魏家—五里橋剖面。該組的上覆地層為第四系山前組殘坡積含礫砂質(zhì)黏土，下伏地層為新近系臨朐群堯山組玄武巖層，該組與上覆和下伏地層均呈角度不整合接觸。史家溝組厚152.7 m，自上而下分為12層，主要巖性為橄欖玄武巖、玄武質(zhì)角礫熔巖夾數(shù)層紅色風(fēng)化殼。共有6個(gè)火山噴溢韻律，厚者達(dá)55 m，薄者僅1 m，說明火山噴發(fā)強(qiáng)度具有差異性。不同地區(qū)史家溝組的巖性、巖相、厚度略有差異。在前人的研究中，蓬萊紅石山海邊剖面紅石山玄武巖K-Ar年齡為5.17～4.39 Ma，蓬萊欒家口玄武巖K-Ar年齡為5.02～4.25 Ma[12]。

在無棣大山一帶，史家溝組厚50～150 m，向北玄武巖很快變薄至30 m左右。在大山剖面的史家溝組可分為4大層：第一層為致密狀、粒狀霞石質(zhì)玄武巖，以黑灰色為主，次為紫紅、褐灰色；第二層為灰綠、紫紅色氣孔狀玄武巖；第三層為暗綠、綠灰色致密塊狀玄武巖；第四層為灰綠、紫紅色礫狀及氣孔狀玄武巖，由火山彈、火山豆、火山灰組成[13]。玄武巖的K-Ar同位素年齡為0.86～0.84 Ma，處于古地磁松山負(fù)極性帶中，賈拉米亞時(shí)之上，時(shí)代為早更新世晚期[13]。

2 采樣及分析方法

2.1 樣品采集

在蓬萊、長島和無棣等前人所劃史家溝組分布區(qū)的11個(gè)剖面露頭系統(tǒng)采集了樣品(圖1)，重點(diǎn)對出露典型的蓬萊銅井海岸玄武巖剖面(紅石山海邊玄武巖剖面)進(jìn)行了詳細(xì)研究，在該剖面上采集了2件砂樣和1件玄武巖樣品(圖2)。該剖面自下而上出露有9個(gè)巖性層，基底為花崗巖，其上依次為砂礫石層、棕黃色細(xì)砂夾小礫石層、棕黃色細(xì)砂層、土黃色砂層、黃色火山碎屑巖風(fēng)化殼、肉紅色火山碎屑巖風(fēng)化殼、紅-棕紅色火山碎屑巖風(fēng)化殼以及玄武巖，其中棕黃色細(xì)砂層與上覆的細(xì)砂夾小礫石層和下部的砂礫石層分別呈整合接觸，為一套完整的山前河流沖洪積-湖泊沉積體系。砂礫石層為近源的河流沖洪積物，而后過渡到細(xì)砂湖相沉積物，其間所夾礫石層透鏡體反映了山前沖洪積物的存在，表明在銅井剖面火山噴發(fā)之前處于山前地帶，地勢相對低洼，發(fā)育山區(qū)河流和湖泊。

1.玄武巖;2.紅-棕紅色火山碎屑巖風(fēng)化殼;3.肉紅色火山碎屑巖風(fēng)化殼;4.黃色火山碎屑巖風(fēng)化殼;5.土黃色砂層;6.棕黃色細(xì)砂夾小礫石層;7棕黃色細(xì)砂層;8.砂礫石層;9.基巖;10.采樣點(diǎn)位置及編號。圖2 蓬萊銅井玄武巖剖面Fig.2 Basalt section of Penglai Tongjing

通過對蓬萊地區(qū)其他剖面的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在老的基底上面普遍發(fā)育河湖相沉積物。

2.2 K-Ar同位素測年方法

所有樣品的Ar同位素比值測試均由中國地震局地質(zhì)研究所實(shí)驗(yàn)中心完成。對于原始樣品，首先去除玄武巖表皮的風(fēng)化層，將內(nèi)部新鮮的巖石樣品粉碎至60目；用1 mol/L稀硝酸浸泡1 h，對于氣量較大的樣品用超聲波震蕩5 min，用清水沖洗3次，加入1.7 mol/L的氫氟酸，在室溫條件下侵蝕5 min，再用清水沖洗5次，并浸泡過夜，換水并用超聲波震蕩5 min，以除去可能殘存的硝酸和氫氟酸，再用去離子水洗凈并低溫烘干；最后,將烘干得到的樣品用磁選法和鏡下挑選法除去早期形成的橄欖石以及輝石斑晶和捕擄晶，以避免過剩氬和繼承氬的影響。在MM1200質(zhì)譜儀上采用同位素稀釋法測定氬的同位素，38Ar稀釋劑純度優(yōu)于99.9%。利用HG-5型火焰光度計(jì)或原子吸收光譜測定鉀。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 ℃。

將處理后的樣品裝入圣誕樹形的樣品管中，在250 ℃溫度條件下加熱去氣12 h以上。每個(gè)樣品分別投入裝有鉬鉗鍋內(nèi)襯的鉭鉗鍋中，樣品在外真空系統(tǒng)的電子轟擊下加熱。釋放出的氣體先通過冷阱除去水與CO2，然后通過鈦海綿體去掉其他活性氣體，最后通過Zr-Al吸氣劑做第三級純化。提純的惰性氣體被導(dǎo)入到MM1200質(zhì)譜儀測量Ar同位素，在靜態(tài)下分別記錄40Ar、38Ar和36Ar信號，經(jīng)線性回歸計(jì)算其初始值，并根據(jù)K-Ar年齡公式計(jì)算出樣品年齡。年齡計(jì)算中用到的衰變常數(shù)及其他系數(shù)為：40Ar/36Ar=295.5，λ=5.543×10-10，λβ=4.962×10-10，λe=0.581×10-10，40K/K=1.167×10-10。

2.3 石英熱活化ESR測年方法

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)；它也是一種物理現(xiàn)象，是電子自旋能級在外磁場的作用下發(fā)生塞曼分裂，同時(shí)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。首先將樣品低溫烘干，利用化學(xué)方法提純石英顆粒[14-15]，篩取粒徑為105～200 μm的樣品顆粒；分別用30%的H2O2溶液浸泡24 h去除有機(jī)質(zhì)，用40%的HCl溶液浸泡24 h去除碳酸鹽類物質(zhì)，用40%的HF溶液浸泡40 min去除長石礦物和石英顆粒外部α輻射貢獻(xiàn)的表層部分；蒸餾水洗至中性后低溫烘干，用磁選儀去除磁性礦物；然后用多鎢酸鈉進(jìn)行重液分離，分選出石英顆粒樣品，低溫烘干。為了考察此次采集樣品的Ti-Li心和Al心ESR信號曬退情況，設(shè)計(jì)了光曬退實(shí)驗(yàn)。

石英ESR法測年的前處理和測試均在成都理工大學(xué)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。順磁測定使用德國ER-200D-SRC型電子自旋共振譜儀，測試參數(shù)：微波功率5 mW，微波頻率9.46 GHz，調(diào)制頻率100 kHz，調(diào)制幅度0.16 mT；石英Al心ESR信號的測量位置為其超精細(xì)線結(jié)構(gòu)的第1個(gè)峰的峰頂至第16個(gè)峰的峰底；石英Ti-Li心ESR信號的測量位置為g=1.979的峰頂至g=1.913的峰底。天然放射性核素含量用CIT-3000F數(shù)字化全自動(dòng)鈾釷鉀能譜儀測定，微機(jī)α數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過測量樣品中的U、Th、K含量獲得環(huán)境劑量率。

張有瑜等[16]報(bào)道了K-Ar同位素測年的可靠性。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[17-18]。

3 測試結(jié)果

K-Ar測年結(jié)果顯示，研究區(qū)玄武巖的同位素年齡介于9.24～0.87 Ma(表1)，落入中新世—更新世范圍，時(shí)間跨度較大。其中，長島黑山島地區(qū)的玄武巖年齡為9.24～7.98 Ma，屬中新世托爾托納期；蓬萊五里橋一帶的玄武巖年齡為6.12～5.59 Ma，屬中新世墨西拿期；蓬萊銅井—史家莊一帶的玄武巖年齡為5.29～5.05 Ma，屬上新世贊克爾期，為新近紀(jì)最大規(guī)模的玄武巖噴發(fā)活動(dòng)。五里橋一帶的玄武巖年齡表明，該區(qū)域存在2個(gè)噴發(fā)旋回。第四紀(jì)的火山活動(dòng)較為微弱，無棣大山和蓬萊北林院2個(gè)樣品獲得了0.87 Ma和1.51 Ma的年齡數(shù)據(jù)，這個(gè)結(jié)果和前人在該地區(qū)的測年數(shù)據(jù)基本一致，屬更新世卡拉布里雅期；但這2個(gè)年輕巖石樣品中40Ar所占比例并不高，分別只占16%和12.72%，對測得的年齡可能存在一些影響，本次測試結(jié)果還無法準(zhǔn)確約束這種年輕巖石的年齡。本次測試結(jié)果僅做參考，今后工作中將采用Rb-Sr同位素測年，以獲取其準(zhǔn)確年齡。

表1 山東省第四紀(jì)史家莊組分布區(qū)玄武巖K-Ar法同位素年齡Tab.1 K-Ar isotope dating of basalt distributed in Shijiagou Formation of Quaternary in Shandong

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量獲得的石英Ti-Li心ESR信號強(qiáng)度，利用指數(shù)擬合得到的等效劑量響應(yīng)曲線，結(jié)合樣品的環(huán)境劑量率，計(jì)算出樣品年齡。通過ESR測年獲得了(3.50±0.35) Ma和(2.97±0.25) Ma兩個(gè)蓬萊地區(qū)的湖相沉積物形成年齡(表2)，大致形成時(shí)代為新近紀(jì)上新世皮亞琴察期。

2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)地層年齡存在明顯差異，部分地層年齡產(chǎn)生了倒置，主要原因是由于ESR測年受制于樣品制備、測試條件、殘留信號、累積劑量確定技術(shù)等多方面的影響存在誤差。因此，本文以K-Ar測年結(jié)果為準(zhǔn)。

表2 石英熱活化ESR測年實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Thermal activation and ESR dating of quartz experimental data

4 討論

通過K-Ar和ESR測年，史家溝組絕大部分的玄武巖形成于新近紀(jì)中新世—上新世而非第四紀(jì)，期間主要發(fā)生了3次噴發(fā)旋回，年齡分別為9.24～7.98 Ma、6.12～5.59 Ma和5.29～5.05 Ma，形成了較大規(guī)模的玄武巖臺地，直接覆蓋在花崗巖基底之上。進(jìn)入第四紀(jì)更新世，蓬萊地區(qū)發(fā)生了一定規(guī)模的火山活動(dòng)，但相比于中新世—上新世，噴發(fā)規(guī)模較小，局限于北林院地區(qū)。

在對玄武巖及下伏地層的研究中，應(yīng)該清楚地認(rèn)識到野外地質(zhì)現(xiàn)象，不要把研究第四紀(jì)黃土的方法套用到新近紀(jì)研究上，這會(huì)導(dǎo)致最終研究結(jié)果出現(xiàn)偏差。另外，本次研究僅對銅井海邊玄武巖剖面下部的湖相沉積物做了ESR測年，未做磁化率測試，其形成年齡可能存在一定誤差，但不影響上部玄武巖的年齡，建議今后加強(qiáng)該方面的研究工作。

研究成果具有“以點(diǎn)論面”的缺陷。本文的玄武巖測年結(jié)果顯示，前人對山東的玄武巖做了大量的研究工作，測年結(jié)果大多真實(shí)可靠，蓬萊地區(qū)史家溝組玄武巖的測年結(jié)果大多數(shù)早于2.6 Ma，充分說明了蓬萊地區(qū)的玄武巖大部分形成于第四紀(jì)之前的新近紀(jì)，第四紀(jì)以來蓬萊地區(qū)僅在北林院迎口山附近存在火山噴發(fā)活動(dòng)。根據(jù)K-Ar測年結(jié)果，研究區(qū)大面積玄武巖屬中新世—更新世，建議將長島黑山島、蓬萊五里橋一帶和銅井—史家莊一帶的玄武巖劃為新近紀(jì)中新世晚期，將無棣大山、蓬萊北林院迎口山區(qū)域玄武巖劃為第四紀(jì)，并修改蓬萊地區(qū)玄武巖下的“烘烤層”的說法[19]。

5 結(jié)論

(1)山東新生代火山巖的主要噴發(fā)活動(dòng)發(fā)生在新近紀(jì)的中新世和上新世的早、中期(9.24～5.05 Ma)，屬陸相噴發(fā)性質(zhì)；新近紀(jì)上新世的晚期和第四紀(jì)更新世的活動(dòng)較弱，第四紀(jì)更新世火山活動(dòng)僅發(fā)生于無棣大山(0.87 Ma)和蓬萊北林院迎口山(1.51 Ma)，因此，山東省新生代火山巖屬于典型的中新世噴發(fā)。

(2)建議將山東境內(nèi)的第四紀(jì)史家溝組地層劃入新近紀(jì)中新世晚期(無棣大山、蓬萊北溝鎮(zhèn)迎口山除外)，重新分組，并修改蓬萊地區(qū)玄武巖下的“烘烤層”的說法。

(3)本研究尚有不足，表現(xiàn)在第四紀(jì)黃土研究方法的討論、測年誤差及“以點(diǎn)論面”的缺陷。

致謝：十分感謝中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所趙希濤研究員對該項(xiàng)目野外工作及成文的指導(dǎo)和幫助，同時(shí)感謝中國地震局地質(zhì)研究所和成都理工學(xué)院應(yīng)用核技術(shù)研究所對樣品分析測試所付出的大量心血。