甘蒙北山地区下石炭统绿条山组时代修正及其构造意义

2014-09-10牛亚卓卢进才魏建设陈高潮史冀忠吴俊

地质论评 2014年3期

牛亚卓,卢进才,魏建设,陈高潮,史冀忠,吴俊

1)中国地质调查局西安地质调查中心,西安,710054； 2)中国地质调查局武汉地质调查中心,武汉,430205

内容提要: 甘肃-内蒙古北山地区位于中亚造山带中段,其晚古生代洋盆最终闭合时间倍受关注且久有争议。早石炭世是该区洋陆转换的关键时期之一,下石炭统下部绿条山组与下伏的下、中泥盆统之间的角度不整合被认为是该区构造隆升的主要证据之一。但由于研究程度限制,绿条山组的时代尚有争议,一定程度上制约了该区构造演化的深入分析。北山北部甜水井北与碎石山剖面绿条山组火山岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分别为296.8±3.5Ma与311.1±3.2Ma,产出晚石炭世巴什基尔期(Bashkirian)菊石Gastrioceras和Branneroceras,时代应修订为晚石炭世-早二叠世早期。研究区下泥盆统-上石炭统沉积充填及生物群落特征表明该区可能在晚石炭世由大陆边缘浅海演化至裂谷盆地,上石炭统与下、中泥盆统之间的角度不整合代表洋陆转化造成的长时间隆升剥蚀。

中亚造山带位于西伯利亚与华北、塔里木板块之间,发育由多微陆块或弧地质体拼贴而成的多聚合带、多成矿带(Coleman,1989；肖序常等,1991；肖文交等,2006),对探讨大陆造山过程有重要意义(Sengor et al.,1993,1996；Carroll et al.,1995； Xiao W J et al.,2010)。古亚洲洋在增生造山过程中的最终闭合时间备受关注,但久有争议(Sengor et al.,1996；卢华复等,1996；Windley et al.,2007；Xiao W J et al.,2010)。北山地区位于中亚造山带中部甘肃与内蒙古交界处,西接库米什-南天山缝合带、东连索伦缝合线,是研究古亚洲洋闭合时限的关键地区之一(Zuo G C et al.,1991；左国朝等,2003；Xiao W J et al.,2010；Ao S J et al.,2012)。

下石炭统绿条山组分布于北山北部,角度不整合于下、中泥盆统之上。这一角度不整合在区域上较为常见,被众多学者视为该区古亚洲洋于中晚泥盆世之前闭合的重要证据(左国朝等,1990；聂凤军等,2002；左国朝等,2003；何世平等,2005)。然而由于北山地区构造复杂、交通不便、地层研究相对薄弱。20世纪60～70年代甘肃省地质局在该区进行1∶20万红石山❶、黑鹰山幅❷区域地质调查,根据甜水井北、碎石山等剖面建立绿条山组,依照腕足类Syringothyrisaltaica,S. cf.texta将该组时代定为早石炭世杜内期(Tournaisian)(金松桥,1974；丁培榛等,1983)。其后这一方案被广泛接受,甜水井北剖面被定义为绿条山组层型剖面(内蒙古自治区地质矿产局,1996)。然而,进一步研究发现该组的时代存在较大争议。丁培榛(1985)对北山地区绿条山组腕足类重新厘定,将其先前鉴定为Syringothyris的化石修订为Pseudosyrinx,并将绿条山组时代修订为早石炭世维宪期(Visean)。杨帅师等(2005)和王惠等(2007)根据双壳类和菊石等化石将甜水井北神螺滩地区绿条山组时代修订为中晚二叠世或早中二叠世。卢进才等(2013)根据甜水井北剖面的火山岩同位素年龄样品将绿条山组时代更正为晚石炭世-早二叠世早期。绿条山组的时代问题对区域不整合的讨论有重大影响,一定程度上限制了该区构造演化的讨论。

笔者于2010年和2013年分别实测北山地区绿条山组层型剖面--甜水井北剖面和主要代表剖面--碎石山剖面,系统采集岩石薄片、古生物以及火山岩同位素年龄样品。本文旨在通过北山绿条山组岩石学、生物地层学及火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学的研究,明确该组的岩性组合及时代归属,探讨晚古生代古亚洲洋在该区的闭合时间以及绿条山组形成的构造背景与沉积环境。

1 地质背景

图1 北山北部地区地质简图(据1∶20万红石山❶、黑鹰山❷和六驼山幅❸区域地质图编绘)Fig. 1 Geological sketch map of the north of the Beishan region (compiled after geological maps of Hongshishan❶, Heiyingshan❷, and Liutuoshan❸) 1-第四系；2-新近系；3-中生界；4-上二叠统方山口组；5-中二叠统金塔组；6-中二叠统菊石滩组；7-中下二叠统双堡塘组；8-上石炭统-下二叠统干泉组；9-下石炭统白山组；10-下石炭统绿条山组；11-泥盆系；12-志留系；13-前寒武系；14-中生界酸性侵入岩；15-上古生界酸性侵入岩；16-下古生界酸性侵入岩；17-上古生界中性侵入岩；18-上古生界基性侵入岩；19-上古生界超基性侵入岩；20-断层 1-Quaternary；2-Neogene；3-Mesozoic；4-Fangshankou Formation of Upper Permian；5-Jinta Formation of Middle Permian；6-Jushitan Formation of Middle Permian；7-Shuangbaotang Formation of Lower-Middle Permian；8-Ganquan Formation of Upper Carboniferous-Lower Permian；9-Baishan Formation of Lower Carboniferous；10-Lütiaoshan Formation of Lower Carboniferous；11-Devonian；12-Silurian；13-Precambrian；14-Acid intrusions of Mesozoic；15-Acid intrusions of Upper Paleozoic；16- Acid intrusions of Lower Paleozoic；17-Intermediate intrusions of Upper Paleozoic；18-Basic intrusions of Upper Paleozoic；19-Ultrabasic intrusions of Upper Paleozoic；20-Fault

研究区位于甘肃和内蒙古交界处星星峡-石板井蛇绿混杂岩带北侧,红石山蛇绿混杂岩带介于其中。1∶20万红石山❶、黑鹰山❷和六驼山幅❸区域地质调查报告将该区晚古生代地层自下而上依次为下泥盆统清河沟组、中泥盆统哈珠组(或依克乌苏组)、下石炭统绿条山组和白山组、上石炭统石板山组、上石炭统-下二叠统干泉组、下中二叠统双堡塘组、中二叠统菊石滩组和金塔组、上二叠统方山口组(图1)。

清河沟组主要为粉砂岩、石英砂岩,夹砾岩、英安质凝灰熔岩及灰岩透镜体,角度不整合于上志留统之上,产珊瑚Neoyacutioporasp.,Barrandeophyllumperplexum,腕足类Leptaenopyxisbouei,Paraspirifergurjevskiensis等。哈珠组以安山岩、辉石玄武岩、斜长流纹岩为主,夹中酸性火山碎屑岩、砾岩和杂砂岩,未见与下伏地层直接接触。绿条山组下部为细粒杂砂岩夹砾岩、灰岩,不整合于清河沟组或哈珠组之上,产腕足类Syringothyriscf.texta,双壳类、苔藓虫、海百合茎等；上部以千枚状板岩、千枚岩和斜长流纹岩为主。白山组下部为粉砂质板岩、长石石英细砂岩、粉砂岩,夹玄武岩、千枚岩和灰岩透镜体,未见与下伏地层直接接触,产珊瑚Aulophyllumsp.,Gangamophyllumsp.,腕足类Anidanthussp.等；上部主要为斜长流纹岩、英安岩、英安质火山岩碎屑岩。石板山组下部为斜长流纹岩、安山岩、英安岩及其凝灰熔岩、角砾熔岩,夹粉砂岩,未见与下伏地层的直接接触；上部为细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩,夹安山岩、泥灰岩,产腕足类Echinoconchuspunctatus等。干泉组下部为砾岩、粉砂岩和粉砂质泥岩,整合于石板山组之上；上部为杏仁状玄武岩、英安岩及其熔岩与凝灰岩、斜长流纹岩。双堡塘组整合于干泉组之上,主要为粉砂岩和细砂岩,产菊石、腕足类及腹足类。菊石滩组主要为炭质粉砂岩、中细粒杂砂岩,未见与下伏地层的直接接触,产菊石Paragastrioceras,Uraloceras等。金塔组主要为片理化安山质含火山角砾熔凝灰岩,夹长石石英砂岩、硅质页岩及少量灰岩透镜体,整合于菊石滩组之上。方山口组主要为玄武岩、安山玄武岩,未见与下伏地层的直接接触,角度不整合于中下侏罗统之下。

图2 甘蒙北山地区绿条山组实测剖面图: (a)甜水井北剖面；(b)碎石山剖面Fig. 2 Sections of the Lütiaoshan Formation, Beishan region, Gansu and Inner Mongolina provinces: (a)Tianshuijingbei section；(b)Suishishan section 1-砾岩；2-砂砾岩；3-砂岩；4-长石砂岩；5-长石杂砂岩；6-长石岩屑砂岩；7-钙质砂岩；8-粉砂岩；9-粉砂质泥岩；10-泥岩；11-灰岩；12-凝灰质砂岩；13-火山角砾岩；14-凝灰质熔岩；15-凝灰岩；16-英安岩；17-玄武岩；18-闪长岩；19-腕足类；20-菊石 1-Conglomerate；2-Sandy conglomerate；3-Sandstone；4-Arkose；5-Arkosic wacke；6-Feldspar lithic sandstone；7-Calcareous sandstone；8-Siltstone；9-Silty mudstone；10-Mudstone；11-Limestone；12-Tuff sandstone；13-Volcanic breccia；14-Tuff volcanic；15-Tuff；16-Dacite；17-Basalt；18-Diorite；19-Brachiopoda；20-Ammonoid

2 地层岩石组合和样品采集

内蒙古额济纳旗甜水井北剖面为绿条山组的层型剖面,由甘肃省地质局第二区域地质测量队进行1∶20万红石山幅区域地质调查❶时实测,其下部主要为长石杂砂岩、粉砂岩,夹砾岩、含砾砂岩和大理岩,角度不整合于中泥盆统哈珠组之上,底部大理岩中产腕足类化石；上部为粉砂岩、千枚岩和硅质板岩。笔者于2010年实测该剖面,其岩性组合与前人描述基本相同,在底部钙质砂岩中见腕足类碎片。该剖面下部野外拟定为长石杂砂岩的样品通过室内薄片观察发现有大量火山物质,应定名为中酸性凝灰岩或沉凝灰岩(图2,3a,b)。以TSJ-B6为例,该样品在野外拟定名为含砾长石杂砂岩,通过室内薄片观察定名为沉角砾凝灰岩。岩石主要由岩屑(>70%)、角砾(15%)和晶屑(10%)组成(图3b)。岩屑以安山岩、安山玄武岩及中基性熔岩碎屑为主,次棱角状或不规则状,粒径在0.4～2mm之间。角砾主要为安山质熔岩、安山岩,偶见生物碎屑,棱角状或不规则状,粒径多在2～4mm之间,条带状者可达5.5mm。晶屑主要为斜长石,偶见石英,次棱角状或板条状,粒径在0.3～1mm之间。原剖面上部有多层硅质岩或者硅质板岩,但通过室内薄片观察应定名为碳酸盐化玄武岩(图3c)或沉凝灰岩,有轻微变质(图3d)。

图3 北山绿条山组岩石镜下特征及古生物化石Fig. 3 Photomicrographs of rocks and photography of fossils from the Lütiaoshan Formation in the Beishan region (a)中酸性晶屑岩屑凝灰岩(D251-B1)；(b)沉角砾凝灰岩(TSJ-B6)；(c)碳酸盐化玄武岩(TSJ-B15)；(d)沉凝火山岩(TSJ-B16)；(e)安山玢岩(D107-B1)；(f)中粒凝灰质砂岩(SSS-B6)；(g)腕足类碎片；(h)Branneroceras sp.；(i)Gastrioceras listeri；(a～d)来自甜水井北剖面；(e～i)来自碎石山剖面 (a)intermediate to siliceous tuff(D251-B1)；(b)sedimentary tuff(TSJ-B6)；(c)basal(TSJ-B15)；(d)quartz schist(TSJ-B16)；(e)andesitic porphyrite(D107-B1)；(f)tuffaceous sandstone(SSS-B6)；(g)Brachiopod fragments；(h)Branneroceras sp.；(i)Gastrioceras listeri；(a～d) from Tianshuijingbei section：(e～i) from Suishishan section

同位素年龄样12D251-TW1采于该剖面底部层位晶屑岩屑凝灰岩(图1,2),LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为296.8±3.5Ma(95% conf.,n=15,MSWD=1.4),时代为早二叠世阿瑟尔期(Asselian),相当于中国的紫松期早期(卢进才等,2013)。

内蒙古额济纳旗碎石山剖面是绿条山组的重要参考剖面,由甘肃省地质局地质力学区域测试队进行1/20万黑鹰山幅区域地质调查❷实测。该剖面以长石杂砂岩为主,夹砾岩、鲕状灰岩、砂质灰岩和酸性熔岩凝灰岩,产丰富的腕足类化石。笔者于2012年实测该剖面与碎石山西剖面,其岩性组合与前人描述基本一致,下部产丰富的腕足类和菊石化石,但有一部分野外拟定名为长石杂砂岩的样品根据室内薄片应鉴定为中酸性凝灰岩或者凝灰质砂岩。以SSS-B6为例,该样品野外拟定名为长石杂砂岩,室内薄片定名为凝灰质砂岩(图3e)。岩石主要由岩屑(55%～60%)和长英质碎屑(20%～25%)组成。岩屑以英安岩、流纹岩和中基性熔岩碎屑为主,其次为中酸性凝灰岩碎屑,多为次圆状和次棱角状,部分为棱角状或不规则状,粒径多在0.25～0.5mm之间,少数颗粒达0.6mm。长英质碎屑以长石碎屑居多,碎屑形态多呈次棱角状或不规则状,粒径多在0.2～0.35mm之间,少数可达0.5mm。不规则状的岩屑和长英质碎屑多为火山碎屑物。

图4 甘蒙北山地区碎石山剖面绿条山组火山岩部分锆石阴极发光图像及LA-ICP-MS测点位置Fig. 4 CL images and dating spots of some zircons of volcanics from the Lvtiaoshan Formation of the Suishishan section, Beishan region, Gansu and Inner Mongolina provinces

同位素年龄样品12D107-TW1采自剖面底部火山角砾岩中一块约有30cm长的火山块(图2)。该火山块薄片鉴定为安山玢岩(图3e),岩石中斑晶由斜长石组成,含量达50%,斑晶形态多呈板状与溶蚀状,粒径在0.5～4.0mm之间断续出现,常呈聚斑出现,晶体局部常被黑云母交代。基质主要由细小斜长石组成,晶体呈细小板条状,在岩石中交错杂乱分布,形成交织结构。

3 锆石U-Pb 年代学特征

3.1 测试方法

将野外样品粉碎后通过标准重矿物分离技术,挑选晶型完好、透明度好、无明显包裹体、无明显破裂的单颗粒锆石用环氧树脂固定并抛光。通过锆石阴极发光(CL)图像分析技术挑选晶型较好,岩浆振荡环带较好、无明显继承核的锆石20颗进行LA-ICP-MS锆石微区原位单点定年。CL图像分析和锆石微区原位单点定年在西北大学大陆动力学国家重点实验室进行测定,使用的仪器分别为Agilent 7500型ICP-MS、德国Lambda Physik公司生产的ComPex102 ArF准分子激光器(工作物质ArF波长193 nm)和MicroLas公司生产的GeoLas 200M光学系统。激光束斑直径为30μm,激光剥蚀样品的深度为20～40μm。实验中采用He作为剥蚀物质的载气,采用美国国家标准技术研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST SRM610进行仪器最佳化,采样方式为单点剥蚀,数据采集选用一个质量峰一点的跳峰方式,每完成6个测点的样品测定,加测标样一次。在所测锆石样品分析测点前后各测2次NIST SRM610,实验原理及步骤参见Yuan et al.(2004)。

锆石年龄采用国际标准锆石91500作为外标标准物质,元素含量采用NIST SRM610作为外标,29Si作为内标。采用Glitter(Macquarie University)程序对锆石的同位素比值及元素含量进行计算,并按照LAM-ICP-MS Common Lead Correction(Andersen,2002)对其进行了普通铅校正,年龄计算及谐和图采用Isoplot(Ludwig,2003)完成。同位素比值和年龄误差为1σ,加权平均年龄置信度为95%。

3.2 测试结果

12D107-TW1共选取20颗锆石、共有20个测点。锆石为透明柱状,晶型较好,长度位于125～170um之间,长宽比介于1/2～1/4之间,CL图像分析中显示出岩浆锆石振荡环带(图4)。锆石的Th、U含量分别为35×10-6～102×10-6和76×10-6～188×10-6,Th/U比值均大于0.1,位于0.46～0.58之间(表1)。在年龄谐和图上,所有数据点均在谐和线上(图5)。206Pb/238U加权平均年龄311.1±3.2Ma(95% conf.,n=20,MSWD=0.45),时代为晚石炭世莫斯科期(Moscovian)早期,相当于中国地质年代的达拉期。该年龄为绿条山组底部火山角砾岩中安山玢岩火山块的结晶成岩年龄,而此段地层的时代应略晚于该年龄。

表1 甘蒙北山地区碎石山剖面绿条山组火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析结果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb data of volcanics from the Lütiaoshan Formation of the Suishishan section, Beishan region, Gansu and Inner Mongolina provinces

4 地层时代讨论及地质意义

4.1 地层时代讨论

北山地区绿条山组主要出露在该区北部红石山和黑鹰山地区,层型剖面为甜水井北剖面,主要代表剖面为碎石山和绿条山剖面(甘肃省地质矿产局,1997；内蒙古自治区地质矿产局,1991；内蒙古自治区地质矿产局,1996)。腕足类Syringothyris在上述剖面均有产出,该属广泛分布于北美、西欧、中亚及日本下石炭统,且多发现于杜内期,Syringothyrisaltaica,S. cf.texta在新疆波罗霍洛山北坡下石炭统杜内阶上部及维宪阶下部出现(杨式溥等,1960；丁培榛等,1983)。因此,绿条山组时代被定为早石炭世杜内期(金松桥,1974；丁培榛等,1983)。然而,北山地区绿条山组腕足类化石由丁培榛等(1983)鉴定,丁氏其后对这批化石进行切片研究,发现其缺少Syringothyris的关键鉴定特征--腹壳内的管孔构造。北山绿条山组原鉴定为Syringothyris的化石材料被统一修订为Pseudosyrinx,该组时代也被修订为早石炭世维宪期(丁培榛,1985)。Pseudosyrinx虽然多出现在北美、哈萨克斯坦和我国波罗霍洛山北坡下石炭统(杨式溥等,1960),但也在新疆中部上石炭统、澳大利亚下二叠统中出现(Thomas,1971；王成文等,1998),该属时限可能上延至晚石炭世或早二叠世。杨帅师等(2005)根据双壳类Parallelodonolseni-Nucundatacf.cuiluanesis-Schizodussubquadratus等组合将甜水井北神螺滩绿条山组时代修订为中晚二叠世。但王惠等(2007)指出这些双壳类化石鉴定有误,均为石炭纪和二叠纪常见属种,时代意义并不明显。

图5 甘蒙北山地区碎石山剖面绿条山组火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素年龄谐和图和加权平均图Fig. 5 LA-ICP-MS zircon U-Pb weight average and concordia diagrams of zircons from the Lütiaoshan Formation of the Suishishan section, Beishan region, Gansu and Inner Mongolia provinces

此次研究在甜水井北和碎石山剖面相应层位均发现腕足类化石(图3g),但由于化石材料较为破碎,难以鉴定。同位素年龄样品12D251-TW1和12D107-TW1采自甜水井北和碎石山剖面腕足类化石邻近层位,其年龄分别为296.8±3.5Ma和311.1±3.2Ma,时代为早二叠世早期或晚石炭世。碎石山剖面腕足类邻近层位产出菊石Gastrioceras和Branneroceras(图3h,3i)(卜建军等,2013)。其中Gastrioceras广泛出现于宁夏中卫的靖远组,广西黄龙组下部和西欧纳缪尔阶(Namurian)下部(杨逢清,1987)。Gastrioceras-Branneroceras带时代为中国滑石板期晚期,相当于国际巴什基尔期(Bashkirian,323.2～315.2Ma)晚期(Ramsbottom et al.,1985；Wang XD et al.,2003),与同位素年龄基本一致。

综上所述,北山地区绿条山组时代应修订为晚石炭世-早二叠世早期。北山北部晚石炭世-早二叠世早期地层为石板山组与干泉组,但进一步的时代划分并无确凿的年代学证据,仅根据与上下地层的接触关系和有限的古生物化石,将石板山组时代定为晚石炭世早期,干泉组时代定为晚石炭世晚期-早二叠世早期(内蒙古自治区地质矿产局,1991；内蒙古自治区地质矿产局,1996；卢进才等,2012)。甜水井北剖面绿条山组上部火山岩较多,下部以碎屑岩和火山碎屑岩为主,这与东部邻区1/20万嘎顺淖尔幅区域地质图❹中的干泉组岩性较为相似,而与石板山组下部火山岩、上部碎屑岩的岩性组合有较大区别。

4.2 构造意义

北山地区自北向南依次有四条蛇绿混杂岩带,即红石山、芨芨台子-小黄山(即星星峡-石板井)、红柳河-洗肠井和柳园(即辉铜山-账房山)蛇绿混杂岩带(左国朝等,1990；杨合群等,2010；Xiao WJ et al.,2010)。不同学者对下述问题存在较大争议,即何条蛇绿混杂岩带代表分隔西伯利亚板块与中朝-塔里木板块的古亚洲洋？古亚洲洋于何时闭合？石炭纪-二叠纪该区处于何种构造背景和沉积环境？其中主要有以下三种观点：①早古生代,红柳河-洗肠井蛇绿混杂岩带代表古亚洲洋,洋盆于志留纪末期闭合,北山石炭纪-二叠纪为裂谷盆地演化阶段(何世平等,2005；杨合群等,2010)。②早古生代,芨芨台子-小黄山蛇绿混杂岩代表的古亚洲洋将北山分为北部的哈萨克斯坦板块和南部的塔里木板块,洋盆于泥盆纪初期闭合(Zuo GC et al.,1991；左国朝等,2003)。③古生代,红石山和柳园蛇绿混杂岩带自北向南将北山分为西伯利亚板块、公婆泉岛弧增生体(或哈萨克斯坦板块)和华北-塔里木板块,洋盆于晚石炭世早期或二叠纪-三叠纪初期闭合(刘雪亚等,1995；Xiao WJ et al.,2010)。

北山北部原下石炭统绿条山组根据生物地层学及同位素地层学研究时代应修订为晚石炭世-早二叠世初期。上石炭统角度不整合于下、中泥盆统之上。下泥盆统清河沟组以粉砂岩、石英砂岩为主,夹砾岩、灰岩透镜体及少量火山熔岩,产丰富的腕足类和珊瑚,总体为同造山期含火山活动的大陆边缘浅海陆棚沉积(翟毓沛,1981；内蒙古自治区地质矿产局,1991)。下泥盆统与下伏的下志留统之间并无明显的角度不整合接触关系,仅在上志留统顶部或下泥盆统底部出露数层砾岩层。这可能表明晚志留世末或早泥盆世初,北山北部已经出现了初始的磨拉石沉积(左国朝等,1995)。中泥盆统哈珠组以流纹岩、安山岩和辉石玄武岩为主,夹砾岩和杂砂岩,标志着该区中泥盆世受造山隆升影响,其中有较强的火山运动(内蒙古自治区地质矿产局,1991；左国朝等,1995)。研究区普遍缺失下泥盆统-下石炭统,原定为早石炭世杜内期的绿条山组现修订为晚石炭世-早二叠世早期地层,而分布在北山北部红石山、黑鹰山和六驼山等地区原定为早石炭世维宪期白山组火山岩的同位素年龄均为晚石炭世(图1,12BYQ-TW1,12HYS-TW1,12D252-TW1)(卢进才等,2013；牛亚卓等,2013)。研究区的上石炭统-下二叠统干泉组下部以砾岩、粉砂岩、粉砂质泥岩为主,上部发育以斜长流纹岩和杏仁状玄武岩为主的双峰式火山岩(卢进才等,2012)。该套地层西延至研究区哈珠、黑鹰山、红石山地区,以酸性、中酸性火山岩、火山熔岩为主,夹玄武岩等基性火山岩,地球化学特征具有双峰式火山岩的特征(左国朝等,1990,1996；姜亭等,2011；党犇等,2011),形成于碰撞造山后再伸展的裂谷环境(徐学义等,2008)。而碎石山、甜水井北地区的晚石炭世-早二叠世早期地层中火山物质相对减少,以火山碎屑岩为主,与陆源碎屑岩、碳酸盐同时出现,产腕足类、珊瑚、菊石等化石,代表裂谷盆地边缘的沉积。

综上所述,早泥盆世北山北部为大陆边缘浅海,发育少量磨拉石沉积。中泥盆世,该区晚古生代洋盆开始闭合,该区有较强的火山活动。晚泥盆世-早石炭世,洋盆最终闭合,造成北山北部长时间隆升与地层剥蚀。晚石炭世-早二叠世早期,该区进入后碰撞裂谷盆地演化阶段,发育双峰式火山岩及盆地边缘沉积。