冀东缸山火山机构的主要特征及构造环境分析

赵忠海

摘  要：冀东缸山一带火山岩的出露面积不大，但岩性复杂，构造发育，产状变化较大，给地层厘定带来较大困难。本文在1：50000区域地质矿产调查工作的基础上，通过岩性-岩相双重填图方法，对该地区的火山岩进行了详细调查与划分。根据岩性、岩相和构造的分布特点，认为该地存在一个火山机构。该火山机构主要由火山颈相、爆发相、溢流相、降落相、碎屑流相以及潜火山岩相组成，主要岩性为流纹斑岩、流纹岩、粗面安山岩、角砾熔岩以及角砾凝灰岩等。据同位素测年结果，该火山机构流纹岩的年龄为110.5±1.2Ma，形成于早白垩世;据岩石化学成分图解分析，该火山机构的岩石样本均投影于造山带或同碰撞区内，这表明其形成于活动性大陆边缘环境，是早白垩世燕山期造山运动的产物。缸山火山机构的确定，特别是同位素测年结果，对该地区火山岩地层的重新厘定具有十分重要的意义。

关键词：火山机构;火山岩;岩相划分;同位素测年;早白垩世;造山带;同碰撞区;活动性陆缘环境

中图分类号：P535;P317     文献标识码：A     文章编号：1007-1903（2019）03-0087-08

Main Characteristics and Tectonic Setting of the Gangshan Volcanic Edifice

in Eastern Hebei

ZHAO Zhonghai

（Beijing Institute of Geology， Beijing 100195）

Abstract： The volcanic rocks located in the Gangshan region， Eastern Hebei， is not large， but its lithology is complex， structure is developed and stratum attitude is changeable， so it is difficult to definite its stratum. Based on 1：50 000 regional geology and mineral resources survey， the detailed investigation and division of volcanic rocks in this region had been carried by lithology-lithofacies mapping method. According to the distribution characteristics of the volcanic rock’s lithology， lithofacies and structure， it is believed that there is a volcanic edifice in the region. The volcanic edifice is mainly composed of the volcanic neck facies， eruption facies， overflow facies， debris flow facies， landing facies and subvolcanic facies， which lithology is mainly the rhyolitic porphyry， rhyolite， trachyandesite breccia lava， lava tuff breccia and so on. By isotopic dating， the rhyolite age of the volcanic edifice is 110.5±1.2Ma， indicating that it was formed in Early Cretaceous. According to the chemical composition diagram analysis， its rock samples are projected in the orogenic belt or collision zone， indicating that the volcanic edifice formed in the active continental margin is the products of Yanshanian Movement. Determining the volcanic edifice， especially the isotopic dating， is very important to reclassify volcanic stratum in the region.

Keywords： volcanic edifice; volcanic rock; lithofacies division; isotopic dating; early cretaceous; orogenic belt; collision zone; active continental margin

0 引言

冀東昌黎—抚宁一带的中生代火山岩出露不多，主要分布在昌黎县东北的后营村—河西张各庄村—大新庄村—黄金山头村一带，空间上总体呈一长轴近NNW向的椭圆形展布，面积约15km2。由于岩性较复杂，构造较发育，地层产状变化较大，给地层划分和归属带来了较大困难。前人在本区开展区域地质调查工作时曾将这一带的火山岩划为晚侏罗世的白旗组（河北省地质局第二区域地质测量大队，1974）和义县组（天津市地质调查研究院，2005），本次工作通过岩性-岩相双重填图方法，对区内的火山岩进行了详细调查与划分，根据岩性、岩相和构造的分布特点，在缸山附近识别出一处火山机构，并通过锆石U-Pb测年，确定其形成年代为早白垩世。赋存地层应为早白垩世张家口组，缸山火山机构的确定，特别是锆石U-Pb测年结果，对本区火山岩地层的重新厘定以及中生代华北地块岩浆构造活动的研究具有十分重要的意义。故本文在河北1∶50000雷庄、石门、昌黎县和滦南县区域地质矿产调查工作的基础上，认真分析了该火山机构的地球化学特征，并对其构造环境进行了初步探讨。

1 缸山火山机构的主要特征

1.1 区域地质特征

（1） 地貌

缸山火山机构位于昌黎县东北、抚宁县南的后营村—政庄—白庄—黄金山头村一带，总体呈一近南北向延伸的垄形低岗，其最高点为缸山，海拔为369.7m;外围地势则相对较低，海拔为94～286m;坡度由下至上由缓渐陡，总体为30°～60°;四周V型沟谷比较发育，大体呈放射状展布。火山机构的中心即位于缸山，为一近圆形陡峻孤峰，其上部较陡，坡度约70°左右，下部稍缓，坡度约40°左右，在地貌上属于比较典型的火山穹形地貌。

（2）地层

缸山火山机构在大地构造位置上位于华北地块东北端的次级构造单元燕山台褶带的古隆起东南，即遵化-山海关隆起的东段、昌黎台凹的西南边缘，在地层划分上属中生代早白垩世张家口组，除西南部被早白垩世似斑状正长花岗岩侵入外，其东部、西部和北部均为第四系所覆盖（图1）。该火山机构的组成地层为中生代早白垩世张家口组一段（K1z1）和二段（K1z2）。其中张家口组一段的主要岩性为紫红色粘土质粉砂岩、熔结凝灰岩、碱性流纹岩、流纹岩以及粗面质集块岩;张家口组二段的主要岩性为粗安质含角砾沉凝灰岩、粗安岩、熔结凝灰岩以及流纹岩。一段和二段的分界是以二段底部的具有正粒序层理和平行层理的粗安质含角砾沉凝灰岩为标志，该岩层代表了本次火山活动两个喷发亚旋回之间的喷发间断。

在火山机构的中心附近，见有潜火山岩相的流纹斑岩和石英正长斑岩零星出露（北京市地质研究所，2008）。

（3）岩相

火山岩的岩相是指火山活动环境及在该环境下所形成的特定火山岩岩石类型的总和（陶奎元，1994），是相同类型火山作用及其产物的时空分布和地质特征（王璞等，2008）。火山岩相能够揭示火山岩的空间展布规律和不同岩性组合之间的成因联系，是火山岩物性、成因及其构造环境研究的重要内容（冉启全等，2011）。

关于火山岩相的划分，不同的学者从各自角度所提出来的划分方案不尽相同。科普切弗—德沃尔尼科夫等（1978）将火山岩分为原始喷发相、次火山岩相和火山管道相;李石和王彤（1980）把火山岩划分为喷发相、次火山岩相和火山管道相，并在此基础上将上述3个相进一步划分为8个亚相;Cas和Wright（1987）根据物源特征和搬运方式将火山岩划分为熔岩流相、火山碎屑岩相、火山碎屑降落沉积相、陆上碎屑流和涌浪相、凝灰岩相和水下碎屑流和深海火山灰相;陶奎元和邱家骧等（1996）将火山岩划分为喷溢相、空落相、火山碎屑流相、涌流相、火山泥流相、崩塌相、侵出相、火山口-火山颈相、次火山岩相、隐爆角砾岩相和火山喷发沉积相;金伯禄等（1994）将火山岩划分为爆发相、喷崩及喷溢相、侵出相及潜火山相和喷发—沉积相，并在此基础上将上述4个相进一步划分为11个亚相。除此之外，谢家莹（1996）、刘祥（1997）及刘文灿等（1997）也各自提出了不同的划分方案。本文主要参照陶奎元和邱家骧提出的划分方案，根据缸山火山机构火山岩的岩性和产状特征，将该火山机构火山岩大致划分为火山颈相（VNF）、爆发相（E）、降落相（FOF）、溢流相（SF）、碎屑流相（PRF）及潜火山岩相（SIF）。其中，火山颈相主要出露于火山机构的中心部位，其主要岩性为流纹岩;爆发相主要出露于火山机构中心的附近，围绕在火山颈相的四周分布，其主要岩性为流纹质集块角砾岩和流纹质角砾熔岩;降落相在火山机构中心的附近零星出露，其主要岩性为流纹质火山角砾岩及流纹质含角砾凝灰岩;溢流相的出露面积较大，在张家口组一段和二段中均有出露，分布地带距火山机构中心较远，其主要岩性为粗面岩、粗安岩和流纹岩;碎屑流相出露较少，主要出露于张家口组二段中，其主要岩性为熔结角砾凝灰岩，岩石的成层性较好;潜火山岩相主要出露于火山機构中心的附近，在张家口组二段中也有零星出露，其主要岩性为潜流纹岩和潜石英粗面岩，岩石呈脉状分布，与其周围岩石呈明显的侵入关系。

（4）构造

缸山火山机构的断裂构造比较发育，主要在火山机构北部及其中心附近呈放射状分布，断裂规模不等，总体以北东和北西向为主，地貌上多呈现为V型沟谷，沿断裂带有构造角砾岩发育，局部地段见蚀变矿化现象。

1.2 岩石地球化学特征

（1）样品及分析方法

本次工作分别在缸山附近的张家口组一段和二段火山岩中采集10件流纹岩和粗安岩样品用于主量、稀土和微量元素分析。 其中主量元素由天津地质矿产研究所实验室测试完成，主要采用等离子发射光谱仪分析，除SiO2采用碱熔法测定外，其它氧化物均采用酸溶法测定，分析精度优于2%;稀土和微量元素由河北省区域地质矿产调查研究所实验室测试完成，主要采用质谱仪和X荧光光谱仪分析，分析精度优于3%。

（2）主量元素地球化学特征

缸山火山机构火山岩主量元素特征见表1。由表1可知，缸山火山机构火山岩SiO2含量为58.36%～75.71%， Al2O3含量12.89%～16.90%，CaO含量为0.15%～4.27%，Fe2O3含量0.96%～6.95%，FeO含量为0.12%～3.42%，MgO含量为0.03%～2.15%，TiO2含量为0.10%～1.43%，Na2O+K2O含量为6.48%～9.19%，在TAS图解中投影至粗安岩和流纹岩区域内（图2），属中—酸性岩类。经计算求得其碱度率AR值为1.88～5.46，里特曼组合指数δ值为2.36～3.74，属钙碱性系列太平洋型火山岩。岩石固结指数SI值为0.26～12.54，且由粗安质至流纹质，岩石固结指数由大至小，表明岩浆分异程度由高变低，酸性由中至强。

（3）稀土和微量元素地球化学特征

缸山火山机构火山岩稀土和微量元素特征见表2。由表2可知，缸山火山机构火山岩稀土元素总量较低，∑REE为106.0×10-6～234.5×10-6，其中LREE总量为92.6×10-6～213.5×10-6，HREE总量为13.32×10-6～22.03×10-6，LR/HR值为6.95～10.66，La/Yb值为4.73～16.67，表明LREE相对HREE强烈富集。流纹质岩石中，δEu值为0.06～0.13，负铕异常比较明显;粗安质岩石中，δEu值为1.12～1.14，铕异常不明显（图3）。

同维氏同类岩石的平均值相比，缸山火山机构流纹岩中Nb、Zr等微量元素富集，Rb、Sr、Ba、Cr、Ni、Th、U、V等微量元素亏损;粗安岩中Ba、U、Zr等微量元素富集，Rb、Sr、Cr、Ni、Nb、Th、V等微量元素亏损（图4）。

1.3 锆石U-Pb年代学特征

（1）样品处理及测试方法

本次工作在缸山附近采集多个流纹岩样品进行锆石U-Pb年龄测定。其中，人工重砂及锆石分选由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成，锆石阴极发光图像及U-Pb年龄测定由天津地质矿产研究所实验室完成。U-Pb年龄测试仪器为激光熔蚀多接收器电感耦合等离子质谱仪（LA-MC-ICP-MS），其207Pb/206Pb、206Pb/238U和207Pb/235U的测试精度约2%（2σ），定年精度和准确度约1%（2σ）。实验中，普通铅校正采用Andersen法，数据处理采用ICPMSDataCal程序，用Isoplot程序完成年龄计算及谐和图的绘制。

（2）测试结果

本次工作共测试30颗锆石，所测锆石均为无色透明，以自形短柱状为主，少量长柱状，长/宽变化不大，粒径80～200μm，大多数锆石结晶良好，具较明显的韵律环带，表明为岩浆锆石（吴元保等，2004），其结晶年龄可代表流纹岩的成岩年龄。测试结果表明，在207Pb/206Pb、238U/206Pb值谐和曲线对比图上（图5），各点数据拟合较好，拟合直线的误差MSWD=1.8，满足精度要求。拟合直线与谐和曲线相交于110.5±1.1Ma，表明缸山火山机构流纹岩的年龄为110.5±1.1Ma，属中生代早白垩世。

2 缸山火山机构的构造环境分析

2.1 构造环境判别

总体看来，缸山火山机构火山岩具有高K、高AI、低Ti 的特点，具岛弧及活动大陆边缘环境火山岩的特征。但岩石中K2O的含量值为2.65%～5.86%，平均4.72%，远高于岛弧环境火山岩K2O的含量（K2O平均为1.6%），而与活动大陆边缘环境火山岩K2O的含量（K2O平均为3.25%）比较接近。SiO2含量为58.36%～75.71%，FeO*/MgO的值为3.24～50.27>2.0，K2O/Na2O的值为0.69～2.03>0.6，按照Jakes等人（1972）的观点，其形成环境应属活动大陆边缘环境。LREE平均含量为174.3×10-6，HREE平均含量为18.7×10-6，LR/HR平均值为9.32，δEu平均值为0.34，具有轻稀土富集、重稀土亏损、较弱负Eu异常的特征，与岛弧及活动大陆边缘环境火山岩特征相似。

在lgσ-lgτ图解中（图6），岩石均投影于造山带，即岛弧与活动大陆边缘区内;在Y-Nb图解中（图7），岩石均投影于“火山岩弧+同碰撞”区内，且相对靠近板内区一侧。

综上所述，本文认为缸山火山机构火山岩的形成环境应属造山带之活动大陆边缘构造环境。

2.2 火山活动分析

缸山火山机构火山岩在区域地层上属于中生代早白垩世张家口组一段（K1z1）和二段（K1z2），牛宝贵、和政军等人（2003）应用SHRIMP U-Pb同位素测年方法测得冀北地区张家口组下部流纹岩年龄为135.8±3.1Ma;李佩贤、柳永清等人（2004）应用相同测年方法测得流纹岩的年龄为135.4±1.6Ma;本次工作应用锆石LA-ICP-MS U-Pb测年方法测得流纹岩的年龄为110.5±1.1Ma，故缸山火山机构的形成年代大致在110～135Ma之间，属早白垩世无疑，同位素测年结果与区域地层划分情况一致。

据区域研究成果，中生代是华北地区重要的构造变革与转型时期，构造盆地演化受控于欧亚构造域的板块挤压拼接和滨太平洋构造域“洋-陆”俯冲碰撞两大动力学背景。特别是晚侏罗世—早白垩世时期，太平洋板块活动取代了扬子板块、西伯利亚板块活动对华北地区构造演化的控制地位（吴智平等，2007），华北陆块及其周缘地区受到了来自古太平洋板块，尤其是伊泽奈崎板块运动的影响。伊泽奈崎板块快速向北运动所产生的侧向拖曳应力与来自西伯利亚板块的向南挤压作用、来自印支陆块的北向挤压作用以及来自中国西南地区由于特提斯洋闭合所引起的被动挤压作用（图8）（范蔚茗等，2005），引起了华北陆块岩石圈的伸展—减薄，在华北大部分地区形成了较大规模的裂陷盆地、断陷盆地及火山-断陷盆地，并导致了大规模以中酸性为主的火山喷发及岩浆侵入活动，形成了本区早白垩世的中酸性侵入岩和火山岩（许温良等，2004）。

3 结论

冀东昌黎—抚宁一带的中生代火山岩由于出露少，岩性杂，构造比较发育，给地层划分和归属带来了较大困难，导致前人工作对该区火山岩的认识存在较大分歧。本次工作通过岩性-岩相双重填图方法，识别出了缸山火山机构;通过锆石U-Pb测年，确定了其形成年代;通过岩石地球化学分析，对其构造环境及火山活动进行了分析与探讨。研究结果表明，缸山火山机构是由中心式火山喷发所形成的穹形火山，其形成时代为中生代早白垩世，其构造环境为活动性大陆边缘环境，是中生代早白垩世燕山期造山运动的产物。缸山火山机构的确定，特别是锆石U-Pb测年结果，对本区火山岩地层的重新厘定以及中生代华北地块岩浆构造活动的研究具有十分重要的意义。

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