冀北地区中三叠世火山岩地层三家北沟组的建立
2021-08-11吴江宇王金贵张鑫全刘蓓蓓杨鑫朋李庆喆
吴江宇，王金贵，张鑫全，梁 贤，刘蓓蓓，王 硕，杨鑫朋，杨 瑞，李庆喆
1.河北省区域地质调查院，河北 廊坊 065000；2.河北地质大学，河北 石家庄 050031
参照河北志（2017）构造单元划分方案[1]，进一步将冀北地区在晚泥盆世至中三叠世期间的构造单元作了细划（图1）：一级构造单元为柴达木—华北板块；二级构造单元为华北陆块；三级构造单元为华北北缘岩浆弧带；以西拉木伦地壳对接带、康保—围场区域断裂和尚义—隆化区域断裂为界，由北向南四级构造单元依次为：华北北缘弧前盆地带（属康保—赤峰地层分区）、华北北缘弧间盆地隆起带（属张北—围场地层分区），燕辽弧后盆地带（属燕辽地层分区）。根据河北志（2017）及邻区资料综合分析认为，西伯利亚板块从晚泥盆世开始向南向柴达木—华北板块之下俯冲，冀北地区在晚泥盆世至早二叠世处于前碰撞阶段，中晚二叠世处于同碰撞阶段，早三叠世至中三叠世中期处于后碰撞阶段，中三叠世晚期处于后造山阶段[1]。
冀北地区位于华北北缘岩浆弧带上，不同阶段的岩浆活动是挤压造山过程中重要内容之一。以往的地质调查研究资料中没有明确确定在中三叠世存在较强烈火山活动和相应的岩石地层单位[2-4]，通过进一步调研在康保与张北交界地区和围场三家北沟一带（图1、图2）确定了中三叠世存在较强烈的火山活动，根据火山岩的分布特征和同位素测年资料等，论文将这套以火山岩为主的地层重新命名为中三叠世三家北沟组。
1 地层特征
1.1 基本特征
分布于康保—赤峰地层分区围场三家北沟一带的三家北沟组整体呈北东向带状展布[1]，岩层走向呈北东东向延伸（图1、图2）。岩石以玄武安山岩、安山岩、玄武粗安岩、粗安岩、英安岩、流纹岩及相应火山碎屑岩不等厚互层为特征，底部发育一层灰色砾岩。发育厚度达828 m。火山岩以玄武安山岩—安山岩—流纹岩、安山岩—英安岩或英安质角砾熔岩、安山岩—粗安岩—英安岩、安山岩（夹安山质角砾熔岩）—流纹岩及玄武粗安岩—粗安岩构成火山喷发韵律。下伏与早三叠世劈柴拌组一段呈平行或微角度不整合，与新太古代晚期艾家沟岩组及变质深成岩呈角度不整合接触；上覆与早侏罗世下花园组呈角度不整合接触、与早白垩世张家口组呈断层接触。
图2 冀北三家北沟一带地质简图（据河北志，2017资料修改）Fig.2 Geological sketch of Sanjiabeigou area in northern Hebei
围场三家北沟一带的三家北沟组在1∶20万棋盘山幅（1979）划归晚古生代[2]，1∶5万朝阳湾幅（1990）划为早二叠世劈柴拌组[3]，1∶25万西老府幅（2009）[4]和河北志（2017）[1]将原划早二叠世劈柴拌组进行了解体，将变质火山岩地层划归早中二叠世额里图组，未变质的火山岩地层暂归属早侏罗世南大岭组。但是，岩石组合特征与同位素测年成果不支持划为早侏罗世南大岭组。区域上的南大岭组以玄武岩、安山岩、玄武粗安岩、粗安岩互层为主，夹有粗面玄武岩、粗面岩等，独特之处是以出现较多玄武岩为特征[1]。因此，论文将其划为中三叠世三家北沟组。另外，根据新的同位素测年成果及对比，将劈柴拌组的时代调正为早三叠世。
分布于张北—围场地层分区康保与张北交界地区的三家北沟组呈北西西向和北东东向短带状展布（图1）。中下部以安山质、粗安质、英安质和流纹质凝灰岩不等厚韵律性互层为特征，局部夹有复成分砾岩等；上部以玄武粗安岩、粗安岩不等厚韵律性互层为特征。发育厚度大于360 m。下伏与古元古代晚期变质石英二长闪长岩、变质二长花岗岩及变质正长花岗岩呈角度不整合接触，未见顶，或被第四系覆盖[1]。
图1 冀北及邻区晚泥盆世至中三叠世构造单元划分图（据河北志，2017资料修编）Fig.1 Division of Late Devonian to Middle Triassic tectonic units in northern Hebei and its adjacent areas
康保与张北交界地区的三家北沟组在1∶20万康保幅（1979）划为晚侏罗世白旗组[5]，1∶5万张北牧场幅（2001）与1∶25万张北县幅（2003）划为晚侏罗世张家口组[6-7]，河北志（2017）划为早侏罗世南大岭组[1]。但是，岩石组合特征与同位素测年成果不支持划为早侏罗世南大岭组、晚侏罗世白旗组及张家口组。区域上的晚侏罗世白旗组火山岩以安山岩、粗安岩、流纹岩及流纹质凝灰岩为特征；早白垩世张家口组火山岩以流纹岩、流纹质凝灰岩、石英粗面岩、粗面岩及碱流岩为特征[1]。因此，论文将其归属于中三叠世三家北沟组。
1.2 剖面特征
三家北沟组命名剖面（图3）位于围场县三家北沟一带（图2），剖面起点坐标：N42°03′46″，E117°55′51″，H1 420 m。该剖面地层出露齐全、连续，露头较好，上下接触关系清楚，构造简单，交通方便。剖面描述如下：
图3 围场县三家北沟中三叠世三家北沟组剖面图（据河北志，2017资料修改）Fig.3 Profile of Sanjiabeigou Formation of Middle Triassic in Weichang County
上覆下花园组（J1x）：黄绿色砾岩
～～～～～ 角度不整合 ～～～～～
三家北沟组（T2s）： 828.0 m
23.浅灰色碳酸盐化粗安岩 105.3 m
22.黄绿色粗安岩 2.3 m
21.黑灰色碳酸盐化玄武粗安岩 40.6 m
20.黄灰色蚀变流纹岩 31.6 m
19.灰绿色蚀变安山岩 9.3 m
18.灰黑色蚀变安山岩 7.8 m
17.黄绿色安山质角砾熔岩 4.7 m
16.紫红色致密块状安山岩 21.9 m
15.浅黄绿色蚀变流纹岩 26.6 m
14.黄灰色致密块状蚀变安山岩 16.2 m
13.灰色玄武安山岩 35.8 m
12.浅黄灰色蚀变英安岩 114.7 m
11.灰、灰紫色蚀变粗安岩 55.7 m
10.灰绿色安山岩 10.0 m
9.英安质角砾熔岩 13.0 m
8.紫红色绢云母化安山岩 14.8 m
7.灰绿色强蚀变安山岩 98.9 m
6.灰紫红色硅化碎裂安山岩 51.5 m
5.灰绿色蚀变英安岩 52.9 m
4.紫灰色蚀变安山岩 39.1 m
3.灰色杏仁状安山岩 4.1 m
2.灰、灰绿色黑云母安山岩 69.0 m
1.灰黄、灰色砾岩 2.2 m
～～～～～ 角度不整合 ～～～～～
下伏艾家沟岩组（Ar33a）：灰黄色黑云斜长片麻岩
剖面控制地层厚度为828 m。在砾岩之上，由下往上由早到晚火山岩由安山岩—英安岩（2～5层厚度165.1 m）、安山岩—英安质角砾熔岩（6～9层厚度178.2 m）、安山岩—粗安岩—英安岩（10～12层厚度180.4 m）、玄武安山岩—安山岩—流纹岩（13～15层厚度78.6 m）、安山岩（夹安山质角砾熔岩）—流纹岩（16～20层厚度75.3 m）及玄武粗安岩—粗安岩（21～23层厚度148.2 m）构成6个火山喷发韵律。
2 岩石地球化学特征
三家北沟组火山岩的岩石化学成分、稀土元素与微量元素含量分析结果及主要参数如表1所列。
2.1 主量元素特征
本区各火山岩类的平均岩石化学成分含量与中国[8]、世界[9]同类火山岩岩石化学成分含量相比较（图4a、表1），安山岩类的SiO2、MgO、Na2O含量略有偏高，其他氧化物含量略有偏低，具有安山岩的岩石化学特征；粗安岩类的Fe2O3、MgO含量略有偏高，其他氧化物含量略有偏低，具有粗安岩的岩石化学特征；英安岩类的TiO2、Al2O3、MgO、Na2O含量略有偏高，其他氧化物含量略有偏低，具有英安岩的岩石化学特征；流纹岩类的TiO2、Al2O3、MgO含量略有偏高，其他氧化物含量略有偏低，具有流纹岩的岩石化学特征[10]。以参数σ数值大小划分，三家北沟组火山岩的参数σ绝大多数在1.31～3.23之间（＜3.3）,主要属于钙碱性系列的火山岩；个别玄武粗安岩的参数σ为4.16（＞3.3），属于碱性系列的火山岩。从岩石测试样品所取得位置分析，中三叠世早中期形成的该组中下部火山岩属于钙碱性系列的火山岩；中三叠世晚期形成的该组上部火山岩属于钙碱性系列和碱性系列的火山岩。经火山岩TAS分类图解（图4a）判别，火山岩岩石类型与鉴定的火山岩岩石名称相吻合。
表1 三家北沟组火山岩岩石化学成分、稀土元素与微量元素含量及主要参数表Table 1 The petrochemical compositions，REE and trace element contents and main parameters table of volcanic rocks of Sanjiabeigou Formation
2.2 微量元素特征
三家北沟组火山岩的稀土元素总量ΣREE在135.49×10-6～243.26×10-6之间，平均值为182.17×10-6；参数δEu在0.63～0.85之间，平均值为0.75；稀土元素配分模式为右倾型（图4b），显示轻稀土富集，Eu具弱的负异常，轻稀土与重稀土分馏较强，具有壳幔混源岩浆的特征。火山岩微量元素蛛网图（图4c）显示，Ba、K、La、Nd、Zr、Sm元素呈现富集状态，而U、Nb、Sr、P、Hf元素呈现亏损状态，其他元素处于过渡状态；特征参数Rb/Sr均值为0.27，Nb/Ta均值为4.63，Zr/Hf均值为59.6。稀土和微量元素特征显示其具有岩浆弧带岩浆岩的性质。不论是稀土元素配分模式（图4b），还是微量元素蛛网图（图4c），其曲线形态均具有较高至高度的一致性，充分表明了火山岩形成时代和岩浆成因的一致性。
2.3 形成构造环境分析
选择三种相对较为有效和常用的岩石化学图解进行三家北沟组火山岩形成构造环境的判别，在火山岩logτ-logσ图解（图4d）中，除1件样品（8号）落入由造山带火山岩演化派生的碱性—偏碱性火山岩区并靠近造山带火山岩区外，其他9件样品落入造山带火山岩区[11]；在火山岩TAK图解（图4e）中，10件样品全部落入岛弧造山带火山岩区[12]；在火山岩
图4 火山岩岩石地球化学图解Fig.4 Geochemical diagrams of volcanic rocks
3 地层对比与时代归属
分布于围场三家北沟一带的三家北沟组发育齐全，厚度达828 m。除底部为一层砾岩外，以中性、酸性和中偏碱性火山熔岩的韵律层为特征。所处构造位置属于华北北缘弧前盆地带，其火山岩代表了弧前盆地带在中三叠世期间的火山岩浆活动特征。
分布于康保与张北交界地区的三家北沟组发育不太齐全，厚度大于360 m。中下部以中性、中偏碱性、酸性火山碎屑岩的韵律层为特征，局部夹有复成分砾岩等；上部以中偏基偏碱性、中偏碱性火山熔岩的韵律层为特征。虽然在岩相上与围场三家北沟一带略有区别，但从火山岩岩石化学成分及成因等方面具有可比性。所处构造位置属于华北北缘弧间盆地隆起带，其火山岩代表了弧间盆地隆起带在中三叠世期间的火山岩浆活动特征。
分布于燕辽地层分区辽西凌源地区邓杖子盆地的水泉沟组（图1），1∶20万凌源幅（1965）将其划归早侏罗世[14]，胡健民等（2005）将其划归晚三叠世[15]，辽宁志（2017）将其改为中侏罗世髫髻山组[16]，但从岩石组合特征与同位素测年成果均不支持。水泉沟组发育较齐全，厚度达923.5 m。下部以中性火山熔岩为主，间夹少量泥质细砂岩和凝灰质中砂岩；中部为中性和酸性火山碎屑岩；上部以凝灰质砾岩为主，间夹砾岩。虽然在岩相上与三家北沟组有所区别，但从火山岩岩石化学性质及成因等方面具有可比性。该组所处构造位置属于燕辽弧后盆地带，其火山岩代表了弧后盆地带在中三叠世期间的火山岩浆活动特征。
目前，在围场三家北沟一带的三家北沟组安山岩中获得LA-ICPMS锆石U-Pb年龄为239.6±3.9 Ma[4]；在康保与张北交界地区的三家北沟组玄武粗安岩中获得K-Ar全岩年龄为229±8 Ma[6]；在辽西凌源地区邓杖子盆地的水泉沟组辉石安山岩中获得SHRIMP锆石U-Pb年龄为242±4 Ma、230±3 Ma[15]。按照全国地层委员会编制的中国地层表（2014）中三叠世的时限为247.2～228.7 Ma，这些同位素测年成果均属于中三叠世。因此，三家北沟组与水泉沟组的形成时代均应归属于中三叠世。
另外，在燕辽弧后盆地带承德县西部石湖村一带的中三叠世二马营组中新发现的凝灰岩夹层内获得了LA-ICPMS锆石U-Pb年龄为234±3 Ma[17]；在承德县西北部的中侏罗世九龙山组砾岩中的火山岩砾石内获得了Ar-Ar年龄为241±1 Ma[18]；在承德县东部的晚三叠世杏石口组砾岩中的火山岩砾石内获得了LAICPMS锆石U-Pb年龄为247±4 Ma[19]。这些同位素测年成果的取得，进一步从不同方面证实了华北北缘岩浆弧带在中三叠世存在较强烈的火山岩浆活动。
总之，本文新建了三家北沟组，并将其归属于中三叠世是很有必要的。分布于不同构造位置的三家北沟组及水泉沟组，分别代表了在中三叠世期间华北北缘岩浆弧带中从弧前盆地带→弧间盆地隆起带→弧后盆地带不同构造位置的火山岩浆活动特征。
4 结论与意义
（1）在冀北地区新命名的中三叠世三家北沟组与辽西凌源地区的水泉沟组可以对比，从而证实了中三叠世存在较强烈的火山活动。三家北沟组以玄武安山岩、安山岩、玄武粗安岩、粗安岩、英安岩、流纹岩及相应火山碎屑岩不等厚韵律性互层为特征，火山活动间隙期发育砾岩层。火山岩的岩石系列，中下部以钙碱性为特征，上部以钙碱性、碱性为特征，整体具有岩浆弧带火山岩的性质。从岩石组合、岩石地球化学特征及同位素测年成果等综合分析，中下部的钙碱性火山岩形成于中三叠世早中期后碰撞阶段的挤压造山构造环境，上部的钙碱性、碱性火山岩形成于中三叠世晚期后造山阶段的过渡构造环境。
（2）分布于不同构造位置的三家北沟组及水泉沟组，分别代表了在中三叠世期间华北北缘岩浆弧带中从弧前盆地带→弧间盆地隆起带→弧后盆地带不同构造位置的火山岩浆活动特征。
（3）中三叠世三家北沟组建立，其意义在于填补了冀北地区中三叠世较强烈火山活动的空白，进一步丰富了印支期晚期后碰撞至后造山过程中岩浆活动的内容和补充完善了中三叠世的岩石地层序列。
