五大连池第四纪火山岩层序划分及其构造与生态意义

曾普胜, 丘顺帆, 李睿哲, 刘斯文, 王十安, 赵九江

1)自然资源部生态地球化学重点实验室, 国家地质实验测试中心, 北京 100037;2)黑龙江省地质调查研究总院, 黑龙江哈尔滨 150036; 3)中国地质大学(北京), 北京 100083

五大连池火山群是我国著名的第四纪火山群。多年来, 不少研究单位和个人先后对其进行了研究,积累了大量资料, 取得了丰硕的成果(Li et al., 2016;Rasskazov et al., 2016; Li et al., 2020)。但是, 至今在第四系岩石地层划分和命名及其时代归属等方面,仍未取得较统一的认识。近年来, 作者在20世纪末五大连池火山群 1:5万区调四幅联测工作基础上,对该火山群的岩石地层进行了较为深入的研究, 认识到第四系火山地层也属于水平岩层, 它的划分与对比必须是在查明每座火山喷发过程基础上, 辅以同位素年龄资料佐证, 再依据火山岩层间的沉积夹层对比, 确定各火山的喷发时代。

最早对五大连池火山岩研究的是20世纪30年代的日本人小仓勉(1936), 将其两分为新期(晚全新世)石龙熔岩和旧期(晚更新世)玄武岩。以后各家划分基本参照此进行。20世纪黑龙江省区测一队(1978)在开展1:20万龙镇公社幅区测时, 主要依据火山岩层间的沉积夹层对比, 将五大连池火山岩自下而上划分为焦得布山(中更新世早期)、笔架山(中更新世晚期)和老黑山(晚全新世)等 3个玄武岩组(佟志芳,1978), 徐衍强和刘振环(1979)也进行了类似的划分。胡世玲(1984)只划分为五大连池玄武岩组和老黑山玄武岩组。王承祺(1987)对科洛—五大连池火山岩带进行专题研究时, 主要依据 K-Ar同位素年龄资料, 将其自下而上分为双泉(1.0—0.9 Ma)、焦得布山(0.90—0.80 Ma)、龙门山(0.65—0.50 Ma)、卧虎山(0.45—0.40 Ma)、影背山(0.40—0.30 Ma)、笔架山(0.30—0.25 Ma)、老黑山(距今265 a)等7个喷发亚期; 在 30届国际地质大会五大连池火山地质旅行路线指南中, 也主要依据K-Ar同位素年龄资料, 将其自下而上分为格拉球山(2.076 Ma)、卧虎山(1.053—1.416 Ma)、焦得布山(0.88—0.70 Ma)、尾山(0.57—0.4 Ma)、笔架山(0.34—0.28 Ma)、西龙门山(0.19—0.17 Ma)和老黑山(1721—1719 a)等 7期火山熔岩(Wang, 1996)。李齐等(1999)在“五大连池地区火山岩年代学研究”一文中, 利用新采集K-Ar的同位素年龄资料, 将其自下而上划分为1.3 Ma、0.9—0.8 Ma、0.6—0.45 Ma、0.38—0.24 Ma、0.16 Ma、0.09 Ma和距今 270 a等7个时段玄武岩。丘顺帆等(2003)在1: 5万五大连池农场四幅连测报告中, 主要依据火山岩层间的沉积夹层对比, 辅以同位素年龄资料佐证手段, 将其自下而上分为格拉球山(2.706—2.101 Ma)、焦得布(1.33—0.80 Ma)、尾山(0.57—0.317 Ma)、笔架山(0.25—0.145 Ma)和老黑山(距今284—228 a)等5期玄武岩。

勿庸质疑, 前人的每一次研究都使得五大连池火山岩石地层的划分在向着正确的方向迈进, 特别是李齐等(1999)、Wang(1996)的划分。然而, 这种划分主要是依据同位素年龄资料进行的, 缺少岩石地层方面的佐证资料。本文从野外调查的岩石学资料, 结合年代学数据, 探讨中国最新的火山岩的喷发层序及其生态环境意义, 为后续研究提供基础地质数据。

1 地质背景

五大连池火山岩带位于汾渭地堑—大兴安岭新生代火山岩裂谷带的北东端, 与镜泊湖—科洛火山岩带交汇处(图1a)(白志达等, 2012), 属于北东向火山岩带最年轻的火山岩。

五大连池火山群位于黑龙江省中部, 属德都县所辖。地理坐标为东经 126°00′—126°20′, 北纬38°34′—38°48′。区内丘陵起伏, 丘陵之上耸立着十四座火山(图1b), 即: 尾山、莫拉布山、东龙门山、西龙门山、影背山(小孤山)、东焦得布山、西焦得布山、南格拉球山、北格拉球山、卧虎山、笔架山、药泉山、老黑山和火烧山, 分布面积达八百余km2。自中更新世以来, 火山多次爆发, 最新的火山喷发发生在公元 1719年(清康熙五十八年)和公元 1720—1721年(清康熙五十九年—六十年)间, 清朝大臣吴振臣1721年所著的《宁古塔纪略》记载了火山的喷发景观: “离城(都德)五十里有水荡, 周围三十里,于康熙五十九年六、七月间, 忽烟火朝天, 其声如雷, 昼夜不绝, 声闻五、六十里, 其飞出者, 皆黑石硫磺之类, 经年不断, 竟成一山, 兼像城廓, 热气逼人三十余里, 只可登而远望”, 这就形成了老黑山、火烧山两座火山。这种早期的记录对于理解火山爆发的过程和确切的喷发时间, 意义重大。

老黑山和火烧山喷发熔岩流从北往南流并占据白河故道及其附近低洼沼泽, 形成五个相互串通的火山堰塞湖, 这便是“五大连池”——相互连通的一池、二池、三池、四池和五池(图1b)。

图1 东北五大连池区域构造(a, 据白志达等, 2012修改)和火山群地质图(b, 据Liu et al., 2001和Zhao et al., 2014修改)Fig.1 Regional geological map of Wudalianchi (a, modified from BAI et al., 2012), and distribution diagram of Quaternary volcanoes in northeast China (b, data from Liu et al., 2001 and Zhao et al., 2014)

长期以来, 五大连池第四系岩石地层, 尤其是五大连池火山岩石地层的划分, 前人众说纷纭。他们主要采用两种划分方法, 一种主要依据 K-Ar同位素年龄资料, 一种主要依据火山岩层间的沉积夹层对比。现就五大连池火山岩石地层的划分情况概括如表1和表2。

表1 五大连池第四纪岩石地层划分沿革表Table 1 Division and evolution of Quaternary rock strata in Wudalianchi area

表2 五大连池火山岩K-Ar同位素年龄一览表Table 2 K-Ar dating data of the Wudalianchi volcanic rocks

2 五大连池第四纪火山岩层序划分

2.1 岩石地层划分原则

火山岩区地层比较复杂, 有的以火山岩为主,有的以沉积岩为主, 可统称为火山-沉积岩系。在以火山岩为主的火山岩区, 岩石地层的划分应以火山活动及其喷发层序本身的特点作为重要依据。在火山岩和沉积岩均较发育的地区, 还应将火山作用和沉积作用结合起来考虑岩石地层的划分(巫建华,1999)。

上述两条划分原则决定了五大连池第四系岩石地层如下的具体划分原则:

(1)五大连池既属于以火山岩为主的火山岩区,又属于火山岩和沉积岩均较发育的地区(火山岩约占第四系面积的 40.39%)。该区岩石地层的划分除应以火山活动及其喷发层序本身的特点作为重要依据外, 还应将火山作用和沉积作用结合起来考虑岩石地层的划分, 即火山喷发只不过是松嫩盆地连续沉积过程中的短暂的幕式火山活动, 正常沉积应划分到组。而火山喷发考虑到其重要性, 理应划分到组, 但因其时空间的短暂, 只赋予其组级单位含义,不赋予组名。

(2)五大连池火山位于松嫩盆地北缘, 沉积地层的划分理应采用哈尔滨地层分区岩石地层单位。

(3)五大连池第四纪火山属于水平岩层, 钻孔层序资料表明除南格拉球山与北格拉球山、尾山、莫拉布山熔岩台地上只存在有一层玄武岩外, 其余各座火山熔岩台地上均存在有两层玄武岩。因此, 五大连池地区第四系火山地层的划分与对比必须是在地表岩石层序与钻孔岩石层序划分对比的基础上,结合火山岩同位素地质年龄值进行。因此, 五大连池地区已有资料的95个钻孔和12 543.36 m的总进尺,达到平均每个1:5万幅有23.75个钻孔和134.87 m/孔的深部层位控制密度, 充分保证了此项工作的开展。

(4)火山岩区的火山岩石地层比较复杂, 应在查明各火山的火山地层、喷发韵律、喷发旋回、火山岩相、喷发过程和喷发时代特征的基础上, 才能切实进行火山岩石地层的划分与对比。五大连池火山群新期火山裸露, 调查比较容易。旧期火山除了锥体半裸露, 熔岩台地几乎全掩盖。因此, 在1:5万五大连池区调工作中, 重点采用十字形剖面解剖每一座火山锥体, 同时重点对新期火山熔岩台地上的熔岩溢流现象进行调查, 又施以ZK3-24等22个浅钻,还在老黑山和小孤山近锥脚台地上施以 ZK1和ZK2这2个深钻, 钻孔总进尺423.52 m, 才得以基本上完成此项工作。

(5)五大连池各期火山从老至新, 喷发量由少到多、再由多到少的规律, 反映了本区火山活动由弱到强、再由强到弱的演化特点。

(6)五大连池地表各期火山均存在复式锥, 经1:5万区调工作后表明各期火山复式锥中的单锥均为同时喷发, 但喷发结束是有先后的, 从而证实各期火山复式锥中的单锥均为同期喷发产物。

2.2 岩石地层划分方案

按上述划分原则, 结合2003年获得的10个玄武岩 K-Ar同位素年龄值, 使五大连池第四纪岩石地层划分对比的依据更为充分。方案需要考虑以下几点:

(1)经 1:5万区调后期研究, 区内及外围钻孔资料显示无有下更新统猞猁组和东深井组沉积。原在尾山农场六队一带垅岗地貌的低洼处和岗坡处沉积的一套花岗岩原地风化残坡积砂砾石划归的“猞猁组”具铁质胶结成岩沉积特征(丘顺帆等, 2003), 可与五大连池火山北侧大面积下—中更新统下荒山组对比。

(2)1:5万区调在火山岩组间划分的沉积岩组大致与前人的划分相同, 考虑到五大连池火山-沉积盆地内幕式火山短暂喷发, 并为正常沉积岩组所夹特点, 本文将 1:5万区调报告中的夹早更新世晚期“焦得布玄武岩”(1.33 Ma)的下荒山组下、上段(丘顺帆等, 2003), 分别修改为下荒山组和上荒山组。西邻 1:20万区调嫩江县幅荒山组沉积中心在荣军农场五队—双山农场呈北北东向带状连续沉积资料也证实这一点(丘顺帆等, 2003)。前人所划分的“下荒山组”(1.2—0.6 Ma, 郑庆道, 1991)和“上荒山组”(0.5—0.24 Ma, 郑庆道, 1991)虽不符合地层命名原则, 在未有新的命名之前, 仍予沿用。

(3)格球山农场四连点处(旧址)的格拉球山北台地玄武岩K-Ar同位素年龄值(2.101±0.063) Ma、(2.076±0.054) Ma(丘顺帆等, 2003), 经新获得的K-Ar同位素年龄值(0.472±0.021) Ma(丘顺帆等,2003)、(0.398±0.015) Ma(丘顺帆等, 2003), 另南格拉球山锥体与莫拉布山复式锥西锥体内均有积水沼泽, 又南、北格拉球山熔岩顺古地形北流26 km达东风水库(丘顺帆等, 2003), 与尾山期锥体剥蚀程度和岩流喷发规模大的特点相同看, 应为中更新世早期尾山期(0.62—0.285 Ma)产物。因此, 1:5万区调划分的早更新世早期“格拉球山玄武岩”理应废弃。而原位于格球山农场四连点处(旧址)玄武岩之下的“猞猁组”(N26孔)(丘顺帆等, 2003)应改为下—中更新统下荒山组。原位于讷谟尔河谷岸上白垩统嫩江组之上、中—上更新统哈尔滨组之下(ZK7、ZK5孔)和位于讷漠尔河谷北岸焦盾台地之下的下更新统“猞猁组”、“东深井组”(De16、De18孔)(丘顺帆等, 2003), 应分别改为下—中更新统下荒山组和上荒山组, 即构成隐伏的讷谟尔河谷Ⅱ级阶地。

(4)东焦得布山东南 W17孔中被下—中更新统下荒山组和上荒山组所夹的下层玄武岩, 与在卧虎山西北W1孔中覆盖在上白垩统嫩江组砂泥岩之上的下层玄武岩为同一层位。五大连池钻孔资料表明,该下层玄武岩分布零星, 与五大连池火山西侧莲花山玄武岩分布特点大致相同。莲花山玄武岩 K-Ar同位素年龄值1.214～1.113 Ma(李齐等, 1999), 表明早更新世中期“焦得布玄武岩”的存在, 符合该初始期火山喷发规模小的特征。

(5)小孤山火山锥体覆盖程度较厚, 与尾山、西焦得布山与东焦得布山的火山锥体覆盖程度相似,完全不同于西龙门山与东龙门山锥体覆盖程度。航片解译资料证实西龙门山与东龙门山岩流绕过小孤山火山锥体南下而去。小孤山火山口内壁玄武质浮岩砾块K-Ar同位素年龄值((0.470±0.026) Ma, 丘顺帆等, 2003 )比西龙门山与东龙门山熔岩K-Ar同位素年龄值((0.132±0.006) Ma, 丘顺帆等, 2003)也说明了这一点。

(6)西龙门山与东龙门山盾状熔岩台地东缘玄武岩K-Ar同位素年龄值(0.132±0.006) Ma, 表明与该两座火山同为中更新世晚期笔架山玄武岩(0.25—0.132 Ma)。该期玄武岩以盾丘和复式锥发育、锥体与熔岩台地剥蚀程度较低为特征, 明显区别于其它各期玄武岩。笔架山同样具有这个特征。东焦得布山东南ZK24孔玄武岩K-Ar同位素年龄值(0.209±0.010) Ma显示为西龙门山与东龙门山盾状熔岩向南围绕西焦得布山与东焦得布山台地南缘,沿讷谟尔河谷北侧流淌。

(7)三池东岸边(东焦得布山台地)ZK17证实尾山玄武岩之上的中—上更新统哈尔滨组的热释光年龄值为(0.01775±0.0014) Ma(丘顺帆等,2003)(表 3)。

表3 14C测年结果表Table 3 14C dating results

本次补充完成的 K-Ar同位素测年由国家地震局地质研究所李大明完成, 使用仪器: MM5400静态真空质谱计; 测试条件: 样品在 1500℃左右熔化的同时, 加入准确定量的38Ar稀释剂, 测定混合稀释剂后的同位素比值(40Ar/38Ar)m和(38Ar/36Ar)m, 求出样品的放射性成因40Ar, 再根据样品的钾含量计算年龄。常数: λe=0.581×10-10/年; λβ=4.962×10-10/年;40K/K=1.167×10-4。参见李齐等(1999)。

炭质黏土14C测年由中科院长春分院地理所王超英、李崇玲完成。方法参见仇世华和蔡莲珍(1997)。

(8)老黑山南 ZK1孔证实老黑山玄武岩之下为上更新统顾乡屯组(0.0601—0.0144 Ma)黄褐色砂砾石(丘顺帆等, 2003)。其砂的热释光年龄值为(0.0601±0.004) Ma(丘顺帆等, 2003)。这个现像表明此处原为隐伏的“乌德邻河”(陈洪洲等, 1999)Ⅰ级阶地。1:5万区调还证实老黑山新、旧锥喷发物间没有沉积间断(丘顺帆等, 2003)。满文史料记载老黑山玄武岩于 1720—1721年(陈洪洲等, 1999)和1776年(陈洪洲等, 2004)两次喷发。老黑山旧北锥体火口缘相的砖红色火山集块岩中砂泥岩捕虏体热释光结果为距今(273±19) a B.P(计凤桔和李齐, 1998),即1721年前后喷发时限。另从该期锥体与熔岩台地绝大部分裸露, 地貌景观保存完好看, 也不应存在0.09 Ma喷发活动(图2a)。

2.3 五大连池火山岩地层层序

五大连池地表火山岩的面积为 851.15 km2(去掉盾状台地表皮上的沉积覆盖层后), 其岩石地层单位由下而上划分为 8个岩石地层单位, 即: (1)下—中更新统下荒山组(Q1-2x)、(2)下更新统焦得布玄武岩(βQ1j)、(3)下—中更新统上荒山组(Q1-2s)、(4)中更新统尾山玄武岩(βQ2w)、(5)中—上更新统哈尔滨组(Q2-3h)、(6)中—上更新统笔架山玄武岩(βQ2-3b)、(7)上更新统顾乡屯组(Q3g)、(8)全新统老黑山玄武岩(βQhl)。具体如下:

(1)下—中更新统下荒山组(Q1-2x)

该组为调查区最早的第四系沉积物, 地表未出露, 主要隐伏于讷谟尔河北岸熔岩台地之下, 其次隐伏于讷谟尔河南Ⅱ级阶地之下, 东焦得布山东南W17钻孔剖面可以代表前者层序, 厚度10.08 m(图2b)。

图2 五大连池火山的构造格架(a)及钻孔柱状对比图(b)Fig.2 Structural framework (a) and borehole column comparison (b) of Wudalianchi Volcanoes

据其下伏地层为上白垩统嫩江组、上覆地层为下—中更新统上荒山组, 中间夹有下更新统焦得布玄武岩, 下段为河流相沉积、上段为湖相沉积, 含铁锰质结核或条带和具钙质淋滤斑点, 顶部古土壤表层发育冻融褶皱特征与比较偏冷湿与偏冷干的气侯环境下的桦林-草原植被景观, 大致与构成松嫩盆缘山前部位的下—中更新统下荒山组(Q1-2x)层位基本相当, 形成时限应置于早更新世晚期—中更新世早期, 即＞1.2～0.4 Ma或1.2～0.6 Ma。五大连池钻孔资料中反映出的下荒山组在卧虎山一带缺失现象, 证实卧虎山一带为古隆起。

(2)下更新统焦得布玄武岩(βQ1j)

该玄武岩仅零星出露于五大连池西侧的莲花山。在五大连池, 则零散见于卧虎山、东焦得布山和西焦得布山下几个钻孔内的下层玄武岩中。卧虎山北侧 W1钻孔剖面可以代表该层序, 厚度61.00 m(图2b):

该孔玄武岩当中夹有 6层火山砂, 最厚一层火山砂厚度 3.71 m, 表明距离当时喷发的火山口不远。在东焦得布山东南侧W17钻孔剖面上, 该玄武岩厚度为26.87 m。

该下层玄武岩, 前人未有 K-Ar同位素地质年龄值资料控制。但是从 W1孔上层玄武岩 K-Ar同位素地质年龄值为(0.415±0.048) Ma, 和从与 W17孔上层玄武岩同层位的东焦得布山和西焦得布山流至三池子东岸玄武岩台地边缘ZK17孔K-Ar同位素地质年龄值为(0.318±0.008) Ma(表 1)看, 均显示为中更新统尾山玄武岩。又从该玄武岩零星出露于五大连池和莲花山, 不具有面状喷发特点, 符合五大连池火山初始喷发能量少和弱的规律。所以, 依据莲花山玄武岩 K-Ar同位素地质年龄值为1.214～1.113 Ma(表 1), 该两孔的下层玄武岩沿用1:20万龙镇公社幅区调命名在先原则, 确定为下更新统焦得布玄武岩。

(3)下—中更新统上荒山组(Q1-2s)

该组在五大连池火山群内为隐伏地层, 位于东焦得布山东南侧 W17钻孔下更新统焦得布玄武岩之上(图2b)。据位于讷谟尔河南Ⅱ级阶地表层的建设乡东溢洪道 2995点剖面和二龙山农场一分场ZK7号钻孔剖面孢粉资料显示, 该组第6层仍以草本花粉占优势, 但较下荒山组有所减少, 木本植物花粉较下荒山组有所增加。草本植物花粉以蒿属占绝对优势, 芦苇属、苔属花粉很少, 显示比较干旱的气侯环境。木本植物花粉以桦属、鹅耳枥属为主,说明气温偏冷。第7层草本植物花粉稍多于木本植物花粉, 草本植物花粉以蒿属花粉为主, 苔属和芦苇属较少, 仍是较干的气候环境。木本植物花粉以阔叶桦、鹅耳枥属花粉为主, 显示比较偏冷干的气侯环境。这种差别可能仍然反映为区东南侧森林较多, 而区西南侧草原较多的缘故。

据其下伏地层为下—中更新统下荒山组、上覆地层为中更新统尾山玄武岩、湖相沉积, 含铁锰质结核或条带、具钙质淋滤斑点和冻融褶皱不发育特征与比较偏温凉的气侯环境下的桦林-草原植被景观, 该组与构成松嫩平原盆缘山前部位的下—中更新统上荒山组层位相当, 时代为中更新世中期, 即0.80—0.60 Ma。

(4)中更新统尾山玄武岩(βQ2w)

该玄武岩出露于北格拉球山、南格拉球山、卧虎山、西焦得布山、东焦得布山、小孤山、莫拉布山和尾山。其次作为笔架山、西龙门山、东龙门山熔岩台地下隐伏的下层玄武岩, 地表出露面积为530 km2, 是五大连池火山爆发最强烈、溢流范围和堆积厚度最大一期的玄武岩。小孤山南ZK2孔下层玄武岩剖面可以代表该层序, 厚度为 77.77 m(图2b):

第7层玄武岩K-Ar同位素年龄值为(0.285±0.015) Ma,与卧虎山西北 W1孔上层玄武岩 K-Ar同位素年龄值(0.415±0.048) Ma相当, 也与东焦得布山和西焦得布山流至三池子玄武岩台地边缘 ZK17孔 K-Ar同位素地质年龄值为(0.318±0.0008) Ma(表1)相当。其次, 尾山锥体的 K-Ar全岩同位素地质年龄值(0.51±0.02) Ma 和(0.52±0.14) Ma, 莫拉布山北西熔岩台地K-Ar全岩同位素地质年龄值(0.57±0.05) Ma。再者, 北格拉球山北台地 K-Ar同位素年龄值分别为(0.472±0.021) Ma、(0.398±0.015) Ma(表 3, 表 4)也属于该层位。所以依据该层玄武岩的下伏地层为下—中更新统上荒山组(Q1-2x)黄褐色亚黏土, 上覆地层为中—上更新统哈尔滨组(Q2-3h)黄褐色亚黏土,分布又最为广泛, 有必要将其划分出来, 又该玄武岩以尾山最为典型, 将其归为中更新世中期0.57—0.285 Ma。位于尾山西侧的 De9孔, 和东焦得布山东侧的W17孔也很具代表性(图2a)。

表4 热释光测年结果表Table 4 Thermoluminescence dating results

(5)中—上更新统哈尔滨组(Q2-3h)

该组主要出露于五大连池旧期火山的熔岩台地上, 为黄色亚黏土, 厚度一般为＜3～5 m。其次,在沟谷低洼地段充填湖沼相沉积的淤泥质亚黏土,最大厚度为14 m。小孤山南ZK2孔可以作为代表性剖面, 厚度5.10 m(图2b)。其中所夹的17-18层为中更新统笔架山玄武岩(βQ2b)。在药泉山东翻花泉附近W38孔西约200 m处的该层位2.5 m深处,采到蒙古原始野马牙齿化石(经魏正一初步鉴定)。三池子东岸玄武岩台地边缘ZK17钻孔剖面可以代表后者层序(图2b):

该剖面孢粉组合中第3层下、中部为Ⅰ带, 木本花粉含量稍高, 以阔叶树种桦属、鹅耳枥属为主,针叶树种花粉极少。草本植物以蒿属、禾本科、苔属为主。蕨类植物孢子很少, 是冷偏湿的气侯环境。第3层上部、5、6、7、8层为Ⅱ带, 木本花粉含量稍多, 以针叶树种占绝对优势, 阔叶树种花粉较Ⅰ带显著减少; 草本植物以蒿属花粉为主。其次是禾本科、毛茛科、十字花科、蔷薇科。在第7层中, 水生植物香蒲属、眼子菜属花粉含量稍多, 说明局部地段处于水下, 但大环境还是冷偏干的气候环境。第9、10层为Ⅲ带, 草本植物比木本植物含量高, 草本植物以禾本科、菖蒲属、蒿属花粉为主, 其次还有一些毛茛科、十字花科、蔷薇科。木本植物以阔叶植物鹅耳枥属为主, 针叶树种花粉很少, 是一种偏暖湿的气侯环境。

东焦得布山东南 W17孔剖面可以代表前者层序, 厚度5.40 m(图2b)。

ZK17第 4、7、10层热释光测年值分别为:(17.75±1.4)×104a、(14.37±1.12)×104a、(9.86±0.76)×104a(表 4)说明该堆积层序形成时限为中更新世晚期—晚更新世早期。据其覆盖在中更新统尾山玄武岩(βQ2w)之上, 其中又夹有中更新统笔架山玄武岩(βQ2b), 并以普遍以含铁锰质结核和小砾往上岩相稳定为洪水漫覆相细碎屑沉积为特征, 与构成松嫩盆地Ⅱ级阶地和各类台地上部表层的中—上更新统哈尔滨组(Q2-3h)相当, 即形成时限为0.24—0.07 Ma。

(6)中—上更新统笔架山玄武岩(βQ2-3b)

该玄武岩主要出露于笔架山、西龙门山、东龙门山、药泉山, 面积253 km2。其次, 作为老黑山熔岩台地下隐伏的下层玄武岩。笔架山北W9孔剖面可以代表前者层序, 厚度为 53.65 m, 层序如下(图2b):

老黑山南 ZK1孔下层玄武岩剖面可以代表后者层序, 厚度5.71 m(图2b)。

从该层玄武岩被夹于中—上更新统哈尔滨组(Q2-3h)中的现像, 说明了其喷发期较为短暂, 依据笔架山盾状台地 K-Ar全岩同位素地质年龄值分别为(0.145±0.015) Ma、(0.162±0.004) Ma, 西龙门山西锥脚熔岩 K-Ar全岩同位素地质年龄值为(0.16±0.007) Ma、(0.132±0.006) Ma, 药泉山翻花泉处与小孤山熔岩 K-Ar全岩同位素地质年龄值分别为(0.25±0.002) Ma、(0.24±0.07) Ma, 老黑山南 ZK1孔下层玄武岩 K-Ar全岩同位素地质年龄值为(0.090±0.007) Ma(表 1)。因此, 将该玄武岩确定为中更新世晚期和晚更新世早期, 即形成时限在0.24—0.09 Ma。

(7)上更新统顾乡屯组(Q3g)

该组主要断续分布于本区南部的讷谟尔河两岸, 构成河谷残留Ⅰ级阶地。其次, 作为石龙河的前身—隐伏的古“乌德邻河”河谷残留Ⅰ级阶地。老黑山南 ZK1孔剖面可以代表后者该层序, 厚度1.74 m(图2b), 层序如下:

可明显地分为下、上两部分, 1—3层为粗碎屑堆积, 厚度6.30 m, 4—9层为细碎屑堆积, 厚度5.20 m,表现出一个完整的正旋回韵律沉积。下部为河床相兼夹有牛轭湖相沉积, 上部为冲洪积边滩沉积。孢粉组合中第3、5层为Ⅰ带, 以草本花粉占绝对优势为特征(＞80%); 木本植物花粉较少, 蕨类植物孢子更少。草本植物花粉以蒿属高含量为特征, 其次是菖蒲属、芦苇属, 其它如毛茛科、蔷薇科、十字花科花粉也有一定含量。显示凉偏干的气侯环境。第6、7层为Ⅱ带, 和Ⅰ带相比, 草本植物花粉显著减少, 相应的木本植物花粉明显增多。木本植物花粉比草本植物花粉百分含量稍多。草本植物花粉以芦苇属、蒿属花粉为主; 木本植物花粉以阔叶鹅耳枥为主, 针叶树种花粉极少, 显示暖湿的气候环境。第 8层为Ⅲ带, 和Ⅱ带相比, 草本植物花粉又有所增加, 百分含量超过木本植物花粉。木本植物花粉主要由阔叶树种花粉组成, 未见针叶树种花粉。草本植物花粉以蒿属花粉含量最多, 其次是菖蒲属、芦苇属花粉。指示一种冷偏干的气侯环境。

剖面自下而上木本植物花粉和草本植物花粉由少(多)—多(少)—少(多)的变化, 反映这种古气候向凉干—暖湿—冷干交替的方向发展, 是以榛、菖蒲、嵩为主的疏林草原湖沼植被类型。其中第 1、3、7层热释光测年值分别为(4.53±0.38)×104a、(3.50±0.28)×104a、(1.54±0.12)×104a, 第6层14C 测年为(21 854 ± 637) a(表3)。ZK1孔第5层中砂的热释光测年值为(60 100 ± 4600) a(表4), 以及被晚全新世老黑山玄武岩(βQhl)喷发覆盖关系(图 2b—ZK1),说明该堆积层序形成时限为晚更新世晚期, 并与松嫩盆地顾乡屯组相当, 即形成时限在0.07—0.011 Ma。

(8)全新统老黑山玄武岩(βQhl)

该玄武岩出露于老黑山、火烧山, 面积约为68.15 km2, 可以老黑山南ZK1孔剖面为代表, 厚度41.78 m(图2b)。据满文史料记载(陈洪洲等, 1999),该玄武岩于 1720—1721年形成, 因此将其时代确定为全新世。具东、南、西、北不同方向溢出口及多次复合(图3)。其中保留了至今仍属相对新鲜的天然火山岩样品。

图3 五大连池五大连池老黑山、火烧山火山地质图与地幔橄榄岩包体观察点分布图(a)及老黑山(b)与火烧山(c)剖面图(地质图和剖面图据白志达等, 1999修改)Fig.3 Map showing volcanic eruption types and sampling sites of peridotite xenoliths of Laoheishan and Huoshaoshan in Wudalianchi (a) and cross-sections of the volcanic cones of Laoheishan(b) and Huoshaoshan (c)(modified after BAI et al., 1999)

3 火山岩层序的构造与生态环境意义

3.1 地质构造意义

火山喷发受NW向和NNE向两组断裂控制, 形成由南西逐渐向北东迁移的火山群(图 2a), 与区域上的大同—大兴安岭裂谷带和松辽地堑的火山活动趋势(图1a)一致(Basu et al., 1991; 白志达等, 2012;刘广等, 2021), 并且位于大兴安岭地区与松辽地堑西北部的交汇部位, 展示出五大连池火山群是汾渭地堑-大兴安岭幔源火山活动带的最新前锋的趋势,这对于理解华北板内火山裂谷的深部运移情况和地震预测具有极为重要的意义。

同时, 该带上岩石圈伸展减薄, 是富含挥发分的岩浆携带大量的地幔橄榄岩包体(图 4), 是研究中国东部深部地幔的直接窗口(曾普胜等, 2021), 与西南部的汉诺坝一带的玄武岩中的地幔包体开展对比研究, 可以准确了解从古近纪到现代“汾渭—大兴安岭地幔流体”流动的性状和岩石圈地幔的变化趋势, 这是中国东部深部探测的宝贵的天然实验室和理想场所。

图4 五大连池老黑山北溢出口火山岩的喷发层序(a)及其携带橄榄石巨晶(b和c)Fig.4 Eruptive sequences(a) of volcanic rock at the northern breached crater of the Laoheishan in Wudalianchi and the olivine megacrysts carried by the lava (b and c)

3.2 生态环境意义

3.2.1 土壤及优质农产品意义

从长白山、镜泊湖、科洛等火山群的爆发, 再到五大连池火山群的喷发堆积, 形成的一系列的新生代富钾的碱性玄武岩堆积区, 由于其含有丰富的微量元素(ΣREE)和钾、磷等作物生长的必要元素(表4), 其中钾(5.25%～5.97%, 平均 5.55%)是中国玄武岩的(1.18%, 迟清华和鄢明才, 2007)的 4.7倍、磷(1.04%～1.09%, 平均 1.06%)是中国玄武岩的(0.343%, 迟清华和鄢明才, 2007)的 3.1倍, 其他微量元素也都显著富集(表 5); 这些显著富集的钾、磷、微量元素是天然植被和农作物生长的最重要营养物质(王承祺, 1979; Basu et al., 1991)。其实, 从镜泊湖—长白山—龙岗—千山一线的新生代富钾磷火山岩, 与五大连池火山岩一样, 对东北肥沃黑土地的形成皆有重要贡献, 是该区得以种植出优质农产品的一个重要因素。深入研究火山岩中的主微量元素与土壤之间的营养元素丰缺的关系对于农业基础资料有支撑。

表5 五大连池富钾碱性玄武岩主量成分Table 5 Composition of major elements of the potassium-rich alkaline basalts in Wudalianchi

3.2.2 生态多样性

嫩江平原经中—新生代的风化剥蚀和夷平作用, 已形成平坦的地形, 其植被和生态多样性相对简单, 然而, 经过五大连池新生代的火山群的喷发活动, 使平地上升起的若干火山锥, 并伴有优质的地下水从火山口和相关裂隙中不断涌出, 如火山群南部的药泉山等地, 使得本区的植物-动物群落丰富多样, 参见前述岩石地层单位(1)—(8)的描述, 生态多样性显著增加且与非火山群地区的生物组合显著差异, 成为天然的生物基因宝库。

4 结论

根据野外填图与观测, 结合岩石矿物成分及其化学成分的测试, 可得出以下结论。

(1)五大连池火山岩的地层层序可划分为8个岩石地层单位, 由上到下(新到老)依次是:

⑧全新统老黑山玄武岩(βQhl), 玄武岩年龄为270 a BP;

⑦上更新统顾乡屯组(Q3g)河湖相沉积和冲洪积边滩沉积, 形成时限为0.07—0.011 Ma;

⑥中—上更新统笔架山玄武岩(βQ2-3b), 形成时限为0.16—0.07 Ma;

⑤中—上更新统哈尔滨组(Q2-3h): 为熔岩台地上的黄色亚黏土和湖沼相沉积的淤泥质亚黏土, 形成时限为0.17—0.09 Ma;

④中更新统尾山玄武岩(βQ2w): 是五大连池火山爆发最强烈、溢流范围和堆积厚度最大一期的玄武岩, 形成时限为0.57—0.38 Ma;

③下—中更新统上荒山组(Q1-2s): 亚黏土, 时代为0.80—0.60 Ma;

②下更新统焦得布玄武岩(βQ1j): 玄武岩形成时代为1.214—1.113 Ma;

①下—中更新统下荒山组(Q1-2x): 河湖相沉积并含铁锰质结核或条带, 顶部古土壤层, 形成时限为大于1.2 Ma。

(2)大连池火山群是汾渭地堑—大兴安岭幔源火山活动带的最新前锋, 碱性玄武岩中携带大量的地幔橄榄岩等巨晶或包体, 是研究深部地幔流体活动的理想场所。

(3)岩石地层单位划分中观察到的复杂的动物-植物组合表明, 五大连池火山群铸就的火山岩台地、火山锥等平原隆起地形增加的本区动物-植物群落的多样性。

(4)五大连池富钾磷等多种元素的碱性玄武岩对嫩江平原肥沃的黑土地形成有重要贡献。

致谢: 野外工作得到五大连池风景区自然资源局的大力支持, 特别是贺亮先生给予细致入微的帮助; 国家地质实验测试中心研究生张婕参与了野外取样工作, 在此表示感谢。特别感谢两位审稿专家对论文提出的建设性的修改意见。

Acknowledgements:

This study was supported by Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund(No.JYYWF20180101), China Geological Survey(Nos.0100123057; DD20190589; DD20160220;DD20190703), and National Natural Science Foundation of China (No.41072073).