山东烟台门楼水库火山岩剖面特征及地学意义

蒙永辉 , 赵希涛, 程鸿雁, 于得芹, 王庆兵 ,王振涛 , 罗 梅 , 刘妍芬

1)山东省国土空间生态修复中心, 山东济南 250014;2)自然资源部黄河三角洲土地利用安全野外科学观测研究站, 山东济南 250014;3)中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029; 4)山东省地质调查院, 山东济南 250014

地质遗迹是在地球演化的漫长地质历史时期,由于各种内外地质作用形成、发展并遗留下来的珍贵的、不可再生的地质现象(曹晓娟等, 2020)。新发现的火山岩剖面地质遗迹资源位于山东省烟台市福山区门楼水库东, 出露良好, 交通方便(赵希涛,2016)。剖面从门楼水库东延伸至马山山顶, 大地构造上位于华北陆块(Ⅰ)、鲁东隆起区(Ⅲ)、胶北隆起区(Ⅲa)、烟台凸起区()内(张增奇和刘明渭,1996)。为查清剖面的接触关系, 本次研究对发现的马山剖面进行了全面的清理与现场实测。

1 马山剖面及其重要地质现象

马山为门楼镇西南、门楼水库东侧的一个由玄武岩组成的小丘, 海拔仅约150 m(图版I-1)。根据山东省区域地质图(1: 25万), 马山地区出露的岩石主要有古元古代粉子山群岗嵛组、新近纪牛山组及第四纪地层等(图1)。为详细掌握剖面特征, 根据剖面地层岩性特征, 马山火山岩剖面自上而下可进一步细分如下(图2)。

图1 采样剖面位置及地质背景Fig.1 Location of sample with geological background

图2 门楼水库火山岩剖面Fig.2 Volcanic rock profile of the Menlou Reservoir

1.1 新近纪牛山组玄武岩

由多套致密与气孔状玄武岩互层组成(宋明春等,2003; 张增奇等, 2011), 经自然资源部济南矿产资源监督检测中心测试, 主要岩性为灰黑色伊丁石化橄榄玄武岩, 斑状结构, 基质为微晶-隐晶质结构, 块状构造。主要矿物成分有辉石、隐晶质和伊丁石化橄榄岩组成, 其次含有斜长石和不透明矿物。为火山喷发相沉积, 下部玄武岩水平层理较发育, 上部玄武岩柱状节理发育, 出露厚度约50 m(图版I-2)。

1.2 火山角砾岩

在火山角砾岩层中, 除火山成分外, 还含有岩性不同的磨圆砾石, 表明其火山活动性质。凝灰岩略呈黄色或暗紫色, 成分相对均一。火山集块岩厚度由南东大于15 m, 向北西方向减少至3～5 m。该层在实测剖面上可进一步划分为以下两层:

上层为玄武质洪积砾石层, 该层由下至上砾石粒径逐渐加大, 分选不均匀, 砾石粒径最大约12 cm, 砾石成分有玄武岩、花岗岩和角闪岩等, 玄武岩砾石较多约占 45%, 分选差, 磨圆程度差; 花岗岩砾石磨圆程度较好, 粒径 1～5 cm, 层厚1.58 m(图版 I-3)。下层为火山角砾岩层, 底部岩石颗粒较粗含变质岩、花岗岩及角闪岩包体, 且含玄武岩碎块及橄榄岩等, 岩石坚硬, 呈灰黑色; 中上部岩石呈灰白色, 无包体, 颗粒较细, 层厚2.00 m(图版 I-4)。

1.3 凝灰岩

分上下两层, 厚度2～3 m, 上层为火山碎屑岩层,总体上呈浅棕绿色-深棕绿色, 砂状结构, 块状构造,主要矿物成分为石英、斜长石和黑云母碎屑、硅质岩屑, 被铁泥质矿物胶结, 碎屑粒度大多在0.05～1 mm 之间, 分选性较好, 磨圆较差(王集宁等,2018)。该层顶部可见火山玻璃和橄榄石等, 层厚1.65 m(图版I-5)。下层为砂岩层, 呈土黄色, 岩石坚硬, 胶结程度中等, 岩石成分以中细砂为主, 内含少量砾石, 粒径约3～5 mm, 该层厚度0.75 m(图版I-6)。

1.4 河流相砾石层

砾石粒径普遍在3～20 cm之间, 分选与磨圆中等,成分较为复杂, 含有花岗岩、片麻岩等不同于上覆与下伏基岩等成分, 系一种小河的河床相沉积物, 应为古代内夹河的河床相沉积物。厚2～5 m(图版I-7)。

1.5 古元古代粉子山群岗嵛组

上述几套地层之间, 均呈角度不整合接触关系。主要岩性为疙瘩状黑云片岩夹长石石英岩, 黑云变粒岩、二云片岩和透闪岩等(图版I-8)。

1.6 玄武岩岩脉

必须着重指出的是, 在马山西南部的剖面中,发现有宽度约0.50 m的一条玄武岩脉, 不仅穿插了基岩与古河流相砾石层, 也穿过了覆于其上的火山凝灰岩、集块岩和玄武岩层。玄武岩脉产状呈高角度(60°～85°)产出, 其旁还发现有平行的高角度小逆冲断层存在。据露头观察, 该断层也错断了河流相砂砾石层和上覆的火山凝灰岩、集块岩和玄武岩,断距约0.3～0.5 m(图版I-9, 10)。

2 样品的采集及测试结果

本次调查在马山火山岩剖面上共采集了玄武岩样品3件, 砂样1件。

2.1 岩矿与地球化学测试

为了解岩矿成分, 采集玄武岩样品3件送至自然资源部济南矿产资源监督检测中心进行切片鉴定和岩矿地球化学测试, 测试结果见表1。

表1 烟台马山玄武岩主量数据/%Table 1 Major elements content /% of Mashan basalts in Yantai

2.2 年龄测试

为了确切掌握马山火山岩剖面的形成时代, 本次在该剖面上采取了玄武岩样品 3件, 砂样 1件,分别送至中国地震局地质研究所和成都理工大学进行K-Ar法和ESR法年龄测试。

2.2.1 K-Ar法同位素测年

具体实验方法是利用同位素稀释法在质谱仪上测定氩的同位素,38Ar稀释剂纯度优于99.9%。利用火焰光度计或原子吸收光谱测定钾, 然后根据年龄公式和测试数据计算样品的年龄:

式中,λ=5.543×10-10/年,λe=0.581×10-10/年和λβ=4.962×10-10/年, 将这些衰变常数代入公式, 则有K-Ar法计算年龄的基本表达式:

所有样品的 Ar同位素比值均在中国地震局地质研究所实验测试中心测试完成, 在MM1200质谱仪上测定氩的同位素, 采用同位素稀释法测定,38Ar稀释剂纯度优于 99.9%。利用火焰光度计或原子吸收光谱测定钾, 然后计算样品的年龄,MM1200质谱仪与全金属萃取系统及纯化系统连接。萃取系统为内外双真空系统, 采用电子轰击炉方式加热, 包括圣诞树的内真空系统与纯化系统和质谱仪相连通, 外真空系统用于电子轰击加热, 利用补偿法精确控制温度, 误差为±5 ℃。

根据测年结果(表 2)显示马山地区玄武岩喷发主要发生于新近纪中新世墨西拿期(全国地层委员会, 2016)。第一期大规模玄武岩喷发位于新近纪中新世墨西拿期早期(7.19 Ma), 第二期大规模玄武岩喷发位于新近纪中新世墨西拿期中期(6.75 Ma), 第三期小规模玄武岩喷发位于新近纪中新世墨西拿期晚期(5.32 Ma)。

表2 烟台马山玄武岩K-Ar法同位素年龄和有关分析数据Table 2 K-AR isotopic age and related analysis data of Mashan basalt in Yantai

2.2.2 石英热活化ESR测年

石英ESR测年方法是一种微波吸收技术, 用来检测和研究含有未成对电子的顺磁性物质; 是一种物理现象, 它是电子自旋能级在外磁场的作用下发生塞曼分裂, 同时在外加微波能量的激发下电子从低能级向高能级跃迁的共振现象。石英ESR法测年的前处理和测试均在成都理工学院应用核技术研究所电子自旋共振测年实验室完成, 顺磁测定用德ER-200D-SRC型电子自旋共振谱仪。天然放射性核素含量用CIT-3000F数字化全自动铀钍钾谱仪测定,微机α数据采集系统。各类仪器由中国核技术工业应用工程技术研究中心-核探测与分析技术研发部研制, 顺磁测量相对误差小于1%。

根据测年结果(表 3)显示该处河流相沉积形成于新近纪中新世托尔托纳期。两种测年结果所得到的玄武岩同位素年龄和湖相沉积物年龄与研究区地层年龄基本一致(丁梦麟和裴静娴, 1984), 证实了测年结果的可靠性。张有瑜等(2015)、Filippo et al.(2020)报道了 K-Ar同位素测年的可靠性, 同时,尽管ESR测年受到多种不确定因素的影响, 目前的研究表明, 该方法测定中生代以来的年龄仍然具有一定的可信度。

表3 石英热活化ESR测年实验数据Table 3 Thermal activation and ESR dating of quartz experimental data

3 门楼马山剖面对地壳运动和地质遗迹研究的意义

3.1 该剖面可用于研究新近纪以来胶东地区的地壳隆升幅度和速率

在该剖面的厚层玄武岩与火山岩下, 覆盖有厚度2～5 m的河流相砂砾质沉积物, 其出露标高为海拔102 m, 高出现代河床(海拔约15 m)87 m, 应为内夹河的古河床相沉积物。该河床相沉积物所夹砂层的石英热活化电子自旋共振法(ESR)测年结果,为距今(11.59±1.1) Ma, 表明内夹河在1000多万年前就已经存在, 且 1000多万年以来, 该河流已经下切了85～90 m。这说明了胶东地区为地壳长期稳定或微微隆起的地区, 可作为我国第三地势阶梯中地壳稳定或相对隆升区的一个代表(赵志军等,2013)。

3.2 该剖面可用于研究新近纪以来胶东地区的火山活动

根据玄武岩测年结果可以判定马山玄武岩剖面为中新世晚期的产物。马山剖面的研究表明,其火山活动大致可分为三期: 第一期为火山凝灰岩与火山集块岩喷发时期, 发生在 7.19 Ma左右,第二期为玄武岩的多期次溢流时期, 大约发生在6.75 Ma, 第三期为小型断裂活动与玄武岩脉的侵入时期, 发生在 5.32 Ma左右, 但其规模明显弱于前两期。

3.3 马山玄武岩是山东境内分布最东的玄武岩

火山凝灰岩与集块岩的喷发, 多期次玄武岩的溢流, 玄武岩脉的侵入与逆断层的活动, 直接证明了中新世以来在胶东地区地壳运动与火山活动较为频繁(陈道公和彭子成, 1985; 金隆裕, 1985), 为研究胶东地区新近纪以来的地壳运动、火山活动与地貌发育历史提供了重要的地质依据。

微信用户数量一直处于平稳增长状态，截止2018年3月微信用户数量超过10亿。现在我们对于沟通的理解已经不再是传统意义上的面对面的交流，随着移动互联网的快速发展、各种手机社交软件的不断涌现，其中微信便是其中的佼佼者。随着微信用户的激增，微信公众平台营销也在迅速的展开。与传统推广方式相比，微信公众平台营销是实施现代营销媒体战略的重要组成部分，有着自身的优势。

3.4 该剖面是我国少有的玄武岩侵入剖面

王慧芬等(1988)研究表明晚新生代玄武岩与火山岩在我国东部分布较为广泛, 玄武岩覆盖于新近纪古河床相沉积物之上的现象比较鲜见, 玄武岩脉侵入于基岩、晚中新世河流相沉积物及上覆火山凝灰岩、集块岩和玄武岩并伴生有断层活动的现象,在我国甚至在世界上均较为少见, 具有重大的地质意义与科学价值(王世进等, 2014; 蒙永辉等, 2016;赵希涛, 2017)。

4 结论与建议

(1)胶东地区为地壳长期稳定或微微隆起的地区, 可作为我国第三地势阶梯中地壳稳定或相对隆升区的一个代表。

(2)马山玄武岩是山东境内分布最东的玄武岩,属中新世晚期的产物。其火山活动大致可分为三期,第一期为火山凝灰岩与火山集块岩喷发时期, 第二期为玄武岩的多期次溢流时期, 第三期为小型断裂活动与玄武岩脉的侵入时期。

(3)马山剖面在我国甚至在世界上较为少见, 具有重大的地质意义与科学价值。为研究胶东地区火山活动提供了宝贵天然实验室, 建议设立地质遗迹保护区, 以保护宝贵的地质资源。

致谢: 十分感激烟台市自然资源和规划局、烟台市福山区自然资源局为项目的野外考察提供的大力帮助, 同时感谢中国地震局地质研究所和成都理工大学核技术与自动化工程学院对样品分析测试所付出的大量心血。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No.DD2017078), and Department of Natural Resources and Department of Finance of Shandong Province (No.Lu cai jian zhi [2012]110).

图版说明

图版I Plate I

1-门楼水库—马山全貌;

2-新近纪牛山组玄武岩;

3-玄武质洪积砾石层;

4-火山碎屑岩;

5-火山角砾岩;

6-砂岩;

7-新近纪河流相砾石层;

8-古元古代粉子山群岗嵛组长石石英岩;

9-玄武岩脉;

10-玄武岩侵入剖面

1-Menlou Reservoir-panorama of Mashan;

2-Neogene Niushan Formation basalt;

3-basaltic proluvial gravel layer;

4-pyroclastic rock;

5-volcanic breccia;

6-sandstone;

7-Neogene fluvial gravel layer;

8-feldspathic quartzite of Gangyu formation of Paleoproterozoic Fenzishan Group;

9-basalt vein;

10-basalt intrusion profile

图版I Plate I