辽西地区白垩纪地层序列与年代学框架

苏 楠, 朱 光

辽西地区白垩纪地层序列与年代学框架

苏 楠, 朱 光

(合肥工业大学 资源与环境工程学院, 安徽 合肥 230009)

华北克拉通北部的辽西地区, 白垩系发育与保存完整, 其地层序列与年代学框架是正确认识大地构造与陆地生物演化的基础。综合分析本次及前人锆石U-Pb同位素定年结果, 辽西地区张家口组(K1)仅存在于其西部的凌源一带, 东部朝阳一带普遍缺失。辽西地区原先划分的“大兴庄组”或“大凌河组”中‒酸性火山岩, 定年结果指示其为早白垩世, 应属于义县组(K1)的一部分。阜新碱锅玄武岩介于下伏阜新组(K1)与上覆孙家湾组(K2)之间。辽西地区白垩纪地层序列与时限由老至新分别为土城子组(147～137 Ma)、张家口组(132～130 Ma, 东部缺失)、义县组(130～120 Ma)、九佛堂组(120～115 Ma)、沙海组(115～110 Ma)、阜新组(110～106 Ma)、碱锅玄武岩(106～97 Ma)和上白垩统孙家湾组(<97 Ma)。辽西地区土城子组与张家口组及阜新组与碱锅玄武岩之间为角度不整合, 分别代表燕山运动B幕与C幕挤压事件, 发生时间分别为137～136 Ma和～106 Ma。辽西地区早白垩世伸展与断陷盆地发育时限为132～106 Ma, 其中热河生物群持续时间为130～115 Ma。

白垩系; 地层序列; 同位素年龄; 演化时限; 辽西地区

0 引 言

辽西地区是华北克拉通北部白垩系发育与保存最完整的地区, 较全面地记录了华北克拉通白垩纪时期的大地构造与早期生命的演化历史, 长期以来一直是华北白垩纪研究的关键地区。众所周知, 华北克拉通破坏峰期发生在早白垩世(朱日祥等, 2012)。辽西地区早白垩世盆地内完整的火山‒沉积记录为详细认识克拉通峰期破坏的浅部过程提供了有利条件; 该地区也是燕山运动研究的发源地(Wong, 1927), 完好地保存着燕山运动所造成的角度不整合, 是深入认识燕山运动的重要地区。同时, 辽西地区下白垩统内还富含著名的热河生物群化石, 是揭示热河生物群演化的关键地区(季强等, 2004; 黄迪颖, 2015; 徐星等, 2019)。由此可见, 正确认识辽西地区完整的白垩系序列、地层对比及详细的年代学框架, 具有十分重要的意义。

关于辽西地区白垩系地层学与年代学方面, 前人已开展过大量的研究工作, 建立了基本的地层序列与年代学格架; 但是在一些方面仍存在着不同的认识或不够完善, 如多个岩石单元的时限仍然没有很好的限定, 有待深入的研究。辽西地区下白垩统由下部的火山岩和上部的陆相碎屑岩组成。在辽西地区西部(凌源地区), 火山岩包括下部的张家口组(132～130 Ma; 张宏等, 2005b, 2005d)和上部的义县组。然而, 在辽西地区东部(朝阳地区), 义县组之下是否存在着张家口组火山岩长期存在不同的认识(杨雅军等, 2005; 彭艳东等, 2012)。1∶20万朝阳幅地质图显示张家口组缺失(辽宁省地质局区域地质测量队, 1967); 而1∶25万锦州市幅地质图却显示存在张家口组(黄志安等, 2003), 但并没有同位素年代学证据。除了下白垩统张家口组与义县组火山岩外, 辽西地区还划分出一套白垩纪中‒酸性火山岩地层单元, 称为大兴庄组或大凌河组。关于这套火山岩的层位与时代, 存在着两种不同的观点。一种观点认为它们覆盖于孙家湾组之上, 为晚白垩世火山岩(杨欣德等, 1997; 邴志波等, 2003); 而另一种观点主张它们是义县组的一部分, 时代为早白垩世(徐德斌等, 2012)。辽西地区白垩系最上部为孙家湾组, 主体为一套红色粗碎屑岩。关于孙家湾组的时代, 也一直存在不同观点, 有早白垩世晚期与晚白垩世之说(王公肃, 1989; 董枝明, 2002; 万晓樵等, 2013)。在辽西阜新盆地碱锅(务欢池)还出露一套玄武岩, 直接与孙家湾组接触。这套玄武岩曾被当作大兴庄的一部分, 对于其时代与归属也一直不明确。辽西地区下白垩统与下伏和上覆地层之间皆为角度不整合接触, 分别代表了燕山运动B幕与C幕(Wong, 1929; Dong et al., 2015; Zhu et al., 2015; 朱光等, 2018)。由于上述白垩系层序与时限的不确定性, 直接影响了燕山运动B幕与C幕挤压事件时代的准确确定。前人对于燕山运动B幕时限认识有晚侏罗世(Wang et al., 2017)、晚侏罗世‒早白垩世早期(Davis et al., 2001; 张岳桥等, 2007; Li et al., 2016)和早白垩世早期(Li et al., 2015; Zhu et al., 2015; Liu et al., 2018; Zhang et al., 2018, 2020; 朱光等, 2018)等观点。关于燕山运动C幕时限也具有不同的认识, 主要包括早白垩世晚期(Mercier et al., 2007; 朱光等, 2018)、晚白垩世早期(Zhang et al., 2003b; Liu et al., 2018; Yin et al., 2020)等观点。

针对上述问题, 本次工作在综合分析了前人关于辽西地区白垩纪地层与年代学资料基础上, 在辽西东部的朝阳与阜新地区采集了不同时代的火山岩和砂岩样品, 进行了LA-ICP-MS锆石年代学分析, 有效地限定辽西地区有争议的白垩纪地层时代, 查明了区内完整的白垩纪地层序列, 确定了区内白垩系的年代学框架, 为正确理解华北克拉通白垩纪时期大地构造与早期生命演化提供了基础性信息与约束。

1 区域地质概况

辽西地区位于华北克拉通北缘, 属于燕山构造带的东部。华北克拉通具有太古宙‒古元古代的变质基底和中元古代‒古生代海相盖层。古生代末‒中生代初, 华北克拉通北部古亚洲洋与南部古特提斯洋最终关闭(图1a; Li et al., 1993; Xiao et al., 2003; Zhao et al., 2016; Gu et al., 2018), 导致克拉通整体抬升而转变成陆相环境, 从而广泛发育中‒新生代陆相盆地。

华北克拉通北缘的燕山构造带, 是燕山运动的发源地(Wong, 1927, 1929), 也是燕山运动记录最完整、活动最强烈的地带(Dong et al., 2015; Zhu et al., 2015; 朱光等, 2018)。燕山运动是指侏罗纪‒白垩纪期间发生的构造运动, 具体包括三期挤压事件, 分别为燕山运动A幕、B幕和C幕(Wong, 1927, 1929; Dong et al., 2015; Zhu et al., 2015; 朱光等, 2018)。这三期挤压事件造成了一系列的褶皱与逆冲断层, 并以形成三个区域性角度不整合为标志(Wong, 1929; Davis et al., 2001; 李海龙等, 2014; Hao et al., 2019; Su et al., 2020)。在辽西地区, 燕山运动A幕形成的角度不整合出现在中侏罗统北票组和上覆海房沟组之间, B幕不整合出现在上侏罗统‒下白垩统土城子组与上覆张家口组或义县组之间, 而C幕不整合出现在下白垩统阜新组与上覆孙家湾组之间(翁文灏, 1928; 王桂梁等, 1996; 周立岱和赵明鹏, 1999; 王根厚等, 2001; 张宏仁等, 2013; 李海龙等, 2014; 黄迪颖, 2015; Su et al., 2020, 2021)。

在燕山构造带上, 三幕短暂的燕山运动挤压事件之间, 广泛发育陆相盆地, 并伴随火山喷发。燕山运动C幕之后的晚白垩世, 伸展盆地仅局部出现(如辽西地区), 区域上总体处于岩浆活动的平静期。在B幕与C幕之间的早白垩世, 燕山构造带上伸展活动与岩浆活动最强烈, 属于华北克拉通破坏的峰期(Zhu et al., 2017), 辽西地区广泛发育早白垩世伸展盆地与火山岩(张家口组与义县组), 以及东侧的瓦子峪变质核杂岩(图1b; Darby et al., 2004; Zhang et al., 2012; Lin et al., 2013)。

辽西地区连续地发育并保存了侏罗纪‒白垩纪盆地。本次重点研究为辽西地区东部(东官营子断裂以东)的侏罗纪‒白垩纪盆地, 包括北票盆地、金岭寺‒羊山(金‒羊)盆地、朝阳盆地、阜新‒义县盆地以及稍户营子盆地(图1b)。其中北票盆地和金‒羊盆地为侏罗纪盆地, 朝阳盆地和阜新‒义县盆地属于早白垩世盆地, 而稍户营子盆地属于晚白垩世盆地。这些盆地多为断陷盆地, 主体呈NE-SW向展布。北票盆地西北缘和东南缘分别为向NW倾的南天门断裂和东官营子断裂, 金‒羊盆地西缘为南天门断裂, 朝阳盆地东缘为向NW倾的朝阳断裂, 而阜新‒义县盆地以及稍户营子盆地的东界为闾山正断层(图1b; Su et al., 2020)。

辽西地区东部侏罗系自下而上分别为兴隆沟组、北票组、海房沟组、蓝旗组(或者髫髻山组)和土城子组。兴隆沟组主要为玄武岩和玄武安山岩, 零星分布于朝阳盆地和北票盆地。在兴隆沟组火山岩中获得了177 Ma的SHRIMP锆石年龄(Yang and Li, 2008)和188 Ma的40Ar/39Ar全岩年龄(陈义贤等, 1997), 指示其为早侏罗世火山岩。北票组为含煤碎屑岩, 主要分布于朝阳卧龙村和北票盆地东南部, 其沉积时代为中侏罗世(张路锁等, 2016; Hao et al., 2020)。海房沟组总体为一套含有厚层砾岩的碎屑岩沉积, 在金‒羊盆地和北票盆地内皆有出露, 沉积时代为中‒晚侏罗世(167～162 Ma; Chang et al., 2014; Su et al., 2021)。蓝旗组(也称为髫髻山组)为一套中酸性火山岩, 广泛出露于区内侏罗纪盆地中, 喷发时代为晚侏罗世(164～153 Ma; Yang and Li, 2008; 张宏等, 2008; Chang et al., 2009; Liu et al., 2012; 王思恩等, 2013; Su et al., 2021)。土城子组为一套以砂岩为主的碎屑岩沉积, 形成于晚侏罗世晚期‒早白垩世早期(147～137 Ma; Zhang et al., 2009; Xu et al., 2012; 王思恩等, 2013)。

辽西地区发育完整的侏罗系‒白垩系, 赋存着著名的燕辽生物群和热河生物群(黄迪颖, 2015)。中‒晚侏罗世的燕辽生物群, 是以赋存在海房沟组和髫髻山组中典型化石为代表的生物组合, 包括昆虫、哺乳动物、植物、软体动物、无脊椎动物等化石(黄迪颖, 2015)。早白垩世的热河生物群, 是以赋存于义县组和九佛堂组内化石为代表的生物组合, 包括带羽毛的恐龙、哺乳动物、鸟类、被子植物等化石(Pan et al., 2013; Zhou and Wang, 2017)。准确限定这些地层年代, 是确定生物群时代的必要途径。

图1 华北克拉通大地构造纲要图(a)及辽西地质简图(b;据辽宁省地质局区域地质测量队, 1968; 黄志安等, 2003; 张宏等, 2005b修改)

2 辽西地区白垩系

辽西地区东部的白垩系, 发育于阜新‒义县盆地、朝阳盆地和稍户营子盆地内(图1b)。下白垩统下部主要由中酸性火山岩组成, 而下白垩统上部‒上白垩统则以湖泊相、河流相、沼泽相、三角洲相碎屑岩沉积为主(闫义等, 2003)。区内白垩系自下而上包括义县组、九佛堂组、沙海组、阜新组和孙家湾组, 各组最大厚度分别为2890 m、700 m、1600 m、1400 m和950 m(图2; 杨欣德等, 1997; 张宏等, 2005c)。辽西地区东部白垩系底部是否发育张家口组火山岩, 以及大兴庄组火山岩的归属, 仍然存在着不同的认识。

辽西地区张家口组以中性‒中酸性的英安岩、流纹岩、安山岩以及同成分凝灰岩、角砾岩为主。该组在辽西地区东部主要分布于凌源三十家子盆地内, 其锆石U-Pb年龄为132～130 Ma(黄志安等, 2003; 张宏等, 2005b, 2005d)。也有学者认为辽西地区东部朝阳地区的北票盆地与金‒羊盆地也发育张家口组(杨雅军等, 2005)。

图2 辽西地区白垩纪地层沉积序列及同位素年龄

辽西地区东部义县组分布广泛, 主要为一套中基性‒酸性火山岩, 包括玄武安山岩、安山岩、凝灰岩, 夹砂岩, 底部为砾岩。这套火山岩锆石U-Pb定年结果指示, 其形成于130～120 Ma(张宏等, 2005a, 2006; 徐德斌等, 2012; 张乾等, 2016)。

辽西九佛堂组广泛出露于朝阳盆地和阜新‒义县盆地内, 主要为沉积碎屑岩, 夹有凝灰岩。该组凝灰岩中钾长石40Ar/39Ar年龄为120 Ma(He et al., 2004)。

沙海组也出露于朝阳盆地和阜新‒义县盆地内(图1b; 王秀茹等, 2007), 可分为四段。一段以红色砂砾岩为主; 二段以黄色、黄绿色砾岩、砂砾岩为主, 夹砂岩; 三段主要为含煤地层, 岩性以灰色、浅灰色砂岩为主; 四段以深灰色、灰黑色泥岩为主, 夹砂岩、砂砾岩。

阜新组主要为灰色、灰白色砂岩及粉砂岩、泥岩, 含煤层较多且厚(王秀茹等, 2007)。

孙家湾组在辽西地区东部仅出露于稍户营子盆地内, 以紫红色、杂色砂砾岩和砂岩为主, 夹薄层泥岩(王桂梁等, 1996)。对于孙家湾组时代, 有早白垩世晚期与晚白垩世两种不同的观点(王公肃, 1989; 董枝明, 2002; 万晓樵等, 2013)。

辽西地区局部还出露一套中‒酸性火山岩, 主要岩性为玄武安山岩、英安岩、流纹英安岩、流纹岩及凝灰岩。这套火山岩一般被称为“大凌河组”或“大兴庄组”(辽宁省地质局区域地质测量队, 1971; 杨欣德等, 1997; 邴志波等, 2003)。对这套中‒酸性火山岩时代和层位的认识, 长期以来一直持有不同的观点。一种观点认为这套火山岩属于孙家湾组之上的上白垩统(邴志波等, 2003); 而另一种观点则认为, 这套火山岩为义县组的一部分, 属于早白垩世(辽宁省地质矿产局, 1989; 徐德斌等, 2012)。因而, 辽西地区是否存在晚白垩世中‒酸性火山岩一直没有定论。

另外, 在辽西阜新盆地北部碱锅(务欢池)还出露了一套灰黑色碱性玄武岩, 露头可见厚度约为50 m (邵济安等, 2006), 与上覆孙家湾组接触。这套玄武岩曾被当作大兴庄组或大凌河组的一部分(黄志安等, 2003; 邴志波等, 2003), 也被称为张公屯组(Yang and Li, 2008)。该玄武岩40Ar/39Ar与K-Ar全岩年龄为106～97 Ma(Zhang et al., 2003a; Zhu et al., 2004; 郑建平等, 2004; Yang and Li, 2008), 属于早白垩世末‒晚白垩世初火山喷发的产物。

3 锆石U-Pb定年

3.1 样品描述

为了确定辽西地区东部有争议白垩系的时代, 本次工作有针对性地采集了9个火山岩样品和2个砂岩样品, 进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb定年。火山岩样品包括朝阳盆地中原被认为是“张家口组(K1)”的3个样品(YB328、YS33、YB330), 具体采自于朝阳市西北部的边杖子乡和大庙镇。另外, 还在阜新‒义县盆地中采集了3个大兴庄组(K2)火山岩样品(YS16、YS18、YS15), 及旁侧1个义县组(K1)火山岩样品(YS17)。大兴庄组样品采自于义县南部大兴庄村, 义县组样品采自旁侧的茶山寺。本次定年的火山岩样品还包括义县盆地和金–羊盆地2个九佛堂组(K1)凝灰岩样品(YB306-1、YS12)。2个砂岩样品(YB312、YB371)分别采自阜新盆地的阜新组及孙家湾组。所有样品具体采样位置与岩性特征见图1b和表1。

表1 辽西地区白垩系定年样品描述和定年结果

3.2 测试方法

样品经常规方法破碎后, 采用浮选、电磁选等方法分选出单颗粒锆石(河北省廊坊欣航测绘院完成)。在双目镜下手工挑选出晶型较为完好的锆石颗粒, 制成环氧树脂样品靶, 随后进行抛光处理, 使锆石内部形态暴露。然后进行背散射照相以及阴极发光照相(重庆宇劲科技有限公司完成)。锆石U-Pb定年在合肥工业大学资源与环境工程学院质谱实验室完成。锆石U-Pb同位素定年采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)分析, 激光剥蚀系统采用波长193 nm激光器的GEOLAS, 激光脉冲频率6 Hz, 能量密度10 J/cm2, 剥蚀斑束直径32mm, 测试质谱仪为Agilent 7500a。采用NIST SRM 610作为微量元素外标,29Si作为内标元素进行校正。同位素分馏校正以91500为外标,91Zr为内标, 锆石标样Plesovice作为同位素监控样, 以此进行年龄计算。本次实验测定的锆石标样结果、误差与推荐值一致。锆石同位素比值、U-Pb表面年龄和元素含量计算(附表1)采用ICPMSDataCal 9.6程序(Liu et al., 2010), 并且使用Andersen (2002)的方法进行普通铅校正。工作中选取谐和度大于90%的年龄值进行统计和分析。锆石加权平均年龄的计算以及谐和图的成图使用Isoplot 4.1(Ludwig, 2010)完成。

3.3 定年结果

本次获得了辽西地区东部9个火山岩样品和2个砂岩样品锆石U-Pb同位素年龄, 具体的分析结果见附表1(具体见网络电子版: www.ddgzyckx.com)。

朝阳盆地西北部“张家口组”3个火山岩样品中锆石颗粒晶形较为完整, 大小在30～150 μm之间, 长短轴之比多为 1∶1～3∶1。它们呈半自形‒自形结构, 多数具有振荡生长环带, 部分具有弱分带(图3)。所测锆石Th/U值皆大于0.2(附表1)。这些特征指示所测试的皆为岩浆成因锆石。“张家口组”3个火山岩样品的206Pb/238U加权平均年龄分别为161.0±5.0 Ma(YB328;=16, MSWD=0.60; 图4a)、160.4±3.6 Ma(YS33;=18, MSWD=1.20; 图4b)、158.1±2.7 Ma(YB330;=22, MSWD=1.30; 图4c), 代表了火山喷发时代。

义县组样品(YS17)的锆石颗粒晶形较好, 具有典型岩浆锆石的振荡环带(图4), 其Th/U值皆大于0.2(附表1)。所获得小于1000 Ma的206Pb/238U年龄分布于119～345 Ma之间, 其中119～134 Ma之间的点在谐和图上显示出良好的一致性, 其加权平均年龄为126.6±2.5 Ma(YS17;=13, MSWD=0.99;图4d), 代表了火山喷发时代。

图3 辽西地区定年样品代表性锆石阴极发光图

图4 辽西地区火山岩样品锆石U-Pb年龄谐和图

大兴庄组3个样品锆石颗粒自形程度较高, 长短轴之比多为 1∶1～4∶1, 呈自形的短柱‒长柱状(图3), 粒径大小为30～120 μm, 这些锆石具有典型岩浆锆石的振荡生长环带。所测锆石的Th/U值多数大于0.2(附表1), 指示为岩浆成因锆石。3个大兴庄组火山岩样品206Pb/238U加权平均年龄分别为121.8±2.8 Ma(YS16;=8, MSWD=0.37;图4e)、120.7±2.2 Ma(YS18;=16, MSWD=1.2; 图4f)、118.8±1.6 Ma(YS15;=23, MSWD=0.62; 图4g), 代表了火山喷发时代。

九佛堂组中的2个凝灰岩样品锆石颗粒自形程度较高, 呈自形的短柱‒长柱状, 粒径约为30～180 μm,具有清晰的振荡生长环带。所测锆石Th/U值多大于0.2(附表1), 指示为岩浆成因锆石。这2个火山岩样品的206Pb/238U加权平均年龄分别为120.6±1.8 Ma (YB306-1;=13, MSWD=0.27; 图4h)、120.6±1.5 Ma (YS12;=22, MSWD=0.42; 图4i), 指示各自的火山喷发时代。

阜新盆地内阜新组砂岩样品(YB312)锆石颗粒多数呈较自形的长柱状, 少部分呈椭圆状, 长度为50～120 μm, 多具有振荡环带, Th/U值均大于0.2 (图5a), 指示为岩浆成因。该砂岩样品谐和年龄介于2572～111 Ma之间(附表 1), 最小单颗粒年龄为111±5 Ma。锆石年龄频谱图显示, 其年龄峰值为2480 Ma、170 Ma、143 Ma、124 Ma和115 Ma(图5a)。结果指示, 阜新组砂岩样品沉积时代小于111±5 Ma。

阜新盆地东侧孙家湾组砂岩样品(YB371)中锆石颗粒多数呈较自形的短柱‒长柱状, 长60～160 μm, 具有振荡环带, Th/U值皆大于0.2(图5b), 指示为岩浆锆石。样品谐和年龄值介于2578～102 Ma之间(附表1), 最小单颗粒年龄为102±4 Ma。锆石年龄频谱图显示其年龄峰值为2491 Ma、144 Ma、119 Ma和106 Ma(图5b)。该定年结果限定孙家湾组砂岩沉积时代小于102±4 Ma。

图5 辽西地区砂岩样品锆石U-Pb年龄谐和图、频谱图及Th/U值-年龄图

4 地层对比、时代及其意义

4.1 辽西地区张家口组空间分布

辽西地区西部凌源三十家子盆地张家口组中获得的锆石U-Pb年龄为132～130 Ma(张宏等, 2005b, 2005d), 明显早于义县组。辽西地区东部是否也存在着张家口组, 长期以来一直存在着不同的认识。1∶25万锦州市幅区域地质调查在义县组底部划分出了张家口组(黄志安等, 2003), 本次工作就是依据该地质图采集了3个不同部位的“张家口组”火山岩样品, 进行了锆石U-Pb定年。3个火山岩样品分别给出了161.0±5.0 Ma、160.4±3.6 Ma和158.1±2.7 Ma的年龄(表1), 皆属于晚侏罗世。辽西地区早白垩世之前还存着另一期火山喷发, 形成了蓝旗组(燕山构造带西部称为髫髻山组)中‒酸性火山岩。前人对于这套火山岩开展过大量的同位素定年工作, 获得的同位素年龄值为164～153 Ma(Yang and Li, 2008; 张宏等, 2008; Liu et al., 2012; 王思恩等, 2013), 指示为晚侏罗世。但蓝旗组火山岩与张家口火山岩在岩石学上存在一定差异。蓝旗组局部含有玄武岩, 而张家口组缺少玄武岩, 且后者包含有更多的流纹岩(张宏等, 2005b; Yang and Li, 2008; 李斌等, 2019)。本次在不同采样点见到地质图上标定的所谓“张家口组”内含有灰黑色玄武岩, 不含流纹岩, 由此判断这套火山岩在岩性上应属于蓝旗组。由此可见, 辽西地区东部原先划分的“张家口组”时代为晚侏罗世, 实际上属于蓝旗组, 表明辽西地区东部张家口组缺失, 早白垩世义县组代表了最早发育的下白垩统。

但在燕山构造带不仅辽西地区西部凌源一带发育张家口组, 更西部的承德、京西与宣化地区皆发育张家口组, 且其上还发育另一套义县组或相当层位的火山岩。承德地区张家口组火山岩的最大同位素年龄为136 Ma(牛宝贵等, 2003), 而其东侧的凌源地区张家口组火山岩最大同位素年龄为132 Ma(张宏等, 2005d)。这一时‒空变化指示, 继燕山运动B幕之后的早白垩世伸展期火山喷发, 具有西早东晚的变化规律, 与早白垩世伸展期(克拉通破坏峰期)古太平洋板片自西向东后撤背景相吻合(朱日祥等, 2012; Zhu et al., 2012)。

4.2 大兴庄组时代与归属

对于辽西地区的大兴庄组或大凌河组时代, 分别有晚白垩世(邴志波等, 2003)和早白垩世(徐德斌等, 2012)两种不同的观点。辽西地区东部义县盆地内3个“大兴庄组”火山岩喷发年龄分别为121.8±2.8 Ma、120.7±2.2 Ma和118.8±1.6 Ma(表2), 皆指示为早白垩世。结合徐德斌等(2012)对大兴庄组的定年结果, 表明辽西地区的大兴庄组或大凌河组中‒酸性火山岩时代为早白垩世, 属于义县组的一部分, 不需要单独建组。

表2 辽西白垩纪岩石同位素定年结果统计表

大兴庄组的同位素年龄表明其不是原先认为覆于孙家湾组之上的火山岩(邴志波等, 2003), 也即孙家湾组之后的白垩纪不存着中‒酸性火山喷发。前人常将大兴庄组或大凌河组与孙家湾组内的一套玄武岩相混淆。这套玄武岩出露于阜新北碱锅, 也常称为碱锅玄武岩。阜新碱锅玄武岩的全岩K-Ar同位素年龄为100～97 Ma(Zhang et al., 2003a; 郑建平等, 2004), 而其全岩40Ar/39Ar年龄为106～102 Ma(Zhu et al., 2004; Yang and Li, 2008), 属早白垩世末‒晚白垩世。因而, 大兴庄组或大凌河组与阜新孙家湾组内碱锅玄武岩无论在岩性上还是年龄上都完全不同。

4.3 义县组、九佛堂组、沙海组与阜新组时限

义县组(K1)火山岩中获得的喷发年龄为126.6±2.5 Ma(表1), 因此3个“大兴庄组”样品(122～119 Ma)实质应为义县组。结合前人从辽西地区义县组火山岩内所获得的锆石U-Pb与40Ar/39Ar同位素年龄期(表2), 可以限定义县组形成时限为130～120 Ma(张宏等, 2005a, 2006; 徐德斌等, 2012; 张乾等, 2016; 及本次工作)。

九佛堂组(K1)2个凝灰岩样品年龄分别为120.6±1.8 Ma和120.6±1.5 Ma。前人从九佛堂组凝灰岩中获得了一个钾长石40Ar/39Ar年龄为120.1±0.5 Ma (He et al., 2004)。依据这些年龄值, 推测九佛堂组时代为120～115 Ma左右。

沙海组(K1)不含火山岩, 至今没有同位素年龄报道。本次工作也未对这套沉积岩进行同位素定年。根据下伏九佛堂组与上覆阜新组的同位素年龄(表2), 推断沙海组沉积时代为115～110 Ma。

阜新组(K1)砂岩样品中获得的最年轻碎屑锆石年龄为111±5 Ma(表1), 指示其沉积发生在111 Ma之后。阜新组之上碱锅玄武岩的最大同位素年龄为106 Ma (全岩40Ar/39Ar年龄; Yang and Li, 2008)。依据这些年龄值, 可以限定阜新组的沉积时限为110～106 Ma。

4.4 孙家湾组与碱锅玄武岩的时限

孙家湾组底部砂岩样品中获得最小碎屑锆石年龄为102 Ma, 限定了这套碎屑岩沉积时代晚于102 Ma。该年龄值与前人依据古生物化石认为孙家湾组属于晚白垩世相吻合(董枝明, 2002; 郑建平等, 2004)。结合下伏碱锅玄武的同位素年龄(表2), 可以进一步限定孙家湾组沉积时代为97 Ma之后, 属晚白垩世, 但其上限年龄难以确定。

在辽西地区, 阜新碱锅玄武岩的同位素年龄为106～97 Ma(表2)。无论是定年结果还是本次地层接触关系的野外观察, 表明碱锅玄武岩位于孙家湾组碎屑岩之下。阜新碱锅玄武岩在辽西地区只存在于阜新盆地北部上白垩统发育区, 其他早白垩世盆地内皆未见这套玄武岩, 表明是阜新组沉积间断(对应燕山运动C幕角度不整合)之后形成的火山岩。因而, 原先将碱锅玄武岩划归大兴庄组或大凌河组(早白垩世中‒酸性火山岩, 为义县组的一部分)是不合适的, 碱锅玄武岩是介于阜新组(K1)与孙家湾组(K2)之间的一套火山岩, 可以单独建组。

4.5 白垩纪地层序列与年代学框架及其意义

辽西地区土城子组的同位素年龄为147～137 Ma (Zhang et al., 2009; Xu et al., 2012; 王思恩等, 2013), 指示沉积时代为晚侏罗世晚期‒早白垩世早期。因而, 辽西地区白垩纪沉积是从土城子组上部开始的。继土城子组沉积之后, 发生了燕山运动B幕挤压事件(Wong, 1929; Dong et al., 2015; Zhu et al., 2015; 朱光等, 2018), 导致土城子组与上覆张家口组之间的角度不整合。这一短暂的挤压事件之后, 辽西地区与华北克拉通东部一样开始了强烈的伸展与岩浆活动, 广泛发育伸展盆地(Su et al., 2020, 2021), 标志着克拉通破坏峰期的出现(朱日祥等, 2012)。正是在此背景下, 辽西地区西部率先发育了张家口组火山岩, 其时代为132～130 Ma(张宏等, 2005b, 2005d)。但是, 本次工作表明辽西地区东部缺失张家口组, 至130 Ma才开始发育义县组火山岩。

综合本次及前人的地层学与年代学成果, 可以有效地限定辽西地区下白垩统的序列及各组的时限。辽西地区原划分的大兴庄组和大凌河组, 属于义县组的一部分。土城子组之上的下白垩统, 其地层序列自下向上分别为义县组、九佛堂组、沙海组和阜新组, 它们的时限分别为130～120 Ma、120～115 Ma、115～110 Ma及110～106 Ma。阜新组沉积之后, 发生了燕山运动C幕挤压事件(Dong et al., 2015; Zhu et al., 2015; 朱光等, 2018), 导致阜新组与上覆地层之间的角度不整合接触(Su et al., 2020)。

燕山运动C幕之后, 辽西东部地区首先出现了阜新碱锅玄武岩喷发(106～97 Ma; Zhang et al., 2003a; Zhu et al., 2004; 郑建平等, 2004; Yang and Li, 2008)。随后沉积了孙家湾组碎屑岩(97 Ma之后的晚白垩世)。这两者共同构成了辽西地区早白垩世末‒晚白垩世初伸展盆地内的充填(稍户营子盆地)。

辽西地区是燕山构造带乃至整个华北克拉通白垩系发育与保存最为良好的地区, 完整地记录了白垩纪时期的地质演化历史。辽西地区白垩纪沉积序列及各地层单元时限的正确限定, 可以有效地限定白垩纪期间重要地质演化事件的时限。辽西地区白垩系内出现了代表燕山运动B幕与C幕的区域性角度不整合, 不整合上、下地层的时代可以限定各期挤压事件的时限。燕山运动B幕角度不整合出现在土城子组(J3～K1)与张家口组之间。因张家口组(K1)火山喷发具有西早东晚的迁移现象, 所以应以西部最老的张家口年龄(136 Ma; 牛宝贵等, 2003)与下伏最年轻的土城子组年龄(137 Ma; 王思恩等, 2013)限定B幕挤压事件时限, 即为137～136 Ma。辽西地区东部燕山运动C幕角度不整合出现在阜新组(110～106 Ma; 图2)与上覆碱锅玄武岩(106～97 Ma; 图2)之间, 因此可以限定这期挤压事件的时间为～106 Ma。

辽西地区白垩系充填在伸展盆地之中。以燕山运动C幕为界, 区内白垩纪期间出现了两阶段盆地演化(Su et al., 2020), 分别充填了张家口组‒阜新组与碱锅玄武岩‒孙家湾组。根据地层单元时代, 可以限定辽西地区东部早白垩世伸展盆地的发育时限为130～106 Ma, 而西部为132～106 Ma。辽西地区燕山运动C幕之后伸展盆地的发育是从106 Ma开始的, 但结束时间还无法限定。通过对比可见, 辽西地区燕山运动各期挤压事件均较短暂, 约持续1 Ma左右; 而各阶段伸展活动的时限相对较长, 早白垩世阶段持续了26～24 Ma。由此可见, 白垩纪期间的大地构造演化, 是以短暂挤压与长期伸展交替为特征, 这种大地构造演化规律可能与古太平洋板块俯冲方式周期性变化有关(Su et al., 2021)。

热河生物群赋存于辽西地区的义县组和九佛堂组内(Pan et al., 2013, Zhou and Wang, 2017; 徐星等, 2019)。热河生物群在辽西地区的时间跨度可根据化石所赋存地层顶、底年龄限定。综合本文及前人对辽西地区义县组和九佛堂组定年结果(图2; He et al., 2004; 张宏等, 2005a, 2006; 徐德斌等, 2012;张乾等, 2016), 可以限定热河生物群持续时代为130～115 Ma。

5 结 论

通过对辽西地区白垩纪地层学与同位素年代学的综合研究, 可以得出主要结论如下:

(1) 辽西地区西部(凌源一带)发育的下白垩统张家口组火山岩, 在辽西地区东部(朝阳一带)缺失, 且这期火山喷发具有西早东晚的空间迁移规律。

(2) 辽西地区原先划分的大兴庄组或大凌河组中‒酸性火山岩, 喷发时代为早白垩世, 属于义县组的一部分。

(3) 辽西地区土城子组(147～137 Ma)之后的白垩纪地层序列与时限自下而上分别为张家口组(132～130 Ma)、义县组(130～120 Ma)、九佛堂组(120～115 Ma)、沙海组(115～110 Ma)、阜新组(110～106 Ma)、碱锅玄武岩(106～97 Ma)和上白垩统孙家湾组(<97 Ma)。

(4) 燕山运动B幕与C幕发生时间分别为137～136 Ma和～106 Ma。辽西地区东部早白垩世伸展盆地发育时限为130～106 Ma。热河生物群在辽西地区持续时代为130～115 Ma。

致谢:南京大学舒良树教授和中国科学院地质与地球物理研究所武国利副研究员对本文提出了宝贵的修改建议, 在此表示衷心感谢。锆石测试与数据处理过程得到了合肥工业大学资源与环境工程学院李全忠副研究员与汪方跃副研究员的帮助, 在此也一并致以感谢。

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Stratigraphical Sequences and Chronological Framework of Cretaceous in the Western Liaoning Region

SU Nan, ZHU Guang

(School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, Anhui, China)

The western Liaoning region in the northern North China Craton contains well-developed and well-preserved Cretaceous volcanic-sedimentary sequences. Their stratigraphical sequences and chronological framework are basics for constraining the tectonic and land biota evolution. Integration of this and previous zircon dating results indicates that the Zhangjiakou Formation (K1) is only present in the western part of the western Liaoning region (Lingyuan area) and absent from the eastern part (Chaoyang area). The previous Daxingzhuang or Dalinghe Formation gives ages of the Early Cretaceous, and belongs to a part of the Yixian Formation (K1). The Jianwou basalt at Fuxin lies between the underlying Fuxin Formation (K1) and overlying Sunjiawan Formation (K2). The Cretaceous sequences, i.e. lithological units with ages, include the Tuchengzi (147–137 Ma), Zhangjiakou (132–130 Ma, absence in the east), Yixian (130–120 Ma), Jiufotang (120–115 Ma), Shahai (115–110 Ma), Fuxin (110–106 Ma), Jianwou basalt (106–97 Ma), and the Late Cretaceous Sunjiawan (<97 Ma) Formations from base to top. The angular unconformities between the Tuchengzi and Zhangjiakou Formations, and the Fuxin Formation and Jianwou basalt in the region represent the B- and C-episode compressive events of the Yanshan Movement at 137–136 Ma and ～106 Ma respectively. The dating results constrain the duration of the Early Cretaceous extension and rifting in the western Liaoning region to 132–106 Ma, and that of the Jehol Biota to 130–115 Ma.

Cretaceous; stratigraphical sequences; isotopic age; evolution time; western Liaoning region

2021-03-05;

2021-05-25

国家自然科学基金项目(41688103)资助。

苏楠(1992–), 男, 博士研究生, 地质学专业。E-mail: 403931219@qq.com

P597; P534

A

1001-1552(2022)05-0993-015

10.16539/j.ddgzyckx.2022.05.008