内蒙古锡林郭勒晚新生代熔岩台地40Ar/39Ar年代学研究*

2023-02-01武颖赵勇伟李霓常枥文渠洪杰

岩石学报 2023年1期

武颖赵勇伟** 李霓常枥文渠洪杰

1. 中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029 2. 中国地震局地质研究所，吉林长白山火山国家野外科学观测研究站，北京 100029 3. 中国地质调查局北京探矿工程研究所，北京 100083

蒙古高原东南缘的赤峰火山群、锡林郭勒盟达里诺尔-阿巴嘎火山群，连同蒙古国达里干加火山群一起构成一条沿东南-西北向走向的火山带。该火山带横跨约500km，这里是东北亚晚新生代以来分布面积最大的大陆玄武岩省之一(图1)。20世纪以来对锡林郭勒盟和赤峰地区的熔岩K-Ar年代学研究表明，这一区域火山岩年龄跨度大，涵盖了自渐新世(33Ma)至更新世(0.33Ma)很长一段地质历史(罗修泉和陈启桐, 1990; 刘若新等, 1992; Hoetal., 2008; 陈生生等, 2013; Zhang and Guo, 2016; Wangetal., 2015; Togtokhetal., 2019)。然而早期的火山岩年代研究没有考虑火山喷发类型的差异，普遍缺乏采样坐标，难以确认样品精确位置。迄今为止，对该区域火山活动历史的认识仍有待完善。另一方面，这一区域的火山在经受长时间剥蚀之后，形成复杂多变的地貌。如何建立地貌特征与喷发时代之间的对应关系当前没有定论。

为进一步了解上述火山带的火山活动历史与火山岩时空分布，本文对锡林郭勒地区达里诺尔和阿巴嘎火山群开展火山岩年代学研究。在火山地质调查中，我们发现蒙古高原东南缘火山群拥有呈阶梯状大面积分布的多级熔岩台地(图2)。在上述火山群中，这些熔岩台地是火山喷发产物的主要构成部分，认识这些熔岩台地的喷发历史是认识火山群活动历史的关键。本文首次利用40Ar/39Ar定年技术，对锡林郭勒地区贝力克牧场熔岩台地与阿巴嘎火山群熔岩台地开展火山岩测年，并结合ALOS-DEM数据研究熔岩台地时空分布规律。本文厘定了熔岩台地的形成历史，并探索熔岩台地地貌与喷发时间之间的关系，提出区域剥蚀模型解释多级熔岩台地的成因。

图1 锡林郭勒新生代火山岩分布(据Liu et al., 2001修改)1-赤峰火山群；2-达里诺尔火山群；3-阿巴嘎火山群Fig.1 Cenozoic lava distribution in Xilin Gol (modified after Liu et al., 2001)

图2 锡林郭勒熔岩台地地貌(a)贝力克牧场一级熔岩台地远景；(b)贝边克牧场远景一级熔岩台地与近景二级台地；(c)熔岩台地表面结壳熔岩；(d)贝边克牧场一级熔岩台地与二级台地边坡；(e)贝边克牧场平顶山地貌；(f)阿巴嗄别力古台采石场熔岩台地剖面，结壳熔岩覆盖于红色松散沉积物之上Fig.2 Field landscapes of lava platform in Xilin Gol

1 地质背景

中亚造山带地处华北克拉通与西伯利亚克拉通之间，由多个微板块拼合而成。赤峰-达里诺尔-阿巴嘎-达里干加，四处火山群组成一条南东-西北走向的火山带，横跨大兴安岭-太行山重力梯度带(图1)。这一区域二叠-石炭系砂岩和下古生界石英片岩板岩零星出露，侏罗系火山岩广泛分布。第三系上新统棕红色泥岩大量出露于该区域，第四系地层多为冲积、湖积砂砾沉积。在锡林浩特南部的浑善达克沙地及其周边，全新统风积砂覆盖大范围区域。区内侵入岩主要是燕山期花岗岩。

锡林郭勒晚新生代火山群包括南部的达里诺尔火山群和北部的阿巴嘎火山群。达里诺尔火山群的北缘是贝力克牧场，该处呈现“平顶山”地貌，组成高低不同的三级熔岩台地，本文将海拔高度最高的台地称为第一级台地，海拔高度逐次降低的另两级台地依次称为第二级和第三级台地(图2a, b)。达里诺尔火山群南部的辉腾梁(又称为灰腾锡勒，灰腾西里)是其主体。辉腾梁底部是熔岩台地，然而没有形成高低差异明显的多级台地。在辉腾梁台地之上有近100座火山锥，大致沿北东东向集中分布在台地中部。阿巴嘎火山群熔岩台地整体南北高，中间低，呈凹形，之上分布有近200座火山锥，大多风化严重。该火山群北缘和西缘形成三级台地，较低海拔的台地形成年龄较老，而较高海拔的台地年龄较新(罗修泉和陈启桐, 1990)。熔岩台地总体上由结壳熔岩构成，剖面上经常发育有竖直柱状节理。岩石表面平整，大量出现大型龟裂状裂理，裂块长达十数米。熔岩为气孔状构造，斑状结构。斑晶由橄榄石、普通辉石和少量斜长石组成。斑晶为自形到半自形，粒径为0.1～3mm，含量约占总体积的10%。基质为间粒-间隐结构，主要成分由斜长石、普通辉石、橄榄石、铁钛氧化物和玻璃组成。达里诺尔和阿巴嘎熔岩台地岩性为石英拉斑玄武岩和橄榄拉斑玄武岩(Hoetal., 2008; Zhang and Guo, 2016; Zhaoetal., 2020; 陈生生等, 2013)。贝力克牧场熔岩台地下伏地层是上新统河湖相沉积砂岩，阿巴嘎熔岩台地下伏地层是第三系红色砂质泥岩。

罗修泉和陈启桐(1990)对锡林浩特与赤峰地区火山岩进行K-Ar年代学研究，认为这一地区新生代火山作用在渐新世(33～28Ma)先从赤峰开始，逐渐向西北方向迁移扩展到锡林郭勒地区的达里诺尔与阿巴嘎。21世纪以来，进一步的K-Ar测年研究表明阿巴嘎火山岩年龄为3～6Ma，达里诺尔贝力克牧场熔岩年龄在2.41～0.51Ma，达里诺尔辉腾梁火山熔岩年龄为0.19～1.41Ma(Hoetal., 2008; 陈生生等, 2013)。综上所述，锡林郭勒火山岩年龄跨度大，至少涵盖了中新世晚期至更新世长达6Myr以上的时间。

2 40Ar/39Ar分析技术

本文选取锡林郭勒地区6处熔岩进行40Ar/39Ar测试分析，它们分别来自达里诺尔火山群北缘的贝里克牧场第一级台地(09XL03-4)、第三级台地(09XL01-1)和火山群中部的大黑山(17XL03)，阿巴嘎火山群东北部熔岩台地(17ABG03、17ABG01)及火山群中心地带熔岩台地(09ABG05)。样品测试工作在中国地震局地质研究所新构造与年代学实验室完成。

2.1 样品前处理

样品选取新鲜玄武岩，破碎后筛选出40～60目(380～250μm)的颗粒，留下经过磁选后的暗色样品。因有基质颗粒粘连少量斑晶(如橄榄石、辉石、斜长石等)，通常这些斑晶成分在进行40Ar/39Ar定年方法时，会带入过剩氩，造成同位素信息的混淆。前人的研究中已有大量的实验数据验证了过剩氩对火山岩喷发年龄的影响(Andersenetal., 2017; Lietal., 2000; 周晶等, 2013)。本文处理样品时，在双目显微镜下挑选出无风化边、无裂隙填充物的新鲜基质，并剔除混杂在其中的斑晶、捕虏晶。随后，样品进行化学预处理：采用5%的HF溶液，在超声波清洗器中振荡清洗10min，超纯水中清洗3遍以上，乙醇脱水2次；丙酮清洗2次，50℃烘干12h。样品充分混匀后，采用高纯度的铝箔纸包装待测样品及标准样品，封存于低真空石英管中，分两次送入高通量试验堆(HFETR)与中国原子能研究院49-2反应堆H8通道内接收快中子照射24h。HFETR快中子通量约为8.20×1013n/cm2·s(李军杰等, 2019)。中国原子能研究院49-2反应堆快中子通量为6.5×1012n/cm2·s(王非等, 2005)。

2.2 实验分析

40Ar/39Ar激光阶段升温实验通过GV5400稀有气体质谱系统实现。额定功率为30W，波长为970nm的红外激光器用于分阶段萃取样品中的气体，气体经一个温度为450℃的锆铝泵和一个为室温的锆铝泵纯化10min后，进入质谱进行静态测量。GV5400稀有气体质谱为单接收质谱仪，配置一个法拉第杯(Faraday高阻为1011Ω)和一个离子计数器(Ion counter)，信号的采集通过跳扫方式获得。每个样品在24h内完成测试，并在测试过程中插1～2次本底测试，36Ar本底在74～76cps，37Ar本底在63～67cps，38Ar本底在10～16cps，39Ar本底在99～235cps，40Ar本底在20141～21534cps。电子倍增器与法拉第杯检测转换效率值，每日的变化范围小于0.84%。

样品测试期间，定期对实验系统内配备的标准空气管中氩气定期测量，得到40Ar/36Ar=297.03±1.69(1SD)，根据测量的空气氩同位素比值为40Ar/36Ar=298.6±0.3(Leeetal., 2006)，可得到质谱仪质量歧视值MDF为1.008185±0.012562(1SD)(Renneetal., 2009)。HFETR的CaF2和K2SO4的校正系数为 (39Ar/37Ar)Ca=1.54×10-3，(36Ar/37Ar)Ca=3.52×10-4，(40Ar/39Ar)K=0.92×10-2，(38Ar/39Ar)K=1.21×10-2(李军杰等, 2019)。49-2反应堆CaF2和K2SO4的校正系数为 (39Ar/37Ar)Ca=6.1748×10-4，(36Ar/37Ar)Ca=2.3477×10-4，(40Ar/39Ar)K=2.3228×10-3，(38Ar/39Ar)K=9.4194×10-3(Baietal., 2018)。40Ar/39Ar激光阶段升温坪年龄及反等时线年龄的计算是通过ArArCALC 2.5.2(Koppers, 2002)计算得出。年龄误差标记为2σ，其中包含测试中存在的分析误差和J值的计算误差。

2.3 测试结果

标准样品分为两种，北京周口店花岗岩的黑云母ZBH-25用于计算样品的中子活化参数J值；ACs、FCs、Bern-4M作为检验40Ar/39Ar激光阶段升温实验流程的标准样品，其测试分析结果见表1。样品40Ar/39Ar阶段升温测试详细数据列于电子版附表1，定年结果见于表2。

表1 标准样品激光阶段升温40Ar/39Ar定年结果

达里诺尔熔岩台地样品的40Ar/39Ar坪年龄和反等时线年龄如图3所示。对样品09XL03-4进行了15个阶段的升温实验，其中第3～15阶段计入坪年龄计算，累积39Ar的释放量为98.14%，坪年龄为2.54±0.11Ma(2σ, MSWD=2.11)，相应的反等时线年龄为2.52±0.12Ma(2σ, MSWD=1.99)，40Ar/36Ar初始值为310.7±27.6。对样品09XL01-1进行了16个阶段的升温实验，其中第3～14阶段计入坪年龄计算，累积39Ar的释放量为94.94%，坪年龄为1.11±0.13Ma(2σ, MSWD=0.44)，相应的反等时线年龄为1.05±0.25Ma(2σ, MSWD=0.45)，40Ar/36Ar初始值为298.9±12.6。对样品17XL03进行了16个阶段的升温实验，其中第2～16阶段计入坪年龄计算，累积39Ar的释放量为99.83%，坪年龄为2.16±0.06Ma(2σ, MSWD=0.36)，相应的反等时线年龄为2.17±0.18Ma(2σ, MSWD=0.39)，40Ar/36Ar初始值为294.0±22.8。

图3 达里诺尔熔岩台地样品(09XL03-4、09XL01-1和17XL03)的40Ar/39Ar坪年龄与反等时线年龄谱图Fig.3 40Ar/39Ar release spectra for three sample (09XL03-4, 09XL01-1 and 17XL03) from the Beilike in DalinorWeighted plateau ages are listed on left, with inverse isochron ages on the right

采自阿巴嘎熔岩台地的3个样品17ABG01、17ABG03、09ABG05的40Ar/39Ar坪年龄和反等时线年龄如图4所示。样品17ABG01进行了14个阶段的升温实验，其中第5～14阶段计入坪年龄计算，累积39Ar的释放量为82.07%，坪年龄为6.88±0.22Ma(2σ, MSWD=0.07)，相应的反等时线年龄为7.01±0.49Ma(2σ, MSWD=0.03)，40Ar/36Ar初始值为291.6±13.0。对样品17ABG03进行了18个阶段的升温实验，其中第4～15阶段计入坪年龄计算，累积39Ar的释放量为85.21%，坪年龄为7.54±0.14Ma(2σ, MSWD=0.30)，相应的反等时线年龄为7.45±0.19Ma(2σ, MSWD=0.30)，40Ar/36Ar初始值为326.4±41.2。对样品09ABG05进行了15个阶段的升温实验，其中第6～15阶段计入坪年龄计算，累积39Ar的释放量为95.01%，坪年龄为6.23±0.14Ma(2σ, MSWD=0.43)，相应的反等时线年龄为6.23±0.18Ma(2σ, MSWD=0.48)，40Ar/36Ar初始值为296.5±37.7。

上述样品的坪年龄与反等时线年龄在误差范围内基本一致，由反等时线获得的40Ar/36Ar初始值与现代大气氩同位素比值298.6±0.3(Leeetal., 2006)在误差范围内一致，表明样品的坪年龄可以代表其喷发年龄/成岩年龄。

表2 40Ar/39Ar定年结果

图4 阿巴嘎熔岩台地样品(17ABG01、17ABG03和09ABG05)的40Ar/39Ar坪年龄与反等时线年龄谱图Fig.4 40Ar/39Ar release spectra for three sample (17ABG01, 17ABG03 and 09ABG05) from the AbagaWeighted plateau ages are listed on left, with inverse isochron ages on the right

3 火山活动历史

3.1 火山作用规律

前人研究锡林郭勒地区火山作用方式发现存在两类不同的火山作用(陈生生等, 2013;赵勇伟等, 2018)。以达里诺尔贝力克农场为代表的熔岩台地形成过程中，大规模溢流式喷发为主要火山作用方式，特点是大范围连续分布、喷发规模大(陈生生等, 2013; 赵勇伟等, 2018)。而另一类火山作用，即单成因火山，以发生爆破式喷发为特征，通常都拥有火山渣锥或熔岩锥，喷发体积小(熔岩面积通常小于50km2)。本文40Ar/39Ar定年测试结果说明，达里诺尔火山群熔岩台地形成于～2.5Ma至1.1Ma，说明这段时间内主要发生大规模溢流式喷发。在熔岩台地之上大范围零星分散分布有近百座火山锥，许多火山锥年龄小于1Ma。以鸽子山(又名阿尔更其格)为例，其K-Ar年龄为0.33Ma(罗修泉和陈启桐, 1990)(图5)。这些相对年轻的火山表明晚期的火山作用更加频繁地发生爆破式喷发。

图5 锡林郭勒火山岩时空分布示意图火山岩分布范围据Ho et al. (2008) 修改. 有下划线年龄数据为本文数据，方框内年龄数据为K-Ar测试数据，引自罗修泉和陈启桐(1990), Ho et al. (2008)Fig.5 Lava temporal-spatial distribution in Xilin GolThe volcanic rocks distribution modified after Ho et al. (2008). The 40Ar/39Ar data in this study are underlined. The age data inside the white box are the K-Ar data cited from Luo and Chen (1990) and Ho et al. (2008)

对阿巴嘎熔岩台地火山岩40Ar/39Ar测试结果表明，熔岩台地形成于约6.2～7.5Ma。火山群的熔岩台地之上覆盖有晚期形成的近200座火山渣锥、熔岩锥(Chenetal., 2015)。前人在查干乌拉火山(渣锥)熔岩流K-Ar测年获得3.86±0.25Ma的结果(罗修泉和陈启桐, 1990)(图5)，这说明早期大规模溢流在阿巴嘎形成熔岩台地，晚期单成因火山作用形成零散分布的火山渣锥，这种火山作用规律与达里诺尔火山群相似。

3.2 火山岩时空分布

蒙古高原分布有大量新生代火山岩，大多自35Ma至更新世形成 (Ancutaetal., 2018)。其中蒙古国中部的5Ma以来形成的相对年轻的火山分布在罕盖山和色楞格河盆地，远离东南部的达里干加(Ancutaetal., 2018)。我国的学者对锡林郭勒及其周边的火山岩研究发现最老的火山岩见于赤峰(33Ma)，位于火山带最东端(附表2)。Wangetal.(2015)用40Ar/39Ar法测得的赤峰火山岩形成年龄在23.8～2.8Ma，其中相对年轻的样品(4.7～2.8Ma)倾向于出现在赤峰火山群的西部(附表3)。前人的研究认为，赤峰地区火山活动由东向西有逐渐变年轻的趋势(Wangetal., 2015)。

本文对地表熔岩台地的测年结果显示，在锡林郭勒地区，达里诺尔熔岩台地形成时间相对最晚(2.5～1.1Ma)，阿巴嘎熔岩台地形成年龄相对较老(约6.2～7.5Ma)。另外，前人对阿巴嗄台地西北方向的青格勒布拉格熔岩台地火山岩K-Ar测年获得12.82Ma的年龄(罗修泉和陈启桐, 1990)。

综合前人测年数据和本文数据，蒙古高原东南缘火山作用有可能存在以下规律：赤峰-达里诺尔-阿巴嘎-达里干加一线火山群，存在“两端较早开始活动，中间较晚开始活动”的特点；渐新世时期(33Ma)火山活动从赤峰开始；中新世中期(12～13Ma)达里干加附近(青格勒布拉格)的火山开始活动；中新世晚期以后，上述火山带的中间部分阿巴嘎和达里诺尔先后陆续开始发生火山活动(图5)。

4 熔岩台地地貌成因

本文利用空间分辨率为12.5m的ALSO-DEM数据(来源于日本先进陆地观测卫星ALOS，下载于https://www.91weitu.com/)获取研究区地形地貌定量参数(图6)。根据ALSO-DEM数据可知，达里诺尔火山群贝力克牧场熔岩台地分布于海拔1080～1300m之间。最高处的一级台地与三级台地之间高差约180m(图7)。根据野外地质测量，一级熔岩台地的熔岩厚度在2.6～4m，二级台地熔岩厚度在3～4.5m。阿巴嘎熔岩台地海拔在1050～1250m之间，野外地质测量熔岩台地的熔岩厚度在4～6m。在DEM数据渲染图中，达里诺尔与阿巴嘎熔岩台地分布在较高地势之上(图6)，与周边地势较低的河湖沉积区形成显著对比，形成“平顶山”地貌(图6、图7)。

图6 锡林郭勒火山群DEM数据渲染图数据引自12.5m分辨率ALOS-PALSAR数据，下载于www.91weitu.com；黑色界线为解译出的熔岩台地边界，A和B之间黄线标记剖面图位置. 图中1指示贝力克牧场第一级熔岩台地，2为第二级台地，3为第三级台地Fig.6 Rendering Terrain Surface of Xilin Gol volcanic fields based on the DEM datasetThe DEM data (with 12.5m resolution) are constructed using ALOS-PALSAR data and downloaded from www.91weitu.com. The black lines show the lava platforms

图7 贝力克牧场熔岩台地剖面图(数据源自图6的DEM数据)Fig.7 Profile of Beilike lava platform (data from the digital elevation model of Fig.6)

根据本文测年结果，贝力克牧场平顶山海拔最高的第一级台地和海拔较低的第三级熔岩台地分别形成于～2.5Ma和～1.1Ma。火山群核部的大黑山熔岩台地形成于～2.0Ma。阿巴嘎东北缘海拔较高的台地形成于～7.5Ma，较低的台地形成于～6.9Ma，而火山群核部的台地形成于～6.2Ma。对比锡林郭勒熔岩台地样品采样海拔高度和测年结果，发现达里诺尔与阿巴嘎火山群都出现以下规律：在台地边缘(也就是出露多级熔岩台地的区域)，都出现年龄越老的样品海拔高度越高的特点(图8)。

图8 采样海拔高度与样品测年结果对比图Fig.8 Sampling altitude versus samples dating results

中国东部分布有数十处晚新生代火山群，然而像锡林郭勒地区一样的多级熔岩台地和平顶山地貌只出现在集宁和张家口汉诺坝等地。考虑到锡林郭勒地区新生代以来气候特点以及熔岩流的流动特性，本文认为造成当前多级熔岩台地平顶山地貌最可能的因素是古气候和区域侵蚀。新生代以来，东亚大陆经历了气候周期性剧变，中亚地区气候渐趋干旱，逐渐成为地球上降雨量最少的区域之一(Cavesetal., 2014)。锡林郭勒地处内蒙中东部，处于东亚季风前缘，其气候在干旱炎热、相对湿润和寒冷干燥之间振荡，多次形成古大湖和高水位(兰源红, 2017)。特殊的气候造成郭林郭勒大范围相对平坦的地势特点。在火山喷发过程中，自火口溢出的熔岩流在重力控制下流向地势低洼的方向，在地势相对平坦的地区，熔岩流通常呈面状分布，形成熔岩平台。

在熔岩台地中部，由火山作用先后次序(大规模溢流喷发在先，单成因火山爆破式喷发在后)造成的上下叠置，达里诺尔和阿巴嘎火山群都出现下老(熔岩台地)上新(火山锥)的特点。然而在熔岩台地边缘都出现高度差异明显的多级台地，并且年龄越老的样品海拔高度越高。如上所述，熔岩台地边缘的熔岩层厚度仅在2.6m至4.5m之间，熔岩之下是厚层湖相沉积物。考虑到各级熔岩台地相差数十米至百余米的高程，而每级台地只在顶部覆盖一层厚度仅数米的相对较薄的熔岩盖层，本文试图从区域侵蚀方面探讨这种多级熔岩地貌的成因。

在野外勘察中，我们发现锡林郭勒厚层结壳熔岩下伏地层多为河湖相沉积的松散砂，这些物质极有可能在火山喷发前形成较为平坦的地势，为熔岩平台的形成创造了条件。在此基础上，本文设想可以存在以下机制生成多级台地。在发生最初的火山作用，第一级熔岩平台形成之后，锡林郭勒地区在气候影响下遭受长期的区域剥蚀(图9)。在此过程中，熔岩覆盖的区域因熔岩盖层保护得以保留形成第一级熔岩台地，而没有熔岩覆盖的区域则经受区域剥蚀消减，海拔降低，形成地势较低的平坦地貌(图9)；此后，较晚一期的火山作用发生在地势较低的平坦地形之上，产生熔岩盖层经历长期区域剥蚀之后形成第二级熔岩台地；以此类推，又产生第三级熔岩台地(图9)。该模型解释了贝力克牧场和阿巴嗄东北缘多级熔岩台地和”平顶山”地貌成因，也解释了熔岩台地边缘地带火山岩高程与年龄之间的正相关关系。

图9 熔岩台地成因模式图Fig.9 Forming modelling of lava platforms

在上述认识基础上，本文结合熔岩台地的40Ar/39Ar测年数据与DEM数据，计算达里诺尔与阿巴嘎两个地区的区域侵蚀速率。贝力克牧场一级与三级台地之间高程相差180m，形成时间相差约1.4Myr，由此可知熔岩台地形成期间区域剥蚀速率为129m/Myr。阿巴嘎东北缘熔岩台地两件样品高程相差95m，熔岩形成时间相差～0.6Myr, 可知该地熔岩台地形成期间的区域剥蚀速率为158m/Myr。根据区域剥蚀速率，可以用不同熔岩台地之间的高度差来估计喷发时间间隔。在达里诺尔地区每有100m高差，喷发时间大约相差0.76Myr。在阿巴嘎地区每百米高差，喷发时间相差约0.63Myr。凭借该方法有可能利用少量测年数据和高精度DEM数据确定达里诺尔和阿巴嘎火山群熔岩台地的时空分布。