作者简介: 刘永高(1970—),男,高级工程师,主要从事区域地质、矿产勘查方面的研究工作。Email: 2405197661@qq.com。
大兴安岭中南段霍林河地区自中生代以来火山活动强烈,形成了广泛分布的中侏罗世—早白垩世中酸性火山岩,是研究中生代火山喷发演化特征的理想地区。通过在霍林河地区运用“火山岩岩性与岩相-火山构造-岩石地层”三重填图方法进行填图,对岩性、岩相、火山喷发旋回及韵律特征进行总结分析。结果显示: 霍林河地区出露岩性种类可分为普通火山碎屑岩、熔结火山碎屑岩、熔岩、沉积火山碎屑岩和火山碎屑沉积岩、潜火山岩共6类,岩相主要有爆发相、火山碎屑流相、火山爆发崩塌相、火山喷发沉积相、溢流相、火山颈相、侵出相及潜火山岩相共8类; 本区火山活动可划分为新民期((163.7±1.7)~(160.0±4.0) Ma)、塔木兰沟期((164.2±4.1)~(159.7±2.7) Ma)、满克头鄂博期((163.4±1.3)~(157.0±1.1) Ma)、玛尼吐期((151.4±2.6)~(144.0±2.8) Ma)、白音高老期((141.7±1.3)~(128.6±1.4) Ma)、梅勒图期((133.4±1.5)~(127.7±1.4) Ma)共6个火山喷发旋回,对应6个组级火山岩地层单元。在中侏罗世,霍林河地区的火山活动不稳定,少量酸性火山碎屑岩爆发并伴有较多间歇期,晚期主要为中性熔岩的平静溢流; 晚侏罗世火山活动表现为酸性火山碎屑岩的强烈爆发,并伴随有少量中酸性火山熔岩溢出; 早白垩世早期早阶段火山活动表现为酸性火山碎屑岩的强烈爆发作用,早期晚阶段火山活动表现为中基性火山熔岩的平静溢流。霍林河地区的火山活动代表了典型的大兴安岭中南段中生代火山喷发旋回特征,研究成果有助于对大兴安岭中南段中生代火山喷发旋回进行合理划分,促进不同地区火山岩岩性组合、火山活动特征、岩相建造及火山地层的深入对比研究。
Huolinhe area in the central and southern Greater Khingan Mountain has experienced strong volcanic activities since Mesozoic Era, and widely distributed intermediate acidic volcanic rocks were formed from Middle Jurassic to Early Cretaceous, which is a desirable area for evolution characteristics research of volcanic eruption during Mesozoic Era. The triple mapping method of “volcanic lithology and lithofacies, volcanic structure, and rock strata” was used in Huolinhe area to summarize and analyze the lithology, lithofacies, volcanic eruption cycles, and rhythmic characteristics. The result shows that the types of exposed rock types in this area can be divided into six categories, including ordinary pyroclastic rocks, fused pyroclastic rocks, lava, sedimentary pyroclastic rocks and pyroclastic sedimentary rocks, and latent volcanic rock. And there are eight types of lithofacies, including explosive facies, pyroclastic flow facies, volcanic eruption collapse facies, overflow facies, volcanic eruption sedimentary facies, volcanic neck facies, intrusive facies, and subvolcanic lithofacies. The volcanic activity in this area can be divided into six volcanic eruption cycles: Xinmin period ((163.7±1.7)~(160.0±4.0) Ma), Tamulangou period ((164.2±4.1)~(159.7±2.7) Ma), Manketouebo period ((163.4±1.3)~(157.0±1.1) Ma), Manitu period ((151.4±2.6)~(144.0±2.8) Ma), Baiyingaolao period ((141.7±1.3)~(128.6±1.4) Ma), and Meiletu period ((133.4±1.5)~(127.7±1.4) Ma), corresponding to the six volcanic rock stratigraphic formation. Volcanic activity was unstable in Huolinhe area during Middle Jurassic. A small amount of acidic volcanic debris erupted and were accompanied by many intermittent periods, followed by mainly calm overflow of neutral lava in the late phase. There was a strong eruption of acidic volcanic clastic rocks during Late Jurassic, accompanied by a small amount of medium acidic volcanic lava overflow. In the early stages of Early Cretaceous, the early stage volcanic activities were characterized by strong eruption of acidic volcanic clastic rocks, and the late stage volcanic activities were characterized by calm overflow of medium basic volcanic lava. The volcanic activities in this area could represent the characteristics of the eruption cycles of Mesozoic volcanic rocks in the central and southern Greater Khingan Mountain. Therefore, the research result is of great significance to the reasonable division of the eruption cycles of Mesozoic volcanic rocks in the central and southern Greater Khingan Mountain, and could help promote in-depth comparative studies of volcanic rock combinations, volcanic activity characteristics, lithofacies construction, and volcanic stratigraphy in different regions.
大兴安岭地区位于兴蒙造山带东段[1], 中生代受环太平洋构造域和古亚洲洋构造域的双重影响, 火山活动强烈, 形成了大规模的火山岩[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]。大兴安岭地区火山岩主要分布在大兴安岭主脊及两侧, 呈NE向、NNE向横跨在古亚洲洋构造域的不同构造单元之上[9, 10, 11, 12, 13, 14], 是东亚大陆边缘巨型火山岩带的主要组成部分[9, 10, 15]和我国东北地区中生代火山岩最发育、火山作用最强烈的地区[16, 17]。近年来, 随着工作程度的不断提高及新技术、新方法的应用, 对大兴安岭中生代火山岩的研究已取得大量成果, 但主要集中于对其形成年代、成因及动力学机制的探讨[18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26], 关于火山喷发旋回及韵律特征的报道较少, 且火山喷发旋回的划分方案仍未达成统一认识, 部分学者认为火山喷发旋回应依据各时代火山地层间的接触关系划分, 喷发产物大致与统级填图单位相当[27, 28], 也有学者认为火山喷发旋回是一个由强变弱的活动, 由数个火山韵律组成, 相当于沉积地层中的组级填图单位[29, 30, 31]。
霍林河地区位于大兴安岭火山岩带中南部, 中生代以来火山活动强烈, 大规模的火山爆发和溢流作用形成了厚度巨大的火山喷发物, 中侏罗世、晚侏罗世及早白垩世的火山地层均有出露, 其火山岩岩性、岩相种类齐全, 火山构造及空间组合形式复杂, 是研究中生代火山岩喷发演化特征的理想地区。本文通过运用“ 火山岩岩性与岩相-火山构造-岩石地层” 三重填图方法对中生代火山岩进行填图, 对火山喷发旋回及韵律变化特征进行研究分析, 可为探明区域火山演化、活动规律及空间展布提供基础地质资料。
霍林河地区位于内蒙古自治区东北部, 处于通辽市、兴安盟、锡林浩特市和赤峰市4个盟市交界处, 中生代大地构造位置属大兴安岭岩浆弧中南段[32]。研究区火山岩属环太平洋巨型火山活动带, 大兴安岭中生代火山岩带, 同兴— 宝石火山喷发带内北东段[33]。本区中生代火山岩出露广泛, 从老到新含火山岩地层有中侏罗统新民组、塔木兰沟组, 上侏罗统满克头鄂博组、玛尼吐组, 下白垩统白音高老组、梅勒图组, 其中以满克头鄂博组、玛尼吐组及白音高老组出露最为广泛, 与相邻火山地层呈整合接触或喷发不整合接触。火山岩基底地层为上石炭统本巴图组, 呈NE向带状或小面积零星出露[34], 霍林郭勒市附近上覆下白垩统大磨拐河组含煤地层。晚侏罗世及早白垩世均伴有同时期的侵入岩, 多呈小面积岩株状分布(图1)。
研究区火山岩的岩石类型较为齐全, 可分为普通火山碎屑岩、熔结火山碎屑岩、熔岩、沉积火山碎屑岩和火山碎屑沉积岩、潜火山岩共6类。根据岩石化学成分、矿物成分、碎屑物的粒度及含量等进行进一步划分。
普通火山碎屑岩是研究区分布最广的一种岩石类型, 主要岩性有流纹质晶屑凝灰岩(图2(a))、流纹质含角砾(岩屑)晶屑凝灰岩、流纹质晶屑玻屑凝灰岩、流纹质角砾凝灰岩、安山质晶屑凝灰岩、安山质含角砾晶屑凝灰岩、安山质火山角砾岩、英安质晶屑凝灰岩等; 熔结火山碎屑岩分布广泛, 多围绕着火山机构中心呈环状、半环状、弧状分布, 岩性主要有流纹质晶屑熔结凝灰岩、流纹质含角砾(岩屑)晶屑凝灰岩、流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩(图2(b))、流纹质含角砾晶屑浆屑熔结凝灰岩、英安质晶屑熔结凝灰岩等; 熔岩主要有流纹岩(图2(c))、安山岩、英安岩、粗面岩、珍珠岩、黑曜岩、松脂岩等; 沉积火山碎屑岩和火山碎屑沉积岩常见于各火山活动旋回的下部, 且多分布于盆地边缘, 局部呈夹层产于火山碎屑岩中, 主要岩性有凝灰质细砂岩屑砂岩、凝灰质粉砂岩、安山质沉凝灰岩(图2(d))、凝灰质含砾砂岩、凝灰质砂砾岩、凝灰质砾岩、沉角砾晶屑凝灰岩等; 潜火山岩多位于近火山口位置, 产状较为陡立, 主要岩性有潜流纹斑岩、潜流纹岩、潜英安岩、潜安山岩(图2(e))、珍珠岩等。
火山喷发旋回是指在一个火山活动期内, 火山作用过程的各种产物及火山构造的综合[35, 36]。一般按不同时代火山岩的岩性组合、岩石系列、接触关系、火山活动及岩相建造特征进行划分, 但不同学者的划分尺度不同, 方案亦不同。本文认为大兴安岭地区中生代火山喷发旋回与地质年代中期的概念具有可比性, 对应组级的填图单位, 具有岩性、岩相和变质程度的一致性[37], 一个组即代表了一个火山喷发旋回的产物, 因此火山喷发旋回可大致按相对应的组(期)级划分方案进行划分[16]。本区火山岩已获得了大量测年数据[38], 基于测年数据按时间由老到新, 将本区中侏罗世— 早白垩世火山活动划分为新民期((163.7± 1.7)~(160.0± 4.0) Ma)[38]、塔木兰沟期((164.2± 4.1)~(159.7± 2.7) Ma)[38]、满克头鄂博期((163.4± 1.3)~(157.0± 1.1) Ma)[39]、玛尼吐期((151.4± 2.6)~(144.0± 2.8) Ma)[40]、白音高老期((141.7± 1.3)~(128.6± 1.4) Ma)[38]、梅勒图期((133.4± 1.5)~(127.7± 1.4) Ma) [41]共6个火山喷发旋回(表2), 分别对应新民组、塔木兰沟组、满克头鄂博组、玛尼吐组、白音高老组、梅勒图组6个火山岩岩石地层单位。
新民期火山产物为新民组, 仅分布于研究区的西北部, 出露较为局限。以浑迪音罕乌拉地区为例(表3), 该地区新民组主要为火山碎屑岩与沉积岩交替的组合类型, 按爆发相-火山喷发沉积相/沉积相的周期可划分出两个韵律, 第Ⅰ 韵律(1~12层)和第Ⅱ 韵律(13~20层)均在强烈爆发后进入间歇期, 总体爆发指数(爆发相火山碎屑岩厚度/总厚度)较高, 反映了不稳定的火山活动。
塔木兰沟期火山喷发旋回的火山产物为塔木兰沟组, 仅分布于研究区的西北部浑迪音罕乌拉— 西和村一带, 出露较为局限。塔木兰沟期火山喷发旋回一般由3~6个火山喷发韵律组成, 以西和村处破火山的南东翼为例(表4), 岩石类型为互层的熔岩与沉积岩, 按溢流相-沉积相的周期可划分出6个火山喷发韵律, 火山喷发较弱, 短暂间歇, 显示塔木兰沟期火山喷发旋回至少经历了6次由宁静溢流到间歇的喷发过程。
研究区自晚侏罗世时期开始了强烈的火山活动。在中东部查尔干其敖瑞地区呈中心式溢流或侵出, 多具岩穹特征, 在南部罕山林场地区则以串珠状裂隙式爆发-溢流活动为特征。火山岩及火山机构的分布受NE向基底断裂的控制作用显著。
满克头鄂博期的火山喷发旋回产物对应满克头鄂博组, 一般由4~8个火山喷发韵律组成, 以一○二四高地处破火山(图1)的南东翼为例, 岩石类型为火山碎屑岩、熔岩、沉积岩/火山喷发沉积岩互层, 按爆发相火山碎屑岩-溢流相熔岩-火山喷发沉积岩的周期可划分为7个韵律(表5), 每个韵律均由爆发相-溢流相或火山喷发沉积相组成, 未见完整韵律, 其中第Ⅰ 韵律与第Ⅴ 韵律在强烈爆发后进入短暂间歇期, 其他韵律均在爆发期后进入宁静溢流, 未经间歇期直接进入下一个韵律爆发期, 说明火山活动至少经历了7次由强至弱的喷发过程, 爆发指数91, 爆发强度较大。
玛尼吐期火山喷发旋回的火山产物为玛尼吐组, 出露于研究区中部查尔干其敖瑞、南部乌罕那毛希高及东南部楚鲁敖包附近。本期火山活动较满克头鄂博期规模小、强度弱, 火山活动方式以中心式为主。
玛尼吐期火山喷发旋回一般由5~7个火山喷发韵律组成。岩石类型为火山碎屑岩、熔岩、火山沉积岩或沉积岩交替出现, 底部与下伏地层整合接触, 向上依次出现火山沉积岩、熔岩、火山碎屑岩, 指示此火山韵律为反韵律, 火山活动由弱到强变化, 按沉积岩或火山沉积岩-熔岩-火山碎屑岩的划分原则可以划分出7个韵律(表6), 第Ⅰ 韵律(1~5层)为完整的间歇期-宁静溢流-爆发韵律, 火山活动稳定, 第Ⅱ 韵律(6~9层)、第Ⅲ 韵律(10~11层)、第Ⅳ 韵律(12~14层)均为宁静溢流-爆发韵律, 火山活动较连续, 第Ⅴ 韵律(15层)仅为短暂溢流, 之后第Ⅵ 韵律(16~19层)、第Ⅶ 韵律(20~28层)为间歇期-溢流韵律, 显示火山活动较弱。因此该时期火山活动总体爆发强度较弱, 以宁静溢流为主, 至少经历了7次由弱至强的喷发过程。
白音高老期火山喷发旋回的火山产物为白音高老组火山岩, 出露于研究区的西南部至一○六七高地附近, 火山活动强烈。
白音高老期火山喷发旋回一般由3~5个火山喷发韵律组成。以芒给尔特乌拉处破火山口的南东翼为例, 岩石类型为火山(熔结)碎屑岩、熔岩、沉积岩交替出现, 按火山碎屑岩或熔结碎屑岩-熔岩-沉积岩的周期划分为5个韵律(表7), 第Ⅰ 韵律(1层)短暂溢流相流纹岩, 第Ⅱ 韵律(2~12层)为爆发相-溢流相韵律, 火山活动连续, 第Ⅲ 韵律(13~19层)为爆发相-沉积相变化, 指示此时动荡的火山活动特征, 第Ⅳ 韵律(20~39层)和第Ⅴ 韵律(40~52层)均为爆发相-溢流相变化韵律, 火山活动进入稳定期, 最终以潜火山岩为侵入标志结束了火山活动, 说明该地区火山至少经历了5次由强至弱的喷发过程。
在早白垩世早期大规模的火山活动之后, 研究区又发生了短暂的火山活动, 火山活动主要沿早期火山通道溢流形成梅勒图组安山岩, 地貌多为正地形或高耸山脊坡, 远观以似帽状产出, 产状比较平缓。
该旋回的喷发韵律特征以梅勒图山处的破火山南东翼为例, 主要为熔岩、火山碎屑岩交替沉积的岩石类型, 按火山碎屑岩-熔岩的周期进行划分, 共划分出4个韵律(表8): 第Ⅰ 韵律(1~14层)、第Ⅱ 韵律(15~22层)、第Ⅲ 韵律(23~24层)和第Ⅳ 韵律(25~30层)均为短暂爆发后进入长时间的宁静溢流期, 火山活动较弱, 其中第Ⅳ 韵律爆发与溢流中间经历了短暂间歇期, 说明该地区火山至少经历了4次由强至弱的喷发过程, 爆发指数较低, 以溢流相熔岩为主。
大兴安岭地区火山岩具有独特的地理位置和复杂的构造演化历史, 火山活动具有较复杂的穿时性[14, 33, 42], 同一套地层在不同地区的形成年龄往往存在区别。火山喷发旋回的划分不能简单按照构造-岩浆旋回或地层沉积旋回的划分方案, 应反映出不同火山活动时期的火山构造特征和火山喷发产物特征。近年来, 随着基础地质调查的不断开展及同位素测年的应用, 大兴安岭地区组级地层单位的划分已趋于一致, 因此大致按火山地层的组级单位划分相应旋回, 有利于不同地区之间的火山喷发旋回对比, 可以反映不同火山喷发旋回内火山岩性组合、岩石系列、岩相建造、火山活动及火山构造等特征。
根据上述火山喷发旋回划分方案, 对不同旋回的喷发旋律进行研究, 发现本区火山喷发旋回具有以下特征。
(1)中侏罗世表现为酸性火山喷发及少量中性熔岩的平静溢流; 晚侏罗世表现为酸性火山碎屑岩的强烈爆发, 并伴随有少量中酸性火山熔岩溢出; 早白垩世早期早阶段表现为酸性火山碎屑岩的强烈爆发作用, 早期晚阶段表现为中基性火山熔岩的平静溢流和短时间火山间歇期沉积。火山岩性总体呈3个酸性-中(基)性周期变化。
(2)各旋回火山活动方式均为中心式, 火山机构平面为圆形、椭圆形及不规则状, 长轴多呈NE向、NNE向或多向性。
(3)火山地层产状受火山机构影响, 围绕火山口周围外倾或内倾, 但宏观上喷发物总体沿NE向带状展布。新民期和塔木兰沟期的火山产物相伴产出, 分布较局限, 火山机构具有继承性; 满克头鄂博期和玛尼吐期的火山产物产于大兴安岭主脊两侧; 白音高老期的火山产物主要沿主脊分布, 地势一般较高; 梅勒图期火山活动一般为继承性火口, 喷发物较少, 呈似帽状产出于山顶。
(4)喷发产物以酸性火山岩为主的火山喷发旋回爆发相较多, 火山活动强烈, 近火口的火山岩粒度较大, 远离火口粒度逐渐变小, 而以中性火山岩为主的火山喷发旋回以溢流相为主, 夹短暂火山间歇期沉积, 火山活动一般较弱。
(5)同一火山喷发旋回、不同火山机构的产物规模(即地层厚度)不等, 但火山韵律、岩性和岩相特征及其反映出的火山活动特征具有可比性。
(1)霍林河地区中生代火山岩发育, 火山岩岩性较为齐全, 可分为普通火山碎屑岩、熔结火山碎屑岩、熔岩、沉积火山碎屑岩和火山碎屑沉积岩、潜火山岩共6类。
(2)霍林河地区中生代火山岩岩相类型有爆发相、火山碎屑流相、火山爆发崩塌相、火山喷发沉积相、溢流相、火山颈相、侵出相及潜火山岩相共8类。
(3)霍林河地区中生代火山岩可划分为新民期、塔木兰沟期、满克头鄂博期、玛尼吐期、白音高老期、梅勒图期共6个火山喷发旋回, 分别对应6个组级火山岩地层单元, 不同火山喷发旋回具不同的韵律特征。
(责任编辑: 魏昊明)