曾普勝, 丘順?lè)? 李睿哲, 劉斯文, 王十安, 趙九江

1)自然資源部生態(tài)地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心, 北京 100037;2)黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院, 黑龍江哈爾濱 150036; 3)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京), 北京 100083

五大連池火山群是我國(guó)著名的第四紀(jì)火山群。多年來(lái), 不少研究單位和個(gè)人先后對(duì)其進(jìn)行了研究,積累了大量資料, 取得了豐碩的成果(Li et al., 2016;Rasskazov et al., 2016; Li et al., 2020)。但是, 至今在第四系巖石地層劃分和命名及其時(shí)代歸屬等方面,仍未取得較統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。近年來(lái), 作者在20世紀(jì)末五大連池火山群 1:5萬(wàn)區(qū)調(diào)四幅聯(lián)測(cè)工作基礎(chǔ)上,對(duì)該火山群的巖石地層進(jìn)行了較為深入的研究, 認(rèn)識(shí)到第四系火山地層也屬于水平巖層, 它的劃分與對(duì)比必須是在查明每座火山噴發(fā)過(guò)程基礎(chǔ)上, 輔以同位素年齡資料佐證, 再依據(jù)火山巖層間的沉積夾層對(duì)比, 確定各火山的噴發(fā)時(shí)代。

最早對(duì)五大連池火山巖研究的是20世紀(jì)30年代的日本人小倉(cāng)勉(1936), 將其兩分為新期(晚全新世)石龍熔巖和舊期(晚更新世)玄武巖。以后各家劃分基本參照此進(jìn)行。20世紀(jì)黑龍江省區(qū)測(cè)一隊(duì)(1978)在開(kāi)展1:20萬(wàn)龍鎮(zhèn)公社幅區(qū)測(cè)時(shí), 主要依據(jù)火山巖層間的沉積夾層對(duì)比, 將五大連池火山巖自下而上劃分為焦得布山(中更新世早期)、筆架山(中更新世晚期)和老黑山(晚全新世)等 3個(gè)玄武巖組(佟志芳,1978), 徐衍強(qiáng)和劉振環(huán)(1979)也進(jìn)行了類似的劃分。胡世玲(1984)只劃分為五大連池玄武巖組和老黑山玄武巖組。王承祺(1987)對(duì)科洛—五大連池火山巖帶進(jìn)行專題研究時(shí), 主要依據(jù) K-Ar同位素年齡資料, 將其自下而上分為雙泉(1.0—0.9 Ma)、焦得布山(0.90—0.80 Ma)、龍門山(0.65—0.50 Ma)、臥虎山(0.45—0.40 Ma)、影背山(0.40—0.30 Ma)、筆架山(0.30—0.25 Ma)、老黑山(距今265 a)等7個(gè)噴發(fā)亞期; 在 30屆國(guó)際地質(zhì)大會(huì)五大連池火山地質(zhì)旅行路線指南中, 也主要依據(jù)K-Ar同位素年齡資料, 將其自下而上分為格拉球山(2.076 Ma)、臥虎山(1.053—1.416 Ma)、焦得布山(0.88—0.70 Ma)、尾山(0.57—0.4 Ma)、筆架山(0.34—0.28 Ma)、西龍門山(0.19—0.17 Ma)和老黑山(1721—1719 a)等 7期火山熔巖(Wang, 1996)。李齊等(1999)在“五大連池地區(qū)火山巖年代學(xué)研究”一文中, 利用新采集K-Ar的同位素年齡資料, 將其自下而上劃分為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個(gè)時(shí)段玄武巖。丘順?lè)?2003)在1: 5萬(wàn)五大連池農(nóng)場(chǎng)四幅連測(cè)報(bào)告中, 主要依據(jù)火山巖層間的沉積夾層對(duì)比, 輔以同位素年齡資料佐證手段, 將其自下而上分為格拉球山(2.706—2.101 Ma)、焦得布(1.33—0.80 Ma)、尾山(0.57—0.317 Ma)、筆架山(0.25—0.145 Ma)和老黑山(距今284—228 a)等5期玄武巖。

勿庸質(zhì)疑, 前人的每一次研究都使得五大連池火山巖石地層的劃分在向著正確的方向邁進(jìn), 特別是李齊等(1999)、Wang(1996)的劃分。然而, 這種劃分主要是依據(jù)同位素年齡資料進(jìn)行的, 缺少巖石地層方面的佐證資料。本文從野外調(diào)查的巖石學(xué)資料, 結(jié)合年代學(xué)數(shù)據(jù), 探討中國(guó)最新的火山巖的噴發(fā)層序及其生態(tài)環(huán)境意義, 為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)。

1 地質(zhì)背景

五大連池火山巖帶位于汾渭地塹—大興安嶺新生代火山巖裂谷帶的北東端, 與鏡泊湖—科洛火山巖帶交匯處(圖1a)(白志達(dá)等, 2012), 屬于北東向火山巖帶最年輕的火山巖。

五大連池火山群位于黑龍江省中部, 屬德都縣所轄。地理坐標(biāo)為東經(jīng) 126°00′—126°20′, 北緯38°34′—38°48′。區(qū)內(nèi)丘陵起伏, 丘陵之上聳立著十四座火山(圖1b), 即: 尾山、莫拉布山、東龍門山、西龍門山、影背山(小孤山)、東焦得布山、西焦得布山、南格拉球山、北格拉球山、臥虎山、筆架山、藥泉山、老黑山和火燒山, 分布面積達(dá)八百余km2。自中更新世以來(lái), 火山多次爆發(fā), 最新的火山噴發(fā)發(fā)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)間, 清朝大臣吳振臣1721年所著的《寧古塔紀(jì)略》記載了火山的噴發(fā)景觀: “離城(都德)五十里有水蕩, 周圍三十里,于康熙五十九年六、七月間, 忽煙火朝天, 其聲如雷, 晝夜不絕, 聲聞五、六十里, 其飛出者, 皆黑石硫磺之類, 經(jīng)年不斷, 竟成一山, 兼像城廓, 熱氣逼人三十余里, 只可登而遠(yuǎn)望”, 這就形成了老黑山、火燒山兩座火山。這種早期的記錄對(duì)于理解火山爆發(fā)的過(guò)程和確切的噴發(fā)時(shí)間, 意義重大。

老黑山和火燒山噴發(fā)熔巖流從北往南流并占據(jù)白河故道及其附近低洼沼澤, 形成五個(gè)相互串通的火山堰塞湖, 這便是“五大連池”——相互連通的一池、二池、三池、四池和五池(圖1b)。

圖1 東北五大連池區(qū)域構(gòu)造(a, 據(jù)白志達(dá)等, 2012修改)和火山群地質(zhì)圖(b, 據(jù)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)

長(zhǎng)期以來(lái), 五大連池第四系巖石地層, 尤其是五大連池火山巖石地層的劃分, 前人眾說(shuō)紛紜。他們主要采用兩種劃分方法, 一種主要依據(jù) K-Ar同位素年齡資料, 一種主要依據(jù)火山巖層間的沉積夾層對(duì)比?，F(xiàn)就五大連池火山巖石地層的劃分情況概括如表1和表2。

表1 五大連池第四紀(jì)巖石地層劃分沿革表Table 1 Division and evolution of Quaternary rock strata in Wudalianchi area

表2 五大連池火山巖K-Ar同位素年齡一覽表Table 2 K-Ar dating data of the Wudalianchi volcanic rocks

2 五大連池第四紀(jì)火山巖層序劃分

2.1 巖石地層劃分原則

火山巖區(qū)地層比較復(fù)雜, 有的以火山巖為主,有的以沉積巖為主, 可統(tǒng)稱為火山-沉積巖系。在以火山巖為主的火山巖區(qū), 巖石地層的劃分應(yīng)以火山活動(dòng)及其噴發(fā)層序本身的特點(diǎn)作為重要依據(jù)。在火山巖和沉積巖均較發(fā)育的地區(qū), 還應(yīng)將火山作用和沉積作用結(jié)合起來(lái)考慮巖石地層的劃分(巫建華,1999)。

上述兩條劃分原則決定了五大連池第四系巖石地層如下的具體劃分原則:

(1)五大連池既屬于以火山巖為主的火山巖區(qū),又屬于火山巖和沉積巖均較發(fā)育的地區(qū)(火山巖約占第四系面積的 40.39%)。該區(qū)巖石地層的劃分除應(yīng)以火山活動(dòng)及其噴發(fā)層序本身的特點(diǎn)作為重要依據(jù)外, 還應(yīng)將火山作用和沉積作用結(jié)合起來(lái)考慮巖石地層的劃分, 即火山噴發(fā)只不過(guò)是松嫩盆地連續(xù)沉積過(guò)程中的短暫的幕式火山活動(dòng), 正常沉積應(yīng)劃分到組。而火山噴發(fā)考慮到其重要性, 理應(yīng)劃分到組, 但因其時(shí)空間的短暫, 只賦予其組級(jí)單位含義,不賦予組名。

(2)五大連池火山位于松嫩盆地北緣, 沉積地層的劃分理應(yīng)采用哈爾濱地層分區(qū)巖石地層單位。

(3)五大連池第四紀(jì)火山屬于水平巖層, 鉆孔層序資料表明除南格拉球山與北格拉球山、尾山、莫拉布山熔巖臺(tái)地上只存在有一層玄武巖外, 其余各座火山熔巖臺(tái)地上均存在有兩層玄武巖。因此, 五大連池地區(qū)第四系火山地層的劃分與對(duì)比必須是在地表巖石層序與鉆孔巖石層序劃分對(duì)比的基礎(chǔ)上,結(jié)合火山巖同位素地質(zhì)年齡值進(jìn)行。因此, 五大連池地區(qū)已有資料的95個(gè)鉆孔和12 543.36 m的總進(jìn)尺,達(dá)到平均每個(gè)1:5萬(wàn)幅有23.75個(gè)鉆孔和134.87 m/孔的深部層位控制密度, 充分保證了此項(xiàng)工作的開(kāi)展。

(4)火山巖區(qū)的火山巖石地層比較復(fù)雜, 應(yīng)在查明各火山的火山地層、噴發(fā)韻律、噴發(fā)旋回、火山巖相、噴發(fā)過(guò)程和噴發(fā)時(shí)代特征的基礎(chǔ)上, 才能切實(shí)進(jìn)行火山巖石地層的劃分與對(duì)比。五大連池火山群新期火山裸露, 調(diào)查比較容易。舊期火山除了錐體半裸露, 熔巖臺(tái)地幾乎全掩蓋。因此, 在1:5萬(wàn)五大連池區(qū)調(diào)工作中, 重點(diǎn)采用十字形剖面解剖每一座火山錐體, 同時(shí)重點(diǎn)對(duì)新期火山熔巖臺(tái)地上的熔巖溢流現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)查, 又施以ZK3-24等22個(gè)淺鉆,還在老黑山和小孤山近錐腳臺(tái)地上施以 ZK1和ZK2這2個(gè)深鉆, 鉆孔總進(jìn)尺423.52 m, 才得以基本上完成此項(xiàng)工作。

(5)五大連池各期火山從老至新, 噴發(fā)量由少到多、再由多到少的規(guī)律, 反映了本區(qū)火山活動(dòng)由弱到強(qiáng)、再由強(qiáng)到弱的演化特點(diǎn)。

(6)五大連池地表各期火山均存在復(fù)式錐, 經(jīng)1:5萬(wàn)區(qū)調(diào)工作后表明各期火山復(fù)式錐中的單錐均為同時(shí)噴發(fā), 但噴發(fā)結(jié)束是有先后的, 從而證實(shí)各期火山復(fù)式錐中的單錐均為同期噴發(fā)產(chǎn)物。

2.2 巖石地層劃分方案

按上述劃分原則, 結(jié)合2003年獲得的10個(gè)玄武巖 K-Ar同位素年齡值, 使五大連池第四紀(jì)巖石地層劃分對(duì)比的依據(jù)更為充分。方案需要考慮以下幾點(diǎn):

(1)經(jīng) 1:5萬(wàn)區(qū)調(diào)后期研究, 區(qū)內(nèi)及外圍鉆孔資料顯示無(wú)有下更新統(tǒng)猞猁組和東深井組沉積。原在尾山農(nóng)場(chǎng)六隊(duì)一帶垅崗地貌的低洼處和崗坡處沉積的一套花崗巖原地風(fēng)化殘坡積砂礫石劃歸的“猞猁組”具鐵質(zhì)膠結(jié)成巖沉積特征(丘順?lè)? 2003), 可與五大連池火山北側(cè)大面積下—中更新統(tǒng)下荒山組對(duì)比。

(2)1:5萬(wàn)區(qū)調(diào)在火山巖組間劃分的沉積巖組大致與前人的劃分相同, 考慮到五大連池火山-沉積盆地內(nèi)幕式火山短暫噴發(fā), 并為正常沉積巖組所夾特點(diǎn), 本文將 1:5萬(wàn)區(qū)調(diào)報(bào)告中的夾早更新世晚期“焦得布玄武巖”(1.33 Ma)的下荒山組下、上段(丘順?lè)? 2003), 分別修改為下荒山組和上荒山組。西鄰 1:20萬(wàn)區(qū)調(diào)嫩江縣幅荒山組沉積中心在榮軍農(nóng)場(chǎng)五隊(duì)—雙山農(nóng)場(chǎng)呈北北東向帶狀連續(xù)沉積資料也證實(shí)這一點(diǎn)(丘順?lè)? 2003)。前人所劃分的“下荒山組”(1.2—0.6 Ma, 鄭慶道, 1991)和“上荒山組”(0.5—0.24 Ma, 鄭慶道, 1991)雖不符合地層命名原則, 在未有新的命名之前, 仍予沿用。

(3)格球山農(nóng)場(chǎng)四連點(diǎn)處(舊址)的格拉球山北臺(tái)地玄武巖K-Ar同位素年齡值(2.101±0.063) Ma、(2.076±0.054) Ma(丘順?lè)? 2003), 經(jīng)新獲得的K-Ar同位素年齡值(0.472±0.021) Ma(丘順?lè)?2003)、(0.398±0.015) Ma(丘順?lè)? 2003), 另南格拉球山錐體與莫拉布山復(fù)式錐西錐體內(nèi)均有積水沼澤, 又南、北格拉球山熔巖順古地形北流26 km達(dá)東風(fēng)水庫(kù)(丘順?lè)? 2003), 與尾山期錐體剝蝕程度和巖流噴發(fā)規(guī)模大的特點(diǎn)相同看, 應(yīng)為中更新世早期尾山期(0.62—0.285 Ma)產(chǎn)物。因此, 1:5萬(wàn)區(qū)調(diào)劃分的早更新世早期“格拉球山玄武巖”理應(yīng)廢棄。而原位于格球山農(nóng)場(chǎng)四連點(diǎn)處(舊址)玄武巖之下的“猞猁組”(N26孔)(丘順?lè)? 2003)應(yīng)改為下—中更新統(tǒng)下荒山組。原位于訥謨爾河谷岸上白堊統(tǒng)嫩江組之上、中—上更新統(tǒng)哈爾濱組之下(ZK7、ZK5孔)和位于訥漠爾河谷北岸焦盾臺(tái)地之下的下更新統(tǒng)“猞猁組”、“東深井組”(De16、De18孔)(丘順?lè)? 2003), 應(yīng)分別改為下—中更新統(tǒng)下荒山組和上荒山組, 即構(gòu)成隱伏的訥謨爾河谷Ⅱ級(jí)階地。

(4)東焦得布山東南 W17孔中被下—中更新統(tǒng)下荒山組和上荒山組所夾的下層玄武巖, 與在臥虎山西北W1孔中覆蓋在上白堊統(tǒng)嫩江組砂泥巖之上的下層玄武巖為同一層位。五大連池鉆孔資料表明,該下層玄武巖分布零星, 與五大連池火山西側(cè)蓮花山玄武巖分布特點(diǎn)大致相同。蓮花山玄武巖 K-Ar同位素年齡值1.214～1.113 Ma(李齊等, 1999), 表明早更新世中期“焦得布玄武巖”的存在, 符合該初始期火山噴發(fā)規(guī)模小的特征。

(5)小孤山火山錐體覆蓋程度較厚, 與尾山、西焦得布山與東焦得布山的火山錐體覆蓋程度相似,完全不同于西龍門山與東龍門山錐體覆蓋程度。航片解譯資料證實(shí)西龍門山與東龍門山巖流繞過(guò)小孤山火山錐體南下而去。小孤山火山口內(nèi)壁玄武質(zhì)浮巖礫塊K-Ar同位素年齡值((0.470±0.026) Ma, 丘順?lè)? 2003 )比西龍門山與東龍門山熔巖K-Ar同位素年齡值((0.132±0.006) Ma, 丘順?lè)? 2003)也說(shuō)明了這一點(diǎn)。

(6)西龍門山與東龍門山盾狀熔巖臺(tái)地東緣玄武巖K-Ar同位素年齡值(0.132±0.006) Ma, 表明與該兩座火山同為中更新世晚期筆架山玄武巖(0.25—0.132 Ma)。該期玄武巖以盾丘和復(fù)式錐發(fā)育、錐體與熔巖臺(tái)地剝蝕程度較低為特征, 明顯區(qū)別于其它各期玄武巖。筆架山同樣具有這個(gè)特征。東焦得布山東南ZK24孔玄武巖K-Ar同位素年齡值(0.209±0.010) Ma顯示為西龍門山與東龍門山盾狀熔巖向南圍繞西焦得布山與東焦得布山臺(tái)地南緣,沿訥謨爾河谷北側(cè)流淌。

(7)三池東岸邊(東焦得布山臺(tái)地)ZK17證實(shí)尾山玄武巖之上的中—上更新統(tǒng)哈爾濱組的熱釋光年齡值為(0.01775±0.0014) Ma(丘順?lè)?2003)(表 3)。

表3 14C測(cè)年結(jié)果表Table 3 14C dating results

本次補(bǔ)充完成的 K-Ar同位素測(cè)年由國(guó)家地震局地質(zhì)研究所李大明完成, 使用儀器: MM5400靜態(tài)真空質(zhì)譜計(jì); 測(cè)試條件: 樣品在 1500℃左右熔化的同時(shí), 加入準(zhǔn)確定量的38Ar稀釋劑, 測(cè)定混合稀釋劑后的同位素比值(40Ar/38Ar)m和(38Ar/36Ar)m, 求出樣品的放射性成因40Ar, 再根據(jù)樣品的鉀含量計(jì)算年齡。常數(shù): λe=0.581×10-10/年; λβ=4.962×10-10/年;40K/K=1.167×10-4。參見(jiàn)李齊等(1999)。

炭質(zhì)黏土14C測(cè)年由中科院長(zhǎng)春分院地理所王超英、李崇玲完成。方法參見(jiàn)仇世華和蔡蓮珍(1997)。

(8)老黑山南 ZK1孔證實(shí)老黑山玄武巖之下為上更新統(tǒng)顧?quán)l(xiāng)屯組(0.0601—0.0144 Ma)黃褐色砂礫石(丘順?lè)? 2003)。其砂的熱釋光年齡值為(0.0601±0.004) Ma(丘順?lè)? 2003)。這個(gè)現(xiàn)像表明此處原為隱伏的“烏德鄰河”(陳洪洲等, 1999)Ⅰ級(jí)階地。1:5萬(wàn)區(qū)調(diào)還證實(shí)老黑山新、舊錐噴發(fā)物間沒(méi)有沉積間斷(丘順?lè)? 2003)。滿文史料記載老黑山玄武巖于 1720—1721年(陳洪洲等, 1999)和1776年(陳洪洲等, 2004)兩次噴發(fā)。老黑山舊北錐體火口緣相的磚紅色火山集塊巖中砂泥巖捕虜體熱釋光結(jié)果為距今(273±19) a B.P(計(jì)鳳桔和李齊, 1998),即1721年前后噴發(fā)時(shí)限。另從該期錐體與熔巖臺(tái)地絕大部分裸露, 地貌景觀保存完好看, 也不應(yīng)存在0.09 Ma噴發(fā)活動(dòng)(圖2a)。

2.3 五大連池火山巖地層層序

五大連池地表火山巖的面積為 851.15 km2(去掉盾狀臺(tái)地表皮上的沉積覆蓋層后), 其巖石地層單位由下而上劃分為 8個(gè)巖石地層單位, 即: (1)下—中更新統(tǒng)下荒山組(Q1-2x)、(2)下更新統(tǒng)焦得布玄武巖(βQ1j)、(3)下—中更新統(tǒng)上荒山組(Q1-2s)、(4)中更新統(tǒng)尾山玄武巖(βQ2w)、(5)中—上更新統(tǒng)哈爾濱組(Q2-3h)、(6)中—上更新統(tǒng)筆架山玄武巖(βQ2-3b)、(7)上更新統(tǒng)顧?quán)l(xiāng)屯組(Q3g)、(8)全新統(tǒng)老黑山玄武巖(βQhl)。具體如下:

(1)下—中更新統(tǒng)下荒山組(Q1-2x)

該組為調(diào)查區(qū)最早的第四系沉積物, 地表未出露, 主要隱伏于訥謨爾河北岸熔巖臺(tái)地之下, 其次隱伏于訥謨爾河南Ⅱ級(jí)階地之下, 東焦得布山東南W17鉆孔剖面可以代表前者層序, 厚度10.08 m(圖2b)。

圖2 五大連池火山的構(gòu)造格架(a)及鉆孔柱狀對(duì)比圖(b)Fig.2 Structural framework (a) and borehole column comparison (b) of Wudalianchi Volcanoes

據(jù)其下伏地層為上白堊統(tǒng)嫩江組、上覆地層為下—中更新統(tǒng)上荒山組, 中間夾有下更新統(tǒng)焦得布玄武巖, 下段為河流相沉積、上段為湖相沉積, 含鐵錳質(zhì)結(jié)核或條帶和具鈣質(zhì)淋濾斑點(diǎn), 頂部古土壤表層發(fā)育凍融褶皺特征與比較偏冷濕與偏冷干的氣侯環(huán)境下的樺林-草原植被景觀, 大致與構(gòu)成松嫩盆緣山前部位的下—中更新統(tǒng)下荒山組(Q1-2x)層位基本相當(dāng), 形成時(shí)限應(yīng)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。五大連池鉆孔資料中反映出的下荒山組在臥虎山一帶缺失現(xiàn)象, 證實(shí)臥虎山一帶為古隆起。

(2)下更新統(tǒng)焦得布玄武巖(βQ1j)

該玄武巖僅零星出露于五大連池西側(cè)的蓮花山。在五大連池, 則零散見(jiàn)于臥虎山、東焦得布山和西焦得布山下幾個(gè)鉆孔內(nèi)的下層玄武巖中。臥虎山北側(cè) W1鉆孔剖面可以代表該層序, 厚度61.00 m(圖2b):

該孔玄武巖當(dāng)中夾有 6層火山砂, 最厚一層火山砂厚度 3.71 m, 表明距離當(dāng)時(shí)噴發(fā)的火山口不遠(yuǎn)。在東焦得布山東南側(cè)W17鉆孔剖面上, 該玄武巖厚度為26.87 m。

該下層玄武巖, 前人未有 K-Ar同位素地質(zhì)年齡值資料控制。但是從 W1孔上層玄武巖 K-Ar同位素地質(zhì)年齡值為(0.415±0.048) Ma, 和從與 W17孔上層玄武巖同層位的東焦得布山和西焦得布山流至三池子?xùn)|岸玄武巖臺(tái)地邊緣ZK17孔K-Ar同位素地質(zhì)年齡值為(0.318±0.008) Ma(表 1)看, 均顯示為中更新統(tǒng)尾山玄武巖。又從該玄武巖零星出露于五大連池和蓮花山, 不具有面狀噴發(fā)特點(diǎn), 符合五大連池火山初始噴發(fā)能量少和弱的規(guī)律。所以, 依據(jù)蓮花山玄武巖 K-Ar同位素地質(zhì)年齡值為1.214～1.113 Ma(表 1), 該兩孔的下層玄武巖沿用1:20萬(wàn)龍鎮(zhèn)公社幅區(qū)調(diào)命名在先原則, 確定為下更新統(tǒng)焦得布玄武巖。

(3)下—中更新統(tǒng)上荒山組(Q1-2s)

該組在五大連池火山群內(nèi)為隱伏地層, 位于東焦得布山東南側(cè) W17鉆孔下更新統(tǒng)焦得布玄武巖之上(圖2b)。據(jù)位于訥謨爾河南Ⅱ級(jí)階地表層的建設(shè)鄉(xiāng)東溢洪道 2995點(diǎn)剖面和二龍山農(nóng)場(chǎng)一分場(chǎng)ZK7號(hào)鉆孔剖面孢粉資料顯示, 該組第6層仍以草本花粉占優(yōu)勢(shì), 但較下荒山組有所減少, 木本植物花粉較下荒山組有所增加。草本植物花粉以蒿屬占絕對(duì)優(yōu)勢(shì), 蘆葦屬、苔屬花粉很少, 顯示比較干旱的氣侯環(huán)境。木本植物花粉以樺屬、鵝耳櫪屬為主,說(shuō)明氣溫偏冷。第7層草本植物花粉稍多于木本植物花粉, 草本植物花粉以蒿屬花粉為主, 苔屬和蘆葦屬較少, 仍是較干的氣候環(huán)境。木本植物花粉以闊葉樺、鵝耳櫪屬花粉為主, 顯示比較偏冷干的氣侯環(huán)境。這種差別可能仍然反映為區(qū)東南側(cè)森林較多, 而區(qū)西南側(cè)草原較多的緣故。

據(jù)其下伏地層為下—中更新統(tǒng)下荒山組、上覆地層為中更新統(tǒng)尾山玄武巖、湖相沉積, 含鐵錳質(zhì)結(jié)核或條帶、具鈣質(zhì)淋濾斑點(diǎn)和凍融褶皺不發(fā)育特征與比較偏溫涼的氣侯環(huán)境下的樺林-草原植被景觀, 該組與構(gòu)成松嫩平原盆緣山前部位的下—中更新統(tǒng)上荒山組層位相當(dāng), 時(shí)代為中更新世中期, 即0.80—0.60 Ma。

(4)中更新統(tǒng)尾山玄武巖(βQ2w)

該玄武巖出露于北格拉球山、南格拉球山、臥虎山、西焦得布山、東焦得布山、小孤山、莫拉布山和尾山。其次作為筆架山、西龍門山、東龍門山熔巖臺(tái)地下隱伏的下層玄武巖, 地表出露面積為530 km2, 是五大連池火山爆發(fā)最強(qiáng)烈、溢流范圍和堆積厚度最大一期的玄武巖。小孤山南ZK2孔下層玄武巖剖面可以代表該層序, 厚度為 77.77 m(圖2b):

第7層玄武巖K-Ar同位素年齡值為(0.285±0.015) Ma,與臥虎山西北 W1孔上層玄武巖 K-Ar同位素年齡值(0.415±0.048) Ma相當(dāng), 也與東焦得布山和西焦得布山流至三池子玄武巖臺(tái)地邊緣 ZK17孔 K-Ar同位素地質(zhì)年齡值為(0.318±0.0008) Ma(表1)相當(dāng)。其次, 尾山錐體的 K-Ar全巖同位素地質(zhì)年齡值(0.51±0.02) Ma 和(0.52±0.14) Ma, 莫拉布山北西熔巖臺(tái)地K-Ar全巖同位素地質(zhì)年齡值(0.57±0.05) Ma。再者, 北格拉球山北臺(tái)地 K-Ar同位素年齡值分別為(0.472±0.021) Ma、(0.398±0.015) Ma(表 3, 表 4)也屬于該層位。所以依據(jù)該層玄武巖的下伏地層為下—中更新統(tǒng)上荒山組(Q1-2x)黃褐色亞黏土, 上覆地層為中—上更新統(tǒng)哈爾濱組(Q2-3h)黃褐色亞黏土,分布又最為廣泛, 有必要將其劃分出來(lái), 又該玄武巖以尾山最為典型, 將其歸為中更新世中期0.57—0.285 Ma。位于尾山西側(cè)的 De9孔, 和東焦得布山東側(cè)的W17孔也很具代表性(圖2a)。

表4 熱釋光測(cè)年結(jié)果表Table 4 Thermoluminescence dating results

(5)中—上更新統(tǒng)哈爾濱組(Q2-3h)

該組主要出露于五大連池舊期火山的熔巖臺(tái)地上, 為黃色亞黏土, 厚度一般為＜3～5 m。其次,在溝谷低洼地段充填湖沼相沉積的淤泥質(zhì)亞黏土,最大厚度為14 m。小孤山南ZK2孔可以作為代表性剖面, 厚度5.10 m(圖2b)。其中所夾的17-18層為中更新統(tǒng)筆架山玄武巖(βQ2b)。在藥泉山東翻花泉附近W38孔西約200 m處的該層位2.5 m深處,采到蒙古原始野馬牙齒化石(經(jīng)魏正一初步鑒定)。三池子?xùn)|岸玄武巖臺(tái)地邊緣ZK17鉆孔剖面可以代表后者層序(圖2b):

該剖面孢粉組合中第3層下、中部為Ⅰ帶, 木本花粉含量稍高, 以闊葉樹(shù)種樺屬、鵝耳櫪屬為主,針葉樹(shù)種花粉極少。草本植物以蒿屬、禾本科、苔屬為主。蕨類植物孢子很少, 是冷偏濕的氣侯環(huán)境。第3層上部、5、6、7、8層為Ⅱ帶, 木本花粉含量稍多, 以針葉樹(shù)種占絕對(duì)優(yōu)勢(shì), 闊葉樹(shù)種花粉較Ⅰ帶顯著減少; 草本植物以蒿屬花粉為主。其次是禾本科、毛茛科、十字花科、薔薇科。在第7層中, 水生植物香蒲屬、眼子菜屬花粉含量稍多, 說(shuō)明局部地段處于水下, 但大環(huán)境還是冷偏干的氣候環(huán)境。第9、10層為Ⅲ帶, 草本植物比木本植物含量高, 草本植物以禾本科、菖蒲屬、蒿屬花粉為主, 其次還有一些毛茛科、十字花科、薔薇科。木本植物以闊葉植物鵝耳櫪屬為主, 針葉樹(shù)種花粉很少, 是一種偏暖濕的氣侯環(huán)境。

東焦得布山東南 W17孔剖面可以代表前者層序, 厚度5.40 m(圖2b)。

ZK17第 4、7、10層熱釋光測(cè)年值分別為:(17.75±1.4)×104a、(14.37±1.12)×104a、(9.86±0.76)×104a(表 4)說(shuō)明該堆積層序形成時(shí)限為中更新世晚期—晚更新世早期。據(jù)其覆蓋在中更新統(tǒng)尾山玄武巖(βQ2w)之上, 其中又夾有中更新統(tǒng)筆架山玄武巖(βQ2b), 并以普遍以含鐵錳質(zhì)結(jié)核和小礫往上巖相穩(wěn)定為洪水漫覆相細(xì)碎屑沉積為特征, 與構(gòu)成松嫩盆地Ⅱ級(jí)階地和各類臺(tái)地上部表層的中—上更新統(tǒng)哈爾濱組(Q2-3h)相當(dāng), 即形成時(shí)限為0.24—0.07 Ma。

(6)中—上更新統(tǒng)筆架山玄武巖(βQ2-3b)

該玄武巖主要出露于筆架山、西龍門山、東龍門山、藥泉山, 面積253 km2。其次, 作為老黑山熔巖臺(tái)地下隱伏的下層玄武巖。筆架山北W9孔剖面可以代表前者層序, 厚度為 53.65 m, 層序如下(圖2b):

老黑山南 ZK1孔下層玄武巖剖面可以代表后者層序, 厚度5.71 m(圖2b)。

從該層玄武巖被夾于中—上更新統(tǒng)哈爾濱組(Q2-3h)中的現(xiàn)像, 說(shuō)明了其噴發(fā)期較為短暫, 依據(jù)筆架山盾狀臺(tái)地 K-Ar全巖同位素地質(zhì)年齡值分別為(0.145±0.015) Ma、(0.162±0.004) Ma, 西龍門山西錐腳熔巖 K-Ar全巖同位素地質(zhì)年齡值為(0.16±0.007) Ma、(0.132±0.006) Ma, 藥泉山翻花泉處與小孤山熔巖 K-Ar全巖同位素地質(zhì)年齡值分別為(0.25±0.002) Ma、(0.24±0.07) Ma, 老黑山南 ZK1孔下層玄武巖 K-Ar全巖同位素地質(zhì)年齡值為(0.090±0.007) Ma(表 1)。因此, 將該玄武巖確定為中更新世晚期和晚更新世早期, 即形成時(shí)限在0.24—0.09 Ma。

(7)上更新統(tǒng)顧?quán)l(xiāng)屯組(Q3g)

該組主要斷續(xù)分布于本區(qū)南部的訥謨爾河兩岸, 構(gòu)成河谷殘留Ⅰ級(jí)階地。其次, 作為石龍河的前身—隱伏的古“烏德鄰河”河谷殘留Ⅰ級(jí)階地。老黑山南 ZK1孔剖面可以代表后者該層序, 厚度1.74 m(圖2b), 層序如下:

可明顯地分為下、上兩部分, 1—3層為粗碎屑堆積, 厚度6.30 m, 4—9層為細(xì)碎屑堆積, 厚度5.20 m,表現(xiàn)出一個(gè)完整的正旋回韻律沉積。下部為河床相兼夾有牛軛湖相沉積, 上部為沖洪積邊灘沉積。孢粉組合中第3、5層為Ⅰ帶, 以草本花粉占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)為特征(＞80%); 木本植物花粉較少, 蕨類植物孢子更少。草本植物花粉以蒿屬高含量為特征, 其次是菖蒲屬、蘆葦屬, 其它如毛茛科、薔薇科、十字花科花粉也有一定含量。顯示涼偏干的氣侯環(huán)境。第6、7層為Ⅱ帶, 和Ⅰ帶相比, 草本植物花粉顯著減少, 相應(yīng)的木本植物花粉明顯增多。木本植物花粉比草本植物花粉百分含量稍多。草本植物花粉以蘆葦屬、蒿屬花粉為主; 木本植物花粉以闊葉鵝耳櫪為主, 針葉樹(shù)種花粉極少, 顯示暖濕的氣候環(huán)境。第 8層為Ⅲ帶, 和Ⅱ帶相比, 草本植物花粉又有所增加, 百分含量超過(guò)木本植物花粉。木本植物花粉主要由闊葉樹(shù)種花粉組成, 未見(jiàn)針葉樹(shù)種花粉。草本植物花粉以蒿屬花粉含量最多, 其次是菖蒲屬、蘆葦屬花粉。指示一種冷偏干的氣侯環(huán)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)的變化, 反映這種古氣候向涼干—暖濕—冷干交替的方向發(fā)展, 是以榛、菖蒲、嵩為主的疏林草原湖沼植被類型。其中第 1、3、7層熱釋光測(cè)年值分別為(4.53±0.38)×104a、(3.50±0.28)×104a、(1.54±0.12)×104a, 第6層14C 測(cè)年為(21 854 ± 637) a(表3)。ZK1孔第5層中砂的熱釋光測(cè)年值為(60 100 ± 4600) a(表4), 以及被晚全新世老黑山玄武巖(βQhl)噴發(fā)覆蓋關(guān)系(圖 2b—ZK1),說(shuō)明該堆積層序形成時(shí)限為晚更新世晚期, 并與松嫩盆地顧?quán)l(xiāng)屯組相當(dāng), 即形成時(shí)限在0.07—0.011 Ma。

(8)全新統(tǒng)老黑山玄武巖(βQhl)

該玄武巖出露于老黑山、火燒山, 面積約為68.15 km2, 可以老黑山南ZK1孔剖面為代表, 厚度41.78 m(圖2b)。據(jù)滿文史料記載(陳洪洲等, 1999),該玄武巖于 1720—1721年形成, 因此將其時(shí)代確定為全新世。具東、南、西、北不同方向溢出口及多次復(fù)合(圖3)。其中保留了至今仍屬相對(duì)新鮮的天然火山巖樣品。

圖3 五大連池五大連池老黑山、火燒山火山地質(zhì)圖與地幔橄欖巖包體觀察點(diǎn)分布圖(a)及老黑山(b)與火燒山(c)剖面圖(地質(zhì)圖和剖面圖據(jù)白志達(dá)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 火山巖層序的構(gòu)造與生態(tài)環(huán)境意義

3.1 地質(zhì)構(gòu)造意義

火山噴發(fā)受NW向和NNE向兩組斷裂控制, 形成由南西逐漸向北東遷移的火山群(圖 2a), 與區(qū)域上的大同—大興安嶺裂谷帶和松遼地塹的火山活動(dòng)趨勢(shì)(圖1a)一致(Basu et al., 1991; 白志達(dá)等, 2012;劉廣等, 2021), 并且位于大興安嶺地區(qū)與松遼地塹西北部的交匯部位, 展示出五大連池火山群是汾渭地塹-大興安嶺幔源火山活動(dòng)帶的最新前鋒的趨勢(shì),這對(duì)于理解華北板內(nèi)火山裂谷的深部運(yùn)移情況和地震預(yù)測(cè)具有極為重要的意義。

同時(shí), 該帶上巖石圈伸展減薄, 是富含揮發(fā)分的巖漿攜帶大量的地幔橄欖巖包體(圖 4), 是研究中國(guó)東部深部地幔的直接窗口(曾普勝等, 2021), 與西南部的漢諾壩一帶的玄武巖中的地幔包體開(kāi)展對(duì)比研究, 可以準(zhǔn)確了解從古近紀(jì)到現(xiàn)代“汾渭—大興安嶺地幔流體”流動(dòng)的性狀和巖石圈地幔的變化趨勢(shì), 這是中國(guó)東部深部探測(cè)的寶貴的天然實(shí)驗(yàn)室和理想場(chǎng)所。

圖4 五大連池老黑山北溢出口火山巖的噴發(fā)層序(a)及其攜帶橄欖石巨晶(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 生態(tài)環(huán)境意義

3.2.1 土壤及優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品意義

從長(zhǎng)白山、鏡泊湖、科洛等火山群的爆發(fā), 再到五大連池火山群的噴發(fā)堆積, 形成的一系列的新生代富鉀的堿性玄武巖堆積區(qū), 由于其含有豐富的微量元素(ΣREE)和鉀、磷等作物生長(zhǎng)的必要元素(表4), 其中鉀(5.25%～5.97%, 平均 5.55%)是中國(guó)玄武巖的(1.18%, 遲清華和鄢明才, 2007)的 4.7倍、磷(1.04%～1.09%, 平均 1.06%)是中國(guó)玄武巖的(0.343%, 遲清華和鄢明才, 2007)的 3.1倍, 其他微量元素也都顯著富集(表 5); 這些顯著富集的鉀、磷、微量元素是天然植被和農(nóng)作物生長(zhǎng)的最重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(王承祺, 1979; Basu et al., 1991)。其實(shí), 從鏡泊湖—長(zhǎng)白山—龍崗—千山一線的新生代富鉀磷火山巖, 與五大連池火山巖一樣, 對(duì)東北肥沃黑土地的形成皆有重要貢獻(xiàn), 是該區(qū)得以種植出優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的一個(gè)重要因素。深入研究火山巖中的主微量元素與土壤之間的營(yíng)養(yǎng)元素豐缺的關(guān)系對(duì)于農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)資料有支撐。

表5 五大連池富鉀堿性玄武巖主量成分Table 5 Composition of major elements of the potassium-rich alkaline basalts in Wudalianchi

3.2.2 生態(tài)多樣性

嫩江平原經(jīng)中—新生代的風(fēng)化剝蝕和夷平作用, 已形成平坦的地形, 其植被和生態(tài)多樣性相對(duì)簡(jiǎn)單, 然而, 經(jīng)過(guò)五大連池新生代的火山群的噴發(fā)活動(dòng), 使平地上升起的若干火山錐, 并伴有優(yōu)質(zhì)的地下水從火山口和相關(guān)裂隙中不斷涌出, 如火山群南部的藥泉山等地, 使得本區(qū)的植物-動(dòng)物群落豐富多樣, 參見(jiàn)前述巖石地層單位(1)—(8)的描述, 生態(tài)多樣性顯著增加且與非火山群地區(qū)的生物組合顯著差異, 成為天然的生物基因?qū)殠?kù)。

4 結(jié)論

根據(jù)野外填圖與觀測(cè), 結(jié)合巖石礦物成分及其化學(xué)成分的測(cè)試, 可得出以下結(jié)論。

(1)五大連池火山巖的地層層序可劃分為8個(gè)巖石地層單位, 由上到下(新到老)依次是:

⑧全新統(tǒng)老黑山玄武巖(βQhl), 玄武巖年齡為270 a BP;

⑦上更新統(tǒng)顧?quán)l(xiāng)屯組(Q3g)河湖相沉積和沖洪積邊灘沉積, 形成時(shí)限為0.07—0.011 Ma;

⑥中—上更新統(tǒng)筆架山玄武巖(βQ2-3b), 形成時(shí)限為0.16—0.07 Ma;

⑤中—上更新統(tǒng)哈爾濱組(Q2-3h): 為熔巖臺(tái)地上的黃色亞黏土和湖沼相沉積的淤泥質(zhì)亞黏土, 形成時(shí)限為0.17—0.09 Ma;

④中更新統(tǒng)尾山玄武巖(βQ2w): 是五大連池火山爆發(fā)最強(qiáng)烈、溢流范圍和堆積厚度最大一期的玄武巖, 形成時(shí)限為0.57—0.38 Ma;

③下—中更新統(tǒng)上荒山組(Q1-2s): 亞黏土, 時(shí)代為0.80—0.60 Ma;

②下更新統(tǒng)焦得布玄武巖(βQ1j): 玄武巖形成時(shí)代為1.214—1.113 Ma;

①下—中更新統(tǒng)下荒山組(Q1-2x): 河湖相沉積并含鐵錳質(zhì)結(jié)核或條帶, 頂部古土壤層, 形成時(shí)限為大于1.2 Ma。

(2)大連池火山群是汾渭地塹—大興安嶺幔源火山活動(dòng)帶的最新前鋒, 堿性玄武巖中攜帶大量的地幔橄欖巖等巨晶或包體, 是研究深部地幔流體活動(dòng)的理想場(chǎng)所。

(3)巖石地層單位劃分中觀察到的復(fù)雜的動(dòng)物-植物組合表明, 五大連池火山群鑄就的火山巖臺(tái)地、火山錐等平原隆起地形增加的本區(qū)動(dòng)物-植物群落的多樣性。

(4)五大連池富鉀磷等多種元素的堿性玄武巖對(duì)嫩江平原肥沃的黑土地形成有重要貢獻(xiàn)。

致謝: 野外工作得到五大連池風(fēng)景區(qū)自然資源局的大力支持, 特別是賀亮先生給予細(xì)致入微的幫助; 國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心研究生張婕參與了野外取樣工作, 在此表示感謝。特別感謝兩位審稿專家對(duì)論文提出的建設(shè)性的修改意見(jiàn)。

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).