遼西地區白堊紀地層序列與年代學框架

蘇 楠, 朱 光

遼西地區白堊紀地層序列與年代學框架

蘇 楠, 朱 光

(合肥工業大學 資源與環境工程學院, 安徽 合肥 230009)

華北克拉通北部的遼西地區, 白堊系發育與保存完整, 其地層序列與年代學框架是正確認識大地構造與陸地生物演化的基礎。綜合分析本次及前人鋯石U-Pb同位素定年結果, 遼西地區張家口組(K1)僅存在于其西部的凌源一帶, 東部朝陽一帶普遍缺失。遼西地區原先劃分的“大興莊組”或“大凌河組”中?酸性火山巖, 定年結果指示其為早白堊世, 應屬于義縣組(K1)的一部分。阜新堿鍋玄武巖介于下伏阜新組(K1)與上覆孫家灣組(K2)之間。遼西地區白堊紀地層序列與時限由老至新分別為土城子組(147～137 Ma)、張家口組(132～130 Ma, 東部缺失)、義縣組(130～120 Ma)、九佛堂組(120～115 Ma)、沙海組(115～110 Ma)、阜新組(110～106 Ma)、堿鍋玄武巖(106～97 Ma)和上白堊統孫家灣組(<97 Ma)。遼西地區土城子組與張家口組及阜新組與堿鍋玄武巖之間為角度不整合, 分別代表燕山運動B幕與C幕擠壓事件, 發生時間分別為137～136 Ma和～106 Ma。遼西地區早白堊世伸展與斷陷盆地發育時限為132～106 Ma, 其中熱河生物群持續時間為130～115 Ma。

白堊系; 地層序列; 同位素年齡; 演化時限; 遼西地區

0 引 言

遼西地區是華北克拉通北部白堊系發育與保存最完整的地區, 較全面地記錄了華北克拉通白堊紀時期的大地構造與早期生命的演化歷史, 長期以來一直是華北白堊紀研究的關鍵地區。眾所周知, 華北克拉通破壞峰期發生在早白堊世(朱日祥等, 2012)。遼西地區早白堊世盆地內完整的火山?沉積記錄為詳細認識克拉通峰期破壞的淺部過程提供了有利條件; 該地區也是燕山運動研究的發源地(Wong, 1927), 完好地保存著燕山運動所造成的角度不整合, 是深入認識燕山運動的重要地區。同時, 遼西地區下白堊統內還富含著名的熱河生物群化石, 是揭示熱河生物群演化的關鍵地區(季強等, 2004; 黃迪穎, 2015; 徐星等, 2019)。由此可見, 正確認識遼西地區完整的白堊系序列、地層對比及詳細的年代學框架, 具有十分重要的意義。

關于遼西地區白堊系地層學與年代學方面, 前人已開展過大量的研究工作, 建立了基本的地層序列與年代學格架; 但是在一些方面仍存在著不同的認識或不夠完善, 如多個巖石單元的時限仍然沒有很好的限定, 有待深入的研究。遼西地區下白堊統由下部的火山巖和上部的陸相碎屑巖組成。在遼西地區西部(凌源地區), 火山巖包括下部的張家口組(132～130 Ma; 張宏等, 2005b, 2005d)和上部的義縣組。然而, 在遼西地區東部(朝陽地區), 義縣組之下是否存在著張家口組火山巖長期存在不同的認識(楊雅軍等, 2005; 彭艷東等, 2012)。1∶20萬朝陽幅地質圖顯示張家口組缺失(遼寧省地質局區域地質測量隊, 1967); 而1∶25萬錦州市幅地質圖卻顯示存在張家口組(黃志安等, 2003), 但并沒有同位素年代學證據。除了下白堊統張家口組與義縣組火山巖外, 遼西地區還劃分出一套白堊紀中?酸性火山巖地層單元, 稱為大興莊組或大凌河組。關于這套火山巖的層位與時代, 存在著兩種不同的觀點。一種觀點認為它們覆蓋于孫家灣組之上, 為晚白堊世火山巖(楊欣德等, 1997; 邴志波等, 2003); 而另一種觀點主張它們是義縣組的一部分, 時代為早白堊世(徐德斌等, 2012)。遼西地區白堊系最上部為孫家灣組, 主體為一套紅色粗碎屑巖。關于孫家灣組的時代, 也一直存在不同觀點, 有早白堊世晚期與晚白堊世之說(王公肅, 1989; 董枝明, 2002; 萬曉樵等, 2013)。在遼西阜新盆地堿鍋(務歡池)還出露一套玄武巖, 直接與孫家灣組接觸。這套玄武巖曾被當作大興莊的一部分, 對于其時代與歸屬也一直不明確。遼西地區下白堊統與下伏和上覆地層之間皆為角度不整合接觸, 分別代表了燕山運動B幕與C幕(Wong, 1929; Dong et al., 2015; Zhu et al., 2015; 朱光等, 2018)。由于上述白堊系層序與時限的不確定性, 直接影響了燕山運動B幕與C幕擠壓事件時代的準確確定。前人對于燕山運動B幕時限認識有晚侏羅世(Wang et al., 2017)、晚侏羅世?早白堊世早期(Davis et al., 2001; 張岳橋等, 2007; Li et al., 2016)和早白堊世早期(Li et al., 2015; Zhu et al., 2015; Liu et al., 2018; Zhang et al., 2018, 2020; 朱光等, 2018)等觀點。關于燕山運動C幕時限也具有不同的認識, 主要包括早白堊世晚期(Mercier et al., 2007; 朱光等, 2018)、晚白堊世早期(Zhang et al., 2003b; Liu et al., 2018; Yin et al., 2020)等觀點。

針對上述問題, 本次工作在綜合分析了前人關于遼西地區白堊紀地層與年代學資料基礎上, 在遼西東部的朝陽與阜新地區采集了不同時代的火山巖和砂巖樣品, 進行了LA-ICP-MS鋯石年代學分析, 有效地限定遼西地區有爭議的白堊紀地層時代, 查明了區內完整的白堊紀地層序列, 確定了區內白堊系的年代學框架, 為正確理解華北克拉通白堊紀時期大地構造與早期生命演化提供了基礎性信息與約束。

1 區域地質概況

遼西地區位于華北克拉通北緣, 屬于燕山構造帶的東部。華北克拉通具有太古宙?古元古代的變質基底和中元古代?古生代海相蓋層。古生代末?中生代初, 華北克拉通北部古亞洲洋與南部古特提斯洋最終關閉(圖1a; Li et al., 1993; Xiao et al., 2003; Zhao et al., 2016; Gu et al., 2018), 導致克拉通整體抬升而轉變成陸相環境, 從而廣泛發育中?新生代陸相盆地。

華北克拉通北緣的燕山構造帶, 是燕山運動的發源地(Wong, 1927, 1929), 也是燕山運動記錄最完整、活動最強烈的地帶(Dong et al., 2015; Zhu et al., 2015; 朱光等, 2018)。燕山運動是指侏羅紀?白堊紀期間發生的構造運動, 具體包括三期擠壓事件, 分別為燕山運動A幕、B幕和C幕(Wong, 1927, 1929; Dong et al., 2015; Zhu et al., 2015; 朱光等, 2018)。這三期擠壓事件造成了一系列的褶皺與逆沖斷層, 并以形成三個區域性角度不整合為標志(Wong, 1929; Davis et al., 2001; 李海龍等, 2014; Hao et al., 2019; Su et al., 2020)。在遼西地區, 燕山運動A幕形成的角度不整合出現在中侏羅統北票組和上覆海房溝組之間, B幕不整合出現在上侏羅統?下白堊統土城子組與上覆張家口組或義縣組之間, 而C幕不整合出現在下白堊統阜新組與上覆孫家灣組之間(翁文灝, 1928; 王桂梁等, 1996; 周立岱和趙明鵬, 1999; 王根厚等, 2001; 張宏仁等, 2013; 李海龍等, 2014; 黃迪穎, 2015; Su et al., 2020, 2021)。

在燕山構造帶上, 三幕短暫的燕山運動擠壓事件之間, 廣泛發育陸相盆地, 并伴隨火山噴發。燕山運動C幕之后的晚白堊世, 伸展盆地僅局部出現(如遼西地區), 區域上總體處于巖漿活動的平靜期。在B幕與C幕之間的早白堊世, 燕山構造帶上伸展活動與巖漿活動最強烈, 屬于華北克拉通破壞的峰期(Zhu et al., 2017), 遼西地區廣泛發育早白堊世伸展盆地與火山巖(張家口組與義縣組), 以及東側的瓦子峪變質核雜巖(圖1b; Darby et al., 2004; Zhang et al., 2012; Lin et al., 2013)。

遼西地區連續地發育并保存了侏羅紀?白堊紀盆地。本次重點研究為遼西地區東部(東官營子斷裂以東)的侏羅紀?白堊紀盆地, 包括北票盆地、金嶺寺?羊山(金?羊)盆地、朝陽盆地、阜新?義縣盆地以及稍戶營子盆地(圖1b)。其中北票盆地和金?羊盆地為侏羅紀盆地, 朝陽盆地和阜新?義縣盆地屬于早白堊世盆地, 而稍戶營子盆地屬于晚白堊世盆地。這些盆地多為斷陷盆地, 主體呈NE-SW向展布。北票盆地西北緣和東南緣分別為向NW傾的南天門斷裂和東官營子斷裂, 金?羊盆地西緣為南天門斷裂, 朝陽盆地東緣為向NW傾的朝陽斷裂, 而阜新?義縣盆地以及稍戶營子盆地的東界為閭山正斷層(圖1b; Su et al., 2020)。

遼西地區東部侏羅系自下而上分別為興隆溝組、北票組、海房溝組、藍旗組(或者髫髻山組)和土城子組。興隆溝組主要為玄武巖和玄武安山巖, 零星分布于朝陽盆地和北票盆地。在興隆溝組火山巖中獲得了177 Ma的SHRIMP鋯石年齡(Yang and Li, 2008)和188 Ma的40Ar/39Ar全巖年齡(陳義賢等, 1997), 指示其為早侏羅世火山巖。北票組為含煤碎屑巖, 主要分布于朝陽臥龍村和北票盆地東南部, 其沉積時代為中侏羅世(張路鎖等, 2016; Hao et al., 2020)。海房溝組總體為一套含有厚層礫巖的碎屑巖沉積, 在金?羊盆地和北票盆地內皆有出露, 沉積時代為中?晚侏羅世(167～162 Ma; Chang et al., 2014; Su et al., 2021)。藍旗組(也稱為髫髻山組)為一套中酸性火山巖, 廣泛出露于區內侏羅紀盆地中, 噴發時代為晚侏羅世(164～153 Ma; Yang and Li, 2008; 張宏等, 2008; Chang et al., 2009; Liu et al., 2012; 王思恩等, 2013; Su et al., 2021)。土城子組為一套以砂巖為主的碎屑巖沉積, 形成于晚侏羅世晚期?早白堊世早期(147～137 Ma; Zhang et al., 2009; Xu et al., 2012; 王思恩等, 2013)。

遼西地區發育完整的侏羅系?白堊系, 賦存著著名的燕遼生物群和熱河生物群(黃迪穎, 2015)。中?晚侏羅世的燕遼生物群, 是以賦存在海房溝組和髫髻山組中典型化石為代表的生物組合, 包括昆蟲、哺乳動物、植物、軟體動物、無脊椎動物等化石(黃迪穎, 2015)。早白堊世的熱河生物群, 是以賦存于義縣組和九佛堂組內化石為代表的生物組合, 包括帶羽毛的恐龍、哺乳動物、鳥類、被子植物等化石(Pan et al., 2013; Zhou and Wang, 2017)。準確限定這些地層年代, 是確定生物群時代的必要途徑。

圖1 華北克拉通大地構造綱要圖(a)及遼西地質簡圖(b;據遼寧省地質局區域地質測量隊, 1968; 黃志安等, 2003; 張宏等, 2005b修改)

2 遼西地區白堊系

遼西地區東部的白堊系, 發育于阜新?義縣盆地、朝陽盆地和稍戶營子盆地內(圖1b)。下白堊統下部主要由中酸性火山巖組成, 而下白堊統上部?上白堊統則以湖泊相、河流相、沼澤相、三角洲相碎屑巖沉積為主(閆義等, 2003)。區內白堊系自下而上包括義縣組、九佛堂組、沙海組、阜新組和孫家灣組, 各組最大厚度分別為2890 m、700 m、1600 m、1400 m和950 m(圖2; 楊欣德等, 1997; 張宏等, 2005c)。遼西地區東部白堊系底部是否發育張家口組火山巖, 以及大興莊組火山巖的歸屬, 仍然存在著不同的認識。

遼西地區張家口組以中性?中酸性的英安巖、流紋巖、安山巖以及同成分凝灰巖、角礫巖為主。該組在遼西地區東部主要分布于凌源三十家子盆地內, 其鋯石U-Pb年齡為132～130 Ma(黃志安等, 2003; 張宏等, 2005b, 2005d)。也有學者認為遼西地區東部朝陽地區的北票盆地與金?羊盆地也發育張家口組(楊雅軍等, 2005)。

圖2 遼西地區白堊紀地層沉積序列及同位素年齡

遼西地區東部義縣組分布廣泛, 主要為一套中基性?酸性火山巖, 包括玄武安山巖、安山巖、凝灰巖, 夾砂巖, 底部為礫巖。這套火山巖鋯石U-Pb定年結果指示, 其形成于130～120 Ma(張宏等, 2005a, 2006; 徐德斌等, 2012; 張乾等, 2016)。

遼西九佛堂組廣泛出露于朝陽盆地和阜新?義縣盆地內, 主要為沉積碎屑巖, 夾有凝灰巖。該組凝灰巖中鉀長石40Ar/39Ar年齡為120 Ma(He et al., 2004)。

沙海組也出露于朝陽盆地和阜新?義縣盆地內(圖1b; 王秀茹等, 2007), 可分為四段。一段以紅色砂礫巖為主; 二段以黃色、黃綠色礫巖、砂礫巖為主, 夾砂巖; 三段主要為含煤地層, 巖性以灰色、淺灰色砂巖為主; 四段以深灰色、灰黑色泥巖為主, 夾砂巖、砂礫巖。

阜新組主要為灰色、灰白色砂巖及粉砂巖、泥巖, 含煤層較多且厚(王秀茹等, 2007)。

孫家灣組在遼西地區東部僅出露于稍戶營子盆地內, 以紫紅色、雜色砂礫巖和砂巖為主, 夾薄層泥巖(王桂梁等, 1996)。對于孫家灣組時代, 有早白堊世晚期與晚白堊世兩種不同的觀點(王公肅, 1989; 董枝明, 2002; 萬曉樵等, 2013)。

遼西地區局部還出露一套中?酸性火山巖, 主要巖性為玄武安山巖、英安巖、流紋英安巖、流紋巖及凝灰巖。這套火山巖一般被稱為“大凌河組”或“大興莊組”(遼寧省地質局區域地質測量隊, 1971; 楊欣德等, 1997; 邴志波等, 2003)。對這套中?酸性火山巖時代和層位的認識, 長期以來一直持有不同的觀點。一種觀點認為這套火山巖屬于孫家灣組之上的上白堊統(邴志波等, 2003); 而另一種觀點則認為, 這套火山巖為義縣組的一部分, 屬于早白堊世(遼寧省地質礦產局, 1989; 徐德斌等, 2012)。因而, 遼西地區是否存在晚白堊世中?酸性火山巖一直沒有定論。

另外, 在遼西阜新盆地北部堿鍋(務歡池)還出露了一套灰黑色堿性玄武巖, 露頭可見厚度約為50 m (邵濟安等, 2006), 與上覆孫家灣組接觸。這套玄武巖曾被當作大興莊組或大凌河組的一部分(黃志安等, 2003; 邴志波等, 2003), 也被稱為張公屯組(Yang and Li, 2008)。該玄武巖40Ar/39Ar與K-Ar全巖年齡為106～97 Ma(Zhang et al., 2003a; Zhu et al., 2004; 鄭建平等, 2004; Yang and Li, 2008), 屬于早白堊世末?晚白堊世初火山噴發的產物。

3 鋯石U-Pb定年

3.1 樣品描述

為了確定遼西地區東部有爭議白堊系的時代, 本次工作有針對性地采集了9個火山巖樣品和2個砂巖樣品, 進行了LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年?；鹕綆r樣品包括朝陽盆地中原被認為是“張家口組(K1)”的3個樣品(YB328、YS33、YB330), 具體采自于朝陽市西北部的邊杖子鄉和大廟鎮。另外, 還在阜新?義縣盆地中采集了3個大興莊組(K2)火山巖樣品(YS16、YS18、YS15), 及旁側1個義縣組(K1)火山巖樣品(YS17)。大興莊組樣品采自于義縣南部大興莊村, 義縣組樣品采自旁側的茶山寺。本次定年的火山巖樣品還包括義縣盆地和金–羊盆地2個九佛堂組(K1)凝灰巖樣品(YB306-1、YS12)。2個砂巖樣品(YB312、YB371)分別采自阜新盆地的阜新組及孫家灣組。所有樣品具體采樣位置與巖性特征見圖1b和表1。

表1 遼西地區白堊系定年樣品描述和定年結果

3.2 測試方法

樣品經常規方法破碎后, 采用浮選、電磁選等方法分選出單顆粒鋯石(河北省廊坊欣航測繪院完成)。在雙目鏡下手工挑選出晶型較為完好的鋯石顆粒, 制成環氧樹脂樣品靶, 隨后進行拋光處理, 使鋯石內部形態暴露。然后進行背散射照相以及陰極發光照相(重慶宇勁科技有限公司完成)。鋯石U-Pb定年在合肥工業大學資源與環境工程學院質譜實驗室完成。鋯石U-Pb同位素定年采用激光剝蝕電感耦合等離子體質譜儀(LA-ICP-MS)分析, 激光剝蝕系統采用波長193 nm激光器的GEOLAS, 激光脈沖頻率6 Hz, 能量密度10 J/cm2, 剝蝕斑束直徑32mm, 測試質譜儀為Agilent 7500a。采用NIST SRM 610作為微量元素外標,29Si作為內標元素進行校正。同位素分餾校正以91500為外標,91Zr為內標, 鋯石標樣Plesovice作為同位素監控樣, 以此進行年齡計算。本次實驗測定的鋯石標樣結果、誤差與推薦值一致。鋯石同位素比值、U-Pb表面年齡和元素含量計算(附表1)采用ICPMSDataCal 9.6程序(Liu et al., 2010), 并且使用Andersen (2002)的方法進行普通鉛校正。工作中選取諧和度大于90%的年齡值進行統計和分析。鋯石加權平均年齡的計算以及諧和圖的成圖使用Isoplot 4.1(Ludwig, 2010)完成。

3.3 定年結果

本次獲得了遼西地區東部9個火山巖樣品和2個砂巖樣品鋯石U-Pb同位素年齡, 具體的分析結果見附表1(具體見網絡電子版: www.ddgzyckx.com)。

朝陽盆地西北部“張家口組”3個火山巖樣品中鋯石顆粒晶形較為完整, 大小在30～150 μm之間, 長短軸之比多為 1∶1～3∶1。它們呈半自形?自形結構, 多數具有振蕩生長環帶, 部分具有弱分帶(圖3)。所測鋯石Th/U值皆大于0.2(附表1)。這些特征指示所測試的皆為巖漿成因鋯石?！皬埣铱诮M”3個火山巖樣品的206Pb/238U加權平均年齡分別為161.0±5.0 Ma(YB328;=16, MSWD=0.60; 圖4a)、160.4±3.6 Ma(YS33;=18, MSWD=1.20; 圖4b)、158.1±2.7 Ma(YB330;=22, MSWD=1.30; 圖4c), 代表了火山噴發時代。

義縣組樣品(YS17)的鋯石顆粒晶形較好, 具有典型巖漿鋯石的振蕩環帶(圖4), 其Th/U值皆大于0.2(附表1)。所獲得小于1000 Ma的206Pb/238U年齡分布于119～345 Ma之間, 其中119～134 Ma之間的點在諧和圖上顯示出良好的一致性, 其加權平均年齡為126.6±2.5 Ma(YS17;=13, MSWD=0.99;圖4d), 代表了火山噴發時代。

圖3 遼西地區定年樣品代表性鋯石陰極發光圖

圖4 遼西地區火山巖樣品鋯石U-Pb年齡諧和圖

大興莊組3個樣品鋯石顆粒自形程度較高, 長短軸之比多為 1∶1～4∶1, 呈自形的短柱?長柱狀(圖3), 粒徑大小為30～120 μm, 這些鋯石具有典型巖漿鋯石的振蕩生長環帶。所測鋯石的Th/U值多數大于0.2(附表1), 指示為巖漿成因鋯石。3個大興莊組火山巖樣品206Pb/238U加權平均年齡分別為121.8±2.8 Ma(YS16;=8, MSWD=0.37;圖4e)、120.7±2.2 Ma(YS18;=16, MSWD=1.2; 圖4f)、118.8±1.6 Ma(YS15;=23, MSWD=0.62; 圖4g), 代表了火山噴發時代。

九佛堂組中的2個凝灰巖樣品鋯石顆粒自形程度較高, 呈自形的短柱?長柱狀, 粒徑約為30～180 μm,具有清晰的振蕩生長環帶。所測鋯石Th/U值多大于0.2(附表1), 指示為巖漿成因鋯石。這2個火山巖樣品的206Pb/238U加權平均年齡分別為120.6±1.8 Ma (YB306-1;=13, MSWD=0.27; 圖4h)、120.6±1.5 Ma (YS12;=22, MSWD=0.42; 圖4i), 指示各自的火山噴發時代。

阜新盆地內阜新組砂巖樣品(YB312)鋯石顆粒多數呈較自形的長柱狀, 少部分呈橢圓狀, 長度為50～120 μm, 多具有振蕩環帶, Th/U值均大于0.2 (圖5a), 指示為巖漿成因。該砂巖樣品諧和年齡介于2572～111 Ma之間(附表 1), 最小單顆粒年齡為111±5 Ma。鋯石年齡頻譜圖顯示, 其年齡峰值為2480 Ma、170 Ma、143 Ma、124 Ma和115 Ma(圖5a)。結果指示, 阜新組砂巖樣品沉積時代小于111±5 Ma。

阜新盆地東側孫家灣組砂巖樣品(YB371)中鋯石顆粒多數呈較自形的短柱?長柱狀, 長60～160 μm, 具有振蕩環帶, Th/U值皆大于0.2(圖5b), 指示為巖漿鋯石。樣品諧和年齡值介于2578～102 Ma之間(附表1), 最小單顆粒年齡為102±4 Ma。鋯石年齡頻譜圖顯示其年齡峰值為2491 Ma、144 Ma、119 Ma和106 Ma(圖5b)。該定年結果限定孫家灣組砂巖沉積時代小于102±4 Ma。

圖5 遼西地區砂巖樣品鋯石U-Pb年齡諧和圖、頻譜圖及Th/U值-年齡圖

4 地層對比、時代及其意義

4.1 遼西地區張家口組空間分布

遼西地區西部凌源三十家子盆地張家口組中獲得的鋯石U-Pb年齡為132～130 Ma(張宏等, 2005b, 2005d), 明顯早于義縣組。遼西地區東部是否也存在著張家口組, 長期以來一直存在著不同的認識。1∶25萬錦州市幅區域地質調查在義縣組底部劃分出了張家口組(黃志安等, 2003), 本次工作就是依據該地質圖采集了3個不同部位的“張家口組”火山巖樣品, 進行了鋯石U-Pb定年。3個火山巖樣品分別給出了161.0±5.0 Ma、160.4±3.6 Ma和158.1±2.7 Ma的年齡(表1), 皆屬于晚侏羅世。遼西地區早白堊世之前還存著另一期火山噴發, 形成了藍旗組(燕山構造帶西部稱為髫髻山組)中?酸性火山巖。前人對于這套火山巖開展過大量的同位素定年工作, 獲得的同位素年齡值為164～153 Ma(Yang and Li, 2008; 張宏等, 2008; Liu et al., 2012; 王思恩等, 2013), 指示為晚侏羅世。但藍旗組火山巖與張家口火山巖在巖石學上存在一定差異。藍旗組局部含有玄武巖, 而張家口組缺少玄武巖, 且后者包含有更多的流紋巖(張宏等, 2005b; Yang and Li, 2008; 李斌等, 2019)。本次在不同采樣點見到地質圖上標定的所謂“張家口組”內含有灰黑色玄武巖, 不含流紋巖, 由此判斷這套火山巖在巖性上應屬于藍旗組。由此可見, 遼西地區東部原先劃分的“張家口組”時代為晚侏羅世, 實際上屬于藍旗組, 表明遼西地區東部張家口組缺失, 早白堊世義縣組代表了最早發育的下白堊統。

但在燕山構造帶不僅遼西地區西部凌源一帶發育張家口組, 更西部的承德、京西與宣化地區皆發育張家口組, 且其上還發育另一套義縣組或相當層位的火山巖。承德地區張家口組火山巖的最大同位素年齡為136 Ma(牛寶貴等, 2003), 而其東側的凌源地區張家口組火山巖最大同位素年齡為132 Ma(張宏等, 2005d)。這一時?空變化指示, 繼燕山運動B幕之后的早白堊世伸展期火山噴發, 具有西早東晚的變化規律, 與早白堊世伸展期(克拉通破壞峰期)古太平洋板片自西向東后撤背景相吻合(朱日祥等, 2012; Zhu et al., 2012)。

4.2 大興莊組時代與歸屬

對于遼西地區的大興莊組或大凌河組時代, 分別有晚白堊世(邴志波等, 2003)和早白堊世(徐德斌等, 2012)兩種不同的觀點。遼西地區東部義縣盆地內3個“大興莊組”火山巖噴發年齡分別為121.8±2.8 Ma、120.7±2.2 Ma和118.8±1.6 Ma(表2), 皆指示為早白堊世。結合徐德斌等(2012)對大興莊組的定年結果, 表明遼西地區的大興莊組或大凌河組中?酸性火山巖時代為早白堊世, 屬于義縣組的一部分, 不需要單獨建組。

表2 遼西白堊紀巖石同位素定年結果統計表

大興莊組的同位素年齡表明其不是原先認為覆于孫家灣組之上的火山巖(邴志波等, 2003), 也即孫家灣組之后的白堊紀不存著中?酸性火山噴發。前人常將大興莊組或大凌河組與孫家灣組內的一套玄武巖相混淆。這套玄武巖出露于阜新北堿鍋, 也常稱為堿鍋玄武巖。阜新堿鍋玄武巖的全巖K-Ar同位素年齡為100～97 Ma(Zhang et al., 2003a; 鄭建平等, 2004), 而其全巖40Ar/39Ar年齡為106～102 Ma(Zhu et al., 2004; Yang and Li, 2008), 屬早白堊世末?晚白堊世。因而, 大興莊組或大凌河組與阜新孫家灣組內堿鍋玄武巖無論在巖性上還是年齡上都完全不同。

4.3 義縣組、九佛堂組、沙海組與阜新組時限

義縣組(K1)火山巖中獲得的噴發年齡為126.6±2.5 Ma(表1), 因此3個“大興莊組”樣品(122～119 Ma)實質應為義縣組。結合前人從遼西地區義縣組火山巖內所獲得的鋯石U-Pb與40Ar/39Ar同位素年齡期(表2), 可以限定義縣組形成時限為130～120 Ma(張宏等, 2005a, 2006; 徐德斌等, 2012; 張乾等, 2016; 及本次工作)。

九佛堂組(K1)2個凝灰巖樣品年齡分別為120.6±1.8 Ma和120.6±1.5 Ma。前人從九佛堂組凝灰巖中獲得了一個鉀長石40Ar/39Ar年齡為120.1±0.5 Ma (He et al., 2004)。依據這些年齡值, 推測九佛堂組時代為120～115 Ma左右。

沙海組(K1)不含火山巖, 至今沒有同位素年齡報道。本次工作也未對這套沉積巖進行同位素定年。根據下伏九佛堂組與上覆阜新組的同位素年齡(表2), 推斷沙海組沉積時代為115～110 Ma。

阜新組(K1)砂巖樣品中獲得的最年輕碎屑鋯石年齡為111±5 Ma(表1), 指示其沉積發生在111 Ma之后。阜新組之上堿鍋玄武巖的最大同位素年齡為106 Ma (全巖40Ar/39Ar年齡; Yang and Li, 2008)。依據這些年齡值, 可以限定阜新組的沉積時限為110～106 Ma。

4.4 孫家灣組與堿鍋玄武巖的時限

孫家灣組底部砂巖樣品中獲得最小碎屑鋯石年齡為102 Ma, 限定了這套碎屑巖沉積時代晚于102 Ma。該年齡值與前人依據古生物化石認為孫家灣組屬于晚白堊世相吻合(董枝明, 2002; 鄭建平等, 2004)。結合下伏堿鍋玄武的同位素年齡(表2), 可以進一步限定孫家灣組沉積時代為97 Ma之后, 屬晚白堊世, 但其上限年齡難以確定。

在遼西地區, 阜新堿鍋玄武巖的同位素年齡為106～97 Ma(表2)。無論是定年結果還是本次地層接觸關系的野外觀察, 表明堿鍋玄武巖位于孫家灣組碎屑巖之下。阜新堿鍋玄武巖在遼西地區只存在于阜新盆地北部上白堊統發育區, 其他早白堊世盆地內皆未見這套玄武巖, 表明是阜新組沉積間斷(對應燕山運動C幕角度不整合)之后形成的火山巖。因而, 原先將堿鍋玄武巖劃歸大興莊組或大凌河組(早白堊世中?酸性火山巖, 為義縣組的一部分)是不合適的, 堿鍋玄武巖是介于阜新組(K1)與孫家灣組(K2)之間的一套火山巖, 可以單獨建組。

4.5 白堊紀地層序列與年代學框架及其意義

遼西地區土城子組的同位素年齡為147～137 Ma (Zhang et al., 2009; Xu et al., 2012; 王思恩等, 2013), 指示沉積時代為晚侏羅世晚期?早白堊世早期。因而, 遼西地區白堊紀沉積是從土城子組上部開始的。繼土城子組沉積之后, 發生了燕山運動B幕擠壓事件(Wong, 1929; Dong et al., 2015; Zhu et al., 2015; 朱光等, 2018), 導致土城子組與上覆張家口組之間的角度不整合。這一短暫的擠壓事件之后, 遼西地區與華北克拉通東部一樣開始了強烈的伸展與巖漿活動, 廣泛發育伸展盆地(Su et al., 2020, 2021), 標志著克拉通破壞峰期的出現(朱日祥等, 2012)。正是在此背景下, 遼西地區西部率先發育了張家口組火山巖, 其時代為132～130 Ma(張宏等, 2005b, 2005d)。但是, 本次工作表明遼西地區東部缺失張家口組, 至130 Ma才開始發育義縣組火山巖。

綜合本次及前人的地層學與年代學成果, 可以有效地限定遼西地區下白堊統的序列及各組的時限。遼西地區原劃分的大興莊組和大凌河組, 屬于義縣組的一部分。土城子組之上的下白堊統, 其地層序列自下向上分別為義縣組、九佛堂組、沙海組和阜新組, 它們的時限分別為130～120 Ma、120～115 Ma、115～110 Ma及110～106 Ma。阜新組沉積之后, 發生了燕山運動C幕擠壓事件(Dong et al., 2015; Zhu et al., 2015; 朱光等, 2018), 導致阜新組與上覆地層之間的角度不整合接觸(Su et al., 2020)。

燕山運動C幕之后, 遼西東部地區首先出現了阜新堿鍋玄武巖噴發(106～97 Ma; Zhang et al., 2003a; Zhu et al., 2004; 鄭建平等, 2004; Yang and Li, 2008)。隨后沉積了孫家灣組碎屑巖(97 Ma之后的晚白堊世)。這兩者共同構成了遼西地區早白堊世末?晚白堊世初伸展盆地內的充填(稍戶營子盆地)。

遼西地區是燕山構造帶乃至整個華北克拉通白堊系發育與保存最為良好的地區, 完整地記錄了白堊紀時期的地質演化歷史。遼西地區白堊紀沉積序列及各地層單元時限的正確限定, 可以有效地限定白堊紀期間重要地質演化事件的時限。遼西地區白堊系內出現了代表燕山運動B幕與C幕的區域性角度不整合, 不整合上、下地層的時代可以限定各期擠壓事件的時限。燕山運動B幕角度不整合出現在土城子組(J3～K1)與張家口組之間。因張家口組(K1)火山噴發具有西早東晚的遷移現象, 所以應以西部最老的張家口年齡(136 Ma; 牛寶貴等, 2003)與下伏最年輕的土城子組年齡(137 Ma; 王思恩等, 2013)限定B幕擠壓事件時限, 即為137～136 Ma。遼西地區東部燕山運動C幕角度不整合出現在阜新組(110～106 Ma; 圖2)與上覆堿鍋玄武巖(106～97 Ma; 圖2)之間, 因此可以限定這期擠壓事件的時間為～106 Ma。

遼西地區白堊系充填在伸展盆地之中。以燕山運動C幕為界, 區內白堊紀期間出現了兩階段盆地演化(Su et al., 2020), 分別充填了張家口組?阜新組與堿鍋玄武巖?孫家灣組。根據地層單元時代, 可以限定遼西地區東部早白堊世伸展盆地的發育時限為130～106 Ma, 而西部為132～106 Ma。遼西地區燕山運動C幕之后伸展盆地的發育是從106 Ma開始的, 但結束時間還無法限定。通過對比可見, 遼西地區燕山運動各期擠壓事件均較短暫, 約持續1 Ma左右; 而各階段伸展活動的時限相對較長, 早白堊世階段持續了26～24 Ma。由此可見, 白堊紀期間的大地構造演化, 是以短暫擠壓與長期伸展交替為特征, 這種大地構造演化規律可能與古太平洋板塊俯沖方式周期性變化有關(Su et al., 2021)。

熱河生物群賦存于遼西地區的義縣組和九佛堂組內(Pan et al., 2013, Zhou and Wang, 2017; 徐星等, 2019)。熱河生物群在遼西地區的時間跨度可根據化石所賦存地層頂、底年齡限定。綜合本文及前人對遼西地區義縣組和九佛堂組定年結果(圖2; He et al., 2004; 張宏等, 2005a, 2006; 徐德斌等, 2012;張乾等, 2016), 可以限定熱河生物群持續時代為130～115 Ma。

5 結 論

通過對遼西地區白堊紀地層學與同位素年代學的綜合研究, 可以得出主要結論如下:

(1) 遼西地區西部(凌源一帶)發育的下白堊統張家口組火山巖, 在遼西地區東部(朝陽一帶)缺失, 且這期火山噴發具有西早東晚的空間遷移規律。

(2) 遼西地區原先劃分的大興莊組或大凌河組中?酸性火山巖, 噴發時代為早白堊世, 屬于義縣組的一部分。

(3) 遼西地區土城子組(147～137 Ma)之后的白堊紀地層序列與時限自下而上分別為張家口組(132～130 Ma)、義縣組(130～120 Ma)、九佛堂組(120～115 Ma)、沙海組(115～110 Ma)、阜新組(110～106 Ma)、堿鍋玄武巖(106～97 Ma)和上白堊統孫家灣組(<97 Ma)。

(4) 燕山運動B幕與C幕發生時間分別為137～136 Ma和～106 Ma。遼西地區東部早白堊世伸展盆地發育時限為130～106 Ma。熱河生物群在遼西地區持續時代為130～115 Ma。

致謝:南京大學舒良樹教授和中國科學院地質與地球物理研究所武國利副研究員對本文提出了寶貴的修改建議, 在此表示衷心感謝。鋯石測試與數據處理過程得到了合肥工業大學資源與環境工程學院李全忠副研究員與汪方躍副研究員的幫助, 在此也一并致以感謝。

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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

國家自然科學基金項目(41688103)資助。

蘇楠(1992–), 男, 博士研究生, 地質學專業。E-mail: 403931219@qq.com

P597; P534

A

1001-1552(2022)05-0993-015

10.16539/j.ddgzyckx.2022.05.008