冀北地區中三疊世火山巖地層三家北溝組的建立

吳江宇，王金貴，張鑫全，梁 賢，劉蓓蓓，王 碩，楊鑫朋，楊 瑞，李慶喆

1.河北省區域地質調查院，河北 廊坊 065000；2.河北地質大學，河北 石家莊 050031

參照河北志（2017）構造單元劃分方案[1]，進一步將冀北地區在晚泥盆世至中三疊世期間的構造單元作了細劃（圖1）：一級構造單元為柴達木—華北板塊；二級構造單元為華北陸塊；三級構造單元為華北北緣巖漿弧帶；以西拉木倫地殼對接帶、康保—圍場區域斷裂和尚義—隆化區域斷裂為界，由北向南四級構造單元依次為：華北北緣弧前盆地帶（屬康保—赤峰地層分區）、華北北緣弧間盆地隆起帶（屬張北—圍場地層分區），燕遼弧后盆地帶（屬燕遼地層分區）。根據河北志（2017）及鄰區資料綜合分析認為，西伯利亞板塊從晚泥盆世開始向南向柴達木—華北板塊之下俯沖，冀北地區在晚泥盆世至早二疊世處于前碰撞階段，中晚二疊世處于同碰撞階段，早三疊世至中三疊世中期處于后碰撞階段，中三疊世晚期處于后造山階段[1]。

冀北地區位于華北北緣巖漿弧帶上，不同階段的巖漿活動是擠壓造山過程中重要內容之一。以往的地質調查研究資料中沒有明確確定在中三疊世存在較強烈火山活動和相應的巖石地層單位[2-4]，通過進一步調研在康保與張北交界地區和圍場三家北溝一帶（圖1、圖2）確定了中三疊世存在較強烈的火山活動，根據火山巖的分布特征和同位素測年資料等，論文將這套以火山巖為主的地層重新命名為中三疊世三家北溝組。

1 地層特征

1.1 基本特征

分布于康保—赤峰地層分區圍場三家北溝一帶的三家北溝組整體呈北東向帶狀展布[1]，巖層走向呈北東東向延伸（圖1、圖2）。巖石以玄武安山巖、安山巖、玄武粗安巖、粗安巖、英安巖、流紋巖及相應火山碎屑巖不等厚互層為特征，底部發育一層灰色礫巖。發育厚度達828 m。火山巖以玄武安山巖—安山巖—流紋巖、安山巖—英安巖或英安質角礫熔巖、安山巖—粗安巖—英安巖、安山巖（夾安山質角礫熔巖）—流紋巖及玄武粗安巖—粗安巖構成火山噴發韻律。下伏與早三疊世劈柴拌組一段呈平行或微角度不整合，與新太古代晚期艾家溝巖組及變質深成巖呈角度不整合接觸；上覆與早侏羅世下花園組呈角度不整合接觸、與早白堊世張家口組呈斷層接觸。

圖2 冀北三家北溝一帶地質簡圖（據河北志，2017資料修改）Fig.2 Geological sketch of Sanjiabeigou area in northern Hebei

圍場三家北溝一帶的三家北溝組在1∶20萬棋盤山幅（1979）劃歸晚古生代[2]，1∶5萬朝陽灣幅（1990）劃為早二疊世劈柴拌組[3]，1∶25萬西老府幅（2009）[4]和河北志（2017）[1]將原劃早二疊世劈柴拌組進行了解體，將變質火山巖地層劃歸早中二疊世額里圖組，未變質的火山巖地層暫歸屬早侏羅世南大嶺組。但是，巖石組合特征與同位素測年成果不支持劃為早侏羅世南大嶺組。區域上的南大嶺組以玄武巖、安山巖、玄武粗安巖、粗安巖互層為主，夾有粗面玄武巖、粗面巖等，獨特之處是以出現較多玄武巖為特征[1]。因此，論文將其劃為中三疊世三家北溝組。另外，根據新的同位素測年成果及對比，將劈柴拌組的時代調正為早三疊世。

分布于張北—圍場地層分區康保與張北交界地區的三家北溝組呈北西西向和北東東向短帶狀展布（圖1）。中下部以安山質、粗安質、英安質和流紋質凝灰巖不等厚韻律性互層為特征，局部夾有復成分礫巖等；上部以玄武粗安巖、粗安巖不等厚韻律性互層為特征。發育厚度大于360 m。下伏與古元古代晚期變質石英二長閃長巖、變質二長花崗巖及變質正長花崗巖呈角度不整合接觸，未見頂，或被第四系覆蓋[1]。

圖1 冀北及鄰區晚泥盆世至中三疊世構造單元劃分圖（據河北志，2017資料修編）Fig.1 Division of Late Devonian to Middle Triassic tectonic units in northern Hebei and its adjacent areas

康保與張北交界地區的三家北溝組在1∶20萬康保幅（1979）劃為晚侏羅世白旗組[5]，1∶5萬張北牧場幅（2001）與1∶25萬張北縣幅（2003）劃為晚侏羅世張家口組[6-7]，河北志（2017）劃為早侏羅世南大嶺組[1]。但是，巖石組合特征與同位素測年成果不支持劃為早侏羅世南大嶺組、晚侏羅世白旗組及張家口組。區域上的晚侏羅世白旗組火山巖以安山巖、粗安巖、流紋巖及流紋質凝灰巖為特征；早白堊世張家口組火山巖以流紋巖、流紋質凝灰巖、石英粗面巖、粗面巖及堿流巖為特征[1]。因此，論文將其歸屬于中三疊世三家北溝組。

1.2 剖面特征

三家北溝組命名剖面（圖3）位于圍場縣三家北溝一帶（圖2），剖面起點坐標：N42°03′46″，E117°55′51″，H1 420 m。該剖面地層出露齊全、連續，露頭較好，上下接觸關系清楚，構造簡單，交通方便。剖面描述如下：

圖3 圍場縣三家北溝中三疊世三家北溝組剖面圖（據河北志，2017資料修改）Fig.3 Profile of Sanjiabeigou Formation of Middle Triassic in Weichang County

上覆下花園組（J1x）：黃綠色礫巖

～～～～～ 角度不整合 ～～～～～

三家北溝組（T2s）： 828.0 m

23.淺灰色碳酸鹽化粗安巖 105.3 m

22.黃綠色粗安巖 2.3 m

21.黑灰色碳酸鹽化玄武粗安巖 40.6 m

20.黃灰色蝕變流紋巖 31.6 m

19.灰綠色蝕變安山巖 9.3 m

18.灰黑色蝕變安山巖 7.8 m

17.黃綠色安山質角礫熔巖 4.7 m

16.紫紅色致密塊狀安山巖 21.9 m

15.淺黃綠色蝕變流紋巖 26.6 m

14.黃灰色致密塊狀蝕變安山巖 16.2 m

13.灰色玄武安山巖 35.8 m

12.淺黃灰色蝕變英安巖 114.7 m

11.灰、灰紫色蝕變粗安巖 55.7 m

10.灰綠色安山巖 10.0 m

9.英安質角礫熔巖 13.0 m

8.紫紅色絹云母化安山巖 14.8 m

7.灰綠色強蝕變安山巖 98.9 m

6.灰紫紅色硅化碎裂安山巖 51.5 m

5.灰綠色蝕變英安巖 52.9 m

4.紫灰色蝕變安山巖 39.1 m

3.灰色杏仁狀安山巖 4.1 m

2.灰、灰綠色黑云母安山巖 69.0 m

1.灰黃、灰色礫巖 2.2 m

～～～～～ 角度不整合 ～～～～～

下伏艾家溝巖組（Ar33a）：灰黃色黑云斜長片麻巖

剖面控制地層厚度為828 m。在礫巖之上，由下往上由早到晚火山巖由安山巖—英安巖（2～5層厚度165.1 m）、安山巖—英安質角礫熔巖（6～9層厚度178.2 m）、安山巖—粗安巖—英安巖（10～12層厚度180.4 m）、玄武安山巖—安山巖—流紋巖（13～15層厚度78.6 m）、安山巖（夾安山質角礫熔巖）—流紋巖（16～20層厚度75.3 m）及玄武粗安巖—粗安巖（21～23層厚度148.2 m）構成6個火山噴發韻律。

2 巖石地球化學特征

三家北溝組火山巖的巖石化學成分、稀土元素與微量元素含量分析結果及主要參數如表1所列。

2.1 主量元素特征

本區各火山巖類的平均巖石化學成分含量與中國[8]、世界[9]同類火山巖巖石化學成分含量相比較（圖4a、表1），安山巖類的SiO2、MgO、Na2O含量略有偏高，其他氧化物含量略有偏低，具有安山巖的巖石化學特征；粗安巖類的Fe2O3、MgO含量略有偏高，其他氧化物含量略有偏低，具有粗安巖的巖石化學特征；英安巖類的TiO2、Al2O3、MgO、Na2O含量略有偏高，其他氧化物含量略有偏低，具有英安巖的巖石化學特征；流紋巖類的TiO2、Al2O3、MgO含量略有偏高，其他氧化物含量略有偏低，具有流紋巖的巖石化學特征[10]。以參數σ數值大小劃分，三家北溝組火山巖的參數σ絕大多數在1.31～3.23之間（＜3.3）,主要屬于鈣堿性系列的火山巖；個別玄武粗安巖的參數σ為4.16（＞3.3），屬于堿性系列的火山巖。從巖石測試樣品所取得位置分析，中三疊世早中期形成的該組中下部火山巖屬于鈣堿性系列的火山巖；中三疊世晚期形成的該組上部火山巖屬于鈣堿性系列和堿性系列的火山巖。經火山巖TAS分類圖解（圖4a）判別，火山巖巖石類型與鑒定的火山巖巖石名稱相吻合。

表1 三家北溝組火山巖巖石化學成分、稀土元素與微量元素含量及主要參數表Table 1 The petrochemical compositions，REE and trace element contents and main parameters table of volcanic rocks of Sanjiabeigou Formation

2.2 微量元素特征

三家北溝組火山巖的稀土元素總量ΣREE在135.49×10-6～243.26×10-6之間，平均值為182.17×10-6；參數δEu在0.63～0.85之間，平均值為0.75；稀土元素配分模式為右傾型（圖4b），顯示輕稀土富集，Eu具弱的負異常，輕稀土與重稀土分餾較強，具有殼幔混源巖漿的特征。火山巖微量元素蛛網圖（圖4c）顯示，Ba、K、La、Nd、Zr、Sm元素呈現富集狀態，而U、Nb、Sr、P、Hf元素呈現虧損狀態，其他元素處于過渡狀態；特征參數Rb/Sr均值為0.27，Nb/Ta均值為4.63，Zr/Hf均值為59.6。稀土和微量元素特征顯示其具有巖漿弧帶巖漿巖的性質。不論是稀土元素配分模式（圖4b），還是微量元素蛛網圖（圖4c），其曲線形態均具有較高至高度的一致性，充分表明了火山巖形成時代和巖漿成因的一致性。

2.3 形成構造環境分析

選擇三種相對較為有效和常用的巖石化學圖解進行三家北溝組火山巖形成構造環境的判別，在火山巖logτ-logσ圖解（圖4d）中，除1件樣品（8號）落入由造山帶火山巖演化派生的堿性—偏堿性火山巖區并靠近造山帶火山巖區外，其他9件樣品落入造山帶火山巖區[11]；在火山巖TAK圖解（圖4e）中，10件樣品全部落入島弧造山帶火山巖區[12]；在火山巖-MgO-Al2O3圖解（圖4f）中，有2件樣品落入島弧擴張中心火山巖區（D區），7件樣品落入造山帶火山巖區（E區），1件樣品（4號）落入造山帶火山巖區（E區）與島弧擴張中心火山巖區（D區）的分界線上[13]；整體反映三家北溝組的火山巖形成于巖漿弧帶—造山帶構造環境。結合河北志（2017）中三疊世侵入巖的研究成果綜合分析認為，三家北溝組中下部的鈣堿性火山巖形成于中三疊世早中期后碰撞階段的擠壓造山構造環境，上部的鈣堿性、堿性火山巖形成于中三疊世晚期后造山階段的過渡構造環境[1]。

圖4 火山巖巖石地球化學圖解Fig.4 Geochemical diagrams of volcanic rocks

3 地層對比與時代歸屬

分布于圍場三家北溝一帶的三家北溝組發育齊全，厚度達828 m。除底部為一層礫巖外，以中性、酸性和中偏堿性火山熔巖的韻律層為特征。所處構造位置屬于華北北緣弧前盆地帶，其火山巖代表了弧前盆地帶在中三疊世期間的火山巖漿活動特征。

分布于康保與張北交界地區的三家北溝組發育不太齊全，厚度大于360 m。中下部以中性、中偏堿性、酸性火山碎屑巖的韻律層為特征，局部夾有復成分礫巖等；上部以中偏基偏堿性、中偏堿性火山熔巖的韻律層為特征。雖然在巖相上與圍場三家北溝一帶略有區別，但從火山巖巖石化學成分及成因等方面具有可比性。所處構造位置屬于華北北緣弧間盆地隆起帶，其火山巖代表了弧間盆地隆起帶在中三疊世期間的火山巖漿活動特征。

分布于燕遼地層分區遼西凌源地區鄧杖子盆地的水泉溝組（圖1），1∶20萬凌源幅（1965）將其劃歸早侏羅世[14]，胡健民等（2005）將其劃歸晚三疊世[15]，遼寧志（2017）將其改為中侏羅世髫髻山組[16]，但從巖石組合特征與同位素測年成果均不支持。水泉溝組發育較齊全，厚度達923.5 m。下部以中性火山熔巖為主，間夾少量泥質細砂巖和凝灰質中砂巖；中部為中性和酸性火山碎屑巖；上部以凝灰質礫巖為主，間夾礫巖。雖然在巖相上與三家北溝組有所區別，但從火山巖巖石化學性質及成因等方面具有可比性。該組所處構造位置屬于燕遼弧后盆地帶，其火山巖代表了弧后盆地帶在中三疊世期間的火山巖漿活動特征。

目前，在圍場三家北溝一帶的三家北溝組安山巖中獲得LA-ICPMS鋯石U-Pb年齡為239.6±3.9 Ma[4]；在康保與張北交界地區的三家北溝組玄武粗安巖中獲得K-Ar全巖年齡為229±8 Ma[6]；在遼西凌源地區鄧杖子盆地的水泉溝組輝石安山巖中獲得SHRIMP鋯石U-Pb年齡為242±4 Ma、230±3 Ma[15]。按照全國地層委員會編制的中國地層表（2014）中三疊世的時限為247.2～228.7 Ma，這些同位素測年成果均屬于中三疊世。因此，三家北溝組與水泉溝組的形成時代均應歸屬于中三疊世。

另外，在燕遼弧后盆地帶承德縣西部石湖村一帶的中三疊世二馬營組中新發現的凝灰巖夾層內獲得了LA-ICPMS鋯石U-Pb年齡為234±3 Ma[17]；在承德縣西北部的中侏羅世九龍山組礫巖中的火山巖礫石內獲得了Ar-Ar年齡為241±1 Ma[18]；在承德縣東部的晚三疊世杏石口組礫巖中的火山巖礫石內獲得了LAICPMS鋯石U-Pb年齡為247±4 Ma[19]。這些同位素測年成果的取得，進一步從不同方面證實了華北北緣巖漿弧帶在中三疊世存在較強烈的火山巖漿活動。

總之，本文新建了三家北溝組，并將其歸屬于中三疊世是很有必要的。分布于不同構造位置的三家北溝組及水泉溝組，分別代表了在中三疊世期間華北北緣巖漿弧帶中從弧前盆地帶→弧間盆地隆起帶→弧后盆地帶不同構造位置的火山巖漿活動特征。

4 結論與意義

（1）在冀北地區新命名的中三疊世三家北溝組與遼西凌源地區的水泉溝組可以對比，從而證實了中三疊世存在較強烈的火山活動。三家北溝組以玄武安山巖、安山巖、玄武粗安巖、粗安巖、英安巖、流紋巖及相應火山碎屑巖不等厚韻律性互層為特征，火山活動間隙期發育礫巖層。火山巖的巖石系列，中下部以鈣堿性為特征，上部以鈣堿性、堿性為特征，整體具有巖漿弧帶火山巖的性質。從巖石組合、巖石地球化學特征及同位素測年成果等綜合分析，中下部的鈣堿性火山巖形成于中三疊世早中期后碰撞階段的擠壓造山構造環境，上部的鈣堿性、堿性火山巖形成于中三疊世晚期后造山階段的過渡構造環境。

（2）分布于不同構造位置的三家北溝組及水泉溝組，分別代表了在中三疊世期間華北北緣巖漿弧帶中從弧前盆地帶→弧間盆地隆起帶→弧后盆地帶不同構造位置的火山巖漿活動特征。

（3）中三疊世三家北溝組建立，其意義在于填補了冀北地區中三疊世較強烈火山活動的空白，進一步豐富了印支期晚期后碰撞至后造山過程中巖漿活動的內容和補充完善了中三疊世的巖石地層序列。