针对郯庐断裂带沿线中、新生代沉积地层和火山岩的研究现状及发育的特点,工作中以岩石地层为基础,生物地层为依据,结合火山岩同位素年代学、磁性地层学、元素地层学等多种研究手段,遵循多重地层划分的原理,较好地解决了地层的精细划分和对比问题。
1.岩石地层清理
岩石地层划分是根据岩石体的岩性或岩相特征及其地层关系所进行的地层划分,目的在于将其划分为能反映岩性特征或变化规律的单位(全国地层委员会,2001)。在国土资源部各系岩石地层清理的基础上,经对郯庐断裂带沿线70条中生界典型剖面的考察和综合研究,理清了不同地区不同地层名称的相互关系,对各有关地区的岩石地层名称进行了取舍,对其年龄属性进行了厘定,提出了符合地层规范的岩石地层系统。
2.生物地层研究
生物地层划分是指依据所含的化石进行地层划分,即将这些含化石的部分划分为能反映具有相同或相似化石特征及其变化规律的单位。生物地层单位的术语泛称生物带,包括延限带、间隔带、谱系带、组合带、富集带等。
工作中在研究过程中系统采集古生物化石和收集生物地层资料,北起辽宁北部铁岭,南到苏皖地区,西起太行山,东至黄、渤海的广大区域,获取大量生物地层资料。经对化石大量细致的分析鉴定,总结了断裂带两侧的轮藻、介形类、孢粉、叶肢介、双壳类等主要古生物门类的纵横向分布规律,在此基础上建立了中生代5个重要化石门类的动、植物群。包括轮藻化石4个组合、2个化石带和1个亚带,介形类化石12个组合,孢粉14个组合,叶肢介化石5个动物群,双壳类化石8个组合。根据各门类化石的分布时限及对比关系,提出该五个化石门类与国际接轨的划分对比关系,总结了断裂带两侧各地区、各组段的生物地层特征,为地层的精细划分和对比提供了可靠依据。
3.同位素年龄测定
近年来,国内外的许多学者对我国东部火山岩,进行了多次测年研究。辽西地区中新生代火山活动强烈发育,形成了多层火山岩,并且常与沉积地层成互层关系,可以相互对比,因此,其年代学研究尤受关注。特别是20世纪90年代以来,在辽西地区相继发现了大量脊椎动物化石,其火山岩时代研究更是成为热点。随着测试仪器的进步和更新,测试数据越来越接近,这些数据对中生代地层的划分对比能起到重要的参考作用。
工作中在郯庐断裂沿线中生代火山岩地层共采集火山岩样54块,由造山带与地壳演化教育部重点实验室(北京大学)用K-Ar法测定同位素年龄。本次通过对辽宁、山东、安徽等地区野外露头和井中火山岩K-Ar同位素年龄的测定,结合前人火山岩年龄测定数据,获得了郯庐断裂沿线不同地区中生代各层位火山岩年龄。本次研究火山岩同位素测年精度较高,明确了以前争议较大地层单元的时代归属,如济阳坳陷“西洼组”和鲁西南地区八亩地组的同位素年龄分别为114~122Ma和114~125Ma,辽西地区沙海组为110~120Ma,均主要相当国际地层表的早白垩世中期的巴雷姆期或更早。莱阳地区青山组与其相当,但所获年龄值略偏新。
同时,考虑到火山旋回是非生物地层划分对比的重要手段,课题组在同位素年龄测定的基础上,结合野外地质调查及综合分析,首次将郯庐断裂带及其两侧地区中三叠统至上白垩统划分出9个火山喷发旋回、10个次级旋回,以及30余次大的火山喷发期,其年龄数据可作为中生代地层地质年龄确定和地层划分对比的重要辅助手段。
4.磁性地层划分
磁性地层学是根据地层剩磁特征对地层进行研究的地层学分支学科。地磁极性变化规律具有全球性,同时期形成的地层剩磁应当相同,因此用地磁极性年代表为参照,可以对地层进行划分对比,也可提供不同时期古板块所处地理位置。20世纪70年代以来,不少研究者建立了磁性地层年代表,使地区性的磁性地层研究结果进行全球对比成为可能。
方大钧等(2005)建立了济阳坳陷桩107井、桩98井、沾北3井、义136井中生界磁性地层柱,提出了相关地层的时代意见。桩107井、桩98井的样品取自西洼组,沾北3井样品取自蒙阴组。桩107井2796m处的反向带锆石SHPIMP年龄为(128.5±1.4)Ma,因而将这个反向带与国际海洋极性年表M5的反向带对比(Harland et al.,1989),获得桩107井极性序列是从M4~M10,古地磁年龄为131.5~126.5Ma,时代属早白垩世Hauterivian阶。桩98井极性以正反交替极性为特征,与早白垩世Berriasian极性相似,古地磁年龄为144~137Ma。沾北3井反映了单个极性持续时间较长,正反极性带上下较宽阔的明显极性特征,相似于Kimmeridgian至Tithonian的极性特点,1634m以下的地层可能已属于Oxfordian期。
然而,生物地层学研究的基础和同位素年代的精确度,以及人们对极性柱划分的不同认识,都对古地磁磁性地层的研究有极大的影响,直接影响其研究精度。所以,本次在中、新生代地层划分中,对前人磁性地层研究成果仅作了部分参考。
5.元素地层划分
在自然界的迁移、沉积过程中,沉积物与水介质之间存在着极为复杂的化学平衡关系,由于各元素自身的化学性质不同,某些元素在脱离母岩迁移再沉积时发生分异。如果在地质时期环境相对稳定,其元素间的分异平衡也相应地保持稳定,直到环境的改变(如物质来源、迁移距离、气候、生物活动、大地构造运动、火山活动等)之后,则会建立另一种与其相适应的新的化学动态平衡,即不同时期沉积岩中存在不同元素丰度及组合特征,它们可以作为地层划分的参考依据。
本次应用元素地层学原理对济阳坳陷中生界进行了划分,系统分析了济阳坳陷中生界各地层元素变化特征,为地层的划分和对比提供了新的手段,提高了地层对比的精度。
济阳坳陷中生界Sr/Ba比值均小于1,Ca/(Ca+Fe)比值均小于0.85,B元素含量小于80%,为明显的淡水沉积。但是,中生界内部不同层位之间元素含量及其比值也有微小的变化。侏罗系坊子组(J1+2f)多以河漫滩沼泽相沉积为主,沉积物粒度相对河流相沉积细,粘土矿物含量较多,B元素含量较高,平均值为45.76ug/g,受到水动力条件弱的影响,Fe元素易于沉积而Fe/Mn比值较大,Ca/(Ca+Fe)比值较小;侏罗系三台组(J1+2s)以曲流河相沉积为主,沉积物多为红色细砂岩、砂岩、砾岩,粘土矿物含量较少,水动力条件较强,B元素含量较少,Fe/Mn比值较低;蒙阴组(K1m)与三台组(J1+2s)虽然同属于河流相,但是,蒙阴组(K1m)的沉积物中含有一定量的火山凝灰岩矿物,沉积物内部铁含量较多,致使Fe/Mn比值较高,而Ca/(Ca+Fe)比值较低;西洼组(K1x)多为河流冲积扇相沉积,常含火山物质(安山岩、凝灰岩、玄武岩矿物)致使Fe/Mn比值较高,经过沉积后构造作用的影响,地层内部裂缝发育,后期地层水改造,裂缝中充填了方解石矿物,致使Ca/(Ca+Fe)比值较高。