地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (2): 257-266
引用本文
夏蒙蒙, 王超群, 胡道功, 赵希涛, 贾丽云, 吴环环, 吕同艳. 琼东北八所组ESR年龄及其构造意义[J]. 地质力学学报, 2019, 25(2): 257-266.
XIA Mengmeng, WANG Chaoqun, HU Daogong, ZHAO Xitao, JIA Liyun, WU Huanhuan, LYU Tongyan. ESR DATING OF THE BASUO FORMATION IN THE NORTHEASTERN HAINAN ISLAND AND ITS TECTONIC SIGNIFICANCE[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(2): 257-266.
琼东北八所组ESR年龄及其构造意义
夏蒙蒙1 , 王超群1 , 胡道功1,2 , 赵希涛3 , 贾丽云1,2 , 吴环环4 , 吕同艳1,2     
1. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
2. 自然资源部新构造运动与地质灾害重点实验室, 北京 100081;
3. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029;
4. 深圳市地质局, 深圳 518023
摘要:八所组是琼东北晚第四纪一个重要地层单位,同时也是河流Ⅱ级阶地(T2)的主要沉积地层,其形成年代对该区域晚第四纪以来的古环境演化及地壳运动的研究有着重要意义。为了限定其形成时代,文章采取ESR的方法,对广泛分布于琼东北珠溪河及古三江河一带的八所组地层进行了系统的测年。结果表明:该套地层形成于晚更新世中晚期(64.36 ka~18.40 ka BP);沉积时代对应末次冰期MIS4~MIS2阶段;河流的下切与T2阶地的形成,一定程度上反映了该时期琼东北海平面的频繁波动及地壳的间歇性抬升;此外,分布于现代海岸风沙强烈作用地带的老红砂与八所组属同期异相的风成堆积,应与八所组地层加以区分。
关键词八所组    ESR    沉积环境    晚更新世    琼东北    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.02.025     文章编号:1006-6616(2019)02-0257-10
ESR DATING OF THE BASUO FORMATION IN THE NORTHEASTERN HAINAN ISLAND AND ITS TECTONIC SIGNIFICANCE
XIA Mengmeng1 , WANG Chaoqun1 , HU Daogong1,2 , ZHAO Xitao3 , JIA Liyun1,2 , WU Huanhuan4 , LYU Tongyan1,2     
1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
2. Key Laboratory of Neo-tectonic Movement & Geo-hazard, Ministry of Natural Resources, Beijing 100081, China;
3. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100029, China;
4. Geological Bureau of Shenzhen, Shenzhen 518023, China
Abstract: The Basuo Formation is an important stratigraphic unit in late quaternary and forms the main sedimentary formation of the second-level terrace (T2) in northeastern Hainan Province. Its formation age is of great significance to the study of paleoenvironmental evolution and crustal movement in the study area since late quaternary. In order to precisely define the age of this formation, we conducted a systematic research of the Basuo Formation distributed in Zhuxi River and Gusanjiang River in northeastern Hainan by using the method of Electron Spin Resonance(ESR) and acquired the geochronological data. The results show that the Basuo Formation was formed during 64.36~18.40ka BP, and the sedimentary age corresponds to the last glacial stage of MIS4~MIS2; The river incision and the formation of T2 terrace, to some extent, reflect the frequent fluctuation of sea level and the intermittent uplift of crust in the northeast of Hainan during this period; moreover, the old red sands in the strong sandstorm action zone of modern coasts is the aeolian accumulation of contemporaneous and heterogeneous with the Baduo formation, which should be distinguished from the Baduo formation.
Key words: the Basuo Formation    ESR    depositional environment    late Pleistocene epoch    northeastern Hainan Island    

中国东部及东南沿海地区广泛分布有更新世以来的砂质沉积物,其赋存的钛铁矿、锆英石砂矿等矿产资源,具有重要的经济和社会价值[1],如福建地区的“东沈组”,山东胶东半岛的“柳夼红层”,华南地区的“陆丰组”及海南“八所组”[2],其中八所组在海南文昌市锦山至文教一带发育的最为典型[3]。八所组地层为薛万俊等[4]根据东方八所港北藜村剖面创建,其岩性为棕黄色或黄褐色,向下递变为灰黄色及灰白色的半胶结中细砂质沉积物。同时,与八所组同期沉积的有分布于文昌沿海一带的晚更新世红色砂质沉积物,即“老红砂”。目前关于八所组年代学的研究多集中该套地层的上部或同时期海岸风沙成因的老红砂地层,如薛万俊等[5]根据孢粉化石、地层接触关系及热发光测量,确定八所组地层时代为晚更新世;袁宝印[6]通过热释光年龄结果将该套地层限定为晚更新世;刘瑞华等[7]获得棕红色中细砂的热释光年龄为12.4 ka,时代定为晚更新世晚期。总之,对广泛分布于琼东北的八所组黄褐色砂质沉积物及沿海一带“老红砂”的区分研究及年代学研究还不够。文章在对分布在琼东北洙溪河及三江水一带的八所组地层野外调查的基础上,通过系统的ESR测年,精确限定该地区八所组地层年龄,并根据该套地层的岩性变化、地貌分布特征等对其沉积环境以及所反映的构造运动进行了初步探讨,对于进一步认识该地区第四纪地层格架及末次冰期以来古环境的演变、海平面变化/地壳垂直运动有着重要的意义。

1 区域地质背景及地貌特征

海南岛北部地区位于太平洋板块、欧亚板块、印度洋板块交汇处,既符合北东—北北东向滨太平洋构造域的构造特征,同时也表现出北西—北北西向特提斯—喜马拉雅构造域的特点[8]。受南海扩张的影响,沿琼北和雷州半岛形成近东西向展布的雷琼凹陷[9~10]。琼北地区位于雷琼凹陷的南侧,自西向东可划分为临高隆起、福山凹陷及云龙隆起三个构造单元,并控制了新生代等厚线的分布(图 1),新生代以来的构造运动较为明显,主要表现为多期次、间歇性的火山活动和差异性的断块运动[11]。其中琼东北地区的地貌格局受控于北西向铺前—清澜断裂及其次级断裂,由西向东依次为演丰火山岩台地、东寨港潟湖平原及锦山剥蚀台地三大地貌单元。东寨港以西的演丰火山岩台地,海拔15~30 m,出露中更新统多文组玄武岩,玄武岩上部发育薄层风化壳,中下部可见球状风化现象;东寨港以东、锦山镇以西区域为东寨港潟湖平原,地势平坦,海拔1~8 m,出露地层为晚更新世八所组及全新世中期琼山组沉积物;锦山镇以东、抱罗镇以北为锦山剥蚀台地,海拔一般为15~30 m,出露厚度约为1~8 m的八所组中细砂质沉积,沿珠溪河及上游的分布,拔河高度变化于3~8 m。此外,台地上覆有厚层状网纹化特征明显的风化壳与紫红色坡积物,有学者将其划归为中更新统北海组地层[12]。东寨港地区现今的地貌格局形成与新构造运动密切相关。东寨港西部的演丰地区早—中更新世以来火山活动强烈[13],形成了玄武岩台地。东寨港地区为构造沉陷区,其演化过程直接受东西向马袅—铺前断裂及北西向铺前—清澜断裂第四纪正断层活动的影响。该地区晚新生代以来持续下沉,且晚更新世以后有加快趋势,总体沉降幅度>10 m[13~15]。东寨港以东的锦山剥蚀台地,其上覆有的厚层状风化壳及坡积物较好的指示了该地块长期处于稳定或微隆升状态。

图 1 琼北地区地质简图及已发表年龄分布图 Fig. 1 Simplified geological map of northern Hainan Island and the distribution of the published ESR dating of the Basuo Formation

琼东北地区晚新生代地层从老到新主要分为中新统长流组、上新统海口组、下更新统秀英组、中更新统北海组、上更新统八所组以及全新统冲洪积及风积物。其中中新统长流组为一套滨浅海相的砂泥质沉积和海陆交互相砂砾、含炭泥质沉积夹陆相—海相基性火山岩,上新统海口组为一套滨海—浅海相生物碎屑岩夹海相基性火山岩,下更新统秀英组下部为浅灰白色砂砾层,上部发育杂色风化壳,网纹化特征明显。上更新统八所组为一套褐黄—灰黄色,向下渐变为灰白色的中细砂沉积。地貌上表现为Ⅱ级河流阶地,海拔变化于2~8 m,呈长条状断续分布。由于其透水性良好,难以形成地表水流,故阶地面保存完整,地形平坦,前缘以20°~30°的陡坡与Ⅰ级阶地相连,厚度由南向北逐渐变薄。全新统在沿海地区主要为现代沙丘,在岗地河流边缘自下而上主要分为三段:①晚更新世末至中全新世溺谷沉积灰色砂质黏土;②海相青灰色淤泥和砂;③黄褐色粉砂质黏土或黏土质砂。

锦山剥蚀台地南部文昌沿海地区,断续分布有红色,棕红色半胶结状中细砂质沉积物,俗称“老红砂”。有关学者曾就其分布的地貌特征、粒度与风成砂及海成砂进行对比,认为是滨海相沉积[1, 16~17],其热释光及14C年龄表明,其形成时间距今50.6 ka~12.13 ka[12, 18~19]

2 研究区八所组地质特征

野外调查发现,琼东北部文昌地区八所组在不同区域其沉积相略有差异,主要沿东寨港以东的三江水、东寨河及锦山以东的珠溪河及其上游潮滩河、贝坡河Ⅱ级河流阶地分布,Ⅱ级河流阶地(T2)约拔河高度为2~8 m,由八所组地层组成,Ⅰ级河流阶地(T1)拔河高度约1~3 m,由全新世地层组成。其中古三江水及东寨河地区海拔介于2~8 m,八所组地层出露厚约0.5~3 m,颜色从上至下由黄褐色渐变为灰白色,岩性总体为含碳质及有机质的中细砂,砂的成分以石英为主,粒径为0.5~2 mm,无层理发育,层位较稳定,呈平行不整合覆于上更新统秀英组(Qp1x)杂色粘土之上(图 2a)。罗豆农场南约200 m处可见厚约1 m的灰白色含砾中细砂层露头(图 2b),砂的成分以石英为主,粒径为0.15~0.5 mm,砾石成分以玄武岩,花岗岩为主,砾径1~10 cm不等,砾石稍有磨圆,玄武岩风化较为严重。据文献记载,琼山7.5级地震之前,东寨港地区东寨河、三江水等水系发育[20~22],震后部分支流已没入现今港湾,成为埋藏古河道,东寨港是在东寨河的基础上持续缓慢的大幅度下沉变宽而逐步形成的[20]。该剖面出露的灰白色含砾中细砂应为古东寨河河流沉积所。

图 2 八所组沉积地层及采样位置 Fig. 2 Sedimentary strata and sampling locations of the Basuo Fermation

沿珠溪河及其上游贝坡河、潮滩河等T2阶地分布的八所组地层,海拔变化于3~8 m之间,地势平坦,坡度较为平缓,地貌由南至北呈现出“似簸箕”状特点。地层岩性为黄褐色、灰黄色向下渐变为灰白色的中细砂(图 2c2e),粒径为0.2~0.5 mm,含少量粘土,偶含砾石,砾石成分以石英为主,砾径2~5 cm不等,砾石稍有磨圆(图 2f)。砂粒分选性较好,成熟度高,一般不显层理,少数可见水平薄层理或小规模斜层理,其底部与三叠纪花岗岩或志留纪变质岩不整合接触,厚度由南向北变薄。

在抱罗镇西北部海拔30 m左右的位置偶见厚层状棕红色中细砂,含少量粘土,略胶结,呈垄状沿海岸线展布。

琼东北晚更新世发育两套地层:一套为滨海相或河流相沉积—八所组,另一套为红色海岸沙丘沉积—老红砂。在研究区,晚更新世地层主要为八所组,是河流相沉积,沿珠溪河及其上游潮滩河、贝坡河及锦山以西的三江水、东寨河分布;而另一种海岸沙丘成因的老红砂,平行于现代海岸线呈垄状分布。

3 ESR测年样品采集与测试 3.1 样品采集

在上述八所组覆盖区共采集ESR样品16个(表 1),包含钻孔样品5个,采自东寨河、珠溪河Ⅱ级河流阶地,取样深度1.3~6.1 m,其余样品均采于冯坡镇至抱罗镇一带地表露头,地貌上表现为贝坡河、东寨河及潮滩河Ⅱ级河流阶地。采样流程为:①除去剖面表层35~50 cm的风化层,以保证样品新鲜且无扰动;②使用直径6 cm,长20 cm,带尖刀钢管采集,密封保存,采样具体位置见图 3;③采样充分考虑遮蔽阳光。

表 1 八所组ESR测年样品位置表 Table 1 ESR dating locations of samples from the Basuo Formation

图 3 八所组样品ESR年龄分布图 Fig. 3 The location of ESR dating of the samples from the Basuo Formation
3.2 样品测试

所有样品ESR年龄测定均在成都理工大学应用核技术研究所年代实验室完成。预处理及实验过程为:①样品自然风干后,粉碎为0.20~0.125 mm粒级,用CIT-3000F数字化全自动铀钍钾谱仪和微机数据采集系统测定γ和α天然放射性,减少铀镭不平衡产生的铀含量误差,同时进行含水量校正;②分选出0.20~0.30 mm粒度单矿物石英样品,分成4份,每份120 mg进行热活化,置入钴-60辐照场进行定剂量辐照[23~25];③样品热活化后冷却一周,用电子自旋共振谱仪测定其顺磁中心浓度值。样品测量是在室温20~25 ℃条件下进行,顺磁测定用的是德国ER-200D-SRC型电子自旋共振谱仪,为控制样品的测量精度,在样品测量前后各测定一次标样的自旋共振谱,每一页谱图中顶底两条谱线分别为顺磁浓度标样谱图(图 4),顺磁中心浓度值通过与标样顺磁中心浓度值比较计算得到,标样顺磁中心浓度值为2.58×1015 g。天然放射性核素含量用的是CIT-3000F数字化自动铀钍钾谱仪,剂量监测使用国家技术监督局颁发的标准丙氨酸剂量计。

a-样品B007-1电子自旋共振图谱;b-样品QZ25-6电子自旋共振图谱 图 4 代表性样品电子自旋共振(ESR)谱图 Fig. 4 Typical ESR resonance spectra of quartz extracted from the samples
3.3 测试结果及误差分析

ESR波谱振幅测量、Th/U比变化及封闭状态的U、Th衰变对于误差的贡献分别小于或等于1.70%、4.10%及2.50%[25~26],最大叠合误差约为8.3%,考虑到其他可能产生的误差,最大应不超过10%。文章所采用的剂量监测误差实测值为3.2%,综合年龄误差为6.6%~9.6%。

样品周围的物质中放射性元素含量、年辐射剂量及ESR测年结果见表 2图 3,琼东北16个八所组中、细砂样品的ESR年龄在64.36~18.40 ka之间。综合琼东北不同地区的八所组ESR测年结果可以看出,其晚更新世中期开始沉积,且处于不同海拔的地貌部位其沉积相及风化的程度略有差异。

表 2 八所组ESR测年结果数据表 Table 2 ESR dating results of samples from the Basuo Formation
4 讨论 4.1 八所组地层的形成时代

一些学者曾采用热释光(TL)法和14C法对琼北不同区域的八所组中细砂层进行过年龄测定,认为其形成时代应为晚更新世晚期,如樊祺诚和孙建中等[27]获得了临高昌拱一带黄褐色砂的TL年龄为21 ka BP;曾华兰等[28]获得昌化棋子湾剖面黄褐色—浅黄砂的TL年龄结果介于10.30 ka BP~32.1 ka之间,文昌翁田浅黄色砂的TL年龄为14.4 ka[19],上述八所组年龄多集中于其上部地层。文章在琼东北Ⅱ级河流阶地剖面上所获得16个八所组ESR年龄结果表明(表 2),八所组的沉积时代为晚更新世中晚期(64.36 ka~18.4 ka BP)。此外,张仲英等[29]对文昌翁田、清澜港西沿海一带钻孔内老红砂及砂间淤泥进行的TL与14C测年结果表明,老红砂沉积时代分别为14.4 ka BP,12.13 ka BP及12.4ka;许峰宇、张仲英等[19, 28~29]获得的琼东北清澜港、八所及文教一带的海岸风成砂丘成因老红砂热释光(TL)年龄为12.13~51.9 ka,时代亦属晚更新世中晚期。因此,老红砂与八所为同期异相沉积,由于其成因上的差异,该套地层是否应沿用八所组地层命名,还需进一步研究。

4.2 琼东北晚更新世海平面变化与地壳运动探讨

侵蚀基准面降低,河流的下切被认为是河流台阶状地貌形成的关键阶段。侵蚀基准面实际上是一个假想的控制河流下切的水平高度或水平面,海平面通常被认为是侵蚀基准面的典型。Schumm等[30]认为侵蚀基准面下降导致河流下切与基准面变化的速度、量、持续时间长短甚至河道模式、宽度、深度及粗糙度的变化等相关。一般来说,基准面下降速度快,降低量大,持续时间比较短的情况下,基准面变化导致河流下切的效应就比较明显[31]。末次冰期冰盖大量积累,在全球海陆水分动力平衡的状态下,海平面发生急剧变化。研究表明全球海平面在末次冰期期间较现在降低了130 m左右[32], 其中南海北部MIS2时期的最低海平面曾低于-70~-90 m,MIS4时期为-120~-130 m[33~34]。侵蚀基准面的降低可能导致河流的下切和河道向下游的延伸。此外,末次冰期气候的高度不稳定性引发一些极端的气候事件,如大规模洪水可迅速增强河流的下蚀能力。上述两种因素叠加可能使河流下切能力大大增强。在末次冰期中国南海北部陆架低海平面时期发育了大量的古河道系统[35],在海南岛以东的滨海平原上,形成了沼泽、牛轭湖及河流等三角洲平原相分布的格局[36~37]。该时期内海平面的频繁波动及地壳的差异性升降使得琼东北地区河流下切作用增强,同时,琼北地壳由差异性的升降运动转为整体缓慢抬升,其中琼东北地区抬升强烈,据报道分布于罗豆地区Ⅱ级阶地上的乌树村贝壳沙堤(14C年龄为0.43~0.46 kaBP)被抬升至3.3~7.5 m高度不等,高出Ⅰ级阶地3~8 m[38~40];东寨港的后港至大墩一带, 原为一条古海沟, 后因地壳抬升而演变成为一级海成阶地[40]。地壳抬升与海平面频繁升降共同作用下促进了琼东北形成河谷地貌的发育及阶地的形成。琼东北地区横切剖面(A-A′)显示,该地区发育2级河流阶地,其中T2级阶地为晚更新世中期沉积的八所组地层,自沉积后被抬升至现今高度(图 5)。因此,八所组地层的发育,在一定程度上能够反映末次冰期以来琼东北河流的下切及地壳抬升的幅度。

图 5 琼东北地层横切剖面图 Fig. 5 Cross stratigraphic section in the northeastern Hainan Island

晚第四纪以来,琼北的新构造运动以差异性的升降为主,琼东北的云龙隆起地块随雷琼凹陷晚新生代总体下沉,中更新世相对上升。东寨港地区位于云龙隆起地块上,但内部存在较明显的差异性运动,自西向东可划分为东寨港瀉湖平原及锦山剥蚀台地两大地貌单元。东寨港潟湖平原晚新生代以来一直持续下沉,且在中更新世以来沉降加速;锦山剥蚀台地长期处于较稳定或微隆升状态,很可能为雷琼凹陷之外的另外一个地块,其基底上覆有的网纹状的红色风化壳及紫红色坡积物是否应划归为中更新统北海组还有待商榷。

5 结论

文章对广泛分布于琼东北珠溪河及古三江河一带Ⅱ级阶地的八所组黄褐色中细砂质沉积物进行了系统的ESR测年,并对其所代表的构造意义进行了探讨,其初步结论如下。

(1) ESR测年结果表明:该套地层发育年龄为64.36~18.8ka,即晚更新世中期。

(2) 琼北地区存在多个隆起与凹陷区,琼东北的云龙隆起地块随雷琼凹陷晚新生代总体下沉,中更新世相对上升。东寨港地区位于云龙隆起地块上,但内部存在较明显的差异性运动,以东寨港为界自西向东可划分为东寨港潟湖平原及锦山剥蚀台地两大地貌单元。东寨港潟湖平原晚新生代以来一直持续下沉,且在中更新世以来沉降加速;锦山剥蚀台地长期处于较稳定或微隆升状态,很可能为雷琼凹陷之外的另外一个地块,其基底上覆有的网纹状的红色风化壳及紫红色坡积物是否应划归为中更新统北海组还需进一步研究。此外,琼东北八所组地层的沉积时代对应了末次冰期的MIS4~MIS2阶段,河流的下切与阶地的形成在一定程度上可以反映该时期内琼东北地区海平面的波动频繁与地壳的间歇性抬升。

(3) 沿现代海岸风沙强烈作用地带分布的老红砂,是与八所组同期异相的风成堆积,应与八所组地层加以区分。

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