Research on environmental geology problems and controlling measures in Daqing City
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摘要: 通过统计、对比等方法,在大庆市环境地质问题调查研究的基础上,分析、归纳了大庆市存在环境地质问题的类型、规模、产生原因、危害程度等;并有针对性地提出了相应的防治对策.
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1. 引言
西准噶尔位于西伯利亚、哈萨克斯坦和塔里木三大陆板块的交汇处，是中亚造山带的核心地带（肖文交等, 2008），主要由一系列的增生杂岩带、古生代岩浆弧构成，由北至南依次为西准噶尔增生杂岩带、博什库尔—成吉斯岩浆弧、扎尔玛—萨吾尔岩浆弧、额尔齐斯—斋桑缝合带(Windley et al., 2007)（图 1a）。晚古生代是准噶尔盆地构造体制的重要转折阶段（尹继元等, 2011; 徐新等, 2010）, 发生了多期陆相火山喷发、大规模的富碱岩浆侵入；西准噶尔地区出露大量的A型花岗岩，被认为是后碰撞地壳垂向生长记录者(Chen et al., 2004; 韩宝福等, 2006)，前人对西准噶尔晚古生代侵入岩研究中积累了大量的锆石U-Pb年龄数据、地球化学数据（尹继元等，2013）。二叠纪火山作用是西准噶尔地区晚古生代最晚的火山作用，卡拉岗组火山岩在西准噶尔北部及南部广泛分布，南部地区托里一带为一套酸性火山熔岩及碎屑岩, 形成于早二叠世（298±3）Ma(高翔等, 2014)；在北部地区集中产出于萨吾尔山及沙尔布尔山一带，萨吾尓山一带为一套陆相酸性—中性—基性火山岩，具双峰式火山岩特征，形成于早二叠世（283~280）Ma(周涛发等, 2006)。综上所述，前人对托里地区及萨吾尔山一带卡拉岗组火山岩有较为深入的研究，沙山布尔山一带巴音达拉地区卡拉岗组火山岩研究较为薄弱，木合塔尔（1994）对该组火山岩进行了岩相学及少量地球化学研究，沙尔布尔山巴音达拉地区卡拉岗组火山岩在年代学、岩石地球化学具有怎样的特征，显示何种构造背景。基于此，本文对沙尔布尔山西段巴音达拉地区下二叠统卡拉岗组火山岩进行较详尽的岩石学、同位素年代学、地球化学研究，并对其形成的构造环境进行探讨，完善西准噶尔地区二叠纪火山作用特征，为研究西准噶尔北部地区后碰撞的演化及古生代地壳增生作用和动力学背景等提供新的证据。
图 1. 区域构造及地理位置简图(a, 据Chen Jiafu et al., 2010修改)和巴音达拉地区地质简图（b）Figure 1. Tectonic setting and location map (a, modified after Chen et al., 2010) and simplified geological map of Bayindala area (b)2. 地质背景
西准噶尔北部由南向北依次分布着近北东-南西走向的吾尔喀什尔山，近东西走向的谢米斯台山、赛尔山、沙尔布尔山、塔尔巴哈台山和萨吾尔山（图 1a）。
研究区位于西准噶尔地区北东段、沙尔布尔山西部巴音达拉地区，卡拉岗组酸性火山岩近北东向展布，该火山岩与中奥陶统布鲁克其组、沙尔布尔组呈断层接触关系，与下伏地层哈尔加乌组呈整合接触关系，上覆新近系独山子组石英砾岩及第四系松散堆积层(图 1b)。
区内主要出露奥陶纪至二叠纪地层，侵入岩不发育，仅见少量酸性岩脉。地层由老到新有中奥陶统布鲁克其组（O2b），主要岩性为安山岩、火山角砾岩、凝灰质砂岩；中志留统沙尔布尔组（S2s），主要岩性为凝灰质砂岩、砂岩、粉砂岩；上—顶志留统克克雄呼都克组(S3-4kk)，主要岩性为砂岩、条带状粉砂岩、泥质粉砂岩；下二叠统哈尔加乌组（P1h），主要岩性为玄武岩、安山岩、安山质凝灰岩；卡拉岗组（P1k）火山岩主要岩性为英安岩、流纹岩。沙尔布尔组角度不整合于布鲁克其组之上，与卡拉岗组呈断层接触关系。
3. 岩石学特征
卡拉岗组火山岩主要岩性为英安岩、流纹岩夹少量的霏细岩及流纹质熔结凝灰岩夹少量中基性火山岩。
流纹岩呈灰白-浅褐色，略显流纹构造，具有斑状结构，斑晶由正长石组成，斑晶含量3%，粒度0.2~ 2 mm不等，含少量斜长石。正长石具高岭土化，大部分正长石斑晶环边分布有微粒石英，斜长石具高岭土化、轻度绢云母化，基质则主要由微晶长石和石英组成。
英安岩呈褐灰色-深灰色，具斑状结构，斑晶含量较少，约占5%，主要为石英、钾长石，含少量黑云母，石英呈溶蚀港湾状分布，基质主要由长英质组成，长英质呈球粒包含微晶结构，并有绢云母化，在长英质集合体之间分布有少部分细粒石英、斜长石及蚀变鳞片状绢云母。
流纹质玻屑熔结凝灰岩，颜色呈褐红色，熔结凝灰结构，岩石主要由塑变玻屑组成，含量约占92%，分布少部分晶屑、浆屑，分别占5%及3%。玻屑呈假流纹构造，由隐晶长英质、微晶石英组成，在塑变玻屑中分布有钾长石晶屑及酸性熔岩浆屑，浆屑具高岭土化。
4. 样品特征与分析方法
本文在野外路线调查和剖面测制基础上共采集了2件新鲜无蚀变的样品，进行锆石U-Pb同位素测年分析，英安岩（PKTW01）地理座标：86°31′04″ E，46°42′27″N；流纹岩（PKTW02）地理坐标：86°39′ 07″E，46°44′58″N。每件样品重约20 kg，样品破碎、锆石挑选由河北省区域地质矿产调查研究所完成，阴极发光显微照相由北京锆年领航科技有限公司完成，锆石U-Pb同位素分析由中国科学院广州地球化学研究所实验室的激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪（LA-ICP-MS）上进行，同位素组成用国际标准锆石91500作为外标，激光光束束斑直径32 μm。锆石测定点的Pb同位素比值、U-Pb表面年龄和U- Th- Pb含量采用ICPMSDataCal程序和Isoplot程序进行数据处理（Liu et al., 2008）。
主微量元素样品采集时尽量避开接触带、蚀变带和断裂破碎带等，样品PKY01~03沿构造线方向采集，PKY04~06垂直于构造线方向采集，确保样品具有代表性，选择较新鲜、气孔和杏仁体较少的样品进行测试。对于一些有杏仁体的样品，先在颚式刚玉对滚机上将其粉碎到厘米级大小，剔除含杏仁的部分，部分含细小方解石的样品用盐酸浸泡后再清洗干净后，用于分析。地球化学分析的样品岩性主要为流纹岩、英安岩。岩石样品主量元素与微量元素测试由新疆矿产实验研究所完成，主量元素测试方法为X射线荧光光谱分析（XRF），主量元素分析精度和准确度优于5%，微量元素测试方法为X系列电感耦合离子质谱仪分析（ICP-MS），微量元素的分析精度和准确度优于5%。
5. 分析结果
5.1 锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄
从卡拉岗组火山岩中英安岩、流纹岩选取的锆石为浅黄色-无色透明呈长柱状自形晶体，柱状长宽比为1:1~3:1，阴极发光图像(图 2a、b)显示锆石韵律环带结构清晰，具有典型的岩浆成因锆石的特征。
图 2. 西准噶尔卡拉岗组火山岩英安岩锆石阴极发光图像（a）流纹岩锆石阴极发光图像（b）Figure 2. Dacite CL images (a) and rhyolite CL images (b) from the Kalagang volcanic rocks in West Junggar英安岩9颗锆石Th含量变化范围为197.0×10-6~ 316.0×10-6，U含量变化为200.5×10-6~378.4×10-6，样品锆石均具有较高的Th/U比值为0.69~1.21，属于典型岩浆成因锆石的范围(Hoskin et al., 2000)（表 1）。英安岩9颗锆石的年龄均落在谐和线上或其附近，206Pb/238U加权平均年龄为（294.4 ± 1.3）Ma（MSWD=0.80）（图 3a）。
表 1. 西准噶尔卡拉岗组火山岩锆石LA-ICP-MS U-Pb定年数据Table 1. LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results for Kalagang volcanic rocks in West Junggar
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图 3. 西准噶尔卡拉岗组火山岩英安岩锆石U-Pb年龄谐和图（a）、流纹岩锆石U-Pb年龄谐和图（a）Figure 3. U-Pb concordia plots of zircons from dacite (a) and U-Pb concordia plots of zircons from rhyolite(b) of Kalagang volcanic rocks in West Junggar流纹岩9颗锆石Th含量变化范围为87.2×10-6~ 227.9×10-6，U含量变化为89.7×10-6~217.9×10-6，样品锆石均具有较高的Th/U比值，为0.72~1.05，属于典型岩浆成因锆石(Hoskin et al., 2000)（表 1）。流纹岩9颗锆石的年龄均落在谐和线上或其附近，206Pb/238U加权平均年龄为（298.4±2.5）Ma，（MSWD=3.4）（图 3b）。
锆石U-Pb年龄一致性较差，可能为岩石遭受了轻微的蚀变，导致锆石中放射成因铅发生了不同程度的丢失。
5.2 主量元素特征
从卡拉岗组火山岩样品的主微量元素地球化学分析结果（表 2）可以看出：卡拉岗组火山岩主要由英安岩和流纹岩组成，其中英安岩主量元素具有较高的SiO2含量（66.69%~68.29%），高铝（Al2O3= 15.98% ~16.32%），相对较低的MgO（0.84% ~ 1.32%）、TFe2O3（2.62%~3.14%），富碱（K2O+Na2O= 6.98%~8.35%），富钠（K2O/Na2O=0.66~0.89），相对贫钙（1.10%~2.49%）的特征。流纹岩主量元素具有高硅（SiO2=74.85% ~75.21%），低钛（TiO2=0.22% ~ 0.27%），相对较高铝（Al2O3=13.47%~14.27%），低MgO（0.18%~0.29%）、TFe2O3（0.66%~0.84%）；富碱（K2O+Na2O=7.57%~8.08%），富钾（K2O/Na2O=1.51~ 1.76），贫钙（0.24%~0.57%）的特征。
表 2. 卡拉岗组火山岩主量元素（%）与微量元素（10-6）分析结果Table 2. Major elements (%) and rare earth elements(10-6) of Kalagang Formation volcanic rocks
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卡拉岗组火山岩在SiO2-（Na2O+K2O）图解中，样品主要落在英安岩-流纹岩区域内（图 4a），总体属于亚碱性系列岩石；铝饱和指数A/CNK=1.14~ 1.33，属于过铝质系列, 具有壳源岩石过铝的特点，里特曼指数（σ）为1.79~2.72（平均2.16），属于钙碱性岩系；在SiO2-K2O判别图解上（图 4b），岩石样品均落在高钾钙碱性系列。
图 4. 西准噶尔卡拉岗组火山岩岩石类型和系列划分图解a—SiO2-(K2O+Na2O)图解(据Middlemost, 1994); b—SiO2-K2O图解(据Wilson, 1989)Figure 4. Classification and series of diagrams of the Kalagang volcanic rocks in West Junggara-SiO2-(K2O+Na2O) diagram (after Middlemost, 1994); b-SiO2-K2O diagram (after Wilson, 1989)5.3 稀土元素特征
卡拉岗组火山岩可分为英安岩与流纹岩两类，流纹岩较英安岩有较高的稀土总量，∑REE流纹岩为193.51×10-6~197.61×10-6，英安岩为83.82×10-6~ 92.64×10-6；两者在稀土元素球粒陨石标准化配分模式图上都具有轻稀土元素富集的右倾特征（图 5a），轻重稀土元素比值（LREE/HREE）为4.59~8.91、8.91~11.23，分馏系数(La/Yb)N为3.15~9.36、8.47~ 12.50，反映两类火山岩均相对富集轻稀土元素，亏损重稀土元素，而英安岩则发生了更明显的轻重稀土元素分异。流纹岩(La/Sm)N、(Gd/Yb)N分别为4.59~5.70、0.47~1.23，英安岩(La/Sm)N、(Gd/Yb)N分别为4.08~5.37和1.24~1.55，说明两者轻稀土元素之间存在较强的分馏，重稀土元素之间分馏不明显。此外流纹岩具有较明显负Eu异常(δEu值为0.35~0.38)，英安岩无明显负Eu异常(δEu值为0.94~1.03)，反映了随着岩浆演化，酸性程度增大，斜长石发生了分离结晶或部分熔融作用。
Figure 5. Chondrite-normalized REE-patterns (a, chondrite data after Boyoton, 1984) and primitive mantle normalized spider diagram (b, primitive mantle data from Sun and McDonough, 1989) for Kalagang volcanic rocks5.4 微量元素特征
由微量元素原始地幔标准化蛛网图（图 5b）可见，不同岩石类型的微量元素质量分数差距较小，蛛网图形态基本相似，代表了不同岩石类型同源演化的特点。均相对富集大离子亲石元素（LILE）、Rb、Th、U、K，相对亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素，流纹岩具有更亏损Ba、Sr、Ti的特征。Nb和Ta的相对亏损指示其岩浆可能来源于地壳重熔，也可能经历了富Nb、Ta矿物的结晶分异作用。Sr负异常指示岩体在形成过程中，岩浆发生了斜长石的分离结晶作用, 或岩浆源区残留有斜长石。P、Ti偏低可能与磷灰石、钛铁氧化物的结晶分异有关。
6. 讨论
6.1 卡拉岗组酸性火山岩形成时代
卡拉岗组火山岩在邻区和本区不整合于克克雄库度克组(S3-4kk)、洪古勒楞组(D3C1h)之上, 被第四系覆盖。研究区卡拉岗组酸性火山岩具有特殊的球泡构造，此特征是西准噶尔地区早二叠世卡拉岗组火山岩具有代表性的典型特征。前人在沙尔布尔提山东部乌兰哈达地区卡拉岗组沉凝灰岩中发现匙叶Noeggerathiopsis sp.、瓦契杉Walchia sp.、鳞木Lepidodendron sp、车轼介Whippella sp等化石而认为其形成于早二叠世（木合塔尔等, 1994）。
谭绿贵等（2007）在西准噶尔萨吾尔地区卡拉岗组英安岩、流纹岩进行了40Ar-39Ar精确测年, 获得英安岩坪年龄为(283±2) Ma(2σ)，流纹岩坪年龄为(280±2) Ma，高翔等（2014）西准噶尔托里地区卡拉岗组火山岩中的英安岩进行了LA-ICP-MS测年，锆石U-Pb年龄为(293±3) Ma。本文分别对西准噶尔沙尔布尔山西段的卡拉岗组酸性火山岩中的英安岩和流纹岩进行了年代学研究，获得卡拉岗组组英安岩的锆石LA- ICP- MS U- Pb年龄为(294.4±1.3) Ma, 流纹岩的锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄为(298.4±2.5) Ma。由此可见，沙尔布尔山西段巴音达拉地区的卡拉岗组火山岩与西准噶尔其他地区卡拉岗组火山岩具有相同的年代学特征，主要形成时代均为早二叠世。
6.2 岩石成因
卡拉岗组火山岩具有较高的SiO2和低Mg值（Mg#=29.8~46.6, 平均值42.1）的特点，Cr、Co、Ni质量分数分别为2.24×10-6~12.2×10-6、4.18×10-6~6.56× 10-6、3.72×10-6~14.8×10-6，远低于原始地幔质量分数值(Rudnick et al., 2003)（Cr=1020×10-6、Co=105×10-6、Ni=2400×10-6），表明其不可能是幔源岩石部分熔融的产物。英安岩与流纹岩的K2O/TiO2比值分别为9.0~12.4、18.0~22.0，变化范围较小，说明两者具有相似的源区性质。卡拉岗组火山岩总体为过铝质的高钾钙碱性火山岩, 相对富集轻稀土元素及大离子亲石元素，亏损重稀土元素及高场强元素。不同类型岩石微量元素及稀土元素相互平行，具有较为一致的元素特征及配分形式，也说明它们具有一致的岩浆源区。
微量元素组成上，研究区卡拉岗组火山岩以富集大离子亲石元素(LILE)和轻稀土(LREE)元素，亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素为特征，显示火山岩具有壳源岩浆的典型特征(Rudnick et al., 2003)。地壳与地幔的物质组成表明，地壳一般Ti亏损、Zr富集。本文酸性火山岩亏损Ti、富集Zr，从地壳与地幔一般性的物质组成特点推测，该酸性火山岩很可能源自地壳物质。地壳一般亏损Nb、Ta，蛛网图上的Nb-Ta槽也说明岩石与陆壳密切相关。酸性火山岩的La/Ta比值为22.9~38.9, 平均值为30.5，接近接近地壳的La/Ta比值(≈29，Rudnick, 2003)，Nb/Ta比值为12.0~15.2，平均值为13.5，接近于地壳平均值(11~12) (Green, 1994)；Ti/Zr=5.9~13.1(< 20), 均位于壳源岩浆范围之内(Pearce, 1983; Tischendorf and Paelchen, 1985)。由此认为研究区卡拉岗组火山岩其源区应以地壳为主。
卡拉岗组英安岩SiO2含量66.69%~68.29%，具有相对较高的Ba和Sr含量，Eu具弱的负异常或无异常，流纹岩SiO2含量74.85%~75.21%，具有相对较低的Ba和Sr含量，Eu负异常明显，说明原岩在演化过程中发生了分离结晶作用或者源区原岩发生了不同程度的部分熔融。
卡拉岗组的酸性火山岩CaO、MgO、TFe2O3和TiO2含量变化非常小，说明不存在明显的分离结晶过程，K/Rb为357.1~403.9 > 150, 表明岩浆分异或水热作用不明显（Dostal and Chatterjee, 2000）。事实上，对于如此高硅的酸性岩浆来说，很难发生强烈的分离结晶作用，因此说明卡拉岗组火山岩更可能是壳源岩石部分熔融的产物。
卡拉岗组火山岩具有弱-中等的Eu负异常说明在熔融过程中有少量斜长石做为残留相。由于石榴石强烈富集HREE，角闪石富集MREE（Green, 1994），卡拉岗组火山岩样品HREE分布较为平缓，MREE相对于HREE略为亏损，暗示部分熔融后的残留物中可能含有少量角闪石，不含石榴石。
综上所述：卡拉岗组火山岩岩浆由壳源物质经不同程度部分熔融形成，残留相中有少量斜长石和角闪石。
6.3 构造背景及地质意义
本文在卡拉岗组火山岩英安岩和流纹岩已获得LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄(294. 4 ± 1.3) Ma (MSWD = 0. 8)和(298. 4 ± 2. 5) Ma (MSWD = 3.4)，均落在前人获得的西准噶尔A型花岗岩体的年龄范围之内。
研究区卡拉岗组的碎屑岩呈夹层分布于火山岩中，表现出明显的受间歇性火山活动控制的特点，主要岩性为沉凝灰岩、凝灰质砂岩。西准噶尔晚古生代残余洋盆结束于早石炭世之前, 从早石炭世残余洋盆整体隆升消亡至早二叠世成熟陆壳形成，准噶尔地区发生了一系列构造-岩浆事件（韩宝福等，2006）。包括3期陆相火山-沉积岩系形成，高侵位小型闪长岩、石英闪长岩、花岗闪长岩系列向大型富碱花岗岩深成岩A型系列转化，即新生花岗闪长质过渡型地壳向成熟花岗质大陆壳转化的复杂的深部作用过程（周涛发等，2006）。研究区分布的二叠系卡拉岗组就是在上述构造演化过程中陆相火山-沉积作用的产物。
卡拉岗组流纹岩具有强烈的负Eu异常，大离子亲石元素（LILE）K、Rb和LREE相对富集，Ba、Sr出现强烈的负异常，高场强元素（HFSE）Nb、Ta、P、Ti强烈亏损，微量元素组成类似于非洲肯尼亚裂谷碱性流纹岩（Wilson，1989）；（Zr + Ce + Nb + Y）介于346.1×10-6~365.5×10-6，平均值355.8×10-6，大于A型花岗岩的下限值350×10-6（Whalen et al., 1987），具有A型流纹岩的特点，Y/Nb为1.01~1.47（平均值1.30）> 1.2，属于A2亚类(Eby et al., 1992)，说明卡拉岗组火山岩可能形成于后碰撞伸展阶段。
区域构造研究表明，新疆北部及邻区二叠纪处于伸展拉张的构造背景（李锦轶等, 2002; Xiao et al., 2004）, 主要表现为大规模的幔源花岗岩底垫（Jahn et al., 2000）, 西准噶尔地区在287~310 Ma期间发育大量后碰撞A型花岗岩（韩宝福等，2006；苏玉平等，2006；童英等，2010；魏荣珠，2010；杨高学等，2013; 刘阁等，2016）；并且伴随活跃的火山活动（李锦轶等, 1999; 周涛发等, 2006），萨吾尔地区、托里地区、巴音达拉地区均发育具有后碰撞特征的流纹岩；三塘湖地区、红柳河地区及萨吾尔地区均发育相应的二叠纪板内玄武岩（赵泽辉等，2006；潘金花等，2008；周涛发等，2006）。这些具有后碰撞特征A型花岗岩、流纹岩以及板内玄武岩，均形成于伸展构造环境，揭示出新疆北部及邻区二叠纪处于地壳伸展状态。
7. 结论
（1）对卡拉岗组火山岩进行了精确锆石LAICP-MS U-Pb定年，获得英安岩的加权平均206Pb/238U年龄为（294. 4 ± 1.3）Ma，流纹岩的加权平均206Pb/238U年龄为（298. 4 ± 2. 5）Ma。
（2）卡拉岗组火山岩岩浆由壳源物质经不同程度部分熔融形成，残留相中有少量斜长石和角闪石。
（3）巴音达拉地区卡拉岗组火山岩与新疆北部及邻区（三塘湖地区、萨吾尔地区及托里地区）二叠纪火山岩具有相似性，均形成于后碰撞伸展构造背景。
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