本次研究对小山火山进行了详细的野外勘察。在小山火山口东侧隆丘发现了火山碎屑涌流堆积地层，地层分为南北向和东西向两组。南北向地层呈阶梯状展布，水平方向出露长约6m，做连续剖面HX-1、HX-2和HX-3；近东西向地层在水平方向上展布约20m，做剖面HX-5。从两个地层中分别采集了ESR测年样品。同时，在小山火山的东侧实施了钻探工程，从钻孔中采集了测年样品。

1.1 HX-1、HX-2和HX-3连续剖面样品采集(GPS: 117°34′33.896″E, 38°10′27.351″N)

南北向地层整体厚度约3.8m，地层向东倾，从上往下，倾角变小，顶部为风成沙堆积。火山堆积物，从地貌、地层特征上可分为3层，分别称为HX-1、HX-2和HX-3(图2)。

图2

Fig. 2

图2 采样剖面HX-1、HX-2、和HX-3及采样点示意图 (a)-火山堆积物中的交错层理;(b)-HX-1, HX-2和HX-3剖面照片 (c)-HX-1, HX-2和HX-3剖面的采样点 Fig.2 Sampling sites in HX-1, HX-2, and HX-3 sections (a)-cross texture of volcanic deposit; (b)-photo of HX-1, HX-2, and HX-3 sections; (c)-sampling in HX-1, HX-2, and HX-3 sections

HX-1剖面厚度为2m，顶部为残坡积物，厚度为60cm；中下部为灰色火山碎屑涌流堆积地层，发育交错层理(图2 a)、斜层理，有固结，碎屑成分主要为黑色火山渣碎屑和灰黄色“基岩”碎屑，粒度分选好，火山灰支撑结构，最大粒径为10cm，基本未见火山弹。采集样品HX-1。

HX-2剖面厚度为1.3m，整体为灰黑色，单层厚度较大，粒度大于HX-1剖面，熔结程度强于HX-1剖面，火山灰基质支撑结构。采集样品HX-2。

HX-3剖面厚度为0.5m，与HX-2剖面相似，采集样品HX-3。

图3

Fig. 3

图3 采样剖面HX-5及采样点示意图 Fig.3 Sampling sites in HX-5 section

1.3 小山东侧钻孔样品采集(GPS: 117°34′33.896″E, 38°10′27.351″N)

在小山火山东侧隆丘上进行了钻探施工(钻孔编号为K4)，钻孔深约150m，其中19.2~36m之间含有火山碎屑堆积层，与上述火山堆积层相似，发育交错层理、斜层理，为灰黑色凝灰岩。火山碎屑层上部为风成沙堆积层，下部位海相粉砂堆积层。在该钻孔中采样了2个样品(如图4)。

图4

Fig. 4

图4 河北沧州小山东侧钻孔岩芯及采样位置 Fig.4 Location of sampling and drill core of the east Xiaoshan in Cangzhou, Hebei Province

石英来源分析：如前所述，小山火山堆积物主要为岩屑凝灰岩、沉凝灰岩、凝灰质砂层与粘土层。如果只是凝灰岩，则样品中不可能有石英颗粒存在。但是，在实验室中我们分离出了典型的石英颗粒(图6)，并获得了典型的石英ESR图谱(图5)。因此小山火山堆积不是只有火山物质的凝灰岩，而是同时伴有周边地表物质的堆积，沉凝灰岩、凝灰质砂层与粘土层的存在，说明火山碎屑堆积物受到过改造。

图6

Fig. 6

图6 样品HX-3中的石英颗粒显微照片 Fig.6 Microphotographs of quartz grains in the sample HX-3

对于碎屑沉积物，ESR法是测定其最后一次曝光或者热事件以来，即最后一次埋藏以来的年龄。ESR法测定的矿物为碎屑沉积物中的石英。石英从形成矿物以来，受周围和本身放射性元素衰变产生的射线作用一直在积累ESR信号。在释光和ESR测年中，使原先积累起来的释光信号和ESR信号减少的作用称为“回零”作用，不能“回零”的信号称“残留信号”。石英的ESR信号受到热事件或阳光晒退能产生“回零”作用，高温的热作用可以使信号完全回零；对于碎屑沉积物中的石英，在埋藏发生之前，没有受过热事件，只有曝露在阳光下的经历，即只经过光晒退。石英ESR Ge心经光照几十分钟后，其信号可完全消失(Tanaka et al., 1985; Buhay et al., 1988; 业渝光等, 1993; Toyoda et al., 2000)。其寿命为普遍认为几十万年，即适合测定距今十万年以来的样品(业渝光等, 1993; Shimokawa and Imai, 1987; Fukuchi, et al., 1986; Ye et al., 1993)。目前采用ESR技术测定沉积物或受过热作用样品的实验流程是完善的，其测年结果是可靠的(Rink, 1997)。

从表1可知，本次7个火山堆积物样品的ESR年代学结果在误差范围内一致，也说明年代学结果的可信。也说明规模极小的沧州小山火山是在较短时间内完成堆积的。邵时雄等(1983)和河北省地质矿产局(1989)对凝灰质沉积物进行了古地磁测定认为河北沧州小山火山的时代为更新世末期，是华北平原第四纪中的第四期火山，也是最新一期火山。而冯金良(1997)对小山火山物质上覆的风积物时代进行研究，结果为全新世晚期，时间小于距今3000年。陈道公和彭子成(1985)对离沧州小山不远的山东无棣大山玄武岩做过K-Ar同位素年龄测定，结果为0.55~ 0.86Ma，属于中更新世火山。大山火山是华北平原第四纪中的第三期火山(河北省地质矿产局, 1989)。从本次年代学研究可知，沧州小山与山东大山火山确实是不同期次的火山。

本次通过对河北沧州小山火山活动年代学的研究，初步获得以下认识：

(1)从地表和钻孔中采集了7个样品，都分选出石英颗粒，表明火山堆积物不是纯的凝灰岩，而是火山活动时，同时带有地表物质的混入。

(2) ESR年龄在误差范围内一致，平均为41.4±8.6ka，小山火山活动可能发生于41ka BP.，最后一次火山活动在晚更新世晚期，因此小山火山不是全新世活动火山。

本次工作得到中国地震局地质研究所闵伟研究员、周本刚研究员等的帮助；北京大学钴源实验室李久强教授为本次研究样品进行了辐照；二位审稿人提出了许多宝贵有益的意见；在此一并表示衷心感谢。