1 地質概況
北京周口店位于華北平原西北緣, 太行山脈北端東側。其難得之處在于在不大的面積內匯集了類型繁多的地質構造與相對齊全的巖石種類。本文中的太平山位于周口店房山巖體南緣, 為向斜構造, 整個地區受到淺變質作用。文中主要對比太平山南北坡的地層巖性, 進而探究其沉積環境, 前人對此處的沉積研究尚不充足且對三好礫巖是河流相還是海相沉積尚存異議注, 本文可為周口店教學與華北板塊中石炭紀的沉積環境研究提供解釋與參考。
華北地區奧陶世早期為淺海, 而從奧陶世末至早石炭世為高出海面的平原, 中、晚石炭世盆地基底沉降, 又接受了沉積, 至陜西南銅川一帶為北西向臺隆阻隔。自晚石炭世晚期起, 海侵方向改變為從南方侵入。華北北緣西端古隆起上的這些小型盆地與華北大型盆地沉積顯著不同, 以富含陸源砂礫為特征, 本文中研究地區即在此區域。東部盆地沉積以北東向的郯廬斷裂為界。東北緣, 盆地沉積展布到吉林境內[1]。
2 分布及沉積特征
在太平山地區踏勘的過程中, 有一處差別引起筆者的注意, 太平山的南北坡巖性與厚度差別很大。太平山南坡本溪組有5種巖性6套地層, 自下而上依次為:硬綠泥石角巖、紅柱石角巖、雜色板巖、生物碎屑灰巖 (唐山灰巖) 、壓力影板巖和紅柱石角巖, 其厚度約為40m;而在北坡, 只有2層, 自下而上分別為三好礫巖與硬綠泥石角巖, 厚度約30m, 其上可見零星紅柱石角巖, 但因其量很少, 故不做討論。那么為什么太平山兩側時代相同的地層有這么大的差異?筆者對此現象進行了一下分析。
在研究本溪組的古沉積環境時, 筆者將馬家溝組灰巖與太原組煤線作為上下參考界線。本溪組以下是下奧陶統的馬家溝組灰巖, 青灰色厚層灰巖、紋帶灰巖、及灰白色白云質灰巖, 夾薄-厚層白云質灰巖, 厚約124m~243m注, 因太平山處發生構造運動而大幅減薄。在本溪組之上是上石炭統太原組, 其中夾劣質煤層。再來看本溪組的巖性, 南坡的巖石其原巖多為泥巖、砂巖和灰巖。具體實測文字剖面描述如下。
太平山地區本溪組 (C2b) 。
主要分布于太平山、煤炭溝及?？谟畮? 面積為0.15km2。以太平山南坡為例, 巖性組合主要為灰綠色硬綠泥石角巖, 白色柱狀、灰色紅柱石角巖, 雜色砂質、粉砂質板巖, 灰色生物碎屑灰巖, 灰色壓力影板巖。太平山北坡于該組底部出現底礫巖 (三好礫巖) 。含化石:Fusulina sp. (紡綞蜓) 及蜓、腕足類、雙殼類、植物類等碎片。與下伏地層呈平行不整合接觸, 代表了一次構造升降運動——加里東運動。太平山南坡詳細文字剖面描述如下。
(10) 灰黑色板巖, 頂部見煤線
………………………………1.0m
(9) 灰白色紅柱石石英砂巖
………………………………7.5m
上覆地層為太原組 (C3t) 。
整合接觸。
本溪組 (C2b) :厚38.8m。
(8) 灰色-灰黑色紅柱石角巖
………………………………9.3m
(7) 灰色、淺灰色壓力影板巖
………………9.5m
(6) 灰色生物碎屑灰巖
………………………………2.8m
(5) 雜色 (灰-深灰色、黃-灰黃色、褐色、粉紅色等) 砂質、粉砂質板巖……10.5m
(4) 灰色紅柱石角巖
………………………………4.9m
(3) 灰綠色厚層狀硬綠泥石角巖
………………………………1.8m
─────平行不整合接觸─────
下伏地層為馬家溝組 (O1m)
(2) 灰色中厚層角礫狀灰巖
………………………………3.7m
(1) 青灰色厚層狀結晶灰巖
………………………………>10m
太平山北坡自下而上為三好礫巖和硬綠泥石角巖, 厚度均約15m。
(剖面資料部分來自2010年中國地質大學 (北京) 周口店實習隊)
3 沉積環境分析 (如圖1, 2表1)
3.1 原巖恢復
由于太平山地區在房山巖體附近, 遂其巖石都發生淺變質, 有必要恢復原巖。
硬綠泥石角巖:原巖為泥質巖, 富含鐵鋁元素, 淺變質巖, 位于風化殼處。
紅柱石角巖:原巖為泥質巖, 富含鋁元素, 須在含碳環境中形成。
雜色板巖:原巖粒級為泥級, 沼澤相瀉湖相沉積, 富含粘土礦物。
唐山灰巖:為海陸交互相沉積巖。
壓力影板巖:原巖為泥級顆粒集合體, 黃鐵礦產生于后期成巖作用。
三好礫巖:原巖為礫石與膠結物, 經1~2次接觸變質。
3.2 粒徑分析
“三好礫巖”是中國地質大學 (北京) 實習隊所起的慣用名稱, 得名于其分選好、磨圓好和膠結好的三好。筆者首先對礫巖中礫石的粒徑做了統計分析, 總共取樣388個。從粒徑統計圖中我們可以算出1cm~4cm的粒徑占比為68.8%, 分選性好。進而做了描述統計分析如下。 (如表2圖3)
數學分析: (1) 由P-P統計圖可知項目所測粒徑基本符合正態分布。
(2) 表格中N統計量為本次項目在野外所測量的數據量。
(3) 全距是最大粒徑與最小粒徑之差;
(4) 偏度大于零, 說明在整個正態分布中右側為優勢, 即大粒徑較多。
(5) 峰度是正數, 說明靠近均值數的粒徑較多正態分布為瘦高型。
3.3 成分分析
周口店地區本溪組巖性組合主要為灰綠色硬綠泥石角巖, 白色柱狀、灰色紅柱石角巖, 板巖, 灰巖, 壓力影板巖和三好礫巖。其成分均為富硅質, 紅柱石角巖中富鋁, 硬綠泥石角巖中富鋁和鐵;位于本溪組頂部的板巖其成分主要為泥質粘土, 富鋁質;底部的三好礫巖礫石成分80%為石英, 20%長石, 成分成熟度高, 但膠結物中有很多棱角——次棱角狀石英和長石顆粒, 說明其為快速沉積, 礫石磨圓好和粒徑較大說明其形成于高動力水環境且為近源沉積。 (如圖4)
4 沉積環境討論
4.1 大陸環境的沉積類型
大陸地形復雜和地質作用多樣, 各地區沉積特征及動植物生態特征均具有明顯的差異, 因而造成了沉積作用和沉積類型的多樣性和復雜性。通過查閱資料, 筆者發現華北板塊本溪組時期的氣候溫暖潮濕, 且為廣闊平原[2], 所以對太平山沉積的討論為以下幾種可能。
濕潤氣候平原沉積相類型。
由于氣候溫暖潮濕, 雨量充足, 所以河網密集, 湖泊密布, 植物繁茂。平原區河流流量小, 河谷寬, 推測為蛇曲河 (或曲流河) 。其河床坡降較小, 河道側向遷移作用使河流彎曲, 通常形成邊灘沉積。蛇曲河沉積物可分為河道沉積和洪泛平原沉積兩部分, 組成了二元結構[3]。河道沉積的底部為河底滯留沉積, 由于流水沖刷與分選作用, 細粒物質不斷被帶走, 礫石則滯留在河床底部并呈明顯的定向排列, 構成疊瓦狀構造, 呈透鏡狀分布。向上逐漸過渡為側向加積作用形成的曲流沙壩沉積, 常為礦物成熟度較低的巖屑砂巖、長石砂巖和粉砂巖。因而不符合標本鏡下觀察所得成分結果。
在潮濕地區由于降雨量充沛, 也可能形成淡水湖。根據湖水的深度進一步劃分為濱湖、淺湖和深湖。但是在太平山地區本溪組地層未呈環帶展布, 而是單向漸變特征, 即無湖泊的必要特征, 于是次情況可排除。
4.2 過渡環境的沉積相類型
三角洲環境是過渡沉積環境的典型代表, 三角洲沉積是在河流與海 (湖) 盆匯合處形成的大型狀沉積體。水動力十分復雜。其沉積由3部分組成: (1) 三角洲平原 (頂基層) ; (2) 三角洲前緣 (前積層) ; (3) 前三角洲 (底積層) [3], 而太平山地區未有明顯分層與大型三角錐形沉積體, 因此也不能成為此沉積環境。
4.3 海洋環境沉積相類型
海洋環境按海底地形和海水深度, 可進一步劃分為濱海 (潮汐帶) 、淺海 (陸棚或陸架) 、次深海 (大陸斜坡) 及深海 (大洋盆地) [3]。在這里由于大的區域背景不討論淺海更深的環境。此處僅討論碎屑型濱海沉積相類型。
濱海帶是指在正常波基面以上的海岸地區, 也稱濱岸沉積環境。受海岸地形特征影響其寬度變化較大, 水動力條件變化也大, 波浪和潮汐作用十分活躍。一般根據地形及水動力狀態, 區分為有障壁和無障壁兩類海岸。周口店地區未發現障壁類似巖體。
沙壩和瀉湖是波浪作用強烈的濱海帶, 由于海浪和風暴浪的作用, 水動力條件較強, 面臨開闊的大洋, 則形成海灘砂沉積, 也有些海岸地帶具有露出高潮面的平行海岸的狹長砂體構成沙壩。它們是高能環境下的產物, 由分選好的純凈石英砂組成。具沙壩的濱海地區, 在沙壩與海岸之間常常為瀉湖, 是與廣海呈隔離狀態的、水體很淺的低能環境, 沉積物以粉砂和粘土為主。在潮濕氣候條件下淡水注入較多時, 這些濱岸小瀉湖可成為濱岸沼澤。與廣海連通不好的海灣或瀉湖, 在干燥氣候條件下可發展為咸化海灣或瀉湖, 產生白云巖、硬石膏、石膏及巖鹽沉積[4]。
但值得注意的是三好礫巖與硬綠泥石角巖接觸帶并不是溫和過渡的 (圖5) , 而是有明顯的分界界線, 聯系其膠結物與礫石在成分和形狀上的差別, 推測為重力流作用, 其具有一定的定向性與平行層理也滿足這一推論。
5 沉積環境解釋
葉連俊 (1976) 認為我國沉積礦床可以劃分為4個成礦期, 在每個成礦期中主要沉積礦床形成規律的成礦序列, 自老而新大致以Fe→Mn→P→Al→煤→Cu→鹽類順序出現。明顯地反映了氣候條件的規律演變大致反映了從溫濕的氣候條件向干燥氣候條件演化。
另一方面, 這一序列也反映了與地殼運動和海水進退的密切關系。即Fe、Mn、P等形成于海侵階段, 形成以海相為主的沉積礦床, 而Al、煤、Cu、鹽類礦床則常形成于海退階段[5]。
這一結論也可以解釋太平山地區本溪組的成分問題。我們由上述分析可以推知在奧陶紀華北板塊經過海侵過程產生淺海后形成灰巖, 并為積累富集了Mg、Fe等元素。后地殼抬升, 形成南海北岸的濱海沉積環境, 即適合三好礫巖形成的高水動力環境。后形成濱海沙壩, 并在沙壩北側形成鹽度較低瀉湖或沼澤, 為角巖板巖的原巖的形成提供條件, 灰巖可能是后期海水灌入形成的。中、晚石炭世盆地基底沉降, 形成了南坡的6套巖層, 而三好礫巖在瀉湖北岸, 發生滑移崩塌至瀉湖中, 不易接受新沉積, 也不易壓縮厚度, 所以北坡三好礫巖上只有硬綠泥石角巖一層。南坡因其環境濕潤, 孔隙度高, 在構造運動壓實過程中, 其壓縮比例較北坡環境大得多, 從而形成了我們現在看到的太平山南坡6層巖石, 厚度約40米, 而北坡只有2層巖性厚度卻約為30米的現象。
6 致謝
在工作過程中對于問題及研究方法的提出得到了我校地球科學與資源學院徐德斌副教授和顏丹平教授的細致指導。樣品鏡下觀察得到我校巖石組構實驗室的大力支持。許明、顏晗、韓昕超同志參加了部分工作, 在此表達誠摯的謝意。
摘要：北京周口店太平山地區本溪組含角巖、板巖、灰巖和礫巖地層, 巖性組合很特別, 其沉積特征、沉積環境及其代表的海侵變化值得探討。太平山南坡本溪組按巖性可分為6層, 厚度約40m;北坡則分為2層, 厚度約30m, 臨近的環境, 具有不同的成因。本文闡述對其考察分析得出其成因與沉積環境解釋。
關鍵詞：周口店,三好礫巖,沉積環境,成因
參考文獻
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[4] 李從先, 王平.我國沿岸全新世沙壩——瀉湖體系的地層和分布[J].海洋通報, 1993 (3) .
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