1 地质概况
北京周口店位于华北平原西北缘, 太行山脉北端东侧。其难得之处在于在不大的面积内汇集了类型繁多的地质构造与相对齐全的岩石种类。本文中的太平山位于周口店房山岩体南缘, 为向斜构造, 整个地区受到浅变质作用。文中主要对比太平山南北坡的地层岩性, 进而探究其沉积环境, 前人对此处的沉积研究尚不充足且对三好砾岩是河流相还是海相沉积尚存异议注, 本文可为周口店教学与华北板块中石炭纪的沉积环境研究提供解释与参考。
华北地区奥陶世早期为浅海, 而从奥陶世末至早石炭世为高出海面的平原, 中、晚石炭世盆地基底沉降, 又接受了沉积, 至陕西南铜川一带为北西向台隆阻隔。自晚石炭世晚期起, 海侵方向改变为从南方侵入。华北北缘西端古隆起上的这些小型盆地与华北大型盆地沉积显著不同, 以富含陆源砂砾为特征, 本文中研究地区即在此区域。东部盆地沉积以北东向的郯庐断裂为界。东北缘, 盆地沉积展布到吉林境内[1]。
2 分布及沉积特征
在太平山地区踏勘的过程中, 有一处差别引起笔者的注意, 太平山的南北坡岩性与厚度差别很大。太平山南坡本溪组有5种岩性6套地层, 自下而上依次为:硬绿泥石角岩、红柱石角岩、杂色板岩、生物碎屑灰岩 (唐山灰岩) 、压力影板岩和红柱石角岩, 其厚度约为40m;而在北坡, 只有2层, 自下而上分别为三好砾岩与硬绿泥石角岩, 厚度约30m, 其上可见零星红柱石角岩, 但因其量很少, 故不做讨论。那么为什么太平山两侧时代相同的地层有这么大的差异?笔者对此现象进行了一下分析。
在研究本溪组的古沉积环境时, 笔者将马家沟组灰岩与太原组煤线作为上下参考界线。本溪组以下是下奥陶统的马家沟组灰岩, 青灰色厚层灰岩、纹带灰岩、及灰白色白云质灰岩, 夹薄-厚层白云质灰岩, 厚约124m~243m注, 因太平山处发生构造运动而大幅减薄。在本溪组之上是上石炭统太原组, 其中夹劣质煤层。再来看本溪组的岩性, 南坡的岩石其原岩多为泥岩、砂岩和灰岩。具体实测文字剖面描述如下。
太平山地区本溪组 (C2b) 。
主要分布于太平山、煤炭沟及牛口峪水库, 面积为0.15km2。以太平山南坡为例, 岩性组合主要为灰绿色硬绿泥石角岩, 白色柱状、灰色红柱石角岩, 杂色砂质、粉砂质板岩, 灰色生物碎屑灰岩, 灰色压力影板岩。太平山北坡于该组底部出现底砾岩 (三好砾岩) 。含化石:Fusulina sp. (纺缍蜓) 及蜓、腕足类、双壳类、植物类等碎片。与下伏地层呈平行不整合接触, 代表了一次构造升降运动——加里东运动。太平山南坡详细文字剖面描述如下。
(10) 灰黑色板岩, 顶部见煤线
………………………………1.0m
(9) 灰白色红柱石石英砂岩
………………………………7.5m
上覆地层为太原组 (C3t) 。
整合接触。
本溪组 (C2b) :厚38.8m。
(8) 灰色-灰黑色红柱石角岩
………………………………9.3m
(7) 灰色、浅灰色压力影板岩
………………9.5m
(6) 灰色生物碎屑灰岩
………………………………2.8m
(5) 杂色 (灰-深灰色、黄-灰黄色、褐色、粉红色等) 砂质、粉砂质板岩……10.5m
(4) 灰色红柱石角岩
………………………………4.9m
(3) 灰绿色厚层状硬绿泥石角岩
………………………………1.8m
─────平行不整合接触─────
下伏地层为马家沟组 (O1m)
(2) 灰色中厚层角砾状灰岩
………………………………3.7m
(1) 青灰色厚层状结晶灰岩
………………………………>10m
太平山北坡自下而上为三好砾岩和硬绿泥石角岩, 厚度均约15m。
(剖面资料部分来自2010年中国地质大学 (北京) 周口店实习队)
3 沉积环境分析 (如图1, 2表1)
3.1 原岩恢复
由于太平山地区在房山岩体附近, 遂其岩石都发生浅变质, 有必要恢复原岩。
硬绿泥石角岩:原岩为泥质岩, 富含铁铝元素, 浅变质岩, 位于风化壳处。
红柱石角岩:原岩为泥质岩, 富含铝元素, 须在含碳环境中形成。
杂色板岩:原岩粒级为泥级, 沼泽相泻湖相沉积, 富含粘土矿物。
唐山灰岩:为海陆交互相沉积岩。
压力影板岩:原岩为泥级颗粒集合体, 黄铁矿产生于后期成岩作用。
三好砾岩:原岩为砾石与胶结物, 经1~2次接触变质。
3.2 粒径分析
“三好砾岩”是中国地质大学 (北京) 实习队所起的惯用名称, 得名于其分选好、磨圆好和胶结好的三好。笔者首先对砾岩中砾石的粒径做了统计分析, 总共取样388个。从粒径统计图中我们可以算出1cm~4cm的粒径占比为68.8%, 分选性好。进而做了描述统计分析如下。 (如表2图3)
数学分析: (1) 由P-P统计图可知项目所测粒径基本符合正态分布。
(2) 表格中N统计量为本次项目在野外所测量的数据量。
(3) 全距是最大粒径与最小粒径之差;
(4) 偏度大于零, 说明在整个正态分布中右侧为优势, 即大粒径较多。
(5) 峰度是正数, 说明靠近均值数的粒径较多正态分布为瘦高型。
3.3 成分分析
周口店地区本溪组岩性组合主要为灰绿色硬绿泥石角岩, 白色柱状、灰色红柱石角岩, 板岩, 灰岩, 压力影板岩和三好砾岩。其成分均为富硅质, 红柱石角岩中富铝, 硬绿泥石角岩中富铝和铁;位于本溪组顶部的板岩其成分主要为泥质粘土, 富铝质;底部的三好砾岩砾石成分80%为石英, 20%长石, 成分成熟度高, 但胶结物中有很多棱角——次棱角状石英和长石颗粒, 说明其为快速沉积, 砾石磨圆好和粒径较大说明其形成于高动力水环境且为近源沉积。 (如图4)
4 沉积环境讨论
4.1 大陆环境的沉积类型
大陆地形复杂和地质作用多样, 各地区沉积特征及动植物生态特征均具有明显的差异, 因而造成了沉积作用和沉积类型的多样性和复杂性。通过查阅资料, 笔者发现华北板块本溪组时期的气候温暖潮湿, 且为广阔平原[2], 所以对太平山沉积的讨论为以下几种可能。
湿润气候平原沉积相类型。
由于气候温暖潮湿, 雨量充足, 所以河网密集, 湖泊密布, 植物繁茂。平原区河流流量小, 河谷宽, 推测为蛇曲河 (或曲流河) 。其河床坡降较小, 河道侧向迁移作用使河流弯曲, 通常形成边滩沉积。蛇曲河沉积物可分为河道沉积和洪泛平原沉积两部分, 组成了二元结构[3]。河道沉积的底部为河底滞留沉积, 由于流水冲刷与分选作用, 细粒物质不断被带走, 砾石则滞留在河床底部并呈明显的定向排列, 构成叠瓦状构造, 呈透镜状分布。向上逐渐过渡为侧向加积作用形成的曲流沙坝沉积, 常为矿物成熟度较低的岩屑砂岩、长石砂岩和粉砂岩。因而不符合标本镜下观察所得成分结果。
在潮湿地区由于降雨量充沛, 也可能形成淡水湖。根据湖水的深度进一步划分为滨湖、浅湖和深湖。但是在太平山地区本溪组地层未呈环带展布, 而是单向渐变特征, 即无湖泊的必要特征, 于是次情况可排除。
4.2 过渡环境的沉积相类型
三角洲环境是过渡沉积环境的典型代表, 三角洲沉积是在河流与海 (湖) 盆汇合处形成的大型状沉积体。水动力十分复杂。其沉积由3部分组成: (1) 三角洲平原 (顶基层) ; (2) 三角洲前缘 (前积层) ; (3) 前三角洲 (底积层) [3], 而太平山地区未有明显分层与大型三角锥形沉积体, 因此也不能成为此沉积环境。
4.3 海洋环境沉积相类型
海洋环境按海底地形和海水深度, 可进一步划分为滨海 (潮汐带) 、浅海 (陆棚或陆架) 、次深海 (大陆斜坡) 及深海 (大洋盆地) [3]。在这里由于大的区域背景不讨论浅海更深的环境。此处仅讨论碎屑型滨海沉积相类型。
滨海带是指在正常波基面以上的海岸地区, 也称滨岸沉积环境。受海岸地形特征影响其宽度变化较大, 水动力条件变化也大, 波浪和潮汐作用十分活跃。一般根据地形及水动力状态, 区分为有障壁和无障壁两类海岸。周口店地区未发现障壁类似岩体。
沙坝和泻湖是波浪作用强烈的滨海带, 由于海浪和风暴浪的作用, 水动力条件较强, 面临开阔的大洋, 则形成海滩砂沉积, 也有些海岸地带具有露出高潮面的平行海岸的狭长砂体构成沙坝。它们是高能环境下的产物, 由分选好的纯净石英砂组成。具沙坝的滨海地区, 在沙坝与海岸之间常常为泻湖, 是与广海呈隔离状态的、水体很浅的低能环境, 沉积物以粉砂和粘土为主。在潮湿气候条件下淡水注入较多时, 这些滨岸小泻湖可成为滨岸沼泽。与广海连通不好的海湾或泻湖, 在干燥气候条件下可发展为咸化海湾或泻湖, 产生白云岩、硬石膏、石膏及岩盐沉积[4]。
但值得注意的是三好砾岩与硬绿泥石角岩接触带并不是温和过渡的 (图5) , 而是有明显的分界界线, 联系其胶结物与砾石在成分和形状上的差别, 推测为重力流作用, 其具有一定的定向性与平行层理也满足这一推论。
5 沉积环境解释
叶连俊 (1976) 认为我国沉积矿床可以划分为4个成矿期, 在每个成矿期中主要沉积矿床形成规律的成矿序列, 自老而新大致以Fe→Mn→P→Al→煤→Cu→盐类顺序出现。明显地反映了气候条件的规律演变大致反映了从温湿的气候条件向干燥气候条件演化。
另一方面, 这一序列也反映了与地壳运动和海水进退的密切关系。即Fe、Mn、P等形成于海侵阶段, 形成以海相为主的沉积矿床, 而Al、煤、Cu、盐类矿床则常形成于海退阶段[5]。
这一结论也可以解释太平山地区本溪组的成分问题。我们由上述分析可以推知在奥陶纪华北板块经过海侵过程产生浅海后形成灰岩, 并为积累富集了Mg、Fe等元素。后地壳抬升, 形成南海北岸的滨海沉积环境, 即适合三好砾岩形成的高水动力环境。后形成滨海沙坝, 并在沙坝北侧形成盐度较低泻湖或沼泽, 为角岩板岩的原岩的形成提供条件, 灰岩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套岩层, 而三好砾岩在泻湖北岸, 发生滑移崩塌至泻湖中, 不易接受新沉积, 也不易压缩厚度, 所以北坡三好砾岩上只有硬绿泥石角岩一层。南坡因其环境湿润, 孔隙度高, 在构造运动压实过程中, 其压缩比例较北坡环境大得多, 从而形成了我们现在看到的太平山南坡6层岩石, 厚度约40米, 而北坡只有2层岩性厚度却约为30米的现象。
6 致谢
在工作过程中对于问题及研究方法的提出得到了我校地球科学与资源学院徐德斌副教授和颜丹平教授的细致指导。样品镜下观察得到我校岩石组构实验室的大力支持。许明、颜晗、韩昕超同志参加了部分工作, 在此表达诚挚的谢意。
摘要：北京周口店太平山地区本溪组含角岩、板岩、灰岩和砾岩地层, 岩性组合很特别, 其沉积特征、沉积环境及其代表的海侵变化值得探讨。太平山南坡本溪组按岩性可分为6层, 厚度约40m;北坡则分为2层, 厚度约30m, 临近的环境, 具有不同的成因。本文阐述对其考察分析得出其成因与沉积环境解释。
关键词：周口店,三好砾岩,沉积环境,成因
参考文献
[1] 田乾乾, 韩建光, 易洪春.我国华北地区石炭二叠纪成煤作用[J].煤炭技术, 2009 (3) .
[2] 吴秀元.华北陆台本溪组植物群性质[J].兰州大学学报, 1988 (4) .
[3] 《沉积构造与环境解释》编写组.沉积构造与环境解释[M].科学出版社, 1984
[4] 李从先, 王平.我国沿岸全新世沙坝——泻湖体系的地层和分布[J].海洋通报, 1993 (3) .
[5] 刘宝珺, 曾允孚.岩相古地理基础和工作方法[M].地质出版社, 1985.