淺析二畝崗北坡山西組（P1s）炭質(zhì)板巖鉛筆構(gòu)造形成原因

李奕然 王宇 郝瀚 崔艷婷 林潤巖

【摘 要】北京市房山區(qū)周口店太平山地區(qū)出露下二疊統(tǒng)山西組（P1s）炭質(zhì)板巖，但僅在二畝崗北坡的山西組（P1s）炭質(zhì)板巖中發(fā)育鉛筆構(gòu)造，代表了一個小范圍的與周圍不同的構(gòu)造應(yīng)力情況。通過運用Sibson的斷層形成機制中的破裂面模型，并對二畝崗北坡鉛筆構(gòu)造中小型破裂面進(jìn)行野外實地調(diào)查統(tǒng)計，分析得出該區(qū)受到近南北向的順層擠壓，順層面發(fā)生北北東和北東東向剪切作用。

【關(guān)鍵詞】二畝崗；山西組；鉛筆構(gòu)造；周口店

中圖分類號： X5-1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）18-0134-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.060

【Abstract】The Lower Permian Shanxi Formation （P1s） carbonaceous slate is exposed in the Taipingshan area of Zhoukoudian， Fangshan District， Beijing. But the pencil structure is only developed in that stratum on the north slope of Ermugang， which represents a small range of tectonic stress different from the surrounding area. By using Sibsons fractured surface model in the fault formation mechanism and the field investigation and statistics of the small fracture surface of the pencil structure in the north slope of Ermugang， it is concluded that the area is bedding squeezed approximately in the north-south direction， and sheared in the direction of north-north east and north east-east along the bedding surface.

【Key words】Ermugang；Shanxi Formation；Pencil structure；Zhoukoudian

0 引言

北京市房山區(qū)周口店太平山地區(qū)廣泛出露下二疊統(tǒng)山西組（P1s）地層，主要巖性為兩個旋回，下部為巖屑砂巖，向上變?yōu)殁}質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖，上部為砂巖、炭質(zhì)板巖。周口店實習(xí)路線中，太平山以及二畝崗北坡均出露山西組（P1s）炭質(zhì)板巖，但巖層形態(tài)卻相差較大。太平山出露的山西組（P1s）炭質(zhì)板巖主要呈板狀，沿層面裂開，巖石破碎程度相對較低；而二畝崗北坡出露的山西組（P1s）炭質(zhì)板巖則破碎嚴(yán)重，多為碎石，基巖出露較少，且?guī)r石多破碎成棒狀，形成典型的鉛筆構(gòu)造（圖1）。

屬于同一個地層，形成于同一個時代，為什么相差僅幾百米的兩個地方出露的同種巖性的地層會呈現(xiàn)出如此不同的形態(tài)？為什么二畝崗北坡山西組（P1s）炭質(zhì)板巖中會形成鉛筆構(gòu)造？本文將對此問題展開討論，通過野外實地對應(yīng)力標(biāo)志體的測量、室內(nèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析該區(qū)域的應(yīng)力狀況，以此對鉛筆構(gòu)造形成機制進(jìn)行初步研究。

1 二畝崗北坡鉛筆構(gòu)造發(fā)育情況

二畝崗北坡鉛筆構(gòu)造發(fā)育于山西組（P1s）炭質(zhì)板巖中，其下伏巖層為山西組（P1s）砂巖，上覆巖層為山西組（P1s）粉砂質(zhì)板巖。鉛筆構(gòu)造發(fā)育區(qū)位于194.3高地附近，東西向長約8m，南北向斜距約6m，構(gòu)造發(fā)育區(qū)域范圍較小，與其上的粉砂質(zhì)板巖呈現(xiàn)完全不同的形態(tài)。該處炭質(zhì)板巖多破碎成長約10-20cm、寬約3-5cm的棒狀碎石，碎石大小相對均一，基巖出露較少，多被碎石覆蓋。

鉛筆構(gòu)造為面理（包括劈理、層理等）交切形成的能使巖石劈成鉛筆狀長條的線狀構(gòu)造，多形成于泥質(zhì)巖或粉砂質(zhì)巖中，一般需要三組面理的交切，兩組沿鉛筆構(gòu)造的長軸方向，一組垂直于鉛筆構(gòu)造的長軸方向。鉛筆構(gòu)造的成因主要有兩種：一是由成巖壓實與順層擠壓變形共同作用而成，所形成的鉛筆構(gòu)造橫斷面常是不規(guī)則的多邊形或弧形；二是由面理交切而成，常具有規(guī)則的斷面形狀。經(jīng)野外實地觀察發(fā)現(xiàn)，二畝崗北坡山西組（P1s）炭質(zhì)板巖具有形似鉛筆的長條狀外形，斷面較為規(guī)則，絕大部分為四邊形，極少數(shù)可見五邊形、三邊形，應(yīng)為第二種成因形成。該處鉛筆構(gòu)造主要由三組面理交切而成，一組面理為順層劈理（S1），一組交切層理且近平行于巖層走向（S2），一組交切層理且以大角度斜交巖石走向（S3），其中，前兩者交切使巖層呈長條狀，后者使巖層破裂成段、呈棒狀。因而，判斷該處發(fā)育的構(gòu)造確為鉛筆構(gòu)造。

該區(qū)地層位于太平山向斜北翼近于轉(zhuǎn)折端處，形成近M型褶皺，使劈理較為發(fā)育，從而為鉛筆構(gòu)造的形成創(chuàng)造了可能。

該區(qū)附近在地質(zhì)歷史時期發(fā)生過兩期房山巖體的侵位，其巖漿活動對周邊地區(qū)的巖層構(gòu)造產(chǎn)生了較大的影響和改造，同時也是二畝崗北坡山西組（P1s）炭質(zhì)板巖中鉛筆構(gòu)造形成的主要動力。房山巖體一期侵位時，巖漿活動產(chǎn)生的熱和構(gòu)造應(yīng)力使得炭質(zhì)板巖中的易溶物質(zhì)被溶解，并向周圍遷移，云母以及一些不溶殘余物質(zhì)殘留下來，在薄的能干層系（炭質(zhì)板巖）中形成了極薄的起潤滑作用的軟弱物質(zhì)。房山巖體二期侵位時，產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力對巖層進(jìn)行順層擠壓，根據(jù)蘭姆賽和胡伯提出的能干性差異互層巖系中褶皺的分析，炭質(zhì)板巖中會形成形如模式F的一系列縱彎尖棱褶皺[1]。尖棱狀的轉(zhuǎn)折端使得轉(zhuǎn)折端處應(yīng)力較為集中，更容易形成軸面劈理，即為交切層理而近平行于巖層走向的一組劈理。

該區(qū)巖層走向與巖層所處褶皺的樞紐走向近于平行，因而被S1、S2交切后形成的長條狀構(gòu)造走向近于平行褶皺樞紐，為近東西向，因而二畝崗北坡發(fā)育的鉛筆構(gòu)造為b型線理。

2 數(shù)據(jù)分析

鉛筆構(gòu)造主要由三組劈理交切而成，而劈理的方向可以指示巖層的受力方向，因此分析該區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境，首先要了解形成鉛筆構(gòu)造的劈理方位。本文選擇了七處基巖對劈理產(chǎn)狀進(jìn)行了測量，數(shù)據(jù)如表1。

由表1及圖2、圖3可以看出，形成鉛筆構(gòu)造的劈理主要有三組：一組向北傾，近東西走向，與原生層理產(chǎn)狀基本一致，為順層劈理（S1）；一組向南傾，近東西走向，與層理斜交，走向與巖層走向大致相同（S2）；一組向西傾，與巖層走向成大角度斜交，近南北走向（S3）?？梢?，該處巖層主要受到三組應(yīng)力的作用，而要判斷各個方向應(yīng)力的性質(zhì)，需進(jìn)一步研究。

觀察發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域除發(fā)育形態(tài)典型的鉛筆構(gòu)造外，還發(fā)育顯著的黃斑，其中充填了黃色礦物，礦物的排列具有定向性。這些黃斑與Richard Sibson提出的斷層形成機制中的破裂面模型[2]十分相似，具有重要的應(yīng)力指示意義，可以解釋劈理形成的機制，故本文重點對該處鉛筆構(gòu)造中的小破裂面進(jìn)行了統(tǒng)計和研究。

黃斑多順劈理面發(fā)育，將巖石沿層劈開后，可見劈理面上發(fā)育較多黃斑，部分為橢圓形（長寬比為1：1至5：1之間），更多為線形（長寬比大于5：1）（圖4），劈理面兩側(cè)巖石上黃斑形狀大小相同，厚度遠(yuǎn)小于其長度和寬度，故劈理面應(yīng)穿過黃斑ab面。黃斑所含礦物呈現(xiàn)出纖維狀和顯著的定向性，且與黃斑長軸方向近似平行，大多中間顏色較邊緣顏色更深，根據(jù)Sibson的破裂面模型理論，可以判斷這些黃斑應(yīng)為劈理形成過程中發(fā)育的小型破裂面。由此推斷劈理的形成，并非是整層巖石集體同時破裂的結(jié)果，而是由不連續(xù)分布的若干小破裂面不斷生長、直至相連形成的。

受到順層剪切時，巖層中個別比較薄弱的點（多為巖石形成時有缺陷或混入了與主體巖性不同的軟弱物質(zhì)的點）首先發(fā)生位移，形成極小的破裂，隨著剪應(yīng)力的持續(xù)作用，這些點的位移逐漸擴大，破裂面的范圍也相應(yīng)擴展。破裂面生長過程中，中央的位移量為最大值，邊緣位移量為零[2]。巖漿作用后期的熱液，進(jìn)入破裂面的空隙中，礦物在破裂面中富集，順伸展應(yīng)力方向（近似為破裂面長軸方向）結(jié)晶生長，具有明顯的定向性和應(yīng)力指向性。

為研究該處巖層受到的應(yīng)力方向和性質(zhì)，對六處基巖新鮮順層劈理中的23個小破裂面長軸的傾伏向進(jìn)行了測量，統(tǒng)計結(jié)果如圖5。

由圖5可知，該區(qū)鉛筆構(gòu)造中小破裂面長軸方向大致可以分為三組：北北東向（主要集中在5°、20°-25°）、北東向（主要集中在50°左右）、北東東向（主要集中在85°左右）?？梢姡@三個方向為三個主要應(yīng)力方向。

同時，該區(qū)發(fā)現(xiàn)鉛筆構(gòu)造中發(fā)育一處較為完整的張裂脈，長軸線理產(chǎn)狀為40°∠75°，指示該區(qū)主壓應(yīng)力方向為40°左右。與黃斑測量結(jié)果對比，并根據(jù)里德爾剪切體系分析，可知5°及20°-25°、85°方向為形成順層劈理（S1）的剪應(yīng)力方向（圖6）。

通過對鉛筆構(gòu)造中橢圓狀小破裂面的長寬比和面積進(jìn)行統(tǒng)計（圖7，圖8），發(fā)現(xiàn)鉛筆構(gòu)造較為發(fā)育的區(qū)域，小破裂面面積較小，大多不超過10平方厘米，發(fā)育密度相對較大；鉛筆構(gòu)造發(fā)育不明顯的區(qū)域，小破裂面面積較大，大多超過20平方厘米，發(fā)育密度相對較小?？梢娦纬摄U筆構(gòu)造的條件之一，是巖層中有較多軟弱點，即可形成小破裂面的軟弱點相對較為密集，從而容易形成較為密集的劈理將巖石劈成長條狀。對小破裂面的長寬比進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)多在2：1至5：1之間，可見該處應(yīng)力較為強烈。

對于S1劈理，其形成應(yīng)與房山巖體一期侵位時形成的層間起潤滑作用的軟弱層和房山巖體二期侵位時形成的褶皺有關(guān)。房山巖體一期侵位時形成的由云母等殘余礦物組成的軟弱層具有潤滑作用，使得形成褶皺時巖層的順層滑動更易發(fā)生。同時由于這些面理本身就屬于軟弱面，因而巖層滑動時容易沿這些面理發(fā)生破裂，直至發(fā)育成順層劈理。由于該處鉛筆構(gòu)造發(fā)育的基巖巖性為板巖，本身為薄層構(gòu)造，故形成的順層劈理也比較密集。

對于S2劈理，其形成與房山巖體二期侵位時形成的褶皺有關(guān)。由于房山巖體近南北向的擠壓和尖棱褶皺轉(zhuǎn)折端應(yīng)力集中易破裂，因而容易形成較密集的軸面劈理。

對于S3劈理，由于其走向與巖層走向及褶皺樞紐走向成大角度斜交，甚至近于南北向，而房山巖體的擠壓作用方向為近南北向，東西向幾乎沒有擠壓動力來源，因此推測S3的形成不是通過擠壓作用，而是通過剪切作用。由于房山巖體的兩期作用，使得二畝崗北坡山西組（P1s）炭質(zhì)板巖中受順層擠壓形成尖棱褶皺，不同區(qū)段巖層變形運動速度稍有差別，產(chǎn)生相對位移趨勢，發(fā)生近垂直褶皺樞紐走向的剪切作用，形成一系列小型破裂面，不斷生長，最終形成S3劈理面。通過對基巖中S3劈理面的觀察，發(fā)現(xiàn)該劈理面多為連成片的小破裂面（黃斑）所覆蓋，可見這一方向上的剪切作用較為集中，可能為該方向上軟弱面較少，使得劈理面較為稀疏、應(yīng)力較為集中所致。

3 結(jié)論

本文通過野外實地調(diào)查測量和室內(nèi)統(tǒng)計的方法，對二畝崗北坡山西組（P1s）炭質(zhì)板巖中發(fā)育的鉛筆構(gòu)造進(jìn)行了研究。通過對鉛筆構(gòu)造中的劈理面及小破裂面相關(guān)要素的測量和分析，發(fā)現(xiàn)該處的鉛筆構(gòu)造主要是由于房山巖體近南北向的順層擠壓形成尖棱褶皺、形成褶皺時的近東西向順層及近南北向?qū)娱g剪切產(chǎn)生的劈理交切形成，并推斷該區(qū)的主壓應(yīng)力方向為北東向，順層面發(fā)生北北東和北東東向剪切作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]宋鴻林，張長厚，王根厚.構(gòu)造地質(zhì)學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社，2013.

[2]Haakon Fossen.Structural Geology[M].Cambridge：CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS，2010.