北京地區(qū)寒武系沉積相模式及其演化

李碩 金振奎 郭芪恒

摘要：北京地區(qū)位于華北地區(qū)北部，區(qū)內(nèi)寒武系出露良好，地質(zhì)現(xiàn)象豐富，是華北經(jīng)典地質(zhì)剖面之一。本文對北京西山下葦?shù)槠拭妗⑶喟卓谄拭?、周口店東山梁剖面3條野外露頭剖面寒武系地層的實測描述，并進行巖石薄片鑒定分析，對寒武系各類巖石的特征進行分析，闡明主要沉積微相類型，并建立了寒武系沉積相模式。通過研究，識別出研究區(qū)10種巖石類型有灰泥石灰?guī)r、生屑石灰?guī)r、生屑質(zhì)灰泥石灰?guī)r和含生屑灰泥石灰?guī)r、鮞?；?guī)r、竹葉狀灰?guī)r、泥粉晶白云巖、細晶白云巖、泥頁巖及粉砂巖，該區(qū)碳酸鹽巖中的顆粒主要為鮞粒、內(nèi)碎屑及生物碎屑，所見生物化石以三葉蟲、介形蟲等為主。通過巖性特征觀察及剖面相組合，將北京地區(qū)寒武系碳酸鹽巖臺地劃分為潮坪、局限臺地、灘、開闊臺地和頁巖陸棚這五種沉積亞相。

關(guān)鍵詞：北京地區(qū);寒武系;碳酸鹽巖;巖性特征;沉積模式

一、引言

北京地區(qū)位于華北地臺冀中凹陷北緣，總面積為16807.8平方千米，山區(qū)占63%，約10000平方千米，平原區(qū)占38%，約6800平方千米。[1]區(qū)內(nèi)地層從太古宇至新生界第四系除了缺失下元古界、上元古界震旦系以及古生界的志留系與泥盆系外基本上齊全，[2]本次主要研究層位為寒武系。

20世紀以來，各專家、學者對北京地區(qū)寒武系剖面做了大量的研究，其中，北京西山下葦?shù)槠拭婧湎底鳛楸本┑貐^(qū)高等院校教學剖面，其巖石特征、沉積環(huán)境及相關(guān)的地層劃分對比得到深入研究。如王英華等在巖石學方面的研究;[3]馮增昭等在古地理方面的研究;[4]孟祥化等對竹葉狀灰?guī)r風暴沉積相模式的建立、[5]景宇軒等利用風暴沉積類型恢復海平面變化;[6]蘇德辰對寒武系滑塌構(gòu)造地震成因的解釋;[7]范開強等對寒武系巖石的成因解釋;[8]喬秀夫等在層序地層方面的研究;[9]張旭等對中寒武統(tǒng)碳酸鹽巖微相及沉積相研究，[10]梅冥相等寒武系微生物巖的研究;[11]近年來，許多學者對北京地區(qū)寒武系極其沉積環(huán)境進行了詳細的深入研究。

沉積相對油氣勘探的有利區(qū)帶具有重要指導意義。該區(qū)寒武系的沉積相及沉積模式研究，對我們了解認識寒武系北京地區(qū)的沉積環(huán)境演化歷史乃至整個華北地區(qū)燕遼裂陷槽的演化格局有一定的實際意義。前人對北京地區(qū)寒武系沉積相的研究主要集中于下葦?shù)榈貐^(qū)，對于北京地區(qū)整體沉積相模式的研究涉及較少。 本文通過對北京地區(qū)寒武系露頭剖面實測描述，并進行巖石薄片鑒定分析，根據(jù)巖石顏色、成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，以及顯微鏡下碳酸鹽巖顆粒特征、基質(zhì)類型、生物化石等微相劃分標志，識別出該區(qū)寒武系巖相特征和沉積相類型，并建立沉積模式。

二、區(qū)域地質(zhì)背景

北京地區(qū)變形構(gòu)造除早期寒武系地層由于經(jīng)歷了多次強烈的區(qū)域變質(zhì)與變形外，構(gòu)造世代的鑒別具有不確定性。蓋層構(gòu)造主要是NE和EW兩個方向的斷裂和褶皺（圖1），組成了該地區(qū)的基本構(gòu)造骨架并控制了沉積作用、火成作用和成礦作用的空間分布。

在漫長的地殼演化過程中，北京地區(qū)經(jīng)歷了多次大的地質(zhì)事件。呂梁運動是一個重要的轉(zhuǎn)折，本區(qū)活動較穩(wěn)定，地臺初步形成，期間發(fā)生一次裂陷形成東西向展布的燕山裂陷槽，在大紅峪期終止發(fā)展。根據(jù)國際地層表[12]劃分方案，中國地層委員會將中國寒武系分為四統(tǒng)十階，對應于研究區(qū)所屬的中國北方地層劃分方案，共劃分了六個組，由老到新為∶李官組、朱砂洞組、饅頭組、張夏組、崮山組、炒米店組。鑒于地層術(shù)語的使用習慣，同時為了便于描述及地層劃分對比，本文仍采用傳統(tǒng)的地層劃分方案，根據(jù)北京市區(qū)域地質(zhì)志，下古生界寒武系自下而上分為昌平組、饅頭組、毛莊組、徐莊組、張夏組、崮山組、長山組、鳳山組。寒武系昌平組下伏與上元古界青白口系景兒峪組呈平行不整合接觸，缺失震旦系。

三、巖石類型及特征

根據(jù)北京西山下葦?shù)槠拭妗⑶喟卓谄拭?條野外露頭剖面實測、采樣和分析，結(jié)合周口店東山梁剖面，總結(jié)了寒武系各組特征。

北京地區(qū)寒武系的巖石類型以碳酸鹽巖為主，類型多樣，其次是碎屑巖。結(jié)合碳酸鹽巖顆粒類型、基質(zhì)類型、沉積組構(gòu)、生物化石特征等微相劃分標志，參考《中華人民共和國國家標準∶巖石分類和命名方案——沉積巖巖石分類和命名方案》（GB/T17412.2-1998），結(jié)合研究區(qū)巖石的成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，將研究區(qū)巖石進一步細分為11種巖石種類（表1）。

四、沉積相特征

（一）昌平組（∈1c）

昌平組（∈1c）主要分布在北京西山門頭溝區(qū)的齊家莊—青白口—大村和下葦?shù)?，房山區(qū)的龍門臺—柳林水—魯家灘—黃山店。不同剖面厚度相差不大，厚度為50-80m，巖性主要為豹斑灰?guī)r和白云巖。下葦?shù)槠拭娌浇M底部主要為深灰色含角礫泥晶灰?guī)r，厚十幾米到幾十米，向上過渡為豹斑灰?guī)r和含生屑泥晶灰?guī)r，頂部可見厚層淺灰色細晶白云巖。與下伏青白口景兒峪組的接觸關(guān)系為平行不整合。

昌平組底部厚度約3m的含角礫泥晶白云巖（圖2-a）為下葦?shù)槠拭婧浼o最早的沉積層，王宗起等認為該時期海進時破壞了古風化殼并將其卷入寒武系，重新在原地沉積成巖，為潮上坪沉積環(huán)境。角礫巖段是由早期沉積于低能潮上坪的泥晶石灰?guī)r，在后期巖溶作用形成的;角礫的主要成分為平行不整合面之下青白口系景兒峪組黑色硅巖，向上逐漸變?yōu)槟噘|(zhì)灰?guī)r與角礫白云巖互層并過渡為豹斑灰?guī)r和核形石灰?guī)r，出現(xiàn)生物化石，種類為三葉蟲、雙殼類等，反映水體逐漸變深的過程。再向上灰?guī)r發(fā)生白云化作用，形成了昌平組頂部的一套厚層細晶白云巖（圖2-b），屬于潮上云坪沉積環(huán)境，說明相對海平面下降。

昌平組整體上為潮坪沉積環(huán)境，由最初的潮上坪環(huán)境逐漸海進，水體變深，然后相對海平面下降，形成的地層暴露于地表并被風化剝蝕，形成的平行不整合界面作為昌平組與饅頭組間的分界面。

（二）饅頭組（∈1mt）

饅頭組（∈1mt）主要分布在北京西山和北山。下葦?shù)槠拭婧?5m，青白口剖面厚70m。巖性以磚紅色泥巖為主，可見灰?guī)r、泥晶白云巖、鮞?；?guī)r，發(fā)育水平紋層，屬于潮坪相沉積。與下伏昌平組呈平行不整合接觸，底部可見古風化殼及角礫巖。

饅頭組可分為兩段，下段主要發(fā)育厚層磚紅色粉砂質(zhì)泥巖，為較深水環(huán)境沉積，底部發(fā)育褐色泥質(zhì)粉砂巖，中上部夾薄層石灰?guī)r，偶見石膏假晶，自下而上泥質(zhì)含量減少逐漸過渡為淺灰色灰泥石灰?guī)r，反映了水體逐漸變深的過程（圖2-c），總體屬于潮上泥坪環(huán)境;上段巖性以厚層淺灰色泥粉晶白云巖為主，底部為灰白色泥晶白云巖，頂部為棕黃色泥質(zhì)條帶泥晶白云巖，從下而上泥質(zhì)含量逐漸增多，說明相對海平面下降，總體上為海平面停滯期潮上云坪環(huán)境下的沉積。

（三）毛莊組（∈1mz）

毛莊組（∈1mz）主要出露于西山門頭溝區(qū)、房山區(qū)及北山昌平區(qū)文殊峪、十三陵、龍山等地。下葦?shù)槠拭婧?80m，青白口剖面厚90m。發(fā)育深褐色泥巖、云質(zhì)灰?guī)r及泥晶白云巖，與饅頭組為連續(xù)沉積，與饅頭組在野外可以看出顏色上的深淺有所不同，其分布也與下伏饅頭組一樣廣泛。

毛莊組底部為厚度超過50m的紫紅色泥巖，向上變?yōu)閮商字袑幼霞t色泥巖與云質(zhì)泥巖薄互層的旋回，屬于蒸發(fā)潮坪相沉積，與饅頭組中下部蒸發(fā)潮坪磚紅色泥巖類似;中部發(fā)育3套灰綠色泥巖與灰白色條帶狀白云巖的旋回，代表沉積水體相對變化，說明本區(qū)海平面間接性變化，但總體較深，旋回底部為10cm左右的灰綠色泥巖，頂部為灰白色白云巖。泥巖顏色從紫紅色變?yōu)榛揖G色反映沉積環(huán)境由氧化環(huán)境轉(zhuǎn)換為還原環(huán)境，且泥質(zhì)含量增多，說明沉積環(huán)境水體加深，相對海平面上升。其中，毛莊組中部發(fā)育的厚2m左右的黃色粉砂質(zhì)灰?guī)r，屬于潮上灰坪沉積。毛莊組頂部為一套厚80m左右的褐色泥巖，泥質(zhì)含量增多，說明水體再次變深，代表潮上泥坪沉積環(huán)境。

（四）徐莊組（∈2x）

徐莊組（∈2x） 在北京北山、西山均可見，青白口和下葦?shù)槠拭娑己窦s60m。徐莊組主要為鮞粒灰?guī)r（圖2-d）、灰泥石灰?guī)r、泥頁巖和粉砂巖。該組與下伏毛莊組呈整合接觸。

徐莊組底部為紅色泥巖與灰綠色泥頁巖構(gòu)成的3個小型旋回，每個旋回厚度約2m左右，向上變?yōu)橹袑吁b?；?guī)r夾褐色泥質(zhì)粉砂巖。徐莊組中上部發(fā)育3個旋回，旋回的底部為厚50cm左右的條帶狀鈣質(zhì)泥頁巖，頂部為厚層鮞?；?guī)r。其中，徐莊組頂部發(fā)育一套厚度為2-3m的灰綠色粉砂質(zhì)泥巖（圖2-e），屬于陸棚相的相對較深水的沉積，反映相對海平面上升到最高時形成的凝縮層（圖2-f），反映了海侵作用的結(jié)束。徐莊組頂部發(fā)育類似于凝縮層段褐色粉砂質(zhì)泥頁巖與厚層灰白色鮞粒灰?guī)r構(gòu)成的米級旋回。

張旭等認為徐莊組上部顆粒組分以生物碎屑為主， 通常無或少亮晶， 化石顆粒泥晶化較為常見;徐莊組中下部主要由泥晶鮞粒顆粒—泥?；?guī)r和同心圓鮞粒顆粒灰?guī)r構(gòu)成，它們的共生指示了臺地邊緣鮞粒灘相環(huán)境?？傮w上，徐莊組為開闊臺地——灘相沉積，由下部的開闊臺地相開始，向上至徐莊組上部變化為灘相，經(jīng)歷了海平面下降——上升的演化過程。

（五）張夏組（∈2z）

張夏組（∈2z）分布于北京西山門頭溝區(qū)下葦?shù)橐粠В锴f—柏峪臺;房山區(qū)三十畝地—水峪東大尖、蘭土臺—大地港一帶，北山僅僅零星出露。剖面厚30-159m，一般厚130m。沉積環(huán)境與徐莊組比較類似，但厚層鮞?；?guī)r明顯比較發(fā)育，且鮞?；?guī)r厚度為0.4m-1m，。張夏組與下伏徐莊組整合接觸，與徐莊組相比，張夏組底部的顆粒石灰?guī)r相對減少，灰泥石灰?guī)r含量增多。

整體上以發(fā)育灘相高能鮞?；?guī)r（圖2-g）和開闊臺地相生物丘灰?guī)r為特征，夾少量局限臺地深灰色灰質(zhì)泥巖。張夏組底部發(fā)育灰褐色條帶狀鈣質(zhì)泥頁巖與灰白色竹葉灰?guī)r（圖2-h）和鮞?；?guī)r組成的米級旋回，向上發(fā)育一套2m左右的灰白色生物丘和含生物碎屑的泥質(zhì)石灰?guī)r，反映了開闊臺地上的較深水沉積環(huán)境，反映了水體的不斷加深。張夏組中上部發(fā)育局限臺地薄層深灰色灰質(zhì)條帶泥巖到灘相鮞?；?guī)r的一系列米級旋回，反映了總體上水體變淺的沉積相序列。

張夏組沉積期，沉積大量放射鮞、包粒及復鮞，與此同時，生物多樣性增加如海膽、海百合、三葉蟲、介形蟲等，推斷張夏組早期為局限臺地環(huán)境，之后水體加深變?yōu)闉┫喑练e環(huán)境，之后海平面下降，可能變?yōu)殚_闊臺地相?？傮w上，張夏組表現(xiàn)為一個典型的離岸緩坡碳酸鹽巖臺地沉積模式，由下向上水體加深，陸源碎屑沉積逐漸往后遷移，被碳酸鹽巖沉積所取代，臺地成熟。

（六）崮山組（∈3g）

崮山組（∈3g）分布與張夏組基本一致，剖面一般厚約60m。以鮞粒灰?guī)r為主，可見少量竹葉狀灰?guī)r。與張夏組相比，崮山組含陸源碎屑物質(zhì)較多，該組與下伏張夏組呈整合接觸。

崮山組下部為一套厚層潮下灘相鮞粒灰?guī)r（圖2-i），鮞粒灰?guī)r為亮晶鮞?；?guī)r，代表形成于水體持續(xù)或間歇動蕩的淺水環(huán)境;底部為灰綠色薄層粉砂巖夾薄層鮞?；?guī)r、藻丘透鏡體、生屑灰?guī)r，向上變?yōu)獒纳浇M潮坪相云泥條帶石灰?guī)r夾疊層石灰?guī)r，指示該巖石段處于正常浪基面以下但時而暴露的潮間帶，反映了水體由深變淺，頂部為鮞?；?guī)r與薄層竹葉狀粒屑灰?guī)r互層，可見紫紅色氧化圈，其沉積環(huán)境為正常浪基面以下的開闊臺地環(huán)境。

（七）長山組（∈3ch）

長山組（∈3ch）的分布范圍與崮山組基本一致，一般厚約30m。該組在北京地區(qū)同樣分布廣且與下伏崮山組呈整合接觸。巖性主要以泥晶竹葉狀灰?guī)r、云泥條帶灰?guī)r為主。

長山組底下部為灰綠色鈣質(zhì)泥巖與竹葉狀灰?guī)r構(gòu)成的米級旋回（圖2-j），竹葉多為長形且具有氧化圈，上部發(fā)育厚層竹葉狀灰?guī)r（圖2-k），上部可見少量泥粉晶白云巖，反映了總體上水體由深變淺的沉積相序列，其沉積環(huán)境多為具中低間歇能的潮間帶環(huán)境。

（八）鳳山組（∈3f）

鳳山組（∈3f）分布與長山組基本一致，一般厚約90m。巖性以云泥條帶灰?guī)r為主。該組在北京地區(qū)北部較薄，南部相對變厚，且與下伏長山組呈整合接觸。

鳳山組底部為云質(zhì)灰?guī)r與薄層灰色豹斑灰?guī)r過渡為6套褐色云泥夾灰色泥巖與竹葉狀灰?guī)r的米級旋回，構(gòu)成一個水體逐漸變深的海侵體系域，向上出現(xiàn)條帶狀灰?guī)r夾薄層灰色泥質(zhì)白云巖（風化后呈褐色），代表潮上坪環(huán)境，說明海平面相對下降;鳳山組頂部發(fā)育灰泥石灰?guī)r（圖2-l），相對于云質(zhì)灰?guī)r，灰泥石灰?guī)r所代表更深的水體環(huán)境，相對海平面的上升，反映局限臺地—岸灘相沉積。

五、沉積相模式

本文在金振奎[13]對碳酸鹽巖沉積相及相模式研究成果的基礎上，通過對北京地區(qū)寒武系2處露頭相分析，建立了研究區(qū)寒武系沉積相模式，劃分出潮坪、局限臺地、灘、開闊臺地、頁巖陸棚等。

研究區(qū)寒武統(tǒng)碳酸鹽巖臺地由陸向海依次發(fā)育有潮坪相、局限臺地、灘、開闊臺地、頁巖陸棚五種沉積亞相類型（圖3）。潮坪相巖性主要為泥巖、灰泥石灰?guī)r、泥粉晶白云巖，可見水平層理、疊層石等。局限臺地相巖性主要為灰泥石灰?guī)r，且由于水體循環(huán)受限，生物化石少見。灘相巖性主要為顆粒石灰?guī)r，根據(jù)水動力強度不同，可分為亮晶顆粒灰?guī)r和灰泥顆?；?guī)r。開闊臺地相中的較淺水開闊臺地發(fā)育灰色灰泥生屑石灰?guī)r，臺內(nèi)灘巖性主要為亮晶生屑石灰?guī)r，其水動力強。頁巖陸棚多沉積灰綠色頁巖，常含灰質(zhì)條帶，可見水平層理。

六、結(jié)論

1.研究區(qū)寒武系碳酸鹽巖中的顆粒主要為鮞粒、內(nèi)碎屑和生物碎屑。常見的巖石類型為亮晶鮞粒灰?guī)r、亮晶內(nèi)碎屑灰?guī)r、泥晶鮞粒灰?guī)r、泥晶內(nèi)碎屑灰?guī)r、泥晶—微晶灰?guī)r、晶?；?guī)r、白云巖、砂巖、粉砂巖及鈣質(zhì)泥巖。所見生物化石以三葉蟲、介形蟲等為主。

2.研究區(qū)寒武統(tǒng)碳酸鹽巖臺地由陸向海依次發(fā)育有潮坪相、局限臺地、灘、開闊臺地、頁巖陸棚五種沉積亞相類型。潮坪相巖性主要為泥巖、灰泥石灰?guī)r、泥粉晶白云巖，可見水平層理、疊層石等。局限臺地相巖性主要為灰泥石灰?guī)r，且由于水體循環(huán)受限，生物化石少見。灘相巖性主要為顆粒石灰?guī)r，根據(jù)水動力強度不同，可分為亮晶顆粒灰?guī)r和灰泥顆?；?guī)r。開闊臺地相中的較淺水開闊臺地發(fā)育灰色灰泥生屑石灰?guī)r，臺內(nèi)灘巖性主要為亮晶生屑石灰?guī)r，其水動力強。頁巖陸棚多沉積灰綠色頁巖，常含灰質(zhì)條帶，可見水平層理。

注 ?釋∶

[1]華北地區(qū)區(qū)域地層表·北京市分冊[J]。

[2]北京市地質(zhì)礦產(chǎn)局.北京市區(qū)域地質(zhì)志[M].北京∶ 地質(zhì)出版社，1991∶ 97-138。

[3]王英華，張秀蓮，楊承運.華北地臺早古生代碳酸鹽巖巖石學[M].北京∶地震出版社，1989∶ 1-133。

[4]馮增昭，陳繼新，吳勝和.華北地臺早古生代巖相古地理[J].沉積學報，1989（04）∶15。

[5]孟祥化，喬秀夫，葛銘.華北古淺海碳酸鹽風暴沉積和丁家灘相序模式[J].沉積學報，1986（02）∶1-18。

[6]景宇軒，劉建波，閆振，孫永超，許振清.利用風暴沉積類型恢復海平面變化∶以北京西山下葦?shù)槠拭婧浼o中晚期風暴沉積為例[J].古地理學報，2015，17（05）∶653-668。

[7]蘇德辰，孫愛萍，鄭桂森，呂金波，郭榮濤.北京西山寒武系滑塌構(gòu)造的初步研究[J].地質(zhì)學報，2013，87（08）∶1067-1075。

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[9]喬秀夫.北京西山寒武系層序地層[A].中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所文集（22）[C].中國地質(zhì)學會，1990∶7。

[10]張旭，張寧，楊振鴻，鮑征宇，夏文臣.北京西山下葦?shù)橹泻浣y(tǒng)碳酸鹽巖微相及沉積相研究[J].地質(zhì)科技情報，2009，28（06）∶25-30。

[11]梅冥相，郭榮濤，胡媛.北京西郊下葦?shù)槠拭婧湎滇纳浇M疊層石生物丘的沉積組構(gòu)[J].巖石學報，2011，27（08）∶2473-2486。

[12]章森桂，張允白，嚴惠君.“國際地層表”（2008）簡介[J].地層學雜志，2009，33（01）∶1-10。

[13]金振奎，邵冠銘. 石灰?guī)r分類新方案[J].新疆石油地質(zhì)， 2014（02）∶235-242。

（作者單位∶中國石油大學（北京） 地球科學學院）