北京張坊地區(qū)中上元古界中巖溶發(fā)育與構(gòu)造作用*

劉建明，張玉修?，曾 璐，琚宜文，芮小平，喬小娟

(1 中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049； 2 中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049)

北京張坊巖溶地貌是北方巖溶類型的典型代表，該區(qū)的巖溶地下水是北京地區(qū)地下水資源的重要組成部分，為合理地開采利用、保護巖溶水，對該地區(qū)的巖溶和巖溶水已有較多研究[1-11]。但是，對巖溶區(qū)的地層發(fā)育、構(gòu)造特征與巖溶演化的關(guān)系，還認識不足，阻礙了地下水資源的開發(fā)利用。

除地層發(fā)育基礎(chǔ)外，地質(zhì)構(gòu)造是巖溶發(fā)育的重要條件[12-18]，對于構(gòu)造的研究不僅可以了解巖溶作用的宏觀選擇性作用，而且能夠正確認識一些特殊巖溶形態(tài)形成的真正起因和形成機理[19]。

張坊地區(qū)中上元古界碳酸鹽巖受多期構(gòu)造活動的影響，形成不同方向的斷層、褶皺構(gòu)造與宏大

的節(jié)理裂隙，造就了多期巖溶的疊加特征。本文通過詳細的野外地質(zhì)調(diào)查，分析張坊巖溶區(qū)的巖溶發(fā)育地層的展布，裂隙、節(jié)理和斷層等構(gòu)造特征，結(jié)合周口店地區(qū)的構(gòu)造演化，探討巖溶發(fā)育、演化特征，以期為合理有效地開發(fā)利用、保護巖溶水提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

北京張坊地區(qū)位于華北板塊中部，太行山隆起帶的東北端，東鄰華北平原，北為近東西向的燕山山脈，這兩個主體方向(北北東和東西)控制了研究區(qū)內(nèi)多期變形疊加改造的構(gòu)造地質(zhì)圖像(圖1(a)，據(jù)文獻[20]修編)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)略圖Fig.1 Geological map of the study area

圖2 研究區(qū)元古界柱狀圖Fig.2 Stratigraphic histogram of Proterozoic era in the study area

張坊地區(qū)的地層出露比較齊全，由老到新分別為：中晚元古代、古生代、中生代及新生代地層(圖1(b)，據(jù)文獻[11]修編)。中晚元古代地層(長城系、薊縣系和青白口系)是研究區(qū)的主要層系，為一套海相碳酸鹽巖和碎屑巖[21-22](圖2，據(jù)文獻[21-22]修編)；早古生代巖性(寒武系、奧陶系)以碳酸鹽巖為主，及少量的泥質(zhì)巖和細粉砂巖；晚古生代(石炭系、二疊系)以碎屑巖為主，其中還有煤系地層發(fā)育；中生代地層(三疊系、侏羅系)復(fù)雜，包括含玄武巖地層、含煤系地層等。

關(guān)于北京張坊地區(qū)的構(gòu)造特征與演化，主要存在3種觀點：1)與華北地臺廣大地區(qū)一樣，自呂梁運動以后到中生代初期，一直處于穩(wěn)定的地臺升降狀態(tài)，只是燕山運動造就了復(fù)雜的構(gòu)造變形和變質(zhì)作用[22]；2)強調(diào)在印支期就已形成研究區(qū)的基本構(gòu)造格局，主要構(gòu)造形跡為韌性伸展構(gòu)造(順層固態(tài)流變構(gòu)造、變質(zhì)核雜巖和剝離斷層)和東西向褶皺，在燕山期為房山巖體的侵入和脆性逆沖斷層的活動[20, 23]；3)房山巖體巖漿底辟構(gòu)造控制房山地區(qū)構(gòu)造演化[24]。北京西山地區(qū)蓋層演化，主要有2個認識：一種是認為與華北地臺廣大地區(qū)一樣，自呂梁運動以來，從元古宙—中生代初的蓋層發(fā)育過程中，北京西山一直處于穩(wěn)定的升降狀態(tài)，雖有兩個時期(元古宙與古生代之間，奧陶紀和石炭紀之間)的重大沉積間斷，但未曾發(fā)生過明顯的構(gòu)造變動[21]；另外一種是認為主要構(gòu)造格局是燕山運動，或者印支運動以來的產(chǎn)物(表1，據(jù)文獻[25]修編)，在蓋層構(gòu)造形成過程中至少經(jīng)歷了3期變形旋回，伴隨相關(guān)的構(gòu)造事件[25]。實際上，北京西山地區(qū)的構(gòu)造特征遠比上述認識復(fù)雜得多。宋鴻林[23]提出早在燕山運動以前就經(jīng)歷了多期變形作用。后來又通過進一步工作，在周口店地區(qū)發(fā)現(xiàn)伸展構(gòu)造表現(xiàn)形式之一的剝離斷層[26]。

表1 房山地區(qū)主要變形序列及構(gòu)造事件特征Table 1 The major characteristics of deformation sequences and tectonic events in the Fangshan area

張長厚等[27]的研究進一步深化或修正前期的工作，認為燕山—太行山的地殼擠壓縮短變形在二疊紀晚期就已發(fā)生，后經(jīng)歷三疊紀、侏羅紀及早白堊世的變形，地殼強烈加厚，有利于深部發(fā)生拆沉作用及淺部出現(xiàn)強烈的伸展變形。趙遜[7]認為北京地區(qū)新生代以來由于強烈斷塊抬升而與華北平原分離，結(jié)構(gòu)上以拉伸開裂為主要特征，發(fā)生多次剝蝕夷平作用，留下較多的巖溶形態(tài)。

2 構(gòu)造發(fā)育特征

各類原生沉積構(gòu)造面或構(gòu)造變形面是識別構(gòu)造的重要特征，研究區(qū)的構(gòu)造變形面主要分為兩類：低角度的剝離斷層和推覆構(gòu)造的沖斷面。特別地，研究區(qū)發(fā)育了大量淺變質(zhì)褶疊層及與其相關(guān)的順層韌性剪切帶(剝離型韌性剪切帶)、順層掩臥褶皺、拉伸線理及石香腸等構(gòu)造。

2.1 褶疊層及其發(fā)育特征

褶疊層是由于橫向置換作用，形成一系列宏觀上呈水平或緩傾斜的新生面狀構(gòu)造替代原始層理(或先期層理)而構(gòu)成的地層構(gòu)造單元[28-29]。

周口店固態(tài)流變構(gòu)造群落大體上分布在房山巖體周圍，在巖體旁的蓋層中變質(zhì)、變形最為明顯和強烈。野外調(diào)查證實，由巖體向四周變質(zhì)、變形作用隨著構(gòu)造層次和涉及地層的改變而逐漸減弱或者終止。在研究區(qū)的路線地質(zhì)調(diào)查中，固態(tài)流變構(gòu)造在靠近霞云嶺逆沖推覆構(gòu)造帶的東關(guān)上—佛嶺溝、化湯溝、黑牛水，以及靠近黃山店逆沖推覆構(gòu)造帶的孤山口—上中院，及其南端的周張公路沿線等地均有發(fā)育。出露地層的流變構(gòu)造特征如表2(據(jù)文獻[28]修編)所示。上方山一帶發(fā)育順層韌性剪切帶(剝離型)(圖3(a))，主要表現(xiàn)為霧迷山組和鐵嶺組厚層白云巖中發(fā)育的千枚狀構(gòu)造片巖和石英質(zhì)糜棱巖(圖3(b))，結(jié)合帶內(nèi)發(fā)育的不對稱褶皺、礦物拉伸線理(方向為100°～130°)和S-C組構(gòu)等，均指示伸展性質(zhì)的剪切運動。霧迷山組中的大型順層掩臥褶皺主要是發(fā)育在相鄰巖層厚度差別不大，但能干性明顯不同的互層巖系中的平臥褶皺(圖3(c))，還有進一步韌性剪切形成的褶疊層，褶皺端呈現(xiàn)正扇形形態(tài)(圖3(d))。張坊地區(qū)褶疊層內(nèi)的同構(gòu)造結(jié)晶脈都有遭受相繼遞進變形的表現(xiàn)，常發(fā)生石香腸化，甚至桿狀構(gòu)造，或者卷入順層掩臥褶皺(圖3(e)和圖(f))。研究發(fā)現(xiàn)，在構(gòu)造應(yīng)力作用下，巖層的變形、褶皺轉(zhuǎn)折端產(chǎn)生的張裂隙都有利于地下水的賦存、徑流及巖溶的發(fā)育[15]。

表2 研究區(qū)主要出露的中元古界流變構(gòu)造特征Table 2 The major characteristics of rheological structures of Mesoproterozoic era in the study area

a, b為霧迷山組和鐵嶺組順層韌性剪切帶，發(fā)育糜棱面理；c, d, e分別為霧迷山組硅質(zhì)灰?guī)r內(nèi)固態(tài)流變成因的 平臥褶皺、正扇形褶疊層及桿狀構(gòu)造和方解石脈；f為霧迷山組同構(gòu)造結(jié)晶脈切層同沉積礫石。圖3 主要流變構(gòu)造特征Fig.3 Major characteristics of rheological structures

2.2 褶皺-斷裂系統(tǒng)

研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育兩條較大規(guī)模的逆沖推覆構(gòu)造，即長操—霞云嶺逆沖推覆構(gòu)造和黃山店逆沖推覆構(gòu)造(圖4，據(jù)1∶5萬周口店幅修編)。

長操—霞云嶺推覆構(gòu)造，呈北東走向，傾向南東，除前鋒陡起外，一般傾角舒緩，斷層跡線蜿蜒幾十公里。沿著斷層基本沒有破碎帶發(fā)育，向西南方向，斷層被宋各莊—澳水尖“Z”字型撓折帶所取代，向北東方向延伸，推覆距離增大，最大推覆距離可達5 km，總體推覆方向310°～320°。其中大型溶洞(仙棲洞、龍仙宮及牛皮洞)的發(fā)育都與該斷層有密切聯(lián)系。

黃山店褶皺-沖斷構(gòu)造總體上由兩個相互疊置的大型平臥背斜和向斜組成，在褶皺的倒轉(zhuǎn)翼發(fā)育了鏟式逆沖斷層[25, 30]。此外，新生代的構(gòu)造作用還形成一系列高角度正斷層，對巖溶發(fā)育的空間位置起到控制作用。尤其是更新世以來，地殼間隙性的上升，對先期形成的巖溶進行疊加和改造，形成多層結(jié)構(gòu)的洞穴(如銀狐洞、石花洞等)。

圖4 研究區(qū)主要斷裂-褶皺構(gòu)造展布圖Fig.4 Distribution of major fault-fold systems in the study area

2.3 構(gòu)造裂隙

在溶洞的發(fā)育與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系中，以節(jié)理裂隙的走向與溶洞延伸方向的相關(guān)性最具有普遍意義，并控制著洞穴的平面形態(tài)[10, 19]。此外，節(jié)理還利于溶蝕裂隙和溶蝕破碎帶的發(fā)育，而且更利于中小型層間溶洞的發(fā)育[10]。喬小娟等[11]通過對巖溶地下水運移富集的研究，認為構(gòu)造裂隙一方面提供大氣降水和地表水入滲的運移通道，另一方面為巖溶地下水提供儲集空間。因此構(gòu)造裂隙是巖溶發(fā)育的重要因素，控制著巖溶在空間的發(fā)育強度和分布規(guī)律[31-33]。其次，利用節(jié)理恢復(fù)古構(gòu)造應(yīng)力場，還可以確定區(qū)域內(nèi)的主應(yīng)力方位，分析構(gòu)造應(yīng)力場形成的構(gòu)造背景，為進一步分析巖溶發(fā)育機理提供依據(jù)。

構(gòu)造活動的多期性決定了節(jié)理裂隙形成的多階段性和復(fù)雜性，在研究區(qū)的構(gòu)造變形中發(fā)育有大量節(jié)理(圖5)，以高角度的共軛剪節(jié)理為主，主要走向為北西、北東和北東東向。節(jié)理能夠指示區(qū)域和局部的應(yīng)力場，在一定的區(qū)域內(nèi)具有相同的方位[34-38]。根據(jù)節(jié)理的切割關(guān)系、分期配套等，厘定研究區(qū)上元古界中主要發(fā)育3套共軛剪節(jié)理，指示該區(qū)存在著3期構(gòu)造應(yīng)力場：南北向的擠壓、北西—南東向的擠壓和北東—南西向的擠壓。董瑩等[10]對該地區(qū)的節(jié)理特征進行系統(tǒng)的統(tǒng)計與分析，也證實了這3期應(yīng)力場。其中，中生代的節(jié)理及逆沖構(gòu)造對于巖溶洞穴(如，龍仙宮和仙棲洞等)的發(fā)育具有重要意義；而新生代的節(jié)理與新生代地殼的升降與多層溶洞(如，石花洞等)的形成密切相關(guān)。

總之，構(gòu)造裂隙的出現(xiàn)為巖溶的發(fā)育提供了一定的基礎(chǔ)，對于巖溶的延伸方向和規(guī)模程度都有影響，利于后期發(fā)育不同類型的巖溶地貌[10]。

3 巖溶的發(fā)育類型

巖性組合和地層展布特征、構(gòu)造運動的間歇性等導(dǎo)致巖溶發(fā)育的多層性和繼承性[32]，研究區(qū)內(nèi)的巖溶發(fā)育主要有3種類型(圖6)。

1)構(gòu)造抬升侵蝕溶蝕巖溶發(fā)育。薊縣系霧迷山組地層受黃山店逆沖斷裂的影響，以及新生代構(gòu)造抬升的作用，形成一系列南北走向的高角度正斷層，其控制了巖溶構(gòu)造(云水洞)的空間位置[21](圖6(a)，據(jù)文獻[21]修編)。此外，大量巖溶構(gòu)造，如峰叢型和似峰叢型巖溶，都與構(gòu)造抬升導(dǎo)致的侵蝕溶蝕作用有關(guān)[7]。

2)構(gòu)造反轉(zhuǎn)溶蝕沖蝕溶洞發(fā)育。在斷層發(fā)生反轉(zhuǎn)的部位，巖層受到更強烈的沖蝕作用，發(fā)育較大的溶洞，如仙棲洞、牛皮洞等(圖6(b)，據(jù)“房山張坊地區(qū)巖溶發(fā)育機理研究”內(nèi)部報告修編)。研究區(qū)構(gòu)造變形與侵入巖切割侵入關(guān)系，以及巖體同位素年代學(xué)測試結(jié)果等顯示的主要逆沖斷層活動時代為140～130 Ma前[27]。逆沖構(gòu)造變形之后，早白堊世中—晚期開始發(fā)育伸展構(gòu)造變形，形成一系列半地塹式的斷陷盆地，并控制火山-沉積盆地的分布，如房山北部的辛開口斷裂，及北京平原下伏的黃莊—高麗營斷裂與其所控制的斷陷盆地等，總體展布為北東方向，與主要逆沖構(gòu)造展布方向總體一致，而且主要發(fā)育在主逆沖構(gòu)造的后側(cè)(圖6(b))，同時伴生強烈的巖漿侵入活動。

3)多次抬升溶蝕侵蝕巖溶發(fā)育。隨著地殼的每一次上升、局部侵蝕基準面下降及裂點出現(xiàn)，使洞穴空間形態(tài)呈階梯狀下降，形成多層溶洞模式(圖6(c)，據(jù)文獻[2, 39]修編)，如位于房山花崗巖體北側(cè)的石花洞系，屬于鳳凰山向斜北翼的馬家溝組，自上而下發(fā)育8層[2,39]。其每一層都形成于巖溶水的水平流動帶，隨著北京西山間歇性抬升，水平流動帶發(fā)生間歇性下降，在每個階段地殼的相對穩(wěn)定期，形成不同海拔高度的8層溶洞[39]。說明洞穴的發(fā)育既有階段性，又呈現(xiàn)繼承性。

4 討論

北京張坊巖溶區(qū)屬于弱溶蝕作用的巖溶景觀。地質(zhì)構(gòu)造條件是巖溶發(fā)育演化的基礎(chǔ)格架[32]，因此區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的形成演化過程對該地區(qū)的巖溶發(fā)育具有重要影響。

4.1 地層巖性組合對于巖溶發(fā)育的影響

巖石的可溶性是巖溶地貌發(fā)育最基本的物質(zhì)條件，可溶性主要取決于巖石的化學(xué)成分與巖石結(jié)構(gòu)。碳酸鹽巖類巖石溶解度雖小，但分布廣泛，巖體厚度大，絕大多數(shù)巖溶地貌都發(fā)育在該類巖溶中，特別以石灰?guī)r最為突出。而張坊地區(qū)的地層主要為中晚元古代的一套淺海相碳酸鹽巖和碎屑巖組合[10]，地層一般近水平展布，在構(gòu)造活動強烈的地區(qū)傾角變陡，而碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)，主要包括粒屑、泥晶、膠結(jié)構(gòu)、骨架和空隙，對其溶解度影響很大，因此該區(qū)發(fā)育有似峰叢型和溶洞型巖溶地貌。

4.2 巖溶發(fā)育的控制因素

地質(zhì)構(gòu)造在巖溶發(fā)育的諸多影響因素中占主導(dǎo)地位，不僅控制著巖溶的發(fā)育和分布規(guī)律[7, 12, 16, 40]，更重要的是它為水流對碳酸鹽巖進行選擇性溶蝕創(chuàng)造基本條件[41-42]。構(gòu)造對巖溶發(fā)育的影響主要表現(xiàn)在：

1)節(jié)理裂隙(圖5)。巖溶本身往往就是裂隙擴大的結(jié)果，因此裂隙的發(fā)育程度和延伸方向通常決定巖溶的發(fā)育程度和發(fā)展方向。在研究區(qū)共軛剪節(jié)理的交叉處或密集帶，巖溶最為發(fā)育。

2)斷層。斷層本身不僅是破裂面，且由于斷裂作用往往引起兩側(cè)巖層產(chǎn)生大量裂隙，致使巖體嚴重破碎，形成水流的良好通道。因此，該區(qū)發(fā)育的主要推覆構(gòu)造以及后期局部發(fā)育的高角度正斷層對其附近分布的漏斗、豎井、落水洞及溶洞、暗河等起到控制作用。

3)褶皺。研究區(qū)的褶皺構(gòu)造主要為北嶺向斜、大石河背斜和霞云嶺—龍門臺復(fù)向斜(圖1)，這3個褶皺構(gòu)造構(gòu)成本區(qū)的基本構(gòu)造格架[11]。在霞云嶺復(fù)背斜中，軸部張性節(jié)理發(fā)育，地表水順節(jié)理下滲并向兩翼運動，巖溶以垂直形態(tài)為主。向斜軸部雖然裂隙閉合，但由于背斜下滲的水沿層面多匯集于向斜，巖溶亦容易發(fā)育。

4)巖層產(chǎn)狀。在廣泛分布的霧迷山組硅質(zhì)白云巖中，產(chǎn)狀平緩的巖層，巖體內(nèi)夾有薄層云母片巖及硅質(zhì)條帶，常構(gòu)成溶洞發(fā)育的底板，從而使大型溶洞(老道洞)沿層面發(fā)育。

5)巖溶往往沿著可溶巖與非可溶巖的接觸帶或不整合面發(fā)育。如薊縣系—青白口系之間的角度不整合面控制了三清洞的發(fā)育。

6)巖溶與新構(gòu)造運動的關(guān)系。地殼強烈上升地區(qū)，侵蝕基準面相對下降，下切作用強烈，巖溶以垂直方向發(fā)育為主；下降地區(qū)，原來水平發(fā)育的巖溶處于侵蝕基準面以下，原來垂直發(fā)育的巖溶又增加了水平發(fā)育，使巖溶更加復(fù)雜；相對穩(wěn)定的區(qū)域，巖溶水平發(fā)育為主。尤其是石花洞的發(fā)育與新構(gòu)造運動息息相關(guān)。

4.3 巖溶發(fā)育史

巖溶作為表生作用的一種地質(zhì)過程，其發(fā)育史應(yīng)追溯到包括碳酸鹽巖沉積之后所經(jīng)歷的一切變化(如在成巖階段形成的溶孔、溶縫等)[7]。本文以地質(zhì)演化為背景，在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合野外的地質(zhì)調(diào)查，探討張坊地區(qū)的巖溶發(fā)育史。

1)中元古代古巖溶發(fā)育期

呂梁運動后，華北地區(qū)開始發(fā)育蓋層沉積，研究區(qū)中元古代地層大面積分布，碳酸鹽巖潮坪相、藻灘濱海相地殼頻繁升降，時而露出海平面形成薩布哈膏鹽沉積或遭受淋濾溶蝕，留下多種古巖溶風(fēng)化面，如溶溝、溶縫、假晶和古風(fēng)化面，典型代表為房山拴馬樁剖面內(nèi)鐵嶺組之下殘留的風(fēng)化面以及高于莊組白云巖因溶蝕而形成的起伏不平的古溶蝕面，發(fā)育漏斗及溶隙[7]。

2)古生代古巖溶發(fā)育期

該區(qū)第二次沉積間斷期、剝蝕期發(fā)生在中奧陶統(tǒng)沉積之后、中石炭統(tǒng)沉積之前，伴生有強烈的古巖溶活動。由于受到加里東運動的影響，該區(qū)在中奧陶統(tǒng)沉積之后，與華北其他地區(qū)一樣，曾大面積抬升，碳酸鹽巖被剝蝕夷平長達1.5億年之久[7]。在古剝蝕面上殘留一些與古巖溶相關(guān)的沉積物，如在京西楊坨地區(qū)就有該期古巖溶的遺跡[43]。

3)中生代古巖溶發(fā)育期

三疊紀末期，印支運動形成大量的褶皺、斷裂現(xiàn)象，尤其是燕山運動使得研究區(qū)的古地理、古構(gòu)造進入一個新的階段。印支運動之前，研究區(qū)整體性的上升和下降，構(gòu)造方向以東西向為主；印支—燕山期后轉(zhuǎn)變?yōu)楸蔽鳌蠔|向擠壓[10-11]。復(fù)雜的構(gòu)造作用，使元古界、古生界地層重新剝露地表發(fā)生淋濾與溶蝕，同時形成大量的溶洞(如，仙棲洞)。

4)新生代巖溶發(fā)育期

白堊紀之后，受喜馬拉雅運動的影響，該區(qū)開始了一個新的巖溶發(fā)育時期[7]。新生代早期主要表現(xiàn)為差異性抬升，抬升幅度較大，穩(wěn)定時間較長，形成不同期次發(fā)育的溶洞(如，石花洞)；新生代晚期主要表現(xiàn)為間歇性上升，上升幅度較小，穩(wěn)定時間也較短。

5 結(jié) 論

1)張坊地區(qū)主要發(fā)育中上元古界碳酸鹽巖夾細碎屑巖和硅質(zhì)巖等，碳酸鹽巖地層分布廣，厚度大，地層傾角緩，構(gòu)造作用強烈地區(qū)，傾角變陡，為巖溶發(fā)育提供最基本的物質(zhì)基礎(chǔ)。不整合面、區(qū)域性隔水層和多期構(gòu)造裂隙在巖溶發(fā)育過程中扮演重要角色。

2)區(qū)域逆沖斷裂由南東向北西推覆，主斷面向南東方向緩傾，并順地層延伸，遇到強能干層傾角變陡，并伴生斷層相關(guān)褶皺等構(gòu)造。

3)張坊地區(qū)經(jīng)歷中元古代古巖溶、古生代古巖溶、中生代古巖溶和新生代巖溶發(fā)育期，主要包括構(gòu)造抬升侵蝕溶蝕、構(gòu)造反轉(zhuǎn)溶蝕沖蝕以及多次抬升溶蝕侵蝕等巖溶發(fā)育類型。

感謝侯泉林、黃繼鈞、李智武、郭高軒、劉凱、趙君星、柳雙權(quán)、秦川、陳順、吳靜、董瑩、卜紅玲、夏磊、羅明奇等參與野外與室內(nèi)研究。