北京張坊地區中上元古界中巖溶發育與構造作用

發布時間：2019-06-17所屬分類：科技論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要張坊巖溶地貌是中國北方巖溶類型的典型代表。分析張坊地區的地層展布與構造變形，探討地層-構造演化與巖溶發育的關系。研究區主要出露近水平的中上元古界碳酸鹽巖夾細碎屑巖和硅質巖，主要經歷印支期(或更早期)伸展狀態下的固態流變變形、燕山期的逆沖-

　　摘要張坊巖溶地貌是中國北方巖溶類型的典型代表。分析張坊地區的地層展布與構造變形，探討地層-構造演化與巖溶發育的關系。研究區主要出露近水平的中上元古界碳酸鹽巖夾細碎屑巖和硅質巖，主要經歷印支期(或更早期)伸展狀態下的固態流變變形、燕山期的逆沖-褶皺變形和房山巖體期后的伸展變形等多期次構造演化，造就了研究區復雜的褶皺、斷裂、構造裂隙和巖溶地貌特征。大型溶洞的發育主要與中上元古界的巖性-地層展布、中生代的逆沖斷裂和新生代的伸展斷裂等地質作用有關。在多階段沉積-變形等地質作用控制下，發育了中元古代、古生代、中生代和新生代4期古巖溶，形成構造抬升侵蝕溶蝕、構造反轉溶蝕沖蝕和多次抬升溶蝕侵蝕等3種主要溶洞發育類型。

　　關鍵詞張坊巖溶區;地層;裂隙;構造演化;巖溶發育

　　北京張坊巖溶地貌是北方巖溶類型的典型代表，該區的巖溶地下水是北京地區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，對該地區的巖溶和巖溶水已有較多研究[1-11]。但是，對巖溶區的地層發育、構造特征與巖溶演化的關系，還認識不足，阻礙了地下水資源的開發利用。除地層發育基礎外，地質構造是巖溶發育的重要條件[12-18]，對于構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形成的真正起因和形成機理[19]。

　　張坊地區中上元古界碳酸鹽巖受多期構造活動的影響，形成不同方向的斷層、褶皺構造與宏大的節理裂隙，造就了多期巖溶的疊加特征。本文通過詳細的野外地質調查，分析張坊巖溶區的巖溶發育地層的展布，裂隙、節理和斷層等構造特征，結合周口店地區的構造演化，探討巖溶發育、演化特征，以期為合理有效地開發利用、保護巖溶水提供依據。

　　1區域地質背景

　　北京張坊地區位于華北板塊中部，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)控制了研究區內多期變形疊加改造的構造地質圖像，據文獻[20]修編)。張坊地區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)是研究區的主要層系，為一套海相碳酸鹽巖和碎屑巖[21-22];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育;中生代地層(三疊系、侏羅系)復雜，包括含玄武巖地層、含煤系地層等。關于北京張坊地區的構造特征與演化，主要存在3種觀點:1)與華北地臺廣大地區一樣，自呂梁運動以后到中生代初期，一直處于穩定的地臺升降狀態，只是燕山運動造就了復雜的構造變形和變質作用[22];2)強調在印支期就已形成研究區的基本構造格局，主要構造形跡為韌性伸展構造(順層固態流變構造、變質核雜巖和剝離斷層)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造控制房山地區構造演化[24]。

　　北京西山地區蓋層演化，主要有2個認識:一種是認為與華北地臺廣大地區一樣，自呂梁運動以來，從元古宙—中生代初的蓋層發育過程中，北京西山一直處于穩定的升降狀態，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，但未曾發生過明顯的構造變動[21];另外一種是認為主要構造格局是燕山運動，或者印支運動以來的產物，在蓋層構造形成過程中至少經歷了3期變形旋回，伴隨相關的構造事件[25]。

　　實際上，北京西山地區的構造特征遠比上述認識復雜得多。宋鴻林[23]提出早在燕山運動以前就經歷了多期變形作用。后來又通過進一步工作，在周口店地區發現伸展構造表現形式之一的剝離斷層[26]。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生，后經歷三疊紀、侏羅紀及早白堊世的變形，地殼強烈加厚，有利于深部發生拆沉作用及淺部出現強烈的伸展變形。趙遜[7]認為北京地區新生代以來由于強烈斷塊抬升而與華北平原分離，結構上以拉伸開裂為主要特征，發生多次剝蝕夷平作用，留下較多的巖溶形態。

　　2構造發育特征

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

　　2.1褶疊層及其發育特征

　　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造替代原始層理(或先期層理)而構成的地層構造單元[28-29]。周口店固態流變構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、變形最為明顯和強烈。野外調查證實，由巖體向四周變質、變形作用隨著構造層次和涉及地層的改變而逐漸減弱或者終止。在研究區的路線地質調查中，固態流變構造在靠近霞云嶺逆沖推覆構造帶的東關上—佛嶺溝、化湯溝、黑牛水，以及靠近黃山店逆沖推覆構造帶的孤山口—上中院，及其南端的周張公路沿線等地均有發育。上方山一帶發育順層韌性剪切帶(剝離型)，主要表現為霧迷山組和鐵嶺組厚層白云巖中發育的千枚狀構造片巖和石英質糜棱巖，結合帶內發育的不對稱褶皺、礦物拉伸線理(方向為100°～130°)和S-C組構等，均指示伸展性質的剪切運動。

　　2.2褶皺-斷裂系統

　　研究區內主要發育兩條較大規模的逆沖推覆構造，即長操—霞云嶺逆沖推覆構造和黃山店逆沖推覆構造。長操—霞云嶺推覆構造，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5km，總體推覆方向310°～320°。其中大型溶洞(仙棲洞、龍仙宮及牛皮洞)的發育都與該斷層有密切聯系。黃山店褶皺-沖斷構造總體上由兩個相互疊置的大型平臥背斜和向斜組成，在褶皺的倒轉翼發育了鏟式逆沖斷層[25，30]。

　　此外，新生代的構造作用還形成一系列高角度正斷層，對巖溶發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，形成多層結構的洞穴(如銀狐洞、石花洞等)。

　　2.3構造裂隙

　　在溶洞的發育與地質構造的關系中，以節理裂隙的走向與溶洞延伸方向的相關性最具有普遍意義，并控制著洞穴的平面形態[10，19]。此外，節理還利于溶蝕裂隙和溶蝕破碎帶的發育，而且更利于中小型層間溶洞的發育[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。因此構造裂隙是巖溶發育的重要因素，控制著巖溶在空間的發育強度和分布規律[31-33]。

　　其次，利用節理恢復古構造應力場，還可以確定區域內的主應力方位，分析構造應力場形成的構造背景，為進一步分析巖溶發育機理提供依據。構造活動的多期性決定了節理裂隙形成的多階段性和復雜性，在研究區的構造變形中發育有大量節理，以高角度的共軛剪節理為主，主要走向為北西、北東和北東東向。節理能夠指示區域和局部的應力場，在一定的區域內具有相同的方位[34-38]。

　　根據節理的切割關系、分期配套等，厘定研究區上元古界中主要發育3套共軛剪節理，指示該區存在著3期構造應力場: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]對該地區的節理特征進行系統的統計與分析，也證實了這3期應力場。其中，中生代的節理及逆沖構造對于巖溶洞穴(如，龍仙宮和仙棲洞等)的發育具有重要意義;而新生代的節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�？傊�，構造裂隙的出現為巖溶的發育提供了一定的基礎，對于巖溶的延伸方向和規模程度都有影響，利于后期發育不同類型的巖溶地貌[10]。

　　4討論

　　北京張坊巖溶區屬于弱溶蝕作用的巖溶景觀。地質構造條件是巖溶發育演化的基礎格架[32]，因此區域地質構造的形成演化過程對該地區的巖溶發育具有重要影響。

　　5結論

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

　　2)區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，并伴生斷層相關褶皺等構造。

　　3)張坊地區經歷中元古代古巖溶、古生代古巖溶、中生代古巖溶和新生代巖溶發育期，主要包括構造抬升侵蝕溶蝕、構造反轉溶蝕沖蝕以及多次抬升溶蝕侵蝕等巖溶發育類型。

　　參考文獻

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　　[4]辛寶東.北京市房山區巖溶地下水水文地球化學特征[J].水文地質工程地質，2005，32(3):74-75.

　　相關刊物推薦：《地質學報》Acta Geologica Sinica(月刊)曾用刊名：中國地質學會會志，1922年創刊，為學術性刊物。刊登地質學及其相關學科的領域的研究成果，涉及地層學、古生物學、礦物巖石學、地球化學、構造地質、水文地質、第四紀地質等方面。讀者對象為地質科學研究人員及地質院校師生。