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北京张坊地区中上元古界中岩溶发育与构造作用

发布时间:2019-06-17 11:46所属分类:科技论文浏览:1

摘要张坊岩溶地貌是中国北方岩溶类型的典型代表。分析张坊地区的地层展布与构造变形,探讨地层-构造演化与岩溶发育的关系。研究区主要出露近水平的中上元古界碳酸盐岩夹细碎屑岩和硅质岩,主要经历印支期(或更早期)伸展状态下的固态流变变形、燕山期的逆冲-

  摘要张坊岩溶地貌是中国北方岩溶类型的典型代表。分析张坊地区的地层展布与构造变形,探讨地层-构造演化与岩溶发育的关系。研究区主要出露近水平的中上元古界碳酸盐岩夹细碎屑岩和硅质岩,主要经历印支期(或更早期)伸展状态下的固态流变变形、燕山期的逆冲-褶皱变形和房山岩体期后的伸展变形等多期次构造演化,造就了研究区复杂的褶皱、断裂、构造裂隙和岩溶地貌特征。大型溶洞的发育主要与中上元古界的岩性-地层展布、中生代的逆冲断裂和新生代的伸展断裂等地质作用有关。在多阶段沉积-变形等地质作用控制下,发育了中元古代、古生代、中生代和新生代4期古岩溶,形成构造抬升侵蚀溶蚀、构造反转溶蚀冲蚀和多次抬升溶蚀侵蚀等3种主要溶洞发育类型。

  关键词张坊岩溶区;地层;裂隙;构造演化;岩溶发育

地质学报

  北京张坊岩溶地貌是北方岩溶类型的典型代表,该区的岩溶地下水是北京地区地下水资源的重要组成部分,为合理地开采利用、保护岩溶水,对该地区的岩溶和岩溶水已有较多研究[1-11]。但是,对岩溶区的地层发育、构造特征与岩溶演化的关系,还认识不足,阻碍了地下水资源的开发利用。除地层发育基础外,地质构造是岩溶发育的重要条件[12-18],对于构造的研究不仅可以了解岩溶作用的宏观选择性作用,而且能够正确认识一些特殊岩溶形态形成的真正起因和形成机理[19]。

  张坊地区中上元古界碳酸盐岩受多期构造活动的影响,形成不同方向的断层、褶皱构造与宏大的节理裂隙,造就了多期岩溶的叠加特征。本文通过详细的野外地质调查,分析张坊岩溶区的岩溶发育地层的展布,裂隙、节理和断层等构造特征,结合周口店地区的构造演化,探讨岩溶发育、演化特征,以期为合理有效地开发利用、保护岩溶水提供依据。

  1区域地质背景

  北京张坊地区位于华北板块中部,太行山隆起带的东北端,东邻华北平原,北为近东西向的燕山山脉,这两个主体方向(北北东和东西)控制了研究区内多期变形叠加改造的构造地质图像,据文献[20]修编)。张坊地区的地层出露比较齐全,由老到新分别为:中晚元古代、古生代、中生代及新生代地层(图1(b),据文献[11]修编)。

  中晚元古代地层(长城系、蓟县系和青白口系)是研究区的主要层系,为一套海相碳酸盐岩和碎屑岩[21-22];早古生代岩性(寒武系、奥陶系)以碳酸盐岩为主,及少量的泥质岩和细粉砂岩;晚古生代(石炭系、二叠系)以碎屑岩为主,其中还有煤系地层发育;中生代地层(三叠系、侏罗系)复杂,包括含玄武岩地层、含煤系地层等。关于北京张坊地区的构造特征与演化,主要存在3种观点:1)与华北地台广大地区一样,自吕梁运动以后到中生代初期,一直处于稳定的地台升降状态,只是燕山运动造就了复杂的构造变形和变质作用[22];2)强调在印支期就已形成研究区的基本构造格局,主要构造形迹为韧性伸展构造(顺层固态流变构造、变质核杂岩和剥离断层)和东西向褶皱,在燕山期为房山岩体的侵入和脆性逆冲断层的活动[20,23];3)房山岩体岩浆底辟构造控制房山地区构造演化[24]。

  北京西山地区盖层演化,主要有2个认识:一种是认为与华北地台广大地区一样,自吕梁运动以来,从元古宙—中生代初的盖层发育过程中,北京西山一直处于稳定的升降状态,虽有两个时期(元古宙与古生代之间,奥陶纪和石炭纪之间)的重大沉积间断,但未曾发生过明显的构造变动[21];另外一种是认为主要构造格局是燕山运动,或者印支运动以来的产物,在盖层构造形成过程中至少经历了3期变形旋回,伴随相关的构造事件[25]。

  实际上,北京西山地区的构造特征远比上述认识复杂得多。宋鸿林[23]提出早在燕山运动以前就经历了多期变形作用。后来又通过进一步工作,在周口店地区发现伸展构造表现形式之一的剥离断层[26]。张长厚等[27]的研究进一步深化或修正前期的工作,认为燕山—太行山的地壳挤压缩短变形在二叠纪晚期就已发生,后经历三叠纪、侏罗纪及早白垩世的变形,地壳强烈加厚,有利于深部发生拆沉作用及浅部出现强烈的伸展变形。赵逊[7]认为北京地区新生代以来由于强烈断块抬升而与华北平原分离,结构上以拉伸开裂为主要特征,发生多次剥蚀夷平作用,留下较多的岩溶形态。

  2构造发育特征

  各类原生沉积构造面或构造变形面是识别构造的重要特征,研究区的构造变形面主要分为两类:低角度的剥离断层和推覆构造的冲断面。特别地,研究区发育了大量浅变质褶叠层及与其相关的顺层韧性剪切带(剥离型韧性剪切带)、顺层掩卧褶皱、拉伸线理及石香肠等构造。

  2.1褶叠层及其发育特征

  褶叠层是由于横向置换作用,形成一系列宏观上呈水平或缓倾斜的新生面状构造替代原始层理(或先期层理)而构成的地层构造单元[28-29]。周口店固态流变构造群落大体上分布在房山岩体周围,在岩体旁的盖层中变质、变形最为明显和强烈。野外调查证实,由岩体向四周变质、变形作用随着构造层次和涉及地层的改变而逐渐减弱或者终止。在研究区的路线地质调查中,固态流变构造在靠近霞云岭逆冲推覆构造带的东关上—佛岭沟、化汤沟、黑牛水,以及靠近黄山店逆冲推覆构造带的孤山口—上中院,及其南端的周张公路沿线等地均有发育。上方山一带发育顺层韧性剪切带(剥离型),主要表现为雾迷山组和铁岭组厚层白云岩中发育的千枚状构造片岩和石英质糜棱岩,结合带内发育的不对称褶皱、矿物拉伸线理(方向为100°~130°)和S-C组构等,均指示伸展性质的剪切运动。

  2.2褶皱-断裂系统

  研究区内主要发育两条较大规模的逆冲推覆构造,即长操—霞云岭逆冲推覆构造和黄山店逆冲推覆构造。长操—霞云岭推覆构造,呈北东走向,倾向南东,除前锋陡起外,一般倾角舒缓,断层迹线蜿蜒几十公里。沿着断层基本没有破碎带发育,向西南方向,断层被宋各庄—澳水尖“Z”字型挠折带所取代,向北东方向延伸,推覆距离增大,最大推覆距离可达5km,总体推覆方向310°~320°。其中大型溶洞(仙栖洞、龙仙宫及牛皮洞)的发育都与该断层有密切联系。黄山店褶皱-冲断构造总体上由两个相互叠置的大型平卧背斜和向斜组成,在褶皱的倒转翼发育了铲式逆冲断层[25,30]。

  此外,新生代的构造作用还形成一系列高角度正断层,对岩溶发育的空间位置起到控制作用。尤其是更新世以来,地壳间隙性的上升,对先期形成的岩溶进行叠加和改造,形成多层结构的洞穴(如银狐洞、石花洞等)。

  2.3构造裂隙

  在溶洞的发育与地质构造的关系中,以节理裂隙的走向与溶洞延伸方向的相关性最具有普遍意义,并控制着洞穴的平面形态[10,19]。此外,节理还利于溶蚀裂隙和溶蚀破碎带的发育,而且更利于中小型层间溶洞的发育[10]。乔小娟等[11]通过对岩溶地下水运移富集的研究,认为构造裂隙一方面提供大气降水和地表水入渗的运移通道,另一方面为岩溶地下水提供储集空间。因此构造裂隙是岩溶发育的重要因素,控制着岩溶在空间的发育强度和分布规律[31-33]。

  其次,利用节理恢复古构造应力场,还可以确定区域内的主应力方位,分析构造应力场形成的构造背景,为进一步分析岩溶发育机理提供依据。构造活动的多期性决定了节理裂隙形成的多阶段性和复杂性,在研究区的构造变形中发育有大量节理,以高角度的共轭剪节理为主,主要走向为北西、北东和北东东向。节理能够指示区域和局部的应力场,在一定的区域内具有相同的方位[34-38]。

  根据节理的切割关系、分期配套等,厘定研究区上元古界中主要发育3套共轭剪节理,指示该区存在着3期构造应力场:南北向的挤压、北西—南东向的挤压和北东—南西向的挤压。董莹等[10]对该地区的节理特征进行系统的统计与分析,也证实了这3期应力场。其中,中生代的节理及逆冲构造对于岩溶洞穴(如,龙仙宫和仙栖洞等)的发育具有重要意义;而新生代的节理与新生代地壳的升降与多层溶洞(如,石花洞等)的形成密切相关。总之,构造裂隙的出现为岩溶的发育提供了一定的基础,对于岩溶的延伸方向和规模程度都有影响,利于后期发育不同类型的岩溶地貌[10]。

  4讨论

  北京张坊岩溶区属于弱溶蚀作用的岩溶景观。地质构造条件是岩溶发育演化的基础格架[32],因此区域地质构造的形成演化过程对该地区的岩溶发育具有重要影响。

  5结论

  1)张坊地区主要发育中上元古界碳酸盐岩夹细碎屑岩和硅质岩等,碳酸盐岩地层分布广,厚度大,地层倾角缓,构造作用强烈地区,倾角变陡,为岩溶发育提供最基本的物质基础。不整合面、区域性隔水层和多期构造裂隙在岩溶发育过程中扮演重要角色。

  2)区域逆冲断裂由南东向北西推覆,主断面向南东方向缓倾,并顺地层延伸,遇到强能干层倾角变陡,并伴生断层相关褶皱等构造。

  3)张坊地区经历中元古代古岩溶、古生代古岩溶、中生代古岩溶和新生代岩溶发育期,主要包括构造抬升侵蚀溶蚀、构造反转溶蚀冲蚀以及多次抬升溶蚀侵蚀等岩溶发育类型。

  参考文献

  [1]吕金波,李铁英,孙永华,等.北京石花洞的岩溶地质特征[J].地质通报,1999,18(4):373-378.

  [2]吕金波,卢耀如,郑桂森,等.北京西山岩溶洞系的形成及其与新构造运动的关系[J].地质通报,2010,29(4):502-509.

  [3]刘建立,朱学愚,钱孝星.中国北方裂隙岩溶不资源开发和保护中若干问题的研究[J].地质学报,2000,74(4):344-352.

  [4]辛宝东.北京市房山区岩溶地下水水文地球化学特征[J].水文地质工程地质,2005,32(3):74-75.

  相关刊物推荐:《地质学报》Acta Geologica Sinica(月刊)曾用刊名:中国地质学会会志,1922年创刊,为学术性刊物。刊登地质学及其相关学科的领域的研究成果,涉及地层学、古生物学、矿物岩石学、地球化学、构造地质、水文地质、第四纪地质等方面。读者对象为地质科学研究人员及地质院校师生。

  

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