北京地区寒武系沉积相模式及其演化
李硕 金振奎 郭芪恒
摘要：北京地区位于华北地区北部，区内寒武系出露良好，地质现象丰富，是华北经典地质剖面之一。本文对北京西山下苇甸剖面、青白口剖面、周口店东山梁剖面3条野外露头剖面寒武系地层的实测描述，并进行岩石薄片鉴定分析，对寒武系各类岩石的特征进行分析，阐明主要沉积微相类型，并建立了寒武系沉积相模式。通过研究，识别出研究区10种岩石类型有灰泥石灰岩、生屑石灰岩、生屑质灰泥石灰岩和含生屑灰泥石灰岩、鲕粒灰岩、竹叶状灰岩、泥粉晶白云岩、细晶白云岩、泥页岩及粉砂岩，该区碳酸盐岩中的颗粒主要为鲕粒、内碎屑及生物碎屑，所见生物化石以三叶虫、介形虫等为主。通过岩性特征观察及剖面相组合，将北京地区寒武系碳酸盐岩台地划分为潮坪、局限台地、滩、开阔台地和页岩陆棚这五种沉积亚相。
关键词：北京地区;寒武系;碳酸盐岩;岩性特征;沉积模式
一、引言
北京地区位于华北地台冀中凹陷北缘，总面积为16807.8平方千米，山区占63%，约10000平方千米，平原區占38%，约6800平方千米。[1]区内地层从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与泥盆系外基本上齐全，[2]本次主要研究层位为寒武系。
20世纪以来，各专家、学者对北京地区寒武系剖面做了大量的研究，其中，北京西山下苇甸剖面寒武系作为北京地区高等院校教学剖面，其岩石特征、沉积环境及相关的地层划分对比得到深入研究。如王英华等在岩石学方面的研究;[3]冯增昭等在古地理方面的研究;[4]孟祥化等对竹叶状灰岩风暴沉积相模式的建立、[5]景宇轩等利用风暴沉积类型恢复海平面变化;[6]苏德辰对寒武系滑塌构造地震成因的解释;[7]范开强等对寒武系岩石的成因解释;[8]乔秀夫等在层序地层方面的研究;[9]张旭等对中寒武统碳酸盐岩微相及沉积相研究，[10]梅冥相等寒武系微生物岩的研究;[11]近年来，许多学者对北京地区寒武系极其沉积环境进行了详细的深入研究。
沉积相对油气勘探的有利区带具有重要指导意义。该区寒武系的沉积相及沉积模式研究，对我们了解认识寒武系北京地区的沉积环境演化历史乃至整个华北地区燕辽裂陷槽的演化格局有一定的实际意义。前人对北京地区寒武系沉积相的研究主要集中于下苇甸地区，对于北京地区整体沉积相模式的研究涉及较少。 本文通过对北京地区寒武系露头剖面实测描述，并进行岩石薄片鉴定分析，根据岩石颜色、成分、结构、构造，以及显微镜下碳酸盐岩颗粒特征、基质类型、生物化石等微相划分标志，识别出该区寒武系岩相特征和沉积相类型，并建立沉积模式。
二、区域地质背景
北京地区变形构造除早期寒武系地层由于经历了多次强烈的区域变质与变形外，构造世代的鉴别具有不确定性。盖层构造主要是NE和EW两个方向的断裂和褶皱（图1），组成了该地区的基本构造骨架并控制了沉积作用、火成作用和成矿作用的空间分布。
在漫长的地壳演化过程中，北京地区经历了多次大的地质事件。吕梁运动是一个重要的转折，本区活动较稳定，地台初步形成，期间发生一次裂陷形成东西向展布的燕山裂陷槽，在大红峪期终止发展。根据国际地层表[12]划分方案，中国地层委员会将中国寒武系分为四统十阶，对应于研究区所属的中国北方地层划分方案，共划分了六个组，由老到新为∶李官组、朱砂洞组、馒头组、张夏组、崮山组、炒米店组。鉴于地层术语的使用习惯，同时为了便于描述及地层划分对比，本文仍采用传统的地层划分方案，根据北京市区域地质志，下古生界寒武系自下而上分为昌平组、馒头组、毛庄组、徐庄组、张夏组、崮山组、长山组、凤山组。寒武系昌平组下伏与上元古界青白口系景儿峪组呈平行不整合接触，缺失震旦系。
三、岩石类型及特征
根据北京西山下苇甸剖面、青白口剖面2条野外露头剖面实测、采样和分析，结合周口店东山梁剖面，总结了寒武系各组特征。
北京地区寒武系的岩石类型以碳酸盐岩为主，类型多样，其次是碎屑岩。结合碳酸盐岩颗粒类型、基质类型、沉积组构、生物化石特征等微相划分标志，参考《中华人民共和国国家标准∶岩石分类和命名方案——沉积岩岩石分类和命名方案》（GB/T17412.2-1998），结合研究区岩石的成分、结构、构造，将研究区岩石进一步细分为11种岩石种类（表1）。
四、沉积相特征
（一）昌平组（∈1c）
昌平组（∈1c）主要分布在北京西山门头沟区的齐家庄—青白口—大村和下苇甸，房山区的龙门台—柳林水—鲁家滩—黄山店。不同剖面厚度相差不大，厚度为50-80m，岩性主要为豹斑灰岩和白云岩。下苇甸剖面昌平组底部主要为深灰色含角砾泥晶灰岩，厚十几米到几十米，向上过渡为豹斑灰岩和含生屑泥晶灰岩，顶部可见厚层浅灰色细晶白云岩。与下伏青白口景儿峪组的接触关系为平行不整合。
昌平组底部厚度约3m的含角砾泥晶白云岩（图2-a）为下苇甸剖面寒武纪最早的沉积层，王宗起等认为该时期海进时破坏了古风化壳并将其卷入寒武系，重新在原地沉积成岩，为潮上坪沉积环境。角砾岩段是由早期沉积于低能潮上坪的泥晶石灰岩，在后期岩溶作用形成的;角砾的主要成分为平行不整合面之下青白口系景儿峪组黑色硅岩，向上逐渐变为泥质灰岩与角砾白云岩互层并过渡为豹斑灰岩和核形石灰岩，出现生物化石，种类为三叶虫、双壳类等，反映水体逐渐变深的过程。再向上灰岩发生白云化作用，形成了昌平组顶部的一套厚层细晶白云岩（图2-b），属于潮上云坪沉积环境，说明相对海平面下降。
昌平组整体上为潮坪沉积环境，由最初的潮上坪环境逐渐海进，水体变深，然后相对海平面下降，形成的地层暴露于地表并被风化剥蚀，形成的平行不整合界面作为昌平组与馒头组间的分界面。
（二）馒头组（∈1mt）
馒头组（∈1mt）主要分布在北京西山和北山。下苇甸剖面厚65m，青白口剖面厚70m。岩性以砖红色泥岩为主，可见灰岩、泥晶白云岩、鲕粒灰岩，发育水平纹层，属于潮坪相沉积。与下伏昌平组呈平行不整合接触，底部可见古风化壳及角砾岩。
馒头组可分为两段，下段主要发育厚层砖红色粉砂质泥岩，为较深水环境沉积，底部发育褐色泥质粉砂岩，中上部夹薄层石灰岩，偶见石膏假晶，自下而上泥质含量减少逐渐过渡为浅灰色灰泥石灰岩，反映了水体逐渐变深的过程（图2-c），总体属于潮上泥坪环境;上段岩性以厚层浅灰色泥粉晶白云岩为主，底部为灰白色泥晶白云岩，顶部为棕黄色泥质条带泥晶白云岩，从下而上泥质含量逐渐增多，说明相对海平面下降，总体上为海平面停滞期潮上云坪环境下的沉积。
（三）毛庄组（∈1mz）
毛庄组（∈1mz）主要出露于西山门头沟区、房山区及北山昌平区文殊峪、十三陵、龙山等地。下苇甸剖面厚180m，青白口剖面厚90m。发育深褐色泥岩、云质灰岩及泥晶白云岩，与馒头组为连续沉积，与馒头组在野外可以看出颜色上的深浅有所不同，其分布也与下伏馒头组一样广泛。
毛庄组底部为厚度超过50m的紫红色泥岩，向上变为两套中层紫红色泥岩与云质泥岩薄互层的旋回，属于蒸发潮坪相沉积，与馒头组中下部蒸发潮坪磚红色泥岩类似;中部发育3套灰绿色泥岩与灰白色条带状白云岩的旋回，代表沉积水体相对变化，说明本区海平面间接性变化，但总体较深，旋回底部为10cm左右的灰绿色泥岩，顶部为灰白色白云岩。泥岩颜色从紫红色变为灰绿色反映沉积环境由氧化环境转换为还原环境，且泥质含量增多，说明沉积环境水体加深，相对海平面上升。其中，毛庄组中部发育的厚2m左右的黄色粉砂质灰岩，属于潮上灰坪沉积。毛庄组顶部为一套厚80m左右的褐色泥岩，泥质含量增多，说明水体再次变深，代表潮上泥坪沉积环境。
（四）徐庄组（∈2x）
徐庄组（∈2x） 在北京北山、西山均可见，青白口和下苇甸剖面都厚约60m。徐庄组主要为鲕粒灰岩（图2-d）、灰泥石灰岩、泥页岩和粉砂岩。该组与下伏毛庄组呈整合接触。
徐庄组底部为红色泥岩与灰绿色泥页岩构成的3个小型旋回，每个旋回厚度约2m左右，向上变为中层鲕粒灰岩夹褐色泥质粉砂岩。徐庄组中上部发育3个旋回，旋回的底部为厚50cm左右的条带状钙质泥页岩，顶部为厚层鲕粒灰岩。其中，徐庄组顶部发育一套厚度为2-3m的灰绿色粉砂质泥岩（图2-e），属于陆棚相的相对较深水的沉积，反映相对海平面上升到最高时形成的凝缩层（图2-f），反映了海侵作用的结束。徐庄组顶部发育类似于凝缩层段褐色粉砂质泥页岩与厚层灰白色鲕粒灰岩构成的米级旋回。
张旭等认为徐庄组上部颗粒组分以生物碎屑为主， 通常无或少亮晶， 化石颗粒泥晶化较为常见;徐庄组中下部主要由泥晶鲕粒颗粒—泥粒灰岩和同心圆鲕粒颗粒灰岩构成，它们的共生指示了台地边缘鲕粒滩相环境。总体上，徐庄组为开阔台地——滩相沉积，由下部的开阔台地相开始，向上至徐庄组上部变化为滩相，经历了海平面下降——上升的演化过程。
（五）张夏组（∈2z）
张夏组（∈2z）分布于北京西山门头沟区下苇甸一带，田庄—柏峪台;房山区三十亩地—水峪东大尖、兰土台—大地港一带，北山仅仅零星出露。剖面厚30-159m，一般厚130m。沉积环境与徐庄组比较类似，但厚层鲕粒灰岩明显比较发育，且鲕粒灰岩厚度为0.4m-1m，。张夏组与下伏徐庄组整合接触，与徐庄组相比，张夏组底部的颗粒石灰岩相对减少，灰泥石灰岩含量增多。
整体上以发育滩相高能鲕粒灰岩（图2-g）和开阔台地相生物丘灰岩为特征，夹少量局限台地深灰色灰质泥岩。张夏组底部发育灰褐色条带状钙质泥页岩与灰白色竹叶灰岩（图2-h）和鲕粒灰岩组成的米级旋回，向上发育一套2m左右的灰白色生物丘和含生物碎屑的泥质石灰岩，反映了开阔台地上的较深水沉积环境，反映了水体的不断加深。张夏组中上部发育局限台地薄层深灰色灰质条带泥岩到滩相鲕粒灰岩的一系列米级旋回，反映了总体上水体变浅的沉积相序列。
张夏组沉积期，沉积大量放射鲕、包粒及复鲕，与此同时，生物多样性增加如海胆、海百合、三叶虫、介形虫等，推断张夏组早期为局限台地环境，之后水体加深变为滩相沉积环境，之后海平面下降，可能变为开阔台地相。总体上，张夏组表现为一个典型的离岸缓坡碳酸盐岩台地沉积模式，由下向上水体加深，陆源碎屑沉积逐渐往后迁移，被碳酸盐岩沉积所取代，台地成熟。
（六）崮山组（∈3g）
崮山组（∈3g）分布与张夏组基本一致，剖面一般厚约60m。以鲕粒灰岩为主，可见少量竹叶状灰岩。与张夏组相比，崮山组含陆源碎屑物质较多，该组与下伏张夏组呈整合接触。
崮山组下部为一套厚层潮下滩相鲕粒灰岩（图2-i），鲕粒灰岩为亮晶鲕粒灰岩，代表形成于水体持续或间歇动荡的浅水环境;底部为灰绿色薄层粉砂岩夹薄层鲕粒灰岩、藻丘透镜体、生屑灰岩，向上变为崮山组潮坪相云泥条带石灰岩夹叠层石灰岩，指示该岩石段处于正常浪基面以下但时而暴露的潮间带，反映了水体由深变浅，顶部为鲕粒灰岩与薄层竹叶状粒屑灰岩互层，可见紫红色氧化圈，其沉积环境为正常浪基面以下的开阔台地环境。
（七）长山组（∈3ch）
长山组（∈3ch）的分布范围与崮山组基本一致，一般厚约30m。该组在北京地区同样分布广且与下伏崮山组呈整合接触。岩性主要以泥晶竹叶状灰岩、云泥条带灰岩为主。
长山组底下部为灰绿色钙质泥岩与竹叶状灰岩构成的米级旋回（图2-j），竹叶多为长形且具有氧化圈，上部发育厚层竹叶状灰岩（图2-k），上部可见少量泥粉晶白云岩，反映了总体上水体由深变浅的沉积相序列，其沉积环境多为具中低间歇能的潮间带环境。
（八）凤山组（∈3f）
凤山组（∈3f）分布与长山组基本一致，一般厚约90m。岩性以云泥条带灰岩为主。该组在北京地区北部较薄，南部相对变厚，且与下伏长山组呈整合接触。
凤山组底部为云质灰岩与薄层灰色豹斑灰岩过渡为6套褐色云泥夹灰色泥岩与竹叶状灰岩的米级旋回，构成一个水体逐渐变深的海侵体系域，向上出现条带状灰岩夹薄层灰色泥质白云岩（风化后呈褐色），代表潮上坪环境，说明海平面相对下降;凤山组顶部发育灰泥石灰岩（图2-l），相对于云质灰岩，灰泥石灰岩所代表更深的水体环境，相对海平面的上升，反映局限台地—岸滩相沉积。
五、沉积相模式
本文在金振奎[13]对碳酸盐岩沉积相及相模式研究成果的基础上，通过对北京地区寒武系2处露头相分析，建立了研究区寒武系沉积相模式，划分出潮坪、局限台地、滩、开阔台地、页岩陆棚等。
研究区寒武统碳酸盐岩台地由陆向海依次发育有潮坪相、局限台地、滩、开阔台地、页岩陆棚五种沉积亚相类型（图3）。潮坪相岩性主要为泥岩、灰泥石灰岩、泥粉晶白云岩，可见水平层理、叠层石等。局限台地相岩性主要为灰泥石灰岩，且由于水体循环受限，生物化石少见。滩相岩性主要为颗粒石灰岩，根据水动力强度不同，可分为亮晶颗粒灰岩和灰泥颗粒灰岩。开阔台地相中的较浅水开阔台地发育灰色灰泥生屑石灰岩，台内滩岩性主要为亮晶生屑石灰岩，其水动力强。页岩陆棚多沉积灰绿色页岩，常含灰质条带，可见水平层理。
六、结论
1.研究区寒武系碳酸盐岩中的颗粒主要为鲕粒、内碎屑和生物碎屑。常见的岩石类型为亮晶鲕粒灰岩、亮晶内碎屑灰岩、泥晶鲕粒灰岩、泥晶内碎屑灰岩、泥晶—微晶灰岩、晶粒灰岩、白云岩、砂岩、粉砂岩及钙质泥岩。所见生物化石以三叶虫、介形虫等为主。
2.研究区寒武统碳酸盐岩台地由陆向海依次发育有潮坪相、局限台地、滩、开阔台地、页岩陆棚五种沉积亚相类型。潮坪相岩性主要为泥岩、灰泥石灰岩、泥粉晶白云岩，可见水平层理、叠层石等。局限台地相岩性主要为灰泥石灰岩，且由于水体循环受限，生物化石少见。滩相岩性主要为颗粒石灰岩，根据水动力强度不同，可分为亮晶颗粒灰岩和灰泥颗粒灰岩。开阔台地相中的较浅水开阔台地发育灰色灰泥生屑石灰岩，台内滩岩性主要为亮晶生屑石灰岩，其水动力强。页岩陆棚多沉积灰绿色页岩，常含灰质条带，可见水平层理。
注 ?释∶
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（作者单位∶中国石油大学（北京） 地球科学学院）
