浅析二亩岗北坡山西组（P1s）炭质板岩铅笔构造形成原因

李奕然 王宇 郝瀚 崔艳婷 林润岩

【摘 要】北京市房山区周口店太平山地区出露下二叠统山西组（P1s）炭质板岩，但仅在二亩岗北坡的山西组（P1s）炭质板岩中发育铅笔构造，代表了一个小范围的与周围不同的构造应力情况。通过运用Sibson的断层形成机制中的破裂面模型，并对二亩岗北坡铅笔构造中小型破裂面进行野外实地调查统计，分析得出该区受到近南北向的顺层挤压，顺层面发生北北东和北东东向剪切作用。

【关键词】二亩岗；山西组；铅笔构造；周口店

中图分类号： X5-1 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）18-0134-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.060

【Abstract】The Lower Permian Shanxi Formation （P1s） carbonaceous slate is exposed in the Taipingshan area of Zhoukoudian， Fangshan District， Beijing. But the pencil structure is only developed in that stratum on the north slope of Ermugang， which represents a small range of tectonic stress different from the surrounding area. By using Sibsons fractured surface model in the fault formation mechanism and the field investigation and statistics of the small fracture surface of the pencil structure in the north slope of Ermugang， it is concluded that the area is bedding squeezed approximately in the north-south direction， and sheared in the direction of north-north east and north east-east along the bedding surface.

【Key words】Ermugang；Shanxi Formation；Pencil structure；Zhoukoudian

0 引言

北京市房山區周口店太平山地区广泛出露下二叠统山西组（P1s）地层，主要岩性为两个旋回，下部为岩屑砂岩，向上变为钙质板岩、炭质板岩，上部为砂岩、炭质板岩。周口店实习路线中，太平山以及二亩岗北坡均出露山西组（P1s）炭质板岩，但岩层形态却相差较大。太平山出露的山西组（P1s）炭质板岩主要呈板状，沿层面裂开，岩石破碎程度相对较低；而二亩岗北坡出露的山西组（P1s）炭质板岩则破碎严重，多为碎石，基岩出露较少，且岩石多破碎成棒状，形成典型的铅笔构造（图1）。

属于同一个地层，形成于同一个时代，为什么相差仅几百米的两个地方出露的同种岩性的地层会呈现出如此不同的形态？为什么二亩岗北坡山西组（P1s）炭质板岩中会形成铅笔构造？本文将对此问题展开讨论，通过野外实地对应力标志体的测量、室内数据统计分析该区域的应力状况，以此对铅笔构造形成机制进行初步研究。

1 二亩岗北坡铅笔构造发育情况

二亩岗北坡铅笔构造发育于山西组（P1s）炭质板岩中，其下伏岩层为山西组（P1s）砂岩，上覆岩层为山西组（P1s）粉砂质板岩。铅笔构造发育区位于194.3高地附近，东西向长约8m，南北向斜距约6m，构造发育区域范围较小，与其上的粉砂质板岩呈现完全不同的形态。该处炭质板岩多破碎成长约10-20cm、宽约3-5cm的棒状碎石，碎石大小相对均一，基岩出露较少，多被碎石覆盖。

铅笔构造为面理（包括劈理、层理等）交切形成的能使岩石劈成铅笔状长条的线状构造，多形成于泥质岩或粉砂质岩中，一般需要三组面理的交切，两组沿铅笔构造的长轴方向，一组垂直于铅笔构造的长轴方向。铅笔构造的成因主要有两种：一是由成岩压实与顺层挤压变形共同作用而成，所形成的铅笔构造横断面常是不规则的多边形或弧形；二是由面理交切而成，常具有规则的断面形状。经野外实地观察发现，二亩岗北坡山西组（P1s）炭质板岩具有形似铅笔的长条状外形，断面较为规则，绝大部分为四边形，极少数可见五边形、三边形，应为第二种成因形成。该处铅笔构造主要由三组面理交切而成，一组面理为顺层劈理（S1），一组交切层理且近平行于岩层走向（S2），一组交切层理且以大角度斜交岩石走向（S3），其中，前两者交切使岩层呈长条状，后者使岩层破裂成段、呈棒状。因而，判断该处发育的构造确为铅笔构造。

该区地层位于太平山向斜北翼近于转折端处，形成近M型褶皱，使劈理较为发育，从而为铅笔构造的形成创造了可能。

该区附近在地质历史时期发生过两期房山岩体的侵位，其岩浆活动对周边地区的岩层构造产生了较大的影响和改造，同时也是二亩岗北坡山西组（P1s）炭质板岩中铅笔构造形成的主要动力。房山岩体一期侵位时，岩浆活动产生的热和构造应力使得炭质板岩中的易溶物质被溶解，并向周围迁移，云母以及一些不溶残余物质残留下来，在薄的能干层系（炭质板岩）中形成了极薄的起润滑作用的软弱物质。房山岩体二期侵位时，产生的构造应力对岩层进行顺层挤压，根据兰姆赛和胡伯提出的能干性差异互层岩系中褶皱的分析，炭质板岩中会形成形如模式F的一系列纵弯尖棱褶皱[1]。尖棱状的转折端使得转折端处应力较为集中，更容易形成轴面劈理，即为交切层理而近平行于岩层走向的一组劈理。

该区岩层走向与岩层所处褶皱的枢纽走向近于平行，因而被S1、S2交切后形成的长条状构造走向近于平行褶皱枢纽，为近东西向，因而二亩岗北坡发育的铅笔构造为b型线理。

2 数据分析

铅笔构造主要由三组劈理交切而成，而劈理的方向可以指示岩层的受力方向，因此分析该区的构造应力环境，首先要了解形成铅笔构造的劈理方位。本文选择了七处基岩对劈理产状进行了测量，数据如表1。

由表1及图2、图3可以看出，形成铅笔构造的劈理主要有三组：一组向北倾，近东西走向，与原生层理产状基本一致，为顺层劈理（S1）；一组向南倾，近东西走向，与层理斜交，走向与岩层走向大致相同（S2）；一组向西倾，与岩层走向成大角度斜交，近南北走向（S3）。可见，该处岩层主要受到三组应力的作用，而要判断各个方向应力的性质，需进一步研究。

观察发现，该区域除发育形态典型的铅笔构造外，还发育显著的黄斑，其中充填了黄色矿物，矿物的排列具有定向性。这些黄斑与Richard Sibson提出的断层形成机制中的破裂面模型[2]十分相似，具有重要的应力指示意义，可以解释劈理形成的机制，故本文重点对该处铅笔构造中的小破裂面进行了统计和研究。

黄斑多顺劈理面发育，将岩石沿层劈开后，可见劈理面上发育较多黄斑，部分为椭圆形（长宽比为1：1至5：1之间），更多为线形（长宽比大于5：1）（图4），劈理面两侧岩石上黄斑形状大小相同，厚度远小于其长度和宽度，故劈理面应穿过黃斑ab面。黄斑所含矿物呈现出纤维状和显著的定向性，且与黄斑长轴方向近似平行，大多中间颜色较边缘颜色更深，根据Sibson的破裂面模型理论，可以判断这些黄斑应为劈理形成过程中发育的小型破裂面。由此推断劈理的形成，并非是整层岩石集体同时破裂的结果，而是由不连续分布的若干小破裂面不断生长、直至相连形成的。

受到顺层剪切时，岩层中个别比较薄弱的点（多为岩石形成时有缺陷或混入了与主体岩性不同的软弱物质的点）首先发生位移，形成极小的破裂，随着剪应力的持续作用，这些点的位移逐渐扩大，破裂面的范围也相应扩展。破裂面生长过程中，中央的位移量为最大值，边缘位移量为零[2]。岩浆作用后期的热液，进入破裂面的空隙中，矿物在破裂面中富集，顺伸展应力方向（近似为破裂面长轴方向）结晶生长，具有明显的定向性和应力指向性。

为研究该处岩层受到的应力方向和性质，对六处基岩新鲜顺层劈理中的23个小破裂面长轴的倾伏向进行了测量，统计结果如图5。

由图5可知，该区铅笔构造中小破裂面长轴方向大致可以分为三组：北北东向（主要集中在5°、20°-25°）、北东向（主要集中在50°左右）、北东东向（主要集中在85°左右）。可见，这三个方向为三个主要应力方向。

同时，该区发现铅笔构造中发育一处较为完整的张裂脉，长轴线理产状为40°∠75°，指示该区主压应力方向为40°左右。与黄斑测量结果对比，并根据里德尔剪切体系分析，可知5°及20°-25°、85°方向为形成顺层劈理（S1）的剪应力方向（图6）。

通过对铅笔构造中椭圆状小破裂面的长宽比和面积进行统计（图7，图8），发现铅笔构造较为发育的区域，小破裂面面积较小，大多不超过10平方厘米，发育密度相对较大；铅笔构造发育不明显的区域，小破裂面面积较大，大多超过20平方厘米，发育密度相对较小。可见形成铅笔构造的条件之一，是岩层中有较多软弱点，即可形成小破裂面的软弱点相对较为密集，从而容易形成较为密集的劈理将岩石劈成长条状。对小破裂面的长宽比进行统计，发现多在2：1至5：1之间，可见该处应力较为强烈。

对于S1劈理，其形成应与房山岩体一期侵位时形成的层间起润滑作用的软弱层和房山岩体二期侵位时形成的褶皱有关。房山岩体一期侵位时形成的由云母等残余矿物组成的软弱层具有润滑作用，使得形成褶皱时岩层的顺层滑动更易发生。同时由于这些面理本身就属于软弱面，因而岩层滑动时容易沿这些面理发生破裂，直至发育成顺层劈理。由于该处铅笔构造发育的基岩岩性为板岩，本身为薄层构造，故形成的顺层劈理也比较密集。

对于S2劈理，其形成与房山岩体二期侵位时形成的褶皱有关。由于房山岩体近南北向的挤压和尖棱褶皱转折端应力集中易破裂，因而容易形成较密集的轴面劈理。

对于S3劈理，由于其走向与岩层走向及褶皱枢纽走向成大角度斜交，甚至近于南北向，而房山岩体的挤压作用方向为近南北向，东西向几乎没有挤压动力来源，因此推测S3的形成不是通过挤压作用，而是通过剪切作用。由于房山岩体的两期作用，使得二亩岗北坡山西组（P1s）炭质板岩中受顺层挤压形成尖棱褶皱，不同区段岩层变形运动速度稍有差别，产生相对位移趋势，发生近垂直褶皱枢纽走向的剪切作用，形成一系列小型破裂面，不断生长，最终形成S3劈理面。通过对基岩中S3劈理面的观察，发现该劈理面多为连成片的小破裂面（黄斑）所覆盖，可见这一方向上的剪切作用较为集中，可能为该方向上软弱面较少，使得劈理面较为稀疏、应力较为集中所致。

3 结论

本文通过野外实地调查测量和室内统计的方法，对二亩岗北坡山西组（P1s）炭质板岩中发育的铅笔构造进行了研究。通过对铅笔构造中的劈理面及小破裂面相关要素的测量和分析，发现该处的铅笔构造主要是由于房山岩体近南北向的顺层挤压形成尖棱褶皱、形成褶皱时的近东西向顺层及近南北向层间剪切产生的劈理交切形成，并推断该区的主压应力方向为北东向，顺层面发生北北东和北东东向剪切作用。

【参考文献】

[1]宋鸿林，张长厚，王根厚.构造地质学[M].北京：地质出版社，2013.

[2]Haakon Fossen.Structural Geology[M].Cambridge：CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS，2010.