北京张坊地区中上元古界中岩溶发育与构造作用*

刘建明，张玉修†，曾 璐，琚宜文，芮小平，乔小娟

(1 中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049； 2 中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049)

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(图1(a)，据文献[20]修编)。

图1 研究区地质略图Fig.1 Geological map of the study area

图2 研究区元古界柱状图Fig.2 Stratigraphic histogram of Proterozoic era in the study area

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](图2，据文献[21-22]修编)；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(表1，据文献[25]修编)，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]。

表1 房山地区主要变形序列及构造事件特征Table 1 The major characteristics of deformation sequences and tectonic events in the Fangshan area

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。出露地层的流变构造特征如表2(据文献[28]修编)所示。上方山一带发育顺层韧性剪切带(剥离型)(图3(a))，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(图3(b))，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。雾迷山组中的大型顺层掩卧褶皱主要是发育在相邻岩层厚度差别不大，但能干性明显不同的互层岩系中的平卧褶皱(图3(c))，还有进一步韧性剪切形成的褶叠层，褶皱端呈现正扇形形态(图3(d))。张坊地区褶叠层内的同构造结晶脉都有遭受相继递进变形的表现，常发生石香肠化，甚至杆状构造，或者卷入顺层掩卧褶皱(图3(e)和图(f))。研究发现，在构造应力作用下，岩层的变形、褶皱转折端产生的张裂隙都有利于地下水的赋存、径流及岩溶的发育[15]。

表2 研究区主要出露的中元古界流变构造特征Table 2 The major characteristics of rheological structures of Mesoproterozoic era in the study area

a, b为雾迷山组和铁岭组顺层韧性剪切带，发育糜棱面理；c, d, e分别为雾迷山组硅质灰岩内固态流变成因的 平卧褶皱、正扇形褶叠层及杆状构造和方解石脉；f为雾迷山组同构造结晶脉切层同沉积砾石。图3 主要流变构造特征Fig.3 Major characteristics of rheological structures

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(图4，据1∶5万周口店幅修编)。

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5 km，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)。

图4 研究区主要断裂-褶皱构造展布图Fig.4 Distribution of major fault-fold systems in the study area

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(图5)，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]。

3 岩溶的发育类型

岩性组合和地层展布特征、构造运动的间歇性等导致岩溶发育的多层性和继承性[32]，研究区内的岩溶发育主要有3种类型(图6)。

1)构造抬升侵蚀溶蚀岩溶发育。蓟县系雾迷山组地层受黄山店逆冲断裂的影响，以及新生代构造抬升的作用，形成一系列南北走向的高角度正断层，其控制了岩溶构造(云水洞)的空间位置[21](图6(a)，据文献[21]修编)。此外，大量岩溶构造，如峰丛型和似峰丛型岩溶，都与构造抬升导致的侵蚀溶蚀作用有关[7]。

2)构造反转溶蚀冲蚀溶洞发育。在断层发生反转的部位，岩层受到更强烈的冲蚀作用，发育较大的溶洞，如仙栖洞、牛皮洞等(图6(b)，据“房山张坊地区岩溶发育机理研究”内部报告修编)。研究区构造变形与侵入岩切割侵入关系，以及岩体同位素年代学测试结果等显示的主要逆冲断层活动时代为140～130 Ma前[27]。逆冲构造变形之后，早白垩世中—晚期开始发育伸展构造变形，形成一系列半地堑式的断陷盆地，并控制火山-沉积盆地的分布，如房山北部的辛开口断裂，及北京平原下伏的黄庄—高丽营断裂与其所控制的断陷盆地等，总体展布为北东方向，与主要逆冲构造展布方向总体一致，而且主要发育在主逆冲构造的后侧(图6(b))，同时伴生强烈的岩浆侵入活动。

3)多次抬升溶蚀侵蚀岩溶发育。随着地壳的每一次上升、局部侵蚀基准面下降及裂点出现，使洞穴空间形态呈阶梯状下降，形成多层溶洞模式(图6(c)，据文献[2, 39]修编)，如位于房山花岗岩体北侧的石花洞系，属于凤凰山向斜北翼的马家沟组，自上而下发育8层[2,39]。其每一层都形成于岩溶水的水平流动带，随着北京西山间歇性抬升，水平流动带发生间歇性下降，在每个阶段地壳的相对稳定期，形成不同海拔高度的8层溶洞[39]。说明洞穴的发育既有阶段性，又呈现继承性。

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。

4.1 地层岩性组合对于岩溶发育的影响

岩石的可溶性是岩溶地貌发育最基本的物质条件，可溶性主要取决于岩石的化学成分与岩石结构。碳酸盐岩类岩石溶解度虽小，但分布广泛，岩体厚度大，绝大多数岩溶地貌都发育在该类岩溶中，特别以石灰岩最为突出。而张坊地区的地层主要为中晚元古代的一套浅海相碳酸盐岩和碎屑岩组合[10]，地层一般近水平展布，在构造活动强烈的地区倾角变陡，而碳酸盐岩的结构，主要包括粒屑、泥晶、胶结构、骨架和空隙，对其溶解度影响很大，因此该区发育有似峰丛型和溶洞型岩溶地貌。

4.2 岩溶发育的控制因素

地质构造在岩溶发育的诸多影响因素中占主导地位，不仅控制着岩溶的发育和分布规律[7, 12, 16, 40]，更重要的是它为水流对碳酸盐岩进行选择性溶蚀创造基本条件[41-42]。构造对岩溶发育的影响主要表现在：

1)节理裂隙(图5)。岩溶本身往往就是裂隙扩大的结果，因此裂隙的发育程度和延伸方向通常决定岩溶的发育程度和发展方向。在研究区共轭剪节理的交叉处或密集带，岩溶最为发育。

2)断层。断层本身不仅是破裂面，且由于断裂作用往往引起两侧岩层产生大量裂隙，致使岩体严重破碎，形成水流的良好通道。因此，该区发育的主要推覆构造以及后期局部发育的高角度正断层对其附近分布的漏斗、竖井、落水洞及溶洞、暗河等起到控制作用。

3)褶皱。研究区的褶皱构造主要为北岭向斜、大石河背斜和霞云岭—龙门台复向斜(图1)，这3个褶皱构造构成本区的基本构造格架[11]。在霞云岭复背斜中，轴部张性节理发育，地表水顺节理下渗并向两翼运动，岩溶以垂直形态为主。向斜轴部虽然裂隙闭合，但由于背斜下渗的水沿层面多汇集于向斜，岩溶亦容易发育。

4)岩层产状。在广泛分布的雾迷山组硅质白云岩中，产状平缓的岩层，岩体内夹有薄层云母片岩及硅质条带，常构成溶洞发育的底板，从而使大型溶洞(老道洞)沿层面发育。

5)岩溶往往沿着可溶岩与非可溶岩的接触带或不整合面发育。如蓟县系—青白口系之间的角度不整合面控制了三清洞的发育。

6)岩溶与新构造运动的关系。地壳强烈上升地区，侵蚀基准面相对下降，下切作用强烈，岩溶以垂直方向发育为主；下降地区，原来水平发育的岩溶处于侵蚀基准面以下，原来垂直发育的岩溶又增加了水平发育，使岩溶更加复杂；相对稳定的区域，岩溶水平发育为主。尤其是石花洞的发育与新构造运动息息相关。

4.3 岩溶发育史

岩溶作为表生作用的一种地质过程，其发育史应追溯到包括碳酸盐岩沉积之后所经历的一切变化(如在成岩阶段形成的溶孔、溶缝等)[7]。本文以地质演化为背景，在前人研究基础上，结合野外的地质调查，探讨张坊地区的岩溶发育史。

1)中元古代古岩溶发育期

吕梁运动后，华北地区开始发育盖层沉积，研究区中元古代地层大面积分布，碳酸盐岩潮坪相、藻滩滨海相地壳频繁升降，时而露出海平面形成萨布哈膏盐沉积或遭受淋滤溶蚀，留下多种古岩溶风化面，如溶沟、溶缝、假晶和古风化面，典型代表为房山拴马桩剖面内铁岭组之下残留的风化面以及高于庄组白云岩因溶蚀而形成的起伏不平的古溶蚀面，发育漏斗及溶隙[7]。

2)古生代古岩溶发育期

该区第二次沉积间断期、剥蚀期发生在中奥陶统沉积之后、中石炭统沉积之前，伴生有强烈的古岩溶活动。由于受到加里东运动的影响，该区在中奥陶统沉积之后，与华北其他地区一样，曾大面积抬升，碳酸盐岩被剥蚀夷平长达1.5亿年之久[7]。在古剥蚀面上残留一些与古岩溶相关的沉积物，如在京西杨坨地区就有该期古岩溶的遗迹[43]。

3)中生代古岩溶发育期

三叠纪末期，印支运动形成大量的褶皱、断裂现象，尤其是燕山运动使得研究区的古地理、古构造进入一个新的阶段。印支运动之前，研究区整体性的上升和下降，构造方向以东西向为主；印支—燕山期后转变为北西—南东向挤压[10-11]。复杂的构造作用，使元古界、古生界地层重新剥露地表发生淋滤与溶蚀，同时形成大量的溶洞(如，仙栖洞)。

4)新生代岩溶发育期

白垩纪之后，受喜马拉雅运动的影响，该区开始了一个新的岩溶发育时期[7]。新生代早期主要表现为差异性抬升，抬升幅度较大，稳定时间较长，形成不同期次发育的溶洞(如，石花洞)；新生代晚期主要表现为间歇性上升，上升幅度较小，稳定时间也较短。

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。

感谢侯泉林、黄继钧、李智武、郭高轩、刘凯、赵君星、柳双权、秦川、陈顺、吴静、董莹、卜红玲、夏磊、罗明奇等参与野外与室内研究。