王帥迪，阮壯，王一鳴，吳勁岳

北京昌平南口地區(qū)常州溝組砂巖粒度分析及其沉積學(xué)意義

王帥迪，阮壯，王一鳴，吳勁岳

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

作為華北克拉通經(jīng)呂梁運動后的首次蓋層沉積，長城系的沉積時代和沉積背景對認識中元古代地殼演化及古地理變遷至關(guān)重要。粒度分析可以反映沉積作用的流體力學(xué)性質(zhì)，為沉積介質(zhì)能量的衡量、巖石沉積環(huán)境的劃分、沉積水動力條件的確定提供重要的依據(jù)。本文基于巖石學(xué)和沉積學(xué)的基本理論，通過對北京昌平南口地區(qū)常州溝組砂巖的粒度測定與統(tǒng)計，開展了常州溝組砂巖沉積介質(zhì)動力條件及其沉積環(huán)境的研究，結(jié)果表明：陰極發(fā)光技術(shù)對變質(zhì)砂巖中顆粒和成巖膠結(jié)物的區(qū)分具有明顯的優(yōu)勢。北京昌平南口地區(qū)常州溝組下部水動力條件相對較強，為河流相沉積環(huán)境；中部水動力條件較弱，沉積物較細，為潮坪沉積環(huán)境。在太古代片麻巖基底上沉積的常州溝組下部發(fā)育于河流相背景下，隨后燕遼裂陷海的形成和持續(xù)性的海侵使研究區(qū)由海灣環(huán)境演變?yōu)闉I岸。相關(guān)認識為北京周邊地區(qū)中元古代的古地理及古地貌研究提供了新的素材。

粒度分析；常州溝組；陰極發(fā)光；中元古界；華北克拉通

就全球地質(zhì)演化歷史而言，結(jié)晶基底的形成標志著古元古代的結(jié)束。在華北克拉通，呂梁運動是結(jié)晶基底最終形成的標志性構(gòu)造-熱事件（趙宗溥，1993；白瑾等，1996）。自古元古代后期，華北地塊南、北邊緣處于伸展構(gòu)造環(huán)境并形成許多裂谷盆地（Lu et al.，2002；Peng et al.，2007），此后開始發(fā)育以長城系為代表的地臺型沉積蓋層（趙太平等，2015）。常州溝組作為華北地區(qū)長城系最下部的地層單元，是燕遼拗拉槽（裂谷）最早的沉積記（翟明國，2004），其本身及與下伏巖石關(guān)系是研究長城系底界的必選目標。目前，在常州溝組的年齡、沉積構(gòu)造以及生物化石意義等方面，前人已經(jīng)做了大量工作，在年齡的厘定上大多將常州溝組沉積時限確定在17～18億年，如萬渝生等發(fā)現(xiàn)常州溝組砂礫巖中碎屑鋯石的最小年齡鋯石為1805±25Ma，認為該組初始沉積時限介于18.0至17.5億年（萬渝生，2003）；彭澎等根據(jù)巖墻與常州溝組底礫巖不整合覆蓋的接觸關(guān)系和巖墻中斜鋯石的年齡，建議將長城系起始沉積時代定為17.3億年或稍晚（彭澎等，2011）；和政軍等對在密云大城子鄉(xiāng)楊各莊北部發(fā)現(xiàn)環(huán)斑花崗巖的古風(fēng)化殼-碎屑巖進行了碎屑鋯石U-Pb年齡測定，分別獲得1682 ± 20Ma和1708 ± 6Ma的年齡數(shù)據(jù)（和政軍等，2011a；和政軍等，2011b）。在生物化石方面，常州溝組內(nèi)報道的微體化石（Lamb et al.，2007；Lamb et al.，2009）及疑似后生動物潛穴（劉鵬舉，2003）是探討生命起源的重要線索。然而，對于常州溝組的沉積環(huán)境，內(nèi)部亞環(huán)境、微環(huán)境的演化過程研究卻很少涉及，上世紀80年代宋天銳和高健指出常州溝組大體上是濱淺海條件下的沉積產(chǎn)物（宋天銳和高健，1987）。而在隨后的十幾年間，對于常州溝組內(nèi)部自下而上亞環(huán)境、微環(huán)境演化的研究報道卻不多，北京北部地區(qū)的報道則更為稀少。眾所周知，單點剖面的精細沉積環(huán)境研究是開展區(qū)域古地理研究以及分析區(qū)域沉積演化的重要基礎(chǔ)，因此開展北京北部地區(qū)常州溝組的沉積環(huán)境和沉積演化研究具有現(xiàn)實的迫切性。

粒度分析在沉積學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。粒度可以作為研究沉積物及沉積巖分類的定量指標，同時還可以反映沉積作用的流體力學(xué)性質(zhì)（Folk，1974；成都地質(zhì)學(xué)院陜北隊，1978；劉岫峰，1981）。碎屑巖的粒度信息能夠為沉積介質(zhì)能量的衡量、巖石沉積環(huán)境的劃分、碎屑物質(zhì)運輸方式的判定、沉積水動力條件的確定以及沉積儲層的評價提供重要的依據(jù)（王慧中等，1979；朱筱敏，2008；李勇等，2015）。通過粒度分析，可以確定巖石中滾動組分、跳躍組分和懸浮組分的分布頻率，進而推斷巖石形成的水動力條件，通過巖石粒度概率曲線與現(xiàn)代環(huán)境下建立的概率曲線對比，確定碎屑物質(zhì)發(fā)生沉積的亞環(huán)境或微環(huán)境。母巖風(fēng)化后產(chǎn)物在搬運及沉積作用進程中，鑒于搬運介質(zhì)動力情況的相異、流體性質(zhì)的差別，使得粒徑相異的沉積物在概率累積曲線上呈現(xiàn)出不一樣的特征，因此概率累積曲線能夠顯著的判別碎屑沉積物的搬運方式、介質(zhì)能量強弱及沉積環(huán)境（朱筱敏，2008；范天來和范育新，2010；楊飛等，2013；高運志，2019）。

圖1 燕山地區(qū)中、新元古界分布略圖

（據(jù)（朱士興等，2005）略修改）

針對以上問題，本文以北京昌平南口地區(qū)常州溝組剖面為研究對象，通過對該組內(nèi)砂巖、變質(zhì)砂巖的巖石學(xué)觀察和粒度統(tǒng)計分析，厘定常州溝組的沉積環(huán)境，通過不同層段粒度統(tǒng)計結(jié)果的對比分析，討論北京昌平南口地區(qū)常州溝組沉積期的環(huán)境演變，為華北地區(qū)前寒武紀的古地理研究提供新的素材。

1 地質(zhì)背景

呂梁運動期間，華北克拉通結(jié)晶基底最終形成，燕遼地區(qū)在克拉通基底上發(fā)育了以長城系-薊縣系-青白口系為代表的中元古代沉積地層（趙太平等，2019）(圖1)，其厚度約4300m。前期的研究表明，中元古界長城系由下向上可劃分為4個組（圖2）：常州溝組（Ch）、串嶺溝組（Ch）、團山子組（Ch）、大紅峪組（Ch）（宋天銳，2007；張拴宏等，2013），整體為一套河流-濱淺海碎屑巖和碳酸鹽巖組合，代表燕遼坳拉槽伸展背景下的最早期沉積（靳松等，2020）。

圖2 北京十三陵地區(qū)長城系柱狀圖及采樣位置 （據(jù)（宋天銳，2007）略修改）

圖中所標注的圖4-e、a、c、d為位于采樣位置的樣品的手標本照片

圖3 德勝口水庫附近巖壁取樣點和響潭水庫東南方向公路東北側(cè)取樣點所在位置

（據(jù)全國地質(zhì)資料館1∶20萬水文地質(zhì)圖K5032幅（北京市）繪制，有所修改）

從華北全區(qū)來看，常州溝組可劃分為3個沉積旋回。下段主要發(fā)育含細礫粗砂巖，為分支河道-海灣沉積環(huán)境，與太古代黑云母角閃片麻巖呈角度不整合接觸，中部可見石英砂巖-粉砂巖薄層與粉砂質(zhì)泥巖互層的潮汐韻律，為潮坪沉積環(huán)境，上段主要由純石英砂巖組成，為濱岸砂壩沉積環(huán)境（宋天銳和高健，1987；宋天銳，2007）。串嶺溝組主要由黑色頁巖-粉砂巖夾白云巖透鏡體和夾層組成。團山子組主要巖性為白云巖、泥晶白云巖及少量粉砂巖及頁巖，在其上部層位局部夾少量火山巖夾層。大紅峪期燕山裂谷產(chǎn)生大量火山噴發(fā)，其巖性主要由富鉀粗面巖、富鉀玄武巖、角礫狀白云巖、石英砂巖及長石石英砂巖等組成（宋天銳，2007；張拴宏等，2013）。北京昌平南口地區(qū)中元古界在巖石組成上約70%以上為碳酸鹽巖，而碎屑巖只出現(xiàn)在底部和頂部層段（宋天銳，2007）。

2 樣品及分析測試方法

本文所述樣品均采自于北京昌平南口地區(qū)(圖1)。其中樣品SS-01至SS-15采于北京十三陵地區(qū)德勝口水庫附近巖壁，取樣點經(jīng)緯度為116°10′E 40°18′N。樣品XT-01至XT-07采于北京昌平地區(qū)響潭水庫東南方向公路東北側(cè)(圖3)，取樣點經(jīng)緯度為116°05′E 40°14′N。其中SS-11和XT-01、XT-02分別為南口剖面和響潭水庫剖面底部的太古代片麻巖。樣品編號及其巖性可見表1，具體在常州溝組內(nèi)的取樣位置可見圖2。

表1 樣品編號及巖性描述

注：*代表該樣品開展了薄片磨制和粒度統(tǒng)計

在完成取樣后，選取18件樣品進行磨片（表1），共磨制薄片25張，此工作在中國地質(zhì)大學(xué)（北京）磨片室完成。在偏光顯微鏡下對巖石薄片進行觀察與拍照。

圖4 樣品SS-08正交偏光照片（a）和陰極發(fā)光照片（b）

3 測定結(jié)果

3.1 巖石學(xué)特征

所有樣品的巖性在表1中已經(jīng)列出。常州溝組下部巖性為長石石英砂巖（圖5-a），但含有一定量的長石碎屑，含量約為15%～20%。常州溝組中部巖性為細粒石英砂巖-石英粉砂巖（圖5-b、c），鏡下可以看到礦物成分主要為石英碎屑，顆粒之間有少量的方解石膠結(jié)物充填，含量約為15%。常州溝組上部為石英凈砂巖（圖5-d、e），石英顆?？梢哉嫉?5%以上，結(jié)構(gòu)成熟度以及礦物成熟度很高，表面純凈，幾乎沒有層理構(gòu)造。常州溝組下伏的基底巖石巖性為變質(zhì)石英砂巖（圖5-f、g），在響潭水庫地區(qū)可見片麻巖（圖5-h）。

表2 圖解法計算沉積物粒度參數(shù)公式（Folk and Ward，1957）

3.2 粒度參數(shù)

表3列出了常州溝組中下部樣品粒度參數(shù)特征值。常州溝組下部的平均粒徑（Mz）在2.65～3.34Φ之間，平均值為3.09Φ，表明樣品以細砂為主。標準偏差位于0.45～0.75之間，平均值為0.64，表明樣品分選性較好。偏度值位于-0.76～0.09之間，平均值為-0.15，表明樣品為負偏至近對稱，說明樣品粗細分布較為均勻。峰度值位于1.42～2.92之間，平均值為2.12。常州溝組中部的平均粒徑(Mz)在2.53～3.35Φ之間，平均值為3.18Φ，說明樣品以細砂為主。標準偏差位于0.47～0.63之間，平均值為0.55，表明分選性比較好。偏度值位于-0.28～0.07之間，平均值為-0.069，表明樣品為負偏至近對稱，說明樣品粗細分布較為均勻。峰度值位于1.98～3.24之間，平均值為2.44?？傮w上看，常州溝組中下部砂巖均以細粒為主，但下部的粒度相對更粗。

圖5 北京昌平南口地區(qū)常州溝組砂巖及太古代變質(zhì)石英砂巖和片麻巖照片

a. 常州溝組下部粗粒長石石英砂巖正交偏光照片；b. 常州溝組中部粗粒石英砂巖單偏光照片；c. 常州溝組中部細粒石英砂巖；d. 常州溝組上部石英砂巖；e. 常州溝組上部石英砂巖正交偏光照片；f. 十三陵地區(qū)太古代基底變質(zhì)石英砂巖；g. 十三陵地區(qū)太古代基底變質(zhì)石英砂巖正交偏光照片；h. 響潭水庫地區(qū)太古代基底片麻巖正交偏光照片

3.3 頻率分布曲線

常州溝組所有的頻率分布曲線都為單峰曲線。本文將頻率分布曲線與三種概率累積曲線一一對應(yīng)。概率累積曲線為一段式的樣品（常州溝組中部）：頻率分布曲線(圖6-a)可以分為兩種。一種為眾數(shù)峰在2.5～2.7Φ之間的XT-07樣品。樣品的粒度基本為中砂和細砂，相對來說，代表了較中低等水動力沉積環(huán)境。另一種為眾數(shù)峰在3.4～3.8Φ之間的SS-1、2、3和XT-06樣品。樣品的粒度基本為細砂和極細砂，代表了相對較低的水動力沉積環(huán)境。概率累積曲線為二段式的樣品（常州溝組下部）：頻率分布曲線(圖6-b)眾數(shù)峰在2.8～3.3Φ之間。說明樣品主要由細砂粒級構(gòu)成，代表了中低等水動力沉積環(huán)境。概率累積曲線為三段式的樣品（常州溝組下部與太古宇片麻巖交界處）：頻率分布曲線(圖6-c)的眾數(shù)峰在3.0～3.3Φ之間。這表明樣品主要由細砂粒級構(gòu)成，代表了中低等水動力沉積環(huán)境。

圖6 常州溝組一段式(a)、二段式(b)、三段式(c)頻率分布曲線

4 討論

4.1 沉積環(huán)境指示

應(yīng)用Visher提出的粒度概率值累積曲線圖建立沉積環(huán)境的典型模式的方法（Visher，1969），將研究區(qū)樣品的概率累積曲線分為一段式、二段式、三段式三種類型。

表3 常州溝組中下部樣品粒度參數(shù)特征值

SS-1、2、3和XT-6、7樣品具有一段式的累積曲線形態(tài)(圖7-a)。該類曲線形態(tài)呈一條簡單直線段，以懸浮總體為主，缺少滾動和跳躍組分。直線傾角一般在45°～60°之間，表明碎屑顆粒分選較好，粒徑分布范圍從1.5～5.1Φ均有，表明機械沉積分異作用不明顯，搬運方式比較單一，以懸浮搬運為主，水動力較弱，沉積物較細。

SS-6、7、8和XT-4、5樣品具有二段式的累積曲線形態(tài)(圖7-b)。由跳躍和懸浮兩個組分組成，缺少滾動組分。粒徑分布范圍從0.5～5.5Φ，三個曲線的交截點都分布在2.5～3.0Φ之間。相較于一段式，含有的粗粒成分較多。但整體還是以細粒為主。懸浮組分含量都在60%以上，斜率都較大，說明分選程度較好。這種曲線類型對應(yīng)的是水動力條件相對較強的沉積環(huán)境。

圖7 常州溝組一段式(a)、二段式(b)、三段式(c)概率累積曲線

XT-03樣品具有三段式的累積曲線形態(tài)(圖7-c)。該點樣品采于響潭水庫附近的常州溝組與下部太古代片麻巖交界處(圖8)。該類型概率累積曲線由兩個跳躍次總體和懸浮次總體組成。粒徑分布范圍從1～5Φ都有。兩個跳躍次總體交截點在1.8～2.2Φ之間。第一個跳躍次總體占12%左右，斜率在60°左右，第二個跳躍次總體占約50%，斜率為45°左右。表明第一個跳躍次總體分選好于第二個跳躍次總體。懸浮次總體占30%～35%，斜率為60°左右，分選較好，與跳躍次總體的交截點在3.3～3.6Φ之間。該種曲線類型對應(yīng)的是水動力更強，水體較動蕩的沉積環(huán)境。

圖8 XT-03樣品采取位置圖

圖9 a-Visher潮坪沉積模式粒度概率累積曲線；b-和常州溝組底部次長石砂巖粒度概率圖

（a據(jù)（Visher，1969）略修改；b據(jù)（宋天銳和高健，1987）略修改）

一段式概率累積圖(圖7-a)與Visher所做的喬治亞州潮坪沉積環(huán)境的概率累積圖(圖9-a)中跳躍組分相似（Visher，1969）。由于Visher統(tǒng)計的粒度十分全面，因此圖中滾動組分、跳躍組分和懸浮組分都存在。這可以表明常州溝組中部為水動力條件相對較弱的沉積環(huán)境，可能為潮坪沉積。二段式概率累積圖(圖7-b)與前人（宋天銳和高健，1987）所作的常州溝組底部概率累積圖(圖9-b)基本吻合。這可以說明常州溝組下部為水動力條件相對較強的沉積環(huán)境，為河流相沉積。

本文在通過對巖石薄片進行陰極發(fā)光拍照以排除變質(zhì)作用和成巖改造作用對沉積物粒度分析的干擾后，對北京昌平南口地區(qū)常州溝組中下部砂巖的粒度進行定量分析得出的結(jié)論與前人的研究——常州溝組下部主要為粗砂巖，為分支河道-海灣沉積環(huán)境；中部主要由粉砂巖和泥巖組成，為潮坪沉積環(huán)境（萬渝生等，2003；宋天銳和高健，1987）是相符合的。

4.2 常州溝組的環(huán)境變遷

德勝口水庫地區(qū)的常州溝組下部可觀察到明顯的低角度槽狀交錯層理（圖10-a），以及中部砂巖中的韻律層理和透鏡狀層理（圖10-b、c、d）。這與前人在常州溝組底部石英砂巖中觀察到眾多的槽狀交錯層理以及在常州溝組中部發(fā)現(xiàn)的一套韻律層狀薄層黑白相間的潮坪沉積巖層相符合（宋天銳和高健，1987）。

可見，北京十三陵以及響潭水庫地區(qū)的常州溝組的環(huán)境變遷應(yīng)當為：在呂梁運動之后的中元古代早期，來自于東北方向的河流向華北地塊南、北緣處于伸展構(gòu)造環(huán)境的裂谷盆地（Lu et al.，2002；Peng et al.，2007）侵入，在昌平地區(qū)太古宇片麻巖基底上形成了河流相的沉積物。隨后海侵范圍擴大，形成海灣，河口灣相沉積物在海灣環(huán)境下堆積。此后，燕遼裂陷海形成，但水流受限，以潮汐作用為主，因此常州溝組中部沉積期的粉砂、泥質(zhì)互層沉積，指示了潮坪環(huán)境潮下-潮間帶的砂坪、泥坪沉積。到常州溝組沉積晚期，隨著裂陷海的擴大，海浪作為成為區(qū)內(nèi)的主要動力條件，沉積了一套濱岸相的厚層細粒石英砂巖。

圖10 北京昌平南口地區(qū)常州溝組沉積構(gòu)造

a. 十三陵地區(qū)常州溝組槽狀交錯層理；b. 十三陵地區(qū)常州溝組中部砂巖中的韻律層理；c、d. 黃線為響潭水庫地區(qū)常州溝組的層狀形態(tài)，紅線為節(jié)理

后來的串嶺溝組、團山子組、大紅峪組、高于莊組以及整個薊縣系都是在這樣一種伸展構(gòu)造背景下形成和發(fā)展的（陳晉鑣，1983；和政軍等，1994；曲永強等，2010；溫獻德，1997）。

5 結(jié)論

（1）常州溝組的年代較老，有些地方已經(jīng)發(fā)生變質(zhì)作用或者成巖改造作用。這對開展沉積物粒度分析會增加很多干擾。由于在陰極發(fā)光下可以很清晰地辨認出原生沉積的沉積物的粒度（田洪均，1989）[42]。因此可以利用陰極發(fā)光與顯微鏡觀察結(jié)合的辦法，開展更精確的統(tǒng)計。

（2）通過對樣品的頻率分布圖和概率累積圖進行定量分析，可以看出：常州溝組下部為水動力環(huán)境相對較強的河流沉積環(huán)境，中部為水動力環(huán)境相對較弱的潮坪環(huán)境。

（3）北京昌平南口地區(qū)常州溝組沉積演化（圖11），在呂梁運動之后，華北克拉通由之前的碰撞造山轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺箻?gòu)造環(huán)境。在中元古代時期，燕遼裂陷海由北東向南西插入華北克拉通中部地區(qū)。在北京十三陵以及響潭水庫地區(qū)，早期只有河流，后來海侵范圍變大，形成一個海灣，在太古代片麻巖基底上沉積了常州溝組下部（分支河道-河口灣沉積）。隨著燕遼裂陷海的形成，研究區(qū)由分支河道-河口灣沉積轉(zhuǎn)變?yōu)槌逼涵h(huán)境，常州溝組中部的一套粉砂巖和泥巖互層逐漸沉積。

圖11 華北地區(qū)中元古代(長城紀18.5～17億年)古地理圖（據(jù)（王鴻禎和喬秀夫，1985）略修改）

1. 裂開盆地陸相-海相基性-酸性-堿性噴發(fā)；2. 邊緣海砂泥質(zhì)復(fù)理石組合；3. 深淺海碎屑及復(fù)理石組合；4. 半深?；曰鹕絿姲l(fā)；5. 陸表海碎屑、泥質(zhì)組合

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Grain Size Analysis of Sandstone of the Changzhougou Formation in the Changping-Nankou Region, Beijing and Its Significance in Sedimentology

WANG Shuai-di RUAN Zhuang WANG Yi-ming WU Jing-yue

(China University of Geosciences (Beijing) , Beijing 100083)

Sedimentary time and geological background of the Changcheng System is of great importance to understand the Middle Proterozoic crustal evolution and palaeogeographic changes in North China. The grain size analysis of sandstone can reflect the fluid mechanics nature of sedimentation and provide important bases for measurement of the energy of a sedimentary medium, division of sedimentary environment and determination of sedimentary hydrodynamic conditions. This study carries out makes a study of dynamic condition of sedimentary medium and sedimentary environment of sandstone of the Changzhougou Formation in the Changping-Nankou Region, Beijing based on basic theory of petrology and sedimentology and by means of measurement and statistics of grain size of the sandstone. The results indicate that cathode-luminescence technique has obvious advantages in distinguishing the grain from the diagenetic cement in the metamorphic sandstone. The lower part of the Changzhougou Formation is fluvial deposit with relatively strong hydrodynamic conditions and the middle part is tidal flat deposit with relatively weak hydrodynamic condition. This provides new data for understanding palaeogeography and palaeogeomorphology during the Middle Proterozoic around Beijing.

grain size analysis; Changzhougou Formation; cathode-luminescence; Middle Proterozoic; North China craton

P588.21+2

A

1006-0995（2021）04-0568-08

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.04.007

2021-03-12

本文研究內(nèi)容受中國地質(zhì)大學(xué)（北京）大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（編號：202011415149）資助

王帥迪（2000— ），男，哈爾濱人，本科生，地質(zhì)學(xué)專業(yè)