2016, Vol. 32
2. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081 ;
3. 北京市地质矿产勘查开发总公司, 北京 100050 ;
4. 北京市地质调查研究院, 北京 102206
2. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China ;
3. Beijing Geological and Mineral Survey and Development Corporation, Beijing 100050, China ;
4. Beijing Institute of Geological Survey, Beijing 102206, China
西山与城市平原组成了北京地区基本的地貌格局，一般认为呈北东走向的黄庄-高丽营断裂是两者的边界，界线截然，这一特征也成为华北中部太行山脉、华北平原和太行山东麓断裂的缩影。有关两者的研究历史与焦点存在较大区别。
西山是中国地质学研究的摇篮，翁文灏根据北京西山地区中生代盆地中多个不整合面特征，提出了“燕山运动”的概念(Wong，1927)。近年来，对于北京西山岩浆作用的时间、构造变形方式与期次和沉积盆地演化等方面积累了大量的资料(鲍亦冈等，1983；赵越等, 2002, 2006；袁洪林等，2005；Yang et al., 2006；Davis et al., 2001；张长厚等，2006；王瑜等，2007)。同时，该地区还是“华北克拉通破坏”、“华北岩石圈减薄”和“东亚汇聚”等重要学术命题研究的重点区域(吴福元等，2008；董树文等，2008；朱日祥等，2011)。朱日祥等(2011)认为早白垩世以来太行山东麓断裂两侧的盆山地貌格局，是太平洋板块西向俯冲的效应之一(朱日祥等，2011；朱光等，2008；李三忠等，2010)，这一认识的主要证据来自于地球物理学剖面、地球化学分析和对华北地区中生代盆地演化等方面(朱日祥等，2011)。
城市平原区因巨厚的新生代沉积物覆盖而增加了研究困难，已开展的工作主要用来探讨城市建设、水资源供给和气候变化的地质记录等方面(蔡向民等，2010；郭高轩等，2013；张磊等，2014)。城市地热井钻探一般会钻遇至含水丰富的古生界或元古界碳酸盐岩，促进了人们对平原区新生界以下地质情况的了解。有些钻井显示出新生代地层直接覆盖在前中生代地层之上，也有大量钻井钻遇或穿过中生界，并揭示出城市平原下部有中生代火山岩层或含大量火山岩砾石的砾岩层、泥岩、砂岩等，但因后期黄庄-高丽营断裂的影响使其埋藏较深，并且与直接经济效益关联较少，导致对城市平原区以下大面积存在的火山岩时代认识不充分，并影响到对北京地区晚中生代地貌转变时间和过程等基础地质问题的理解。
本文基于Jr173和Jr176钻井的资料，对井下安山岩锆石进行了U-Pb同位素定年，并结合岩性特征、岩相组合和连井剖面等，讨论了城市平原区晚中生代盆地发育的年龄下限、物源组成和物源区转变，为探讨华北中东部构造地貌变迁提供了依据。
1 地质背景和样品来源北京地区位于中、新生代环渤海湾盆地的西北角(漆家福等，2003；李三忠等，2010)，同时也是东西向燕山构造带与北东向太行山构造带的交汇部位(张长厚等，2006)(图 1)。前人研究表明，以黄庄-高丽营断裂为界的东西两侧地层区别较大，表现为西部地区保存了较为完整的元古界-侏罗系，而东侧则展现出晚中生代以来的地层直接覆盖于古生界、元古界之上(图 2)，记录了北京地区在晚中生代时期经历重大构造变动的过程，被认为是“华北克拉通破坏”时间和影响范围的重要证据之一(朱日祥等，2011；Zhu et al., 2012；李三忠等，2010)。露头区的白垩系主要保存在两个部位，一部分在北京西山珍珠湖隆起附近的沿河城，称之为东岭台组，主要为一套流纹岩及火山碎屑岩，角度不整合于前白垩纪各时代地层之上，锆石U-Pb年代学测试结果为130~134Ma(相当于燕山地区张家口组)(袁洪林等，2005)；一部分在山前坨里-大灰厂镇(洪友崇等，1982)，仅保存有下白垩统，自下而上为东狼沟组火山碎屑岩、玄武岩、安山岩，同位素测年结果为110~135Ma(北京市地质矿产局，1991)(相当于燕山地区义县组)，大灰厂组(相当于燕山地区九佛堂组)泥岩、粉砂岩，坨里组厚层砾岩、砂岩和夏庄组砂岩、粉砂岩间砾岩与泥灰岩层。前人将上述白垩系与燕山地区同期地层进行对比，曾将其时代厘定为晚侏罗世，这一认识在20世纪70年代北京市地震地质会战时期起着指导作用，而该时期也是人们对北京城市平原区以下地层研究较多的阶段。尽管后来随着同位素年代学测试工作和化石组合研究的开展，原上侏罗统已更新至下白垩统，但城市平原区深埋地层时代因还没有充足的数据进行支撑而沿用早期认识(柯柏林，2005；肖文进等，2005)。由地热钻孔揭示的城市平原区下部南大岭组、窑坡组和九龙山组可与山区进行较好的对比，但对于埋藏较深的粗碎屑岩和火山岩时代归属仍存在争议或不明确，如分布在中关村-奥体公园下部的“洼里砾岩”时代与成因曾一度是人们关注的焦点(柯柏林等，2005；肖文进等，2008)，而另外一套被粗略划分为上侏罗统-下白垩统岩层的时代和构造含义等研究程度更低，该套地层也是环渤海湾盆地下部具有重要转折意义的岩层(漆家福等，2004)。
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图 1 北京地区主要地质单元略图及样品位置 图 1b下方表示北京平原区与西山的关系恰如华北平原之于太行山 Fig. 1 Sketch geological map of Beijing showing main tectonic units and sampling location |
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图 2 北京平原区北西-南东向剖面示意图(据张宏仁, 1998, 2013) Fig. 2 The NW-SE section of Beijing Plain(after Zhang, 1998, 2013) |
编号为Jr173和Jr176是北京城市平原区的2个地热井钻孔。Jr173孔位于海淀区西三环北京外国语大学，孔深约2600m，岩性剖面根据岩屑组分编录(图 3)，未有明确的分组，714m以下为古生界、元古界碳酸盐岩层，本次样品采集的岩屑段孔深在680m左右(图 3)。Jr176孔位于朝阳区东四环泛海国际，孔深约3100m，没有明确的分组，但有几套大的岩相组合(图 3)，自1710m以下为燧石条带白云岩、砾岩层，其中砾石主要为白云岩，岩屑样品采集孔深在1560m左右(图 3)。钻井编录报告中均将火山岩地层时代定义为侏罗纪。
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图 3 Jr173和Jr176井岩性柱状图和采样位置 Fig. 3 Columu diagram of the Well Jr173 and Well Jr176 showing lithology and sampling positions |
样品粉碎和锆石挑选工作在河北省区域地质调查研究所实验室完成，在原始破碎岩屑基础上洗净并粉碎至120目以下，之后用人工重砂分选，在双目镜下挑纯。锆石的制靶工作由中国地质科学院矿产资源研究所完成，阴极发光由中国地质科学院地质研究所拍摄，辅以透射光图像，圈定锆石点位。SHRIMP锆石U-Pb年龄分析在北京离子探针中心SHRIMP Ⅱ上完成，分析方法见宋彪等文献所述(宋彪等，2002)，使用的离子束直径为30μm；LA-ICP-MS锆石U-Pb原位定年由中国地质科学院矿产资源研究所实验室完成，锆石定年分析所用仪器为Finnigan Neptune型MC-ICP-MS及与之配套的Newwave UP213激光剥蚀系统，所用斑束直径25μm，频率为10Hz，能量密度为2.5J/cm2，以He为载气，激光剥蚀采用单点剥蚀方式，数据分析前用锆石GJ-1调试仪器，锆石U-Pb定年以锆石GJ-1为外标，U、Th含量以锆石M257(Nasdala et al., 2008)进行校正。数据处理采用ICPMSDataCal程序(Liu et al., 2009)，普通Pb校正采用Anderson方法(Anderson，2002)，锆石年龄谐和图由Isoplot3.0程序完成(Ludwig，2003)。样品分析过程参见侯可军等(2009)。
3 分析结果Jr173和Jr176底部安山岩锆石粒度一般在50~150μm之间，其阴极发光(CL)图像中显示多数锆石晶型较好，内部结构清晰，可见典型的生长环带(图 4)，未见残留核部，Th/U比值高(表 1和表 2)，表明其应为岩浆成因锆石。
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图 4 Jr173和Jr176安山岩部分锆石阴极发光图像 Fig. 4 CL images of the typical zircons from the andesites of Jr173 and Jr176 |
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图 5 Jr173安山岩锆石SHRIMP和Jr176 LA-LCP-MSU-Pb年龄谐和图 Fig. 5 U-Pb concordia diagrams showing the SHRIMP (Jr173) and LA-LCP-MS (Jr176) zircons data |
Jr173底部安山岩锆石U-Pb LA-LCP-MS年龄分析结果见表 1和图 5b。对该样品共测试了60颗锆石，其中有效点57个，大部分点落在谐和线上或附近, 其中1颗锆石206Pb/238U年龄为296.8±3.34Ma，3颗锆石206Pb/238U年龄分别为133.8±0.92Ma、134±0.67Ma、136.5±1.55Ma，其余53颗锆石206Pb/238U较为集中，介于120.3~125.9Ma，加权平均年龄为122.63±0.46Ma (MSWD=2.6)。
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表 1 北京平原区JR173井安山岩锆石U-Pb SHRIMP定年分析结果 Table 1 SHRIMP zircon U-Pb dating data from andesite of Well JR173 in Beijing plain |
Jr176底部安山岩锆石U-Pb年龄分析结果列于表 2，其U-Pb谐和图如图 5a。样品中锆石粒度除14号分析点锆石年龄偏老为225.7±4.5Ma外，其他13个分析点的锆石年龄集中在116~146.1Ma之间，并可分为两组，第一组8颗锆石206Pb/238U年龄介于130~146.1Ma间，加权平均年龄为138.4±4.2Ma(MSWD=1.01)；第二组5颗锆石206Pb/238U年龄区间为116~125Ma，加权平均年龄为122.6±2.5Ma(MSWD=1.7)。
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表 2 北京平原区JR-176井安山岩锆石LA-LCP-MS定年数据 Table 2 LA-LCP-MS zircon U-Pb dating data from andesite of Well JR-176 in Beijing plain |
晚中生代以来，北京城市平原区接受了巨厚的碎屑沉积，前人对于其时代一般是根据岩性组合、化石特征和地层接触关系等与西山或燕山露头区对比而确定的(北京市地质矿产局1991；漆家福等，2003)，认为城市平原区下部大面积覆盖于不同元古界、古生界之上的火山岩时代为晚侏罗世，但仍存在争议，并缺乏精确的同位素测年数据支持。随着近年来同位素测年工作的开展，露头区多数用来进行对比的地层时代已发生了改变，如西山髫髻山组和土城子组已由原来的中侏罗世更新为晚侏罗世，甚至其上部已为早白垩世(袁洪林等，2005；赵越等，2006；Yang et al., 2006)；沿河城地区东岭台组锆石U-Pb年龄为130~135Ma(袁洪林等，2005)，应为早白垩世；大灰厂地区东狼沟组火山岩被认为可与燕山地区义县组进行对比，目前积累有关东狼沟组和义县组火山岩的锆石U-Pb同位素及40Ar/39Ar年代学结果为110~135Ma，表明其形成于早白垩世(北京市地质矿产局，1991；Niu et al., 2004；韦忠良等，2008；Zhang et al., 2011)。
本次报道的Jr173和Jr176两口钻井在岩相序列、安山岩与下伏不同时代地层接触关系等方面均可与大灰厂地区白垩系做对比。安山岩样品的锆石206Pb/238U给出了2个比较集中的年龄组，分别为122.6Ma和138.4Ma，同时也测到了2颗年龄较为偏老的锆石，其年龄分别为296.8Ma和225.7Ma。我们认为122.6Ma代表了北京平原区下部安山岩喷发的年龄，138.4Ma左右的锆石是岩浆喷发过程中捕获所致，已有研究证实北京地区广泛存在该时期的岩浆活动记录，而296.8Ma和225.7Ma则代表了更早期地层或岩体的混入。
4.2 对华北东部晚中生代构造活动的指示意义前人通过“华北克拉通破坏”学术命题的研究，从岩浆地球化学、地球物理深部剖面和构造变形、变质核杂岩、沉积盆地等多方面研究了华北地区中生代深、浅部地质作用及其耦合过程，并提出克拉通破坏发生的峰期为125Ma，影响的空间范围集中在太行山东麓山前断裂以东的华北地区(朱日祥等，2011)。北京地区处于太行山东北端和华北平原西北端的盆山转换地带，无论是反应深部作用的岩浆活动，还是记录浅部变形的盆地及相应构造等，均表明其与华北板块同时期具有一致性。东岭台组流纹岩、东狼沟组安山岩和城市平原区底部安山岩喷发时间集中在122~134Ma，房山花岗岩和阳坊花岗岩等岩体形成时代集中在118~138Ma(Davis et al., 2001)；房山岩体以西15km南窑地区发育110°方向的拉伸线理，对该变形同期形成的白云母、绢云母进行的40Ar/39Ar测年结果为127~133Ma(王瑜等，2007)，表明北京西山地区存在早白垩世近北西-南东向拉伸作用，这点与华北北缘大量发育反应伸展环境的变质核杂岩在时间和方向上一致(Wang et al., 2012)；大灰厂地区和北京城市平原区下部白垩系沉积序列可与燕山地区的滦平盆地、石人沟盆地、凤山盆地等典型白垩纪盆地相对比(洪友崇等，1982；张英利等，2007；Wei et al., 2012)，而对大灰厂-坨里一带白垩系进行的古水流和砾石成分统计表明，盆地沉积物基本来自于其北西地区的北京西山。由露头和钻井所揭示的黄庄-高丽营断裂明显控制了白垩纪盆地，并表现出北西-南东伸展背景下的正断层特征(图 2)。上述地质过程既表明了现今北京地区地貌格局形成的时间和主控因素，同时也支持了华北东部地区在早白垩世发生北西-南东向的伸展作用。
5 结论Jr173和Jr176是位于北京城市平原区的两口地热钻井，井中厚层的安山岩锆石U-Pb同位素年龄结果为122.6Ma，表明其地层时代为早白垩世。结合平原区北西向地质剖面、大灰厂地区白垩系和燕山地区同时期沉积盆地的对比结果，认为早白垩世期间沿着黄庄-高丽营断裂发生的北西-南东向伸展作用，导致了现今北京地区的地貌格局雏形形成，并成为太行山脉之于华北平原的缩影，是太平洋板块早白垩世西向俯冲的效应之一。
致谢 原地质矿产部副部长张宏仁和北京市地质矿产开发局为本文提供了北京城市平原的资料; 中国地质科学院矿产资源研究所同位素测年实验室在锆石年龄测试方面给予了充分关注; 在此表示感谢！| [] | Andersen T. 2002. Correction of common lead in U-Pb analyses that do not report 204Pb. Chemical Geology , 192 (1-2) :59–79. DOI:10.1016/S0009-2541(02)00195-X |
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