A Study of Event Message-bearing Sedimentary Rocks of the Proterozoic Dahongyu Formation from the Ming Tombs District,Beijing
宋天锐 和政军 丁孝忠 张巧大
原文发表在《岩石矿物学杂志》，2000年，第19卷，第4期；在本书中做了如下修改补充：①将原文中黑白照片改为彩色照片；②补充说明了K2O、∑REE、226Ra、U、187Os/186Os、Pt、Ir等在事件分析中所代表地震灾变事件的意义，与原文有较大区别。
北京十三陵元古宙大红峪组在不足4km的距离内岩相急剧变化，实为国内外罕见。从东至西，泰陵剖面由灰色角砾硅化岩＋黑色粉砂凝灰页岩＋黄色含长石石英砂岩组成，山顶剖面由不纯砂岩＋泥质白云岩组成，德胜口剖面由泥质白云岩＋石英砂岩＋层凝灰岩组成。本文仅对泰陵剖面大红峪组的三种岩石进行系统研究。宏观、微观特征、地球化学和同位素地球化学分析数据表明：泰陵剖面大红峪组的灰色角砾硅化岩和黑色粉砂凝灰页岩是受火山－地震事件影响形成的沉积岩，而覆盖其上的黄色含长石石英砂岩形成于正常滨海环境中。最后提出大红峪组含事件信息的沉积岩形成模式图。
北京十三陵是著名古迹风景区。长期以来，对于该地区元古宇的研究相继积累了大量资料，但有关长城系大红峪组的文献却较为鲜见。在燕山裂陷槽中，蓟县至平谷一带是大红峪组的主要发育区，尤其是火山岩分布广、厚度大，局部可达400m。以北京地质调查所在山顶实测资料为依据，北京十三陵地区的大红峪组总厚度为80m，并未见到火山岩[1]。笔者等于20世纪80年代首次在泰陵发现大红峪组的硅化岩中含有藻类丝状体以及凝灰质成分[2]，之后杨慧宁等又在德胜口发现了层凝灰岩[3]。虽然泰陵和德胜口一带的大红峪组出露不全，多有第四系覆盖，但是这一带大红峪组在河沟中出露的灰色角砾硅化岩和黑色粉砂凝灰页岩都含有火山－地震事件的信息，因此，本文将泰陵剖面作为研究重点。此外，由东至西，从泰陵―山顶―德胜口直线距离不足4km，而大红峪组岩相变化十分剧烈（图1），这在国内外均属罕见事例，将其作为海相沉积的特殊类型加以剖析也是很有意义的。
坚硬的硅质岩中，有些角砾与基质的边界模糊不清，呈逐渐过渡现象。笔者对角砾的
图1 北京十三陵大红峪组剖面示意图
A―泰陵剖面；B―山顶剖面；C―德胜口剖面。1―硅化岩；2―页岩；3―石英砂岩；4―长石砂岩；5―泥质白云岩；6―石英岩；7―泥岩；8―白云岩；9―层凝灰岩。Chc-Chch―常州沟组－串岭沟组；Cht-Chd―团山子组－大红峪组；Chg―高于庄组；Jxw―雾迷山组；Jxt-Qbx-Qbc-Q bj―铁岭组－下马岭组－长龙山组－景儿峪组；Jxh―洪水庄组；Jxy―杨庄组
倾向和倾角进行了仔细测量，认为有一部分角砾与原岩层面有较大位移，而另一些角砾则无甚大错位，角砾倾角多为60°～90°（表1）。根据表1校正后的角砾分布方位图（图2左）和角砾倾角在＜30°，30°～60°，60°～90°的分解数图（图2右），可以看出角砾分布在不同的方位，虽然向东的个数较大一些，而且角砾的1/3以上是近直立的，但各种角度都有散布，与十三陵雾迷山组的地震角砾呈菊花状、板刺状分布很相似[4,5]。大红峪组的角砾块体很大并有熔弯现象，说明受火山－地震事件的双重影响。由于大红峪期的强烈火山活动发生在十三陵以东的平谷―蓟县一带[6,7]，而且燕山裂陷槽的海侵由东向西扩展[8]，故受火山热水硅化后角砾的滑塌也趋于向东倾斜。
表1 角砾倾向、倾角测量值与校正值（岩层倾向为152°∠45°）
图2 大红峪组硅质角砾倾向和倾角图示（按表1校正）
1 岩石的宏观特征
1.1 灰色角砾硅化岩
灰色角砾硅化岩位于泰陵剖面的最底层，下面出露不全，厚度1.8 m。角砾大小不等，形状各异，包括扁平状、不规则状和熔融弯曲状等（图3-a,b,c），角砾最大可达30cm，最小5cm，散布在硅化岩基质中，总体呈坚硬块状。硅化岩本身也由大小不等的米粒状、豆状和条带状硅化质点组成，大小由1mm至5mm不等（图3-d）。角砾和基质基本上都是由SiO2组成。
1.2 黑色粉砂凝灰页岩
岩石呈坚硬的薄层状，单层厚2～3cm，露头厚约12cm，平整地覆盖在角砾硅化岩层面上。在每一单层粉砂凝灰页岩层面上，都有交错分布的胶缩纹槽沟，平直沟口宽5～7mm，反映水下胶缩特点，与一般的层面干裂显然不同。值得指出的是没有在山顶剖面处见到这套黑色粉砂凝灰页岩。笔者后来在山脊以西的德胜口一带的建筑工地地基中，发现一套层凝灰岩。由东至西不到4km的距离内，大红峪组产生如此截然不同的岩相组合真令人不可思议。
1.3 黄色含长石石英砂岩
黄色含长石石英砂岩已经石英岩化，为中厚层状（约50cm），与下伏的黑色粉砂凝灰页岩由于覆盖未见直接接触关系，但二者倾向和倾角均一致，可视为整合过渡关系。砂岩层上部出现小角度交错层理，赵澄林等[9]认为大红峪组―高于庄组形成时，以陆表海内潮汐水动力为主，属浅水滨滩环境，与小角度交错层理的形成条件相一致。
2 岩石的微观特征
在角砾硅化岩中曾发现过颤藻属遗迹Oscillatoriopsis sp.[10,11]，在粉砂凝灰页岩中曾发现凝灰质自形晶长石[2]。以下介绍新的研究成果。
图3 北京十三陵含事件信息的沉积岩――角砾硅化岩和凝灰质粉砂岩
2.1 角砾硅化岩
硅化岩由1～2mm的硅化球粒组成，球的核心周边往往散着一层铁质矿物小点，其中有钛铁矿自形晶。硅化球粒周边由0.1～0.2mm之放射状石英柱体构成，相间有不规则丝带状泥晶白云石小点的交代残留物。
颤藻属遗迹仅发现于一种“眼状”的硅化岩中，估计为一种藻类核形石交代后的遗迹。
2.2 黑色粉砂凝灰页岩
不连续的纹层显示层理构造，局部具显微层内错动并发育砂体液化盲脉，表现出地震事件所特有的沉积构造特征[12]。粒度为粗粉砂（0.1～0.05mm），碎屑颗粒为长石晶屑和石英，凝灰杂基充填含量占半数以上，凝灰质均脱玻化和粘土化，结构与德胜口大红峪组层凝灰岩显然不同。粒度分析概率图为一段悬浮式，系数为：
Md=3.75φ（≈0.07mm)
Mz=3.77φ（≈0.065mm）
σ1=0.54
SK1=0.05
KG=0.83
平均圆度Po=1.54，属次棱角；
综合结构系数Td=9.93，属不成熟级[13,14]。
2.3 黄色长石质石英砂岩
碎屑颗粒以0.15mm粒径之细粒为主，含少量粒径大于0.25mm粗砂。造岩矿物中石英占85%，长石15%（±）。长石为风化的钾长石和斜长石，部分为新鲜的条纹长石碎屑。含少量磷灰石等重矿物，出现少量变质成因的透闪石。粒度概率图为三级跳跃总体式，系数为：
Md=2.75φ（～0.15mm)
Mz=2.57φ（～0.16mm）
σ1=0.6
SK1=-0.48
KG=1.09
平均圆度Po=3.07，属于圆级；
综合结构系数Td=68.29，属于成熟阶段砂岩[13,14]。
3 岩石的化学成分特征
为了查明事件沉积岩在地球化学特征方面的反应，本文通过岩石化学、稀土元素、γ－能谱、等离子光谱和硅同位素分析对其进行了对比研究。
3.1 岩石化学分析
黑色粉砂凝灰页岩是火山沉积事件的直接证据。元古宙的火山活动以碱性岩为特征，而K2O含量是最为敏感的化学成分。蓟县一带K2O含量为7.92%～11.93%，德胜口一带为10.26%[3]，而相距4km的泰陵一带则为12.73%。任富根认为蓟县的大红峪组中包含四期火山活动产物，主要为熔岩、火山角砾岩和凝灰岩，均以富钾低钠为特征[6]。据白志民等（1999)[15]研究，平谷一带是燕山地区大红峪组火山岩最集中的地方，富钾火山岩与石英砂岩、白云岩等互层，厚度可达400m，与其中K2O含量比较，泰陵的粉砂凝灰页岩的含量也比一般的火山岩高（表2）。
表2 北京十三陵和蓟县大红峪组火山岩化学成分（wB/%）对比表
3.2 稀土元素分析
关于大红峪组事件沉积岩的稀土元素特征，和政军等（1999）已有专文讨论[19]，本文仅就十三陵泰陵一带大红峪组的三层岩石做了分析（表3）。
表3 泰陵剖面大红峪组三层岩石的稀土元素分析数据（wB/10-6）
由表3和图4可以看出：火山成因的粉砂凝灰岩稀土总量最高（∑REE=222.0×10-6），其次是角砾硅化岩（∑REE=123.2×10-6）。虽然主要造岩成分SiO2与砂岩很接近，但是砂岩含稀土总量最少（∑REE=54.2×10-6），进一步说明前二者是事件沉积，后者是正常沉积物；Eu/Eu＊分别为0.62,0.64和1.07，也说明了前二者在成因上的紧密联系。从图4也可以看出，粉砂凝灰页岩和角砾硅化岩都具有明显的Eu亏损，而砂岩则不明显。
图4 泰陵大红峪组三层岩石的稀土元素球粒陨石标准化配分图
（1）角砾硅化岩；（2）粉砂凝灰页岩；（3）石英砂岩
3.3 岩石的γ能谱分析
应用多道γ能谱仪对粉砂凝灰页岩、角砾硅化岩和砂岩进行分析，所得数据（表4）显示：Th,Ra,K和U的含量在角砾硅化岩和粉砂凝灰页岩中相对高于砂岩，这也说明前两者是有成因联系的事件沉积岩，而后者是正常沉积环境之下形成的。
表4 泰陵剖面大红峪组三层岩石γ能谱分析数据
3.4 贵金属元素分析
贵金属元素分析数据见表5。由表5可以看出粉砂凝灰页岩中含贵金属元素相对较高，特别是187Os/186Os达到1.013。据国外研究资料，这个比值愈是接近1愈是说明与地质事件有关[18]。我们根据地质研究的资料得出与之一致的结论。
表5 泰陵剖面大红峪组三层岩石的贵金属元素分析值（wB/10-9）
3.5 硅同位素（δ30Si）分析
泰陵一带大红峪组角砾硅化岩中δ30Si分析值为0.1‰，这是火山热水硅化成因的标志[7]，而杨庄组、雾迷山组和高于庄组中的硅化结核δ30Si分析值为2.7‰，3.4‰和2.04‰，都大大高于大红峪组的角砾硅化岩。
杨庄组中所含的红色、绿色、黄色硅质结核是由陆源Si组成的，其中Fe3+、Fe2+也都是来自陆地，与该组地层间夹红色泥灰白云岩及砂质白云岩等近陆源沉积环境是一致的；雾迷山组的藻席状小叠层石（Pseudogymnosolen sp.)[11]是典型的潮间带标志，其硅化部分也是来自陆源Si；高于庄组的硅化核形石是由藻席叠层石破碎以后滚动形成，硅化部分也是陆源Si为主[7]。以上硅化物质都是正值较高，只有大红峪组δ30Si值为0.1‰，反映受到火山Si的影响。
值得注意事件岩层中的岩石化学分析、稀土元素分析、γ能谱分析和贵金属元素分析的相互对比；特别是K2O、∑REE、226Ra、U、187Os/186Os、Pt和Ir的对比值。①K2O含量为10%～12%。在华北元古宙沉积岩中普遍较高是一个重要特征，甚至与周边地区的火山岩层大致一致，说明了大红峪期火山喷发物的同源性；②∑REE含量较高，尤其是∑LREE高出北美标准页岩（NASC）许多倍，作者认为华北元古宙富钾富稀土沉积岩是内蒙古白云鄂博巨型稀土矿源层在大陆增生成矿作用中的一个范例（宋天锐等，2005)[16]；③226Ra异常在大红峪组角砾硅化岩中出现是地震事件引发的，由此可见Rn也会异常；④Th在角砾硅化岩中异常和Ra、Rn的异常应该是一致的，代表火山－地震中普遍出现的现象；⑤187Os/186Os在黑色凝灰粉砂岩中出现是事件信息反映之一；⑥Pt、Ir在黑色凝灰粉砂岩中相对偏高则可能是碎屑重矿物含量升高引起的。
4 讨论
北京十三陵元古宙大红峪组包含有地质事件的沉积物，在泰陵一带出露的角砾硅化岩是受火山Si影响和地震波冲击等事件共同作用的产物，其上部覆盖的黑色粉砂凝灰页岩是火山喷出的晶屑经过海浪淘洗而沉积的，二者之上的含长石石英砂岩属于正常滨岸沉积物（图5）。
图5 北京十三陵元古宙大红峪组事件沉积模式图
1―白云岩；2―硅化岩；3―粉砂凝灰页岩；4―砂岩；5―角砾构造；6―胶缩构造；7―交错层构造；8―基底；9―火山灰；10―火山灰降落；11―火山喷发；12―Si质；13―地震波；14―海平面；15―火山Si进入；16―地震波传入
值得指出的是，由德胜口大红峪组的层凝灰岩至山顶一带正常的白云岩、砂岩互层再至泰陵一带的角砾硅化岩＋粉砂凝灰页岩＋石英砂岩，在相距不到4km的范围内竟产生如此剧烈的相变，说明火山活动伴随地震对浅海区域的影响是很不均匀的。
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