周口店太平山地区晚古生代沉积相分析

周口店太平山地区晚古生代沉积相分析
程岳宏，刘双双，马学礼，田园圆
中国地质大学（北京）能源学院，北京（100083）
E-mail ：cyhdd6204106@
摘 要：沉积相研究是进行沉积盆地勘探、评价的一项重要的基础工作。

本文根据太平山南
北坡实测剖面和薄片研究资料，分析了晚古生代石炭～二叠系各层组的岩性特征、沉积相类
型、垂向沉积演化特征。

该区主要为几套变质砂岩～板岩组成的暗色碎屑岩系，原岩为几套
砂岩、粉砂岩和炭质泥岩，从下往上依次为滨浅海—三角洲—河流相沉积，其亚相和微相类
型有障壁海岸体系的泻湖相、潮坪相；三角洲平原分流河道相、天然堤、分流河道间；平原
区河流河床滞留沉积、天然堤、河漫滩以及辨状河中的河床滞留沉积、心滩、泛滥平原等。

关键词：岩性组合；沉积相；晚古生代；周口店
0. 引言
周口店是“中国猿人”的代名词，也是“地质工程师的摇篮”。

研究区（图1）太平山地区
构造复杂，但总体为一向斜构造，并且经历了多期次的岩浆作用、变质作用等地质作用，该
向斜最突出的特征就是两翼岩层的差异性。

前人对该区的构造和岩浆作用经
行了相关研究，特别是对向斜北翼房山
岩体的研究更为深入，这些研究多注重
岩浆作用、变质作用和构造作用[1~9]。

然
而对该区沉积环境的研究比较薄弱，认
为该时期地层的沉积特征为：石炭、二
叠纪地层为过渡相及陆相沉积；中石炭
统由两个海侵体系域和高水位体系域组
成的层序组成；上二叠统太原组的下部
为潮上带的泥质潮坪沉积夹砂坝沉积，
上部为近海湖泊沉积和沼泽沉积；下二
叠统山西组主要为河流、湖沼相沉积；下二叠统杨家屯组表现为多旋回性，可能是近山前地
带的河流与小型湖沼交替发展的沉积[10]。

本文通过实测剖面，对各层位岩石沉积特征、沉积相组合特征的研究，分析南北坡岩性
差异原因，反演本溪组到杨家屯组相对海平面升降变化，探讨海平面升降的控制因素与盆地
性质，对太平山向斜形成时代提供沉积地层方面的证据。

这对认识该区沉积环境和古气候有
重要意义。

1. 区域地质概况
周口店及其邻区隶属于华北陆块燕山板块造山带，处于NNE 向太行山山脉、近EW 向
燕山山脉和华北平原接壤地带，是在长期演化形成的稳定陆块基础上后期又被改造而成为活
动区[11]。

在晚古生代地层沉积以后，周口店地区在印支期和燕山期经历了两次强烈的构造
事件，使区内形成东西向的褶皱、流劈理及石香肠构造，在太平山向斜核部形成NNE 向的
褶皱构造和房山西一系列逆冲断层，并且随着房山花岗岩体的侵入，使岩层发生复区域岩浆
热变质作用。

图1 周口店太平山地区地质图 Fig.1 Geologic map of Tai Ping-shan area Zhoukoudian
研究区位于周口店镇北侧，隶属于太
平山向斜的一部分。

太平山向斜（图2）
为不对称的复式向斜，核部由石炭系——
二叠系组地层构成,翼部为下古生界至元
古界各组构成。

北翼发育早古生代——中元古代地层，受到剥离断层的作用，厚度强烈减薄，倾角较大
（约50°—80°），局部出现倒转；南翼发育古生代地层，倾角较小
（约30°—50°）。

太平山南北坡（南洛凹——小砾岩山），晚古生代地层保存完整，厚度大，
出露条件好，为沉积相研究提供了很好条件[10,12,13]。

2. 岩性、岩相类型与沉积微相
通过在野外和室内的研究，研究区包括堡岛体系沉积、三角洲沉积和河流沉积三大类，
但以河流沉积为主，各沉积类型如下：
2.1上石炭统本溪组（C 2t ）
该区本溪组主要发育堡岛体系沉积，主要有潮坪相、泻湖相；南坡底部有滨海相沉积。

（1）潮坪相为灰绿色、暗灰色硬绿石角岩、红柱石角岩和灰黄色变质粉砂岩，原岩为泥
岩和粉砂岩，由于岩石的颗粒细小，分选磨圆较好，胶结物主要为绢云母和绿泥石，含有少
量的铁质，含有植物化石，层理不明显，形成相对低能的环境，并且向上为变粗的沉积序列。

在上部有富含有机质的含红柱石的炭质板岩代表了潮上沼泽环境。

（2）泻湖相主要为浅灰色的生物泥晶灰岩（图版 1.1、1.2），岩石组成基本上由晶粒方
解石和生物屑构成，方解石含量约97%，石英约2%，泥质约1%。

生物屑泥晶结构，基底
和颗粒含量之比约为85：15，其中基底主要为泥晶方解石，在薄片中分布叫均匀，粒屑分
选较差，圆度变化大。

生物屑类型主要为棘皮屑，保存较为完整，生物屑顺层偏集呈纹层状
分布，其中海百合碎屑定向排列，水平纹层较发育，指示了当时的沉积作用以悬浮为主，少
牵引流影响，而棘皮类动物为正常盐度生物在石炭世生存于浅海环境[14]，由此可知，该处
的棘皮屑是由含有大量碳酸钙的海水带入泻湖中，从而在这安静，低能的泻湖中形成了生物
泥晶灰岩。

上伏灰色、浅灰色板岩（图版1.3），板状结构，原岩为泥岩、细粉砂岩，基本上
没有重结晶，岩石外表呈致密隐晶质，矿物颗粒很细，胶结物基本为绢云母为主，在高倍镜
下呈絮状。

该层岩石中含植物碎片等化石,黄铁矿假晶大小为0.05—0.5mm ，代表了水体低能、
还原的沉积环境。

（3）滨海相为深灰色中砾岩，分布于太平山北坡本溪组底部（大砾岩山—小砾岩山一带），
其砾石成分单一，主要为燧石和少量石英砾，砾石呈良好的定向排列，以鹅卵石和扁椭球形
为主，砾石大小为1—8cm ，分选差，磨圆好，胶结物成分主要为铁质，这些特征可以指示
该时期的砾岩为滨海相沉积。

并且从大砾岩山—小砾岩山砾岩的粒径变小，可以初步确定来
源于西北方向，代表了一种滨海砾岩。

这与华北晚古生代聚煤盆地中的辽西南票、山西大同、
唐山开平及河北兴隆等地区晚石炭世砾岩层具有相似性[15]，进一步说明了该砾岩为滨海相。

总之，中石炭世开始是地壳下将，接受沉积，出现短暂的滨海相，而后进入堡岛体系
环境，直至生物泥晶灰岩层位处于海进序列，而后海水是逐渐后退，海平面下降，逐渐处于
还原、低能的泻湖环境，随后进一步海退，出现了潮上沼泽环境，地层经历了潮坪、泻湖和
潮上沼泽沉积环境。

图2 太平山向斜剖面示意图 Fig.2 Sectional drawing of Tai Ping-shan syncline
2.2上石炭统太原组（C3t）
在该区太原组发育三角洲平原相，依沉积特征不同分为上下两部分：
（1） 下部为分流河道是一套灰白色中粒变质含岩屑长石石英砂岩（图版 1.4），由于含有长石和岩屑较多，分选差，磨圆中等，成熟度低，反映了岩石成分经搬运距离短，存在于近源，沉积速度快，并且局部有斜层理，和大型交错层理[11]呈正粒序。

（2） 上部为天然堤、分流河道间及决口沙坝等亚相。

天然堤亚相为黑色炭质板岩和浅黄色板岩和薄层含红柱石细粒砂岩，原岩为泥质岩和粉砂岩，由于各岩石的颗粒细小，分选磨圆较差，形成与相对低能的环境，可能是在天然堤环境形成。

由于洪水的到来，携带的有机质和细粒物质沉积，并且被长期的淹没，而形成灰黑色泥质岩和粉砂岩。

分流河道间为10余互层的黑色炭质板岩和灰黄色板岩，原岩为泥岩和粉砂岩，反映了水平面的不断变化，还原和氧化环境的交替出现，有利于形成黑色的炭质板岩和灰黄色的板岩的互层旋回性。

决口沙坝亚相为灰白色中厚层变质岩屑粉砂岩（图版1.5），主要成分为石英、长石和岩屑（燧石），分选差，磨圆较差，胶结物为基底胶结，约占30—40%，泥质含量较多。

2.3 下二叠统山西组（P1s）
该区山西组发育河流相沉积，依沉积特征可分两部分：
（1）下部为河床沉积，局部底部可见细粒级的角砾岩，下部中厚层中粗粒变质岩屑砂岩（图版1.6），含有石英、长石和岩屑（燧石），成分成熟度差，分选较好，磨圆较好，夹有少量炭屑，胶结物为铁质和粘土矿物，以接触胶结和孔隙胶结出现，底部偶有角砾，发育单向交错层理，可见搬运距离较短，离物源近，并且粒度向上有变细的趋势。

（2）上部为天然堤和泛滥盆地沉积，包括河漫湖泊、沼泽等微相。

天然堤亚相为浅灰色细粒砂岩、粉砂岩（图版1.7），主要成分为石英，有少量的长石，磨圆较差，胶结物为铁质和粘土矿物，可见交错层理，并含有植物化石[11]。

河漫湖泊亚相为灰黑色炭质泥岩和薄层粉砂岩，泥岩中不同程度地含粉砂，中夹有煤线，大都含有丰富的植物化石，具有水平层理。

由于在该层中植物化石和煤线的发育，当时可能处于热带潮湿气候的河漫湖泊、沼泽区。

总之，山西组为典型的平原区河流沉积，经历了两个旋回，即水平面经历了两次的升降，或侧向上的变迁。

2.4下二叠统杨家屯组（P1y）
该区杨家屯组地层发育辫状河沉积，并且由3个旋回，依沉积特征可分两部分：
（1）下部位主要为河床滞留沉积和心滩沉积，砂体厚度较稳定，河床滞留沉积为灰色复成分厚层角砾岩（图版1.8），砾石主要成分为硅质岩（燧石）、微晶石英和石英砾，石英颗粒多具波状消光。

角砾粒径一般为3—8mm ，圆度多为棱角状和次棱角状，截面为方形似豆腐块，磨圆较差，分布不规律，属于近源快速堆积而成，该砾岩杂基含量高，多为砂和粉砂质，胶结物主要以铁质和粘土矿物（微晶绿泥石）组成，可集中成孔隙式和接触式胶结。

逐渐往上变为粗粒含岩屑砂岩（图版1.9），所有的岩屑定向排列，新生矿物有呈絮状的云母。

分选较差，圆度为次棱角状，胶结物主要为铁质和粘土矿物，粒度和层系规模向上变细，呈现正序列。

心滩沉积为变质中细粒杂砂岩（图版1.10）、岩屑砂岩，主要成分为石英和岩屑，分选磨圆差，胶结物为铁质和粘土质，其上为细粒长石岩屑砂岩，分选和磨圆较差，胶结物
为粘土质和铁质。

具有微弱的斜层理。

（2）上部为泛滥平原沉积，为砂质板岩（图版1.11），原岩为砂质页岩，手标本颜色为浅灰色，表面有棕色氧化色，表面有明显的揉流痕迹。

颗粒以石英为主，占20%左右，大小0.25—0.5mm ，并且呈条带状分布，基质和胶结物占70%左右，为灰黑色。

镜下水平层理很清楚。

其上部为深色泥岩（图版1.12）和薄层的煤层。

逐渐由过度为粗粒岩屑砂岩和复成分角砾岩，又一个旋回的开始。

总之，杨家屯组为辫状河流沉积，并经历了三次旋回，即水平面经历三次的升降变化。

综上所述，山西组具有明显的二元结构，杨家屯组为辫状河沉积，河道砂体为正粒序，在泛滥盆地较发育，并且泛滥沉积盆地中薄层砂岩向上逐渐增多(图3，4)。

3. 沉积演化特征
3.1垂向演化
众所周知，华北地台是一个古老而稳定的克拉通盆地，而周口店地区位于华北地台的北部，为太古界和下元古界的变质基底。

结合南北坡沉积柱状图（图3、4），以不同特征，不同厚度的岩性段作为充填序列的单元，分析该盆地演化过程中各种不同类型沉积物在其中的充填序列。

早生代时，该区大部分为克拉通内部坳陷，沉积了厚层的寒武系——下奥陶统台地相碳酸盐岩[7]，而加里东运动使该盆地隆起，而遭受了长期的风化剥蚀作用，地表已成为准平原状态。

（1）中石炭世早期，华北地块发生了一次规模不大的南升北降构造运动[3,4]，海平面相对上升，海水从东向西入侵，该区从东部开始接受沉积，全区接受滨海相沉积。

中石炭世本溪组主要为潮坪和泻湖相深色碎屑岩，厚约35.2m ，从下至上依次沉积灰色厚层变质
图3 太平山北坡（小砾岩山）上古生界沉积相柱状图
Fig.3 Columnar section of the Neopaleozoic sedimentary
facies in North Slope of Tai Ping-shan
图4 太平山南坡上古生界沉积相柱状图 Fig.4 Columnar section of the Neopaleozoic sedimentary facies in South Slope of Tai Ping-shan
中砾岩（北坡）、硬绿石角岩、红柱石角岩，生物泥晶灰岩和薄层变质粉砂岩和含红柱石炭质板岩。

（2）晚石炭世太原组沉积期，该区地块抬升，北部物源相对上升，沉积粒度逐渐变粗，结束了海相沉积过程，沉积岩岩性发生变化，形成了广泛的三角洲平原沉积，其中分流河道、天然堤和分流河道间的砂、泥岩及局部的煤线较发育，厚约46.16m。

向上逐渐沉积了中粒含岩屑长石石英砂岩、含红柱石细砂岩、灰黄色板岩与黑色炭质板岩的互层旋回和灰白色变质岩屑砂岩。

这是由于海退之际留下的较大的覆水环境，利于植物的生长和繁衍，从而形成了厚层的泥炭沉积。

其中10余个灰黄色板岩与黑色炭质板岩的互层旋回表明当时存在频繁次级海退—海侵旋回，从而导致了频繁互层现象，这些短周期的海侵事件，影响这该盆地的填充和聚煤作用。

（3）早二叠世山西组沉积期，本区发生了较大规模的北升南降的“翘板式”构造运动[16]，其彻底形成了北高南低，向南倾斜的古地形。

海侵方向改变为由南东向北西方向入侵。

研究区为曲流河沉积，由于北部物源相对上升，沉积粒度逐渐变粗，以及河道的迁移，该区河漫滩、沼泽相较发育，从下至上依次沉积含砾中粗粒变质岩屑砂岩、灰黄色板岩与黑色炭质板岩局部夹有煤线、浅灰色变质细砂岩和粉砂岩、灰黄色板岩与黑色炭质板岩局部夹有煤线。

（4）早二叠世杨家屯组沉积期，北高南低低的基本格局没有变，研究区受构造活动的影响，海水又进一步后退，并且古气候向干旱——半干旱转变，聚煤作用相对减少，盆地北部的阴山古陆抬升剧烈，陆源碎屑供给充足，辨状河滞留和心滩的粗碎屑岩较发育。

从下至上依次沉积灰色复成分变质角砾岩、灰黄色变质中粒砂岩、变质粗砂岩、深色泥岩和砂质板岩、变质中细粒杂砂岩、变质细砂岩、灰黑色粗粒岩屑杂砂岩、变质含砾砂岩、灰色复成分变质角砾岩、变质中细砂岩、变质粉砂岩，在顶部为变质含砾砂岩、灰色复成分变质角砾岩和炭质板岩并夹有煤线。

由于局部构造的升降运动和河道的横向频繁改动，岩性在垂向发生变化，可知杨家屯组出现了三个沉积旋回，并发育一些泛滥平原沉积环境。

综合研究区晚古生代的盆地充填样式，表明该区沉积物与形成时的盆地沉降有关。

在石炭纪（C2~C3），盆地沉降对海平面变化影响不大，沉积物供给率低，输入量少，搬运距离较长，分选磨圆较好，主要沉积了成分和结构成熟度较高的碎屑岩和泥质岩。

早二叠纪（P1）由于大规模的构造运动，盆地沉降对海平面影响较大，沉积物供给充足，搬运距离短，主要沉积了砾岩和含砾粗砂岩。

根据，碎屑物质的成分，其物源区主要为盆地北部的阴山古陆。

3.2横向变化
通过实测剖面以及岩性和南北坡的地层对比图（图5）的分析得知：太平山南北坡地层不为对称重复出现，北坡与南坡相比，本溪组底部出现了厚层的变质中砾岩，山西组的
变质砂岩和炭质板岩较厚，并且北坡杨
家屯组的沉积旋回和特征不一致，这主
要是由于杨家屯组的岩层在太平山向
斜形成前遭受了强烈的风化剥蚀。

并且
太平山向斜南北坡地层不是完全对称
出现，在北坡（离房山岩体较近）岩层
产状近于直立，且地层厚度发生了减薄
和缺失，而远离岩体的另一侧岩层产状
较缓，厚度没有明显减薄。

另外，该向
斜没有相对应的向斜出现[5]。

这些都表
明太平山向斜成因不是水平方向的挤
压作用，可能是由于房山岩体底辟上升
过程中围岩相对下降作用下形成的[5]。

在太平山北坡本溪组底部出现楔
形滨海相中砾岩，而南坡和其他区域没
有出现，而在华北北缘许多地区晚石炭
世底部沉积有相似的砾岩[15，17]，导致这种沉积差异的原因，主要是由于滨海砾岩沉积后，后期经受了严重的风化剥蚀，使大部分区域的砾岩剥蚀掉，而分布于太平山北坡的砾石。

4. 结论
通过对该区晚古生代沉积建造的沉积相与沉积体系的研究，得到以下几点认识：
（1）研究区晚古生代沉积建造为碳酸盐与硅质碎屑岩组成的含煤建造，与整个华北地区的晚古生代陆表海的特征相当。

（2）该区晚古生代的沉积环境由早到晚经历了滨浅海—三角洲—河流环境的演变，相应形成了在垂向上下部以堡岛体系为主，逐渐为三角洲、曲河流和辫状河体系为主的演化序列。

并且在垂向上砂岩的粒径是逐渐变粗的，呈反序列出现，局部出现变细，呈正序列，说明了从本溪组——杨家屯组，整体上以海退为主，局部发生频繁的次级海侵旋回。

（3）受构造、海平面变化的控制，该区发育的沉积相自下而上为：本溪组发育堡岛体系潮坪相和泻湖相；太原组发育三角洲平原分流河道相、天然堤、分流河道间；山西组发育曲流河相中的河床滞留、天然堤、河漫滩沉积特征；顶部杨家屯组发育辫状河河道滞留沉积、心滩和泛滥平原沉积。

5. 致谢
中国地质大学（北京）于炳松，徐德斌，李胜利教授以及邹德江师兄为本文提出了很多宝贵的意见，并对全文进行认真的审阅，在此表示衷心的感谢！另外，我的小组成员刘双双、马学礼在本文的撰写过程中给以很大的帮助和支持。

在此一并表示感谢！
图5 太平山南北坡晚古生代地层剖面对比图 Fig.5 Comparison diagram of the late palaeozoic stratigraphic profile in south and north slope of Tai Ping-shan
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Sedimentary Facies Analysis of Late Palaeozoic Stratigraphy in Taipingshan Area, Zhoukoudian
Cheng Yuehong, Liu Shuangshuang, Ma Xueli, Tian Yuanyuan School of Energy Resource in China University of Geosciences, Beijing (100083)
Abstract
The research of sedimentary facies is an important foundational work for the exploration and evaluation of sedimentary basins. According to data obtained from measured sections in Taipingshan area and research of slices, the lithological features, the types of sedimentary，vertical deposition evolution sedimentary characteristics of the Late Palaeozoic Carboniferous~Permian Stratigraphy are analyzed in this paper. These formations consists of several sets of metamorphic sandstone-slate dark clastic rock series ,which original rock are several sets of sandstones, siltstones and Carbonaceous mudstones, which belongs to seashore—delta—river deposition upwards. Their subfacies and microfacies types have the characteristics of lagoon and tidal flat facies under barrier island system; the characteristics of distributary channel, levee and interdistributary under delta plain; the characteristics of lag deposits, natural levee, and overbank floodplain under river and the characteristics of lag deposits, channel bar and floodplain under braided river.
Keywords: lithofacies assemblages, sedimentary facies, Late Palaeozoic, Zhoukoudian
作者简介：
程岳宏（1985-），男，山西原平人，中国地质大学（北京）能源学院2004级本科生；
刘双双（1984-），男，河北唐山人，中国地质大学（北京）能源学院2004级本科生；
马学礼（1983-），男，宁夏人，中国地质大学（北京）能源学院2004级本科生；
田园圆（1985-），男，四川眉山人，中国地质大学（北京）能源学院2004级本科生。

图版说明
1.1 生物泥晶灰岩中棘皮屑，太平山南坡本溪组地层，正交光10×10；
1.2 生物泥晶灰岩中海百合茎，太平山南坡本溪组地层，正交光10×5；
1.3 灰色泥岩中的黄铁矿，太平山南坡本溪组地层，正交光10×10；
1.4 中粒含岩屑长石石英砂岩,太平山南坡太原组地层，正交光10×5；
1.5 灰白色中厚层变质岩屑粉砂岩，太平山太原组地层，正交光10×5；
1.6 褐灰色变质岩屑中粗砂岩，太平山山西组地层，正交光10×5；
1.7 浅灰色变质细砂岩，太平山山西组地层，正交光10×10；
1.8 灰色复成分变质角砾岩，太平山南坡杨家屯组地层，正交光10×5；
1.9 变质粗粒岩屑石英砂岩，太平山南坡杨家屯组地层，正交光10×5；
1.10变质中细粒杂砂岩，太平山南坡杨家屯组地层，正交光10×10；
1.11砂质板岩，太平山南坡杨家屯组地层，正交光10×5；
1.12深色泥岩，太平山南坡杨家屯组地层，正交光10×5。

1.1 1.5 1.6
1.8 1.9 1.10 1.11 1.12。