北京石灰巖成礦規律研究

王純君，高學泉，方同明，劉旭東，李 莉，劉林生，何付兵

(北京市地質調查研究院，北京 102206)

石灰巖是建材、冶金、化工等工業的重要原料，是與國計民生關系密切的重要礦產[1-2]。

北京飛速發展，建筑業對水泥的需求量與日俱增。北京石灰巖礦產地質勘查與開發工作為適應首都規劃建設需求，長期以來提供了重要原料保障[3-4]。

北京石灰巖礦產資源分布廣泛，資源量豐富，是區內優勢礦產資源之一，按照用途分類，可分為水泥用、制灰用、建筑石料用、熔劑用、電石用和制堿用6類。賦存石灰巖的主要地層為下古生界的寒武系與奧陶系，主要分布于西山地區，在北山及順義二十里長山零星分布。該套地層巖性為碳酸鹽巖，總厚度1 300m左右，沉積穩定，橫向變化小。其中，寒武系絕大部分呈帶狀分布于西山陸表海碳酸鹽巖建造背、向斜的翼、核部。北山則受巖漿活動和構造變動影響，大部分地層被抬升剝蝕，僅在西智、河防口、文殊峪、龍山、九渡河、珍珠泉及轉山子等地零星出露。奧陶系大面積分布在西山的背、向斜的翼、核部，其次在京東二十里長山也有少量出露[5]。石灰巖礦床成因類型均為化學沉積型，成礦時代主要為寒武紀與奧陶紀，僅有密云、昌平地區的少量礦床為薊縣紀、青白口紀。石灰巖礦產地共有59處，其中超大型礦床1處，大型礦床13處，中型礦床21處，小型礦床21處，礦點3處(表1)。

表1 北京石灰巖礦產地成礦時代、規模一覽表

北京石灰巖地質調查勘探工作開展歷史悠久，積累了豐富的資料。本文通過對各時期石灰巖特征分析研究，提出石灰巖成礦區帶劃分方案，為新時期提升首都北京石灰巖礦產地質認識和礦政管理提供重要依據。

1 區域地質概況

北京地區位于華北陸塊北緣中段。受多期構造活動的強烈作用，區內斷裂構造發育，赤城—長哨營—古北口、南口—平谷—山海關深斷裂、沙廠—墻子路大斷裂及其次級斷裂構成了本區主要的構造格局。

區內出露地層主要為太古宙變質巖系、中新元古界、下古生界海相碳酸鹽巖、上古生界陸相碎屑巖系、中生界陸相火山—沉積巖系。太古宙為中—深變質巖、變質火山巖建造；中新元古界為濱?！獪\海相碳酸鹽巖、碎屑巖建造以及粘土巖建造；寒武系為碳酸鹽巖、碎屑巖建造；奧陶系為海相碳酸鹽巖、碎屑巖建造；石炭系為海相向海陸交互相過渡碳酸鹽巖建造及碎屑巖建造；二疊系為海陸交互相向陸相漸變的碳酸鹽巖建造、碎屑巖建造；中生界至新生界為陸相碎屑巖建造[6]。

區內巖漿活動強烈而頻繁，巖漿巖為新太古代至中生代多期次侵入的花崗巖、花崗閃長巖、石英閃長巖及閃長巖等[7-9]。

2 石灰巖含礦建造特征

2.1 寒武紀昌平組含礦層位

昌平組沉降沉積中心位于密云、懷柔、昌平地區，自中心區向外，向西南方向厚度逐漸變薄，到河北省淶水、易縣地區，厚度減至僅15m。在青白口—莊戶臺以東地區，以豹斑狀灰巖為主，以西則以白云巖為主，平均厚度為60m，僅個別地點如東莊子最厚達122m外，一般都在40～60m，最薄為下石堡僅26m。在北山則零星出露于十三陵、河防口、九渡河以及西智等地，主要巖性為細晶灰巖、豹斑狀灰巖，底部出現角礫狀白云巖，局部大理巖化，平均厚度為92m，其中西智達136m，最薄在上天橋為55m[8]。

昌平組是北京地區賦含電石、熔劑、水泥用石灰巖的最主要含礦層位之一。昌平組主要由灰色、深灰色厚層至塊狀豹斑狀灰巖和細晶灰巖組成，上、下部為白云巖和白云質灰巖。含礦層主要為二段和三段，其中三段含礦性最佳。兩個含礦層中賦存熔劑、水泥用石灰巖礦4～8層，電石、制堿用石灰巖礦2～3層，礦層在垂向上常呈互層狀產出。電石、制堿用灰巖工業指標較高，具有工業意義的礦層主要賦存于昌平組三段，其中北山地區的含礦性明顯比西山地區好。熔劑、水泥用灰巖主要賦存于昌平組二段，在西山出露比較穩定。昌平組為高鈣優質灰巖，賦礦部位主要為中部豹皮(花斑)灰巖與深灰色灰巖互層。昌平組巖石化學成分含量對比顯示(表2)，北山地區CaO含量高，至西山東部含量中等，到西山西部含量低，MgO含量以西山西部為高，西山中部含量中等，北山含量低，SiO2與R2O3含量變化隨MgO含量變化而變化。

表2 北京地區昌平組灰巖—白云巖類化學組分含量對比

2.2 寒武紀張夏組含礦層位

張夏組分布于西山和北山。在西山地區主要分布于門頭溝齊家莊—柏峪—青白口—大村、九山和下葦甸等地，以及房山蒲洼—黃土臺—班各莊—龍寶峪、魯家灘一帶。在北山地區，零星分布于昌平文殊峪、十三陵、懷柔區河防口、二道關、九渡河和密云西智[8]。

按巖性、厚度與沉積韻律特征可劃出三個區。其中第一巖性區位于北山—門頭溝西北部—蒲洼以西地區，下部共出現3～5個韻律，砂頁巖比例小，鮞狀灰巖質量好，比例高，厚度一般60～92m；中上部以泥質條帶灰巖、鮞狀灰巖為主，鮞狀灰巖質量好，厚度115～205m。第三巖性區位于西山東南部，魯家灘—白胡—下石堡一線以南地區，砂頁巖比例增大達48.7%，鮞狀灰巖比例小，約15%，下部可劃出3～5個韻律，厚一般21～40m；中部有3～4個韻律，砂頁巖比例高達73%；上部以鮞狀灰巖為主，但泥質含量增高，厚49～122m。第二巖性區位于第一和第三巖性區之間，屬過渡巖區，下部厚70～72m，中上部厚136～196m。

張夏組底部為灰綠色薄層泥鈣質粉砂巖與灰紫色、深灰色中層泥、亮晶鮞?；規r互層，部分灰巖呈竹葉狀。下部為灰色、深灰色中薄層—厚層含竹葉狀泥、亮晶鮞?；規r、條帶狀灰巖夾灰綠色薄層粉砂巖，竹葉狀礫屑有時具氧化圈；中部為灰綠色薄層鈣質粉砂巖，深灰、黃灰色條帶狀泥晶泥質灰巖與顆?；規r互層；上部為深灰色巨厚層泥晶、亮晶鮞?；規r夾泥質條帶泥晶灰巖和少量粉砂巖。含礦地層主要為下部和上部厚層和巨厚層鮞?；規r。礦石類型以鮞狀灰巖、方解石細脈灰巖為主，花斑灰巖、泥質條帶灰巖次之。

張夏組CaO含量整體較高，MgO含量均一且較低，一般小于4%(表3)，垂向上CaO、MgO、SiO2和R2O3含量反映出沉積韻律特征，每個韻律下部SiO2、R2O3均呈現極大值，CaO為極小值，韻律中上部CaO含量增大，SiO2、R2O3含量呈反相關遞降。

表3 北京地區張夏組化學成分平均含量一覽表

2.3 奧陶紀冶里組含礦層位

冶里組在北京地區的出露范圍比寒武系范圍小，北部出露邊界明顯向南位移。其主要分布在西山地區，在順義二十里長山少量出露[8]。冶里組沉積厚度多在150～200m之間，巖性主要為泥質灰巖和豹皮灰巖。地層下部為深灰—淺灰色厚—巨厚層含云斑和砂屑泥晶—粉晶灰巖，局部為白云巖；中上部為深灰色—灰黑色中—厚層含泥質條帶、泥質條紋粉晶、泥晶灰巖夾竹葉狀灰巖和黃綠色鈣質頁巖。

含礦層位為冶里組下部，巖性主要為淺灰色灰巖，丁家灘—千軍臺一帶以外地區，則以灰色灰巖為主夾淺灰色灰巖，孟港夾有白云質灰巖，青白口地區因氧化鎂含量增高，主要為厚約4m石灰巖，雙石頭及二十里長山相變為豹皮灰巖和白云巖。含礦層厚度以丁家灘—千軍臺一帶最厚達10～30m，向四周顯著變薄，含礦性變差。冶里組礦石類型以淺灰色灰巖、含泥質斑塊灰巖或細泥質條帶灰巖為代表，礦石質量在區域上變化十分穩定。冶里組沉積厚度最大在丁家灘—千軍臺—柳林水—青白口地區，西山東部的曉幼營、斑各莊、長流水以及西山西北部的齊家莊等地，屬邊緣地區，厚度顯著變薄，僅65～100m。

巖性變化第一韻律(O1y-①)即含礦韻律，自沉積中心—丁家灘—千軍臺一帶，向東、南、西三個方向，豹皮灰巖、泥質條帶灰巖顯著增多，石灰巖比例遞減，雙石頭受白云巖化而變為白云巖，長流水相變為白云質灰巖，二十里長山主要為豹皮灰巖，無石灰巖出露；第二韻律(O1y-②)除沉積中心出現竹葉狀灰巖夾層外，長流水、四馬臺、齊家莊等地則出現燧石結核(條帶)灰巖；第三韻律(O1y-③)中除千軍臺—丁家灘一帶夾有數層豹皮灰巖外，其他地區泥質含量增高。含礦層化學成分縱向上有一定規律，底部MgO、SiO2和R2O3含量偏高，頂部MgO含量偏高，中部CaO含量高，有害組分低，故形成較好的電石灰巖礦層。礦層在橫向上呈單層或數層出現，厚度和化學成分穩定(表4、表5)，并且有高鈣礦層出現，說明冶里組下部電石用灰巖含礦層，能同時滿足電石用灰巖、制堿用灰巖、重碳酸型灰巖要求。

表4 北京地區冶里組含礦層厚度、平均化學成分統計

2.4 奧陶紀馬家溝組含礦層位

馬家溝組分布規律與冶里組一致，沉積厚度一般為250～450m，該組頂部遭受不同程度剝蝕，厚度存在一定差異。主要分布于門頭溝丁家灘、石河一帶，房山南辛房—青林臺—魚斗泉、龍寶峪—長流水一帶，北京東部順義的二十里長山一帶[8]。

表5 北京西山冶里組下部礦層特征一覽表

馬家溝組巖性變化較大，在百花山向斜以北，巖性為灰色厚層、巨厚層灰巖、泥晶灰巖，而在龍寶峪—長流水一帶，受房山巖體影響，巖石經歷變質作用而產生大理巖化。該組底部和中部一般發育角礫狀灰巖。各組均可劃出3個連續型沉積韻律，即由潮間角礫狀灰巖、白云質灰巖到潮下的豹皮灰巖(高能)、深灰色灰巖(低能)，到潮間的灰巖與白云質灰巖互層結束。水泥用灰巖處于韻律的中上部位。馬家溝組在門頭溝南辛店—黃山店一線西北地區沉積厚度大(400～450m)，以水波澗—柳林水—千軍臺一帶最大，向西、向北變薄。角礫狀灰巖僅出現兩次，灰巖及豹皮灰巖比率高，含礦性好。門頭溝南辛店—黃山店一線西東南地區沉積厚度小，僅250m左右，角礫狀灰巖出現多達4～5層，石灰巖比例小，含礦性較差。

馬家溝組下部產出4～5層礦，礦層累計厚度38～60m，礦層頂、底板巖性一般為白云質灰巖、白云巖或泥灰巖。馬家溝組上部發育3～4層礦，礦層累計厚53～61m，礦層頂、底板巖性一般為白云質灰巖或鎂泥質斑塊豹皮灰巖。馬家溝組礦石類型在西山地區比較單一，一般為深灰色灰巖或暗灰色生物碎屑灰巖，在二十里長山地區除深灰色灰巖外，還有似豹皮灰巖、含燧石團塊灰巖，礦石質量均可達水泥灰巖要求(表6)。

表6 馬家溝組下部含礦層中水泥灰巖礦層化學成分

3 成礦區帶劃分方案

3.1 成礦區帶劃分依據

根據《中國成礦體系與區域成礦評價》、《中國成礦區帶劃分方案》提出的我國成礦域、省、區帶劃分方案，結合北京市實際情況以及地質專家建議，總結北京市石灰巖單礦種成礦區帶劃分依據[10-13]：①充分考慮成礦地質構造背景、成礦規律性以及后期改造結果，即成礦區帶的劃分應當與相當級別的大地構造分區有著大致的協調；②成礦區帶以構造單元為基礎，根據北京石灰巖礦產為本市優勢特色資源，充分考慮成礦地質條件的差異和不同礦化特征來厘定成礦區帶；③以斷裂為界的兩個構造單元，一級、二級斷裂構造是構造單元控制邊界，同時也是成礦物質重要運輸和存儲部位，其兩側一定范圍內會形成相似礦床，因此在石灰巖Ⅴ級成礦區帶劃分中斷裂作為參考要素；④已發現礦產地集中分布地區。

3.2 石灰巖成礦區帶劃分方案

根據上述劃分依據，北京市位于太平洋板塊與歐亞板塊接觸部位，Ⅰ級成礦域位于濱太平洋成礦域；Ⅱ級單元位于華北陸塊北緣中段，成礦省為華北(陸塊)板塊成礦??；Ⅲ級成礦帶為華北陸塊北緣東段Fe-Cu-Pb-Zn-Au-U-硼-菱鎂礦-滑石-石墨-金剛石成礦帶和華北盆地(斷坳)石油天然氣成礦帶(Kz)，前者范圍主要包含了北京北山和西山，后者范圍主要為北京平原；Ⅳ級成礦亞帶在三級成礦帶基礎上進一步劃分，劃分為懷柔北金螢石成礦亞帶、八達嶺金銅鉬鉛鋅成礦亞帶、京西煤石灰巖成礦亞帶、密云—懷柔鐵金成礦亞帶、密云—平谷金石灰巖成礦亞帶和北京平原煤石油天然氣地下水成礦亞帶[13]。

在Ⅳ級成礦區帶的劃分基礎上，針對石灰巖開展成礦規律研究。根據石灰巖礦產分布特征，結合區內主要賦礦地層寒武系、奧陶系的分布規律，以及局部的褶皺或斷裂的控制作用，在Ⅳ級成礦亞帶進行Ⅴ級成礦區劃分[14-19]。

4 Ⅴ級成礦區劃分及其主要特征

根據已探明礦產地的分布規律，結合區內地層、構造特征，在京西煤石灰巖成礦亞帶、八達嶺金銅鉬鉛鋅成礦亞帶和密云—平谷金石灰巖成礦亞帶內共劃分12個石灰巖Ⅴ級成礦區[13-14](表7、圖1)。

4.1 京西煤石灰巖成礦亞帶內的Ⅴ級成礦區

京西煤石灰巖成礦亞帶主要位于北京西山地區的房山、門頭溝區域內，包括北山的一部分地區。區內褶皺發育，印支期褶皺呈近東西—北西西向，為寬緩的向斜構造，主要有百花山—廟安嶺向斜、九龍山向斜、北嶺向斜等。區帶內石灰巖分布范圍與中生代斷拗一致，包括了北京西山的大部分及一部分北山地區?？傮w上呈北東—南西方向分布，南西端至門頭溝的齊家莊，清水及房山堂上、柳林水一帶賦礦層位為寒武系和奧陶系，主要分布于向斜兩翼。區內寒武、奧陶系廣泛分布，地層保存完整，巖層厚度大。丁家灘一帶寒武、奧陶系總厚度近千米。區內劃分了河防口成礦區(Ⅴ-1)、鄭重莊成礦區(Ⅴ-2)、文殊峪成礦區(Ⅴ-3)、清水—齋堂成礦區(Ⅴ-4)、青白口—太子墓成礦區(Ⅴ-5)、下葦甸—灰峪成礦區(Ⅴ-6)、浦洼—柳林水成礦區(Ⅴ-7)、白湖—魯家灘成礦區(Ⅴ-8)和周口店—下石堡—英水成礦區(Ⅴ-9)[13-14]。

表7 北京石灰巖成礦區劃分

圖1 北京石灰巖成礦區劃分圖

(1)河防口成礦區(Ⅴ-1)。

成礦區位于懷柔河防口—密云西智一帶，呈弓形，近東西方向分布，長約18km，寬約1～3km。成礦區受北東向區域斷裂控制，由于后期火山活動、構造運動的強烈破壞，只見寒武系地層零星分布于懷柔下辛莊、河防口及密云西智一帶。寒武系地層一般呈單斜產出，在河防口一帶見有平緩褶皺。主要礦產地有懷柔下辛莊水泥用灰巖礦、懷柔河防口制堿用灰巖礦和密云西智熔劑用灰巖礦。

(2)鄭重莊成礦區(Ⅴ-2)。

成礦區位于懷柔鄭重莊一帶，呈北北西方向條狀分布，長約2km，寬0.5km左右。區內出露奧陶系地層，石灰巖礦產資源基本查清。

(3)文殊峪成礦區(Ⅴ-3)。

成礦區位于昌平龍山—文殊峪一帶，呈北東東方向分布，長約13km，寬1～5km。成礦區受黃崖山背斜控制。由于后期構造、火山、巖漿活動破壞，只見寒武系地層零星分布于昌平龍山、文殊峪至下莊一帶。寒武系地層主要呈單斜產出。主要礦產地有昌平文殊峪水泥用灰巖礦和昌平下莊西山水泥用灰巖礦。

(4)清水—齋堂成礦區(Ⅴ-4)。

成礦區位于門頭溝清水—齋堂一帶，呈北東方向帶狀分布，長22km，寬3～8km。構造上位于百花山向斜北西翼，沿河城斷裂南東側，受燕家臺—清水次級褶皺控制。區內中下寒武、奧陶統地層出露齊全，地層總體呈北東方向分布。區內褶皺較發育，褶皺軸向為北東向。此外，區內尚有中、新元古界、侏羅系火山巖及淺成侵入巖分布。區內有門頭溝雙石頭水泥用灰巖礦。

(5)青白口—太子墓成礦區(Ⅴ-5)。

成礦區位于門頭溝青白口—太子墓一帶，呈弓形，北東方向分布，長18km，寬2～5km。構造上位于青白口穹隆外緣，受青白口穹隆控制。區內寒武系、奧陶系地層均有出露，南西端巖層傾向南，傾角陡，局部有倒轉，北東端巖層總體向東傾斜，傾角略緩。

(6)下葦甸—灰峪成礦區(Ⅴ-6)。

成礦區位于門頭溝下葦甸—灰峪一帶，呈勺形，長約18km，寬2～7km。構造上處于上葦甸穹隆外緣、髫髻山向斜與九龍山向斜之間，受上葦甸穹隆控制。區內中下寒武、奧陶統地層出露齊全，圍穹隆分布。在穹隆核部附近的巖層，總體向外傾斜。遠離穹隆的巖層一般呈單斜產出。穹隆核部為燕山期中酸性侵入體及新元古界地層。主要礦產地有門頭溝下葦甸熔劑用灰巖礦、門頭溝丁家灘電石用灰巖礦、門頭溝野溪東山熔劑用灰巖礦等。

(7)浦洼—柳林水成礦區(Ⅴ-7)。

成礦區位于房山浦洼—柳林水一帶，呈北東向帶狀分布，長約38km，寬4～7km。成礦區位于百花山向斜南翼、紅煤廠—大安山斷層西側。中下寒武、奧陶統地層出露齊全。巖層傾向北西，傾角緩—中等。區內有房山佛子莊鄉紅煤廠村制灰用灰巖礦。

(8)白湖—魯家灘成礦區(Ⅴ-8)。

成礦區位于房山白胡—門頭溝魯家灘一帶，近似菱形，長29km，寬10～15km。成礦區受陳家溝傾伏背斜及谷積山背斜的控制。陳家溝背斜軸向北東，谷積山背斜軸向近東西。寒武系、奧陶系地層位于背斜的兩翼，巖層傾角緩—中等，局部較陡。背斜核部為元古界地層。主要礦產地有門頭溝魯家灘熔劑用灰巖礦、房山白胡電石用灰巖礦、豐臺大灰廠制灰用石灰巖礦等。

(9)周口店—下石堡—英水成礦區(Ⅴ-9)。

成礦區位于房山周口店—下石堡—英水一帶，形狀不規則，最大長度約18km。構造上位于北嶺向斜的外緣，受北嶺向斜控制。向斜核部為侏羅系地層，上古生界地層、寒武系、奧陶系地層呈環狀分布。地層總體為內傾，傾角緩—中等。區內南部及西部構造復雜，斷裂發育，局部有次級褶皺。主要礦產地有房山周口店制灰用石灰巖礦、周口店太平山制灰用石灰巖礦和周口店水泥用灰巖礦。

4.2 密云—平谷金石灰巖成礦亞帶內的Ⅴ級成礦區

區內劃分了京東成礦區(Ⅴ-10)。成礦區位于京東二十里長山一帶，受北西向斷裂控制，呈北西方向帶狀分布，長約11km，寬1～2km。由于受后期構造運動的強烈破壞作用，寒武系、奧陶系地層呈孤立島狀斷續分布于山前平原上。地層走向北西，總體傾向南西，局部有倒轉，巖層傾角陡。主要礦產地有順義華山水泥用灰巖礦和順義楊鎮制灰用石灰巖礦。

4.3 八達嶺金銅鉬鉛鋅成礦亞帶內的Ⅴ級成礦區

該成礦區呈北東向展布，西南端門頭溝大榆木溝向北東經昌平黃場、澆花峪、延慶大莊科至懷柔崎峰茶一線。其范圍與燕山期八達嶺侵入雜巖帶的主體部位基本一致，是北京地區內生金屬礦產主要產地，區內有寒武系零星出露[20-21]。京北成礦區(Ⅴ-11)位于延慶四海東北的稱溝灣一帶，區內有少量寒武系出露。九渡河—二道關成礦區(Ⅴ-12)位于懷柔九渡河—二道關一帶，呈北東—南西方向展布，長約14km，寬0.5～4km。區內零星出露寒武系，在二道關一帶，寒武系呈傾向北西，傾角陡的單斜層產出。在九渡河一帶，寒武系形成褶皺。

5 結論

(1)北京市石灰巖礦產資源分布廣泛，資源量豐富，工業用途齊全。半數以上礦產地分布在西山的房山、門頭溝地區。水泥用、建筑石料用灰巖主要分布在房山區和昌平區，熔劑用、電石用灰巖主要分布在門頭溝區和房山區，制堿用灰巖集中在懷柔區，制灰用主要分布在豐臺區和房山區。

(2)石灰巖礦床成因類型均為海相碳酸鹽化學沉積型。主要成礦時代為寒武紀昌平期、張夏期、奧陶紀冶里期、馬家溝期。寒武系昌平組的礦石類型主要為灰色、深灰色厚層至塊狀豹斑狀灰巖和細晶灰巖。張夏組的礦石類型以鮞狀灰巖、方解石細脈灰巖為主，花斑灰巖、泥質條帶灰巖次之。奧陶紀冶里組的礦石類型以淺灰色灰巖、含泥質斑狀灰巖或細泥質條帶灰巖為代表。馬家溝組的礦石類型以深灰色灰巖或暗灰色生物碎屑灰巖為主，在二十里長山地區有豹皮灰巖、含燧石團塊灰巖。

(3)在Ⅳ級成礦區帶的劃分基礎上，共劃分了12個石灰巖Ⅴ級成礦區，并對各成礦區成礦規律進行總結。其中京西煤石灰巖成礦亞帶中劃分了河防口成礦區(Ⅴ-1)、鄭重莊成礦區(Ⅴ-2)、文殊峪成礦區(Ⅴ-3)等9個石灰巖成礦區，區內含礦地層厚度穩定，具有較好找礦潛力。