北京石灰岩成矿规律研究

王纯君，高学泉，方同明，刘旭东，李 莉，刘林生，何付兵

(北京市地质调查研究院，北京 102206)

石灰岩是建材、冶金、化工等工业的重要原料，是与国计民生关系密切的重要矿产[1-2]。

北京飞速发展，建筑业对水泥的需求量与日俱增。北京石灰岩矿产地质勘查与开发工作为适应首都规划建设需求，长期以来提供了重要原料保障[3-4]。

北京石灰岩矿产资源分布广泛，资源量丰富，是区内优势矿产资源之一，按照用途分类，可分为水泥用、制灰用、建筑石料用、熔剂用、电石用和制碱用6类。赋存石灰岩的主要地层为下古生界的寒武系与奥陶系，主要分布于西山地区，在北山及顺义二十里长山零星分布。该套地层岩性为碳酸盐岩，总厚度1 300m左右，沉积稳定，横向变化小。其中，寒武系绝大部分呈带状分布于西山陆表海碳酸盐岩建造背、向斜的翼、核部。北山则受岩浆活动和构造变动影响，大部分地层被抬升剥蚀，仅在西智、河防口、文殊峪、龙山、九渡河、珍珠泉及转山子等地零星出露。奥陶系大面积分布在西山的背、向斜的翼、核部，其次在京东二十里长山也有少量出露[5]。石灰岩矿床成因类型均为化学沉积型，成矿时代主要为寒武纪与奥陶纪，仅有密云、昌平地区的少量矿床为蓟县纪、青白口纪。石灰岩矿产地共有59处，其中超大型矿床1处，大型矿床13处，中型矿床21处，小型矿床21处，矿点3处(表1)。

表1 北京石灰岩矿产地成矿时代、规模一览表

北京石灰岩地质调查勘探工作开展历史悠久，积累了丰富的资料。本文通过对各时期石灰岩特征分析研究，提出石灰岩成矿区带划分方案，为新时期提升首都北京石灰岩矿产地质认识和矿政管理提供重要依据。

1 区域地质概况

北京地区位于华北陆块北缘中段。受多期构造活动的强烈作用，区内断裂构造发育，赤城—长哨营—古北口、南口—平谷—山海关深断裂、沙厂—墙子路大断裂及其次级断裂构成了本区主要的构造格局。

区内出露地层主要为太古宙变质岩系、中新元古界、下古生界海相碳酸盐岩、上古生界陆相碎屑岩系、中生界陆相火山—沉积岩系。太古宙为中—深变质岩、变质火山岩建造；中新元古界为滨海—浅海相碳酸盐岩、碎屑岩建造以及粘土岩建造；寒武系为碳酸盐岩、碎屑岩建造；奥陶系为海相碳酸盐岩、碎屑岩建造；石炭系为海相向海陆交互相过渡碳酸盐岩建造及碎屑岩建造；二叠系为海陆交互相向陆相渐变的碳酸盐岩建造、碎屑岩建造；中生界至新生界为陆相碎屑岩建造[6]。

区内岩浆活动强烈而频繁，岩浆岩为新太古代至中生代多期次侵入的花岗岩、花岗闪长岩、石英闪长岩及闪长岩等[7-9]。

2 石灰岩含矿建造特征

2.1 寒武纪昌平组含矿层位

昌平组沉降沉积中心位于密云、怀柔、昌平地区，自中心区向外，向西南方向厚度逐渐变薄，到河北省涞水、易县地区，厚度减至仅15m。在青白口—庄户台以东地区，以豹斑状灰岩为主，以西则以白云岩为主，平均厚度为60m，仅个别地点如东庄子最厚达122m外，一般都在40～60m，最薄为下石堡仅26m。在北山则零星出露于十三陵、河防口、九渡河以及西智等地，主要岩性为细晶灰岩、豹斑状灰岩，底部出现角砾状白云岩，局部大理岩化，平均厚度为92m，其中西智达136m，最薄在上天桥为55m[8]。

昌平组是北京地区赋含电石、熔剂、水泥用石灰岩的最主要含矿层位之一。昌平组主要由灰色、深灰色厚层至块状豹斑状灰岩和细晶灰岩组成，上、下部为白云岩和白云质灰岩。含矿层主要为二段和三段，其中三段含矿性最佳。两个含矿层中赋存熔剂、水泥用石灰岩矿4～8层，电石、制碱用石灰岩矿2～3层，矿层在垂向上常呈互层状产出。电石、制碱用灰岩工业指标较高，具有工业意义的矿层主要赋存于昌平组三段，其中北山地区的含矿性明显比西山地区好。熔剂、水泥用灰岩主要赋存于昌平组二段，在西山出露比较稳定。昌平组为高钙优质灰岩，赋矿部位主要为中部豹皮(花斑)灰岩与深灰色灰岩互层。昌平组岩石化学成分含量对比显示(表2)，北山地区CaO含量高，至西山东部含量中等，到西山西部含量低，MgO含量以西山西部为高，西山中部含量中等，北山含量低，SiO2与R2O3含量变化随MgO含量变化而变化。

表2 北京地区昌平组灰岩—白云岩类化学组分含量对比

2.2 寒武纪张夏组含矿层位

张夏组分布于西山和北山。在西山地区主要分布于门头沟齐家庄—柏峪—青白口—大村、九山和下苇甸等地，以及房山蒲洼—黄土台—班各庄—龙宝峪、鲁家滩一带。在北山地区，零星分布于昌平文殊峪、十三陵、怀柔区河防口、二道关、九渡河和密云西智[8]。

按岩性、厚度与沉积韵律特征可划出三个区。其中第一岩性区位于北山—门头沟西北部—蒲洼以西地区，下部共出现3～5个韵律，砂页岩比例小，鲕状灰岩质量好，比例高，厚度一般60～92m；中上部以泥质条带灰岩、鲕状灰岩为主，鲕状灰岩质量好，厚度115～205m。第三岩性区位于西山东南部，鲁家滩—白胡—下石堡一线以南地区，砂页岩比例增大达48.7%，鲕状灰岩比例小，约15%，下部可划出3～5个韵律，厚一般21～40m；中部有3～4个韵律，砂页岩比例高达73%；上部以鲕状灰岩为主，但泥质含量增高，厚49～122m。第二岩性区位于第一和第三岩性区之间，属过渡岩区，下部厚70～72m，中上部厚136～196m。

张夏组底部为灰绿色薄层泥钙质粉砂岩与灰紫色、深灰色中层泥、亮晶鲕粒灰岩互层，部分灰岩呈竹叶状。下部为灰色、深灰色中薄层—厚层含竹叶状泥、亮晶鲕粒灰岩、条带状灰岩夹灰绿色薄层粉砂岩，竹叶状砾屑有时具氧化圈；中部为灰绿色薄层钙质粉砂岩，深灰、黄灰色条带状泥晶泥质灰岩与颗粒灰岩互层；上部为深灰色巨厚层泥晶、亮晶鲕粒灰岩夹泥质条带泥晶灰岩和少量粉砂岩。含矿地层主要为下部和上部厚层和巨厚层鲕粒灰岩。矿石类型以鲕状灰岩、方解石细脉灰岩为主，花斑灰岩、泥质条带灰岩次之。

张夏组CaO含量整体较高，MgO含量均一且较低，一般小于4%(表3)，垂向上CaO、MgO、SiO2和R2O3含量反映出沉积韵律特征，每个韵律下部SiO2、R2O3均呈现极大值，CaO为极小值，韵律中上部CaO含量增大，SiO2、R2O3含量呈反相关递降。

表3 北京地区张夏组化学成分平均含量一览表

2.3 奥陶纪冶里组含矿层位

冶里组在北京地区的出露范围比寒武系范围小，北部出露边界明显向南位移。其主要分布在西山地区，在顺义二十里长山少量出露[8]。冶里组沉积厚度多在150～200m之间，岩性主要为泥质灰岩和豹皮灰岩。地层下部为深灰—浅灰色厚—巨厚层含云斑和砂屑泥晶—粉晶灰岩，局部为白云岩；中上部为深灰色—灰黑色中—厚层含泥质条带、泥质条纹粉晶、泥晶灰岩夹竹叶状灰岩和黄绿色钙质页岩。

含矿层位为冶里组下部，岩性主要为浅灰色灰岩，丁家滩—千军台一带以外地区，则以灰色灰岩为主夹浅灰色灰岩，孟港夹有白云质灰岩，青白口地区因氧化镁含量增高，主要为厚约4m石灰岩，双石头及二十里长山相变为豹皮灰岩和白云岩。含矿层厚度以丁家滩—千军台一带最厚达10～30m，向四周显著变薄，含矿性变差。冶里组矿石类型以浅灰色灰岩、含泥质斑块灰岩或细泥质条带灰岩为代表，矿石质量在区域上变化十分稳定。冶里组沉积厚度最大在丁家滩—千军台—柳林水—青白口地区，西山东部的晓幼营、斑各庄、长流水以及西山西北部的齐家庄等地，属边缘地区，厚度显著变薄，仅65～100m。

岩性变化第一韵律(O1y-①)即含矿韵律，自沉积中心—丁家滩—千军台一带，向东、南、西三个方向，豹皮灰岩、泥质条带灰岩显著增多，石灰岩比例递减，双石头受白云岩化而变为白云岩，长流水相变为白云质灰岩，二十里长山主要为豹皮灰岩，无石灰岩出露；第二韵律(O1y-②)除沉积中心出现竹叶状灰岩夹层外，长流水、四马台、齐家庄等地则出现燧石结核(条带)灰岩；第三韵律(O1y-③)中除千军台—丁家滩一带夹有数层豹皮灰岩外，其他地区泥质含量增高。含矿层化学成分纵向上有一定规律，底部MgO、SiO2和R2O3含量偏高，顶部MgO含量偏高，中部CaO含量高，有害组分低，故形成较好的电石灰岩矿层。矿层在横向上呈单层或数层出现，厚度和化学成分稳定(表4、表5)，并且有高钙矿层出现，说明冶里组下部电石用灰岩含矿层，能同时满足电石用灰岩、制碱用灰岩、重碳酸型灰岩要求。

表4 北京地区冶里组含矿层厚度、平均化学成分统计

2.4 奥陶纪马家沟组含矿层位

马家沟组分布规律与冶里组一致，沉积厚度一般为250～450m，该组顶部遭受不同程度剥蚀，厚度存在一定差异。主要分布于门头沟丁家滩、石河一带，房山南辛房—青林台—鱼斗泉、龙宝峪—长流水一带，北京东部顺义的二十里长山一带[8]。

表5 北京西山冶里组下部矿层特征一览表

马家沟组岩性变化较大，在百花山向斜以北，岩性为灰色厚层、巨厚层灰岩、泥晶灰岩，而在龙宝峪—长流水一带，受房山岩体影响，岩石经历变质作用而产生大理岩化。该组底部和中部一般发育角砾状灰岩。各组均可划出3个连续型沉积韵律，即由潮间角砾状灰岩、白云质灰岩到潮下的豹皮灰岩(高能)、深灰色灰岩(低能)，到潮间的灰岩与白云质灰岩互层结束。水泥用灰岩处于韵律的中上部位。马家沟组在门头沟南辛店—黄山店一线西北地区沉积厚度大(400～450m)，以水波涧—柳林水—千军台一带最大，向西、向北变薄。角砾状灰岩仅出现两次，灰岩及豹皮灰岩比率高，含矿性好。门头沟南辛店—黄山店一线西东南地区沉积厚度小，仅250m左右，角砾状灰岩出现多达4～5层，石灰岩比例小，含矿性较差。

马家沟组下部产出4～5层矿，矿层累计厚度38～60m，矿层顶、底板岩性一般为白云质灰岩、白云岩或泥灰岩。马家沟组上部发育3～4层矿，矿层累计厚53～61m，矿层顶、底板岩性一般为白云质灰岩或镁泥质斑块豹皮灰岩。马家沟组矿石类型在西山地区比较单一，一般为深灰色灰岩或暗灰色生物碎屑灰岩，在二十里长山地区除深灰色灰岩外，还有似豹皮灰岩、含燧石团块灰岩，矿石质量均可达水泥灰岩要求(表6)。

表6 马家沟组下部含矿层中水泥灰岩矿层化学成分

3 成矿区带划分方案

3.1 成矿区带划分依据

根据《中国成矿体系与区域成矿评价》、《中国成矿区带划分方案》提出的我国成矿域、省、区带划分方案，结合北京市实际情况以及地质专家建议，总结北京市石灰岩单矿种成矿区带划分依据[10-13]：①充分考虑成矿地质构造背景、成矿规律性以及后期改造结果，即成矿区带的划分应当与相当级别的大地构造分区有着大致的协调；②成矿区带以构造单元为基础，根据北京石灰岩矿产为本市优势特色资源，充分考虑成矿地质条件的差异和不同矿化特征来厘定成矿区带；③以断裂为界的两个构造单元，一级、二级断裂构造是构造单元控制边界，同时也是成矿物质重要运输和存储部位，其两侧一定范围内会形成相似矿床，因此在石灰岩Ⅴ级成矿区带划分中断裂作为参考要素；④已发现矿产地集中分布地区。

3.2 石灰岩成矿区带划分方案

根据上述划分依据，北京市位于太平洋板块与欧亚板块接触部位，Ⅰ级成矿域位于滨太平洋成矿域；Ⅱ级单元位于华北陆块北缘中段，成矿省为华北(陆块)板块成矿省；Ⅲ级成矿带为华北陆块北缘东段Fe-Cu-Pb-Zn-Au-U-硼-菱镁矿-滑石-石墨-金刚石成矿带和华北盆地(断坳)石油天然气成矿带(Kz)，前者范围主要包含了北京北山和西山，后者范围主要为北京平原；Ⅳ级成矿亚带在三级成矿带基础上进一步划分，划分为怀柔北金萤石成矿亚带、八达岭金铜钼铅锌成矿亚带、京西煤石灰岩成矿亚带、密云—怀柔铁金成矿亚带、密云—平谷金石灰岩成矿亚带和北京平原煤石油天然气地下水成矿亚带[13]。

在Ⅳ级成矿区带的划分基础上，针对石灰岩开展成矿规律研究。根据石灰岩矿产分布特征，结合区内主要赋矿地层寒武系、奥陶系的分布规律，以及局部的褶皱或断裂的控制作用，在Ⅳ级成矿亚带进行Ⅴ级成矿区划分[14-19]。

4 Ⅴ级成矿区划分及其主要特征

根据已探明矿产地的分布规律，结合区内地层、构造特征，在京西煤石灰岩成矿亚带、八达岭金铜钼铅锌成矿亚带和密云—平谷金石灰岩成矿亚带内共划分12个石灰岩Ⅴ级成矿区[13-14](表7、图1)。

4.1 京西煤石灰岩成矿亚带内的Ⅴ级成矿区

京西煤石灰岩成矿亚带主要位于北京西山地区的房山、门头沟区域内，包括北山的一部分地区。区内褶皱发育，印支期褶皱呈近东西—北西西向，为宽缓的向斜构造，主要有百花山—庙安岭向斜、九龙山向斜、北岭向斜等。区带内石灰岩分布范围与中生代断拗一致，包括了北京西山的大部分及一部分北山地区。总体上呈北东—南西方向分布，南西端至门头沟的齐家庄，清水及房山堂上、柳林水一带赋矿层位为寒武系和奥陶系，主要分布于向斜两翼。区内寒武、奥陶系广泛分布，地层保存完整，岩层厚度大。丁家滩一带寒武、奥陶系总厚度近千米。区内划分了河防口成矿区(Ⅴ-1)、郑重庄成矿区(Ⅴ-2)、文殊峪成矿区(Ⅴ-3)、清水—斋堂成矿区(Ⅴ-4)、青白口—太子墓成矿区(Ⅴ-5)、下苇甸—灰峪成矿区(Ⅴ-6)、浦洼—柳林水成矿区(Ⅴ-7)、白湖—鲁家滩成矿区(Ⅴ-8)和周口店—下石堡—英水成矿区(Ⅴ-9)[13-14]。

表7 北京石灰岩成矿区划分

图1 北京石灰岩成矿区划分图

(1)河防口成矿区(Ⅴ-1)。

成矿区位于怀柔河防口—密云西智一带，呈弓形，近东西方向分布，长约18km，宽约1～3km。成矿区受北东向区域断裂控制，由于后期火山活动、构造运动的强烈破坏，只见寒武系地层零星分布于怀柔下辛庄、河防口及密云西智一带。寒武系地层一般呈单斜产出，在河防口一带见有平缓褶皱。主要矿产地有怀柔下辛庄水泥用灰岩矿、怀柔河防口制碱用灰岩矿和密云西智熔剂用灰岩矿。

(2)郑重庄成矿区(Ⅴ-2)。

成矿区位于怀柔郑重庄一带，呈北北西方向条状分布，长约2km，宽0.5km左右。区内出露奥陶系地层，石灰岩矿产资源基本查清。

(3)文殊峪成矿区(Ⅴ-3)。

成矿区位于昌平龙山—文殊峪一带，呈北东东方向分布，长约13km，宽1～5km。成矿区受黄崖山背斜控制。由于后期构造、火山、岩浆活动破坏，只见寒武系地层零星分布于昌平龙山、文殊峪至下庄一带。寒武系地层主要呈单斜产出。主要矿产地有昌平文殊峪水泥用灰岩矿和昌平下庄西山水泥用灰岩矿。

(4)清水—斋堂成矿区(Ⅴ-4)。

成矿区位于门头沟清水—斋堂一带，呈北东方向带状分布，长22km，宽3～8km。构造上位于百花山向斜北西翼，沿河城断裂南东侧，受燕家台—清水次级褶皱控制。区内中下寒武、奥陶统地层出露齐全，地层总体呈北东方向分布。区内褶皱较发育，褶皱轴向为北东向。此外，区内尚有中、新元古界、侏罗系火山岩及浅成侵入岩分布。区内有门头沟双石头水泥用灰岩矿。

(5)青白口—太子墓成矿区(Ⅴ-5)。

成矿区位于门头沟青白口—太子墓一带，呈弓形，北东方向分布，长18km，宽2～5km。构造上位于青白口穹隆外缘，受青白口穹隆控制。区内寒武系、奥陶系地层均有出露，南西端岩层倾向南，倾角陡，局部有倒转，北东端岩层总体向东倾斜，倾角略缓。

(6)下苇甸—灰峪成矿区(Ⅴ-6)。

成矿区位于门头沟下苇甸—灰峪一带，呈勺形，长约18km，宽2～7km。构造上处于上苇甸穹隆外缘、髫髻山向斜与九龙山向斜之间，受上苇甸穹隆控制。区内中下寒武、奥陶统地层出露齐全，围穹隆分布。在穹隆核部附近的岩层，总体向外倾斜。远离穹隆的岩层一般呈单斜产出。穹隆核部为燕山期中酸性侵入体及新元古界地层。主要矿产地有门头沟下苇甸熔剂用灰岩矿、门头沟丁家滩电石用灰岩矿、门头沟野溪东山熔剂用灰岩矿等。

(7)浦洼—柳林水成矿区(Ⅴ-7)。

成矿区位于房山浦洼—柳林水一带，呈北东向带状分布，长约38km，宽4～7km。成矿区位于百花山向斜南翼、红煤厂—大安山断层西侧。中下寒武、奥陶统地层出露齐全。岩层倾向北西，倾角缓—中等。区内有房山佛子庄乡红煤厂村制灰用灰岩矿。

(8)白湖—鲁家滩成矿区(Ⅴ-8)。

成矿区位于房山白胡—门头沟鲁家滩一带，近似菱形，长29km，宽10～15km。成矿区受陈家沟倾伏背斜及谷积山背斜的控制。陈家沟背斜轴向北东，谷积山背斜轴向近东西。寒武系、奥陶系地层位于背斜的两翼，岩层倾角缓—中等，局部较陡。背斜核部为元古界地层。主要矿产地有门头沟鲁家滩熔剂用灰岩矿、房山白胡电石用灰岩矿、丰台大灰厂制灰用石灰岩矿等。

(9)周口店—下石堡—英水成矿区(Ⅴ-9)。

成矿区位于房山周口店—下石堡—英水一带，形状不规则，最大长度约18km。构造上位于北岭向斜的外缘，受北岭向斜控制。向斜核部为侏罗系地层，上古生界地层、寒武系、奥陶系地层呈环状分布。地层总体为内倾，倾角缓—中等。区内南部及西部构造复杂，断裂发育，局部有次级褶皱。主要矿产地有房山周口店制灰用石灰岩矿、周口店太平山制灰用石灰岩矿和周口店水泥用灰岩矿。

4.2 密云—平谷金石灰岩成矿亚带内的Ⅴ级成矿区

区内划分了京东成矿区(Ⅴ-10)。成矿区位于京东二十里长山一带，受北西向断裂控制，呈北西方向带状分布，长约11km，宽1～2km。由于受后期构造运动的强烈破坏作用，寒武系、奥陶系地层呈孤立岛状断续分布于山前平原上。地层走向北西，总体倾向南西，局部有倒转，岩层倾角陡。主要矿产地有顺义华山水泥用灰岩矿和顺义杨镇制灰用石灰岩矿。

4.3 八达岭金铜钼铅锌成矿亚带内的Ⅴ级成矿区

该成矿区呈北东向展布，西南端门头沟大榆木沟向北东经昌平黄场、浇花峪、延庆大庄科至怀柔崎峰茶一线。其范围与燕山期八达岭侵入杂岩带的主体部位基本一致，是北京地区内生金属矿产主要产地，区内有寒武系零星出露[20-21]。京北成矿区(Ⅴ-11)位于延庆四海东北的称沟湾一带，区内有少量寒武系出露。九渡河—二道关成矿区(Ⅴ-12)位于怀柔九渡河—二道关一带，呈北东—南西方向展布，长约14km，宽0.5～4km。区内零星出露寒武系，在二道关一带，寒武系呈倾向北西，倾角陡的单斜层产出。在九渡河一带，寒武系形成褶皱。

5 结论

(1)北京市石灰岩矿产资源分布广泛，资源量丰富，工业用途齐全。半数以上矿产地分布在西山的房山、门头沟地区。水泥用、建筑石料用灰岩主要分布在房山区和昌平区，熔剂用、电石用灰岩主要分布在门头沟区和房山区，制碱用灰岩集中在怀柔区，制灰用主要分布在丰台区和房山区。

(2)石灰岩矿床成因类型均为海相碳酸盐化学沉积型。主要成矿时代为寒武纪昌平期、张夏期、奥陶纪冶里期、马家沟期。寒武系昌平组的矿石类型主要为灰色、深灰色厚层至块状豹斑状灰岩和细晶灰岩。张夏组的矿石类型以鲕状灰岩、方解石细脉灰岩为主，花斑灰岩、泥质条带灰岩次之。奥陶纪冶里组的矿石类型以浅灰色灰岩、含泥质斑状灰岩或细泥质条带灰岩为代表。马家沟组的矿石类型以深灰色灰岩或暗灰色生物碎屑灰岩为主，在二十里长山地区有豹皮灰岩、含燧石团块灰岩。

(3)在Ⅳ级成矿区带的划分基础上，共划分了12个石灰岩Ⅴ级成矿区，并对各成矿区成矿规律进行总结。其中京西煤石灰岩成矿亚带中划分了河防口成矿区(Ⅴ-1)、郑重庄成矿区(Ⅴ-2)、文殊峪成矿区(Ⅴ-3)等9个石灰岩成矿区，区内含矿地层厚度稳定，具有较好找矿潜力。