北京第四纪地质导论.pdf

北京第四纪地质导论 BEIJING DISIJI DIZHI DAOLUN 郭旭东著 出 版 人罗小卫 责任编辑刘翼 责任校对何建云 装帧设计黄俊棚 重庆出版集团 重 庆 出 版 社 出版 重庆长江二路 205 号邮政编码 400016 重庆出版集团艺术设计有限公司制版 重庆市伟业印刷有限公司印刷 重庆出版集团图书发行有限公司发行 EMAIL fxchu电话 023 68809452 全国新华书店经销 开本 787 mm 1 092 mm1/16印张 15字数 228 千字 2007 年 12 月第 1 版2007 年 12 月第 1 版第 1 次印刷 印数 1 ～ 2 000 ISBN 9787536692312 定价35. 00 元 如有印装质量问题， 请向本集团图书发行有限公司调换 02368809955 转 8005 版权所有侵权必究 图书在版编目（CIP）数据 北京第四纪地质导论 /郭旭东著. 重庆 重庆出版社， 2007．12 ISBN 9787536692312 Ⅰ．北． ． ． Ⅱ．郭． ． ．Ⅲ．第四纪地质研究北京 市Ⅳ．P562．1 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2007）第 175310 号 1 第一章绪论 序 提到北京的地质， 学地质的人都记得最早出版的一部区域地质研究书是 叶良辅先生等所著的 北京西山地质志 。这本书的意义不仅仅限于它那严 谨的科学内容， 更有价值的是在当时中外地质学家云集的北京终于有了一本 中国人自己写的系统地讲述本土的地质志，很多人从这本书中学习了地质 学。区域地质志的重要意义在这里就不多说了。 我们这些没有在北京的大学地质系读书和在北京实习过野外地质的人 很想找一本比较系统的讲述北京第四纪地质的书， 学习一些有关的知识， 但 苦于这类的书太少了。所以当 1954 年中国科学院地质研究所的第四纪研 究室成立时， 我曾计划像当年叶良辅先生研究北京西山地质一样把北京的第 四纪地质系统地研究一下， 填一张可供学生们实习和一般旅行用的第四纪沉 积物分布图。 这是一项第四纪研究的基本工作， 也是对北京开发建设的一项 基础工作。从 20 世纪 50 年代到 60 年代初期， 虽然零零星星的由不同的同 志作了一些研究， 但是， 因为种种原因， 失去了机会， 拟做的 “北京第四纪地 质” 研究始终未能完成， 至今想起来仍觉得是一件憾事。北京市地质矿产局 于 1991 年系统地总结了 50 年来的调研结果， 编写了一部新的 北京市区域 地质志 ， 该书内容丰富， 资料充实而全面， 包括北京市区域地层系统、 岩浆岩 及岩浆作用、 变质岩及变质作用、 地质构造、 地史演化等。此外， 还编制了第 一张比较全面的 1∶20 万的北京市区域地质图和 1∶25 万的北京区域地质 构造图。 该书的科学性和应用性比过去大为提高， 特别是北京平原区钻孔岩 芯新生代地层划分， 在第四纪地质科研、 生产及教学上具有重要参考意义， 但 可惜的是迄今北京还缺少一本对第四纪地质学有关各方面作系统总结的书。 郭旭东同志从 20 世纪 60 年代后期研究地震地质开始，陆续对北京附 近的第四纪地质的几个方面作了不少工作。 从 20 世纪 60 年代到现在，这一段时间不算短了。别人没有能够完成 2 北京第四纪地质导论 BEIJING DISIJI DIZHI DAOLUN 的工作， 郭旭东同志完成了。特别是在这一段时间内他曾遭受病魔的困扰， 要克服许多常人遇不到的困难。在野外常常一个人独行，要忍受孤独和疲 劳。但是郭旭东同志没有退却， 他对地质学的兴趣和信念使他坚持下来了， 终于有成。难能可贵的是这本书里面有许多工作是郭旭东同志自发地发现 问题， 进行钻研， 这种锲而不舍的精神令人感动、 敬佩。 北京第四纪地质导论 是一本讨论北京第四纪地质问题的著作。其中 有些是对一些地质问题的讨论， 有的是对一些地质现象的看法， 有的是对一 些应用方面的说明， 还有一些涉及若干理论的探讨。 这和一般的概论或是地 质志还不一样， 读者从中可以体会到著者那种 “上下而求索” 的努力精神。 另 一方面也可以看出作者思想开放、 活跃， 对许多地质问题有自己独到的看法。 这样一部著作的出版不仅记录了郭旭东同志多年来的工作成果， 也会给人们 许多启发和思考， 因此， 它具有重要的理论和实际应用的科学价值。 中国科学院院士 中国科学院地质与地球物理研究所研究员 2006 年 5 月 10 日于北京 1 第一章绪论 前 言 北京地区是中国第四纪地质研究的发祥地， 对该地区重要地质遗迹的发 掘和研究迄今已有 130 多年的历史。一个多世纪以来，经过几代第四纪地 质学家的不断努力， 对北京第四纪地质研究已获得显著成就， 闻名于世界。 与此同时， 也有力地推动了中国第四纪地质研究的发展。 北京第四纪地质的研究， 由于具有人才、 信息和技术设备等优势， 得以长 期坚持， 不断发展和提高。应当提出的是， 中国科学院下属的古脊椎动物与 古人类研究所、 地质研究所、 植物研究所， 国家地震局及其下属的地震地质研 究所、 第一地壳形变监测中心， 北京市地质矿产局及其下属的水文地质与工 程地质公司， 中国地质大学、 北京大学及北京师范大学等各有关单位， 都曾对 北京第四纪地质研究作出过重要贡献。 特别是近半个世纪以来， 要是没有大 家的共同努力， 对北京山区和平原区的地质研究， 要取得今天的成绩那是不 可能的。2008 年， 北京将召开第 29 届国际奥林匹克运动会， 近年来北京市 人民政府更加重视有关北京地区地质环境、 地质灾害、 环境保护、 文物保护等 各方面的工作和投资； 此外， 亦在大力加强大规模植树造林和防止沙漠化的 工作， 所有这一切努力都已经取得可喜的成就， 大大改善了北京市的环境地 质状况。而这些进步显然没有一项不涉及北京地区的第四纪地质工作。虽 然已取得很大成就， 但仍然还存在地下水开采量过大、 地下水水质污染、 地面 下沉、 地震预报体系建设和完善等一系列问题。因此， 必须加强北京地区环 境地质风险的趋势研究及地质遗迹的保护工作， 为北京市政建设， 也为召开 一次高水平的奥运会造就一个良好的人文环境。本书从第四纪地质学角度 比较全面地汇总了在北京地区第四纪地质研究方面已取得的成就， 密切地结 合与北京市第四纪地质相关的各方面的理论与实际问题，进行了深入的探 讨， 提出了自己独到的观点。 早在 20 多年前， 即唐山大地震后， 作者就参加了北京和华北地区地震 2 北京第四纪地质导论 BEIJING DISIJI DIZHI DAOLUN 活动性的宏观调查， 为北京地震预报服务， 这使我明白了北京第四纪地质研 究对保卫首都所具有的重要意义。因此， 从那时起， 我便下决心对家门口的 第四纪地质作一番系统的调研， 为首都地震预报贡献力量。此外， 还有一件 令人难忘的事， 那便是 1979 年 2 月在中国科学院地质研究所召开的“中国 东部第四纪冰川问题座谈会” 。王乃梁、 裴文中、 周廷儒、 崔之久等 30 多位 学者参加了会议。会上王乃梁教授提出解决东部冰川问题必须借鉴中国西 部冰川工作的经验， 自高到低系统考察的战略决策得到大家的一致赞同， 为 解决东部冰川，特别是北京地区冰川问题指明了方向。同年 6 月施雅风教 授等在参加第三届全国第四纪地质大会后， 参观了位于北京市石景山区西山 模式口的所谓冰川遗迹。 他说“见鬼， 这里海拔这么低怎么会有冰川呢冰 在哪里雪在哪里从此， 北京西山冰川问题便成为我思考的另一个重要课 题。可惜的是 19811988 年我病了， 未能开展工作。1989 年病愈后才开始 构思北京地区第四纪地质调研工作， 将第四纪冰川问题、 冰缘作用及地震预 报等列为三大重点调查对象， 此外兼顾其他方面。 19891995 年， 在中国科 学院地质研究所所长王思敬院士有限基金的支持下， 北京第四纪地质系统调 研才算正式开展。 1996 年又幸运地得到北京市计划委员会国土处及北京市 地质矿产局资金的赞助， 这才使我在退休之前完成了北京地区第四纪地质的 系统调查。其间， 共发表论文 20 篇， 为本书的编著打下了基础。这里还应 当指出的是 1993 年我们有关北京西山上升的论文发表后引起了学术界的 高度重视，人民日报 、北京日报 、中国地质矿产报 、中国科学报 等新 闻媒体， 先后以大量篇幅作了报道。 与此同时， 欧洲的荷兰、 比利时等国也报 道了有关消息， 引起国际上的重视。1995 年 12 月， 我们又初步成功地预报 了 1996 年北京发生的 4 次地震， 在意大利和俄罗斯等国产生了良好影响和 得到重视。这对我们来说是个巨大的鼓舞。 本书共分 9 章。 分别是 第一章， 绪论； 第二章， 第四纪冰川与气候问题； 第三章， 冰缘现象与冰缘环境的发现； 第四章， 黄土结构与形成环境； 第五章， 黏土矿物； 第六章， 地层； 第七章， 若干古地理问题； 第八章， 新构造运动、 现代 构造运动与地震预报； 第九章， 应用第四纪。 19891996 年先后参加本课题的主要合作者有 严富华 （孢粉） 、 王克鲁 （黄土结构构造） 、 张乃娴 （黏土矿物） 、 胡碧茹 （颗粒） 、 薄万举 （地震预报） 、 黄 3 第一章绪论 秀铭 （新构造） 、 王思敬和蒋才俊 （环境地质） 、 蒋才俊和郑栓虎 （地质遗迹保 护） 、 张桂清 （天文） 。 中国科学院地质研究所所长王思敬院士多年来给予科学基金上的资助， 刘东生院士在百忙之中审阅了本书全文并提出许多宝贵的修改意见， 还欣然 为本书作序， 丁国瑜院士也在百忙之中审阅了本书 “新构造运动、 现代构造运 动与地震预报” 等章节并提出不少宝贵的修改意见， 施雅风院士在野外冰川 遗迹辨别方面给予了宝贵的指导和帮助。本室同事赵希涛协助了部分野外 工作， 刘嘉麒院士、 袁宝印、 韩家懋等也在各方面给予支持和帮助。此外， 万 朝珍为本书清绘了所有图件， 储桂霞为本书打字等。在此， 作者对上述各位 的真诚合作一并表示衷心感谢。 值得指出的是， 本书因出版经费问题未解决而一度难于出版。 这里作者 要特别感谢刘东生院士的热情推荐和 “重庆出版社科学学术著作出版基金” 的资助， 由于这一宝贵支持， 本书的顺利出版才成为了可能。 最后还应指出， 由于水平有限， 书中谬误一定不少， 敬请关心本书的同 事、 同学和读者们批评指正。 郭旭东 2006 年 5 月于北京 前言 1 目录 CON T EN TS 目录 序/ 1 前言/ 1 第一章绪论/ 1 第一节概念与发展/1 第二节自然地理与区域地质/2 第三节研究历史的回顾/5 第二章第四纪冰川与气候问题/ 8 第一节模式口地区/8 第二节灵岳寺地区/15 第三节潭柘寺地区/22 第四节其他地区/30 第五节对 “冰川变形石” 理论的重新评价/31 第六节古雪线高程问题/39 第三章冰缘现象与冰缘环境的发现/ 4 1 第一节古冰缘现象/41 第二节古冰缘形成的地质时代/49 第三节冰缘期的初步划分/51 2 北京第四纪地质导论 BEIJING DISIJI DIZHI DAOLUN 第四节更新世的自然环境/52 第五节洞穴堆积物中的古冰缘现象/54 第四章黄土结构与形成环境/ 5 8 第一节黄土地层与黄土粒度成分/58 第二节黄土结构与构造/60 第三节黄土中碳酸盐和铁锰质集合体/65 第四节关于黄土沉积环境与成因的研讨/66 第五章黏土矿物/ 6 9 第一节样品采集地理位置及样品产出地质背景/72 第二节黏土矿物特征/76 第三节黏土矿物与古气候环境关系的探讨/81 第六章地层/ 8 5 第一节山区更新统/85 第二节平原区更新统/103 第三节全新统/110 第四节长辛店砾石层时代归属问题/113 第五节地层对比/127 第七章若干古地理问题/ 1 2 9 第一节古气候环境的基本格局/129 第二节永定河的变迁/134 第三节古北京湾问题/135 第四节第三纪夷平面问题/138 第五节洞穴碳酸钙微层理研究/142 第八章新构造运动、 现代构造运动与地震预报/ 1 4 4 第一节新构造运动之山体上升/144 3 目录 第二节新构造运动的分期/154 第三节现代构造运动与地震预报/165 第四节北京地区首次地震预报获得初步成功/180 第五节北京大地震预报的识别标志/182 第六节天旋地动理论的基本构思/189 第九章应用第四纪/ 1 9 7 第一节北京环境地质系统的风险趋势/197 第二节保护地质遗迹乃当务之急/209 参考文献/ 2 1 5 1斋堂黄土剖面全貌 （1989） 2斋堂黄土剖面全貌 （1989） 1 2 图版Ⅰ 3巴基斯坦境内西喀喇昆仑山巴托拉冰川 （苏珍提供，1978） 3 图版Ⅱ 5前桑峪古冰 （土） 楔剖面 （1989） 5 4已遭破坏的前桑峪古冰 （土） 楔剖面 （1996） 4 图版Ⅲ 1 第一章绪论 第一章绪论 第一节概念与发展 第四纪地质学是地球历史的最新一页。它是专门研究大约 2.5 Ma B.P. 地球表面各种地质事件起源和演化的过程及其相伴的环境条件， 重塑此间地 球的发展历史和预测未来的变化趋势， 为人类造福的学科。因此， 它具有广 泛的理论性和实用性。 20 世纪以来第四纪地质学在全球范围内获得了迅速 发展，无论是学科内容或技术方法及研究的时空范围都在不断地向纵深发 展， 显示了勃勃生机。 半个世纪以前中国第四纪地质研究仅有零星或局部少量的研究报道， 半 个世纪以来才获得不断的发展。 在这个时期才真正有了中国第四纪地质学， 学科研究在各个领域普遍地与国际接轨， 而在某些研究领域则达到国际先进 水平。回顾 50 年来中国第四纪地质研究的进展，大体上包括下列 8 个方 面 ①黄土与古气候； ②青藏高原的隆升与全球变化； ③古人类学与环境； ④古 海洋学与大洋钻探； ⑤极地和冰冻圈第四纪环境； ⑥中国东部冰川与环境问 题； ⑦新构造运动与地震预报； ⑧应用第四纪地质与可持续发展。 首都北京是中国地质学的摇篮。 50 年来北京第四纪地质研究同样地获 得重大发展， 在冰川与气候问题、 冰缘作用、 地层与古生物、 沉积物理、 古人类 学与环境、 古地理、 新构造与地震预报及环境地质等各个领域都取得了综合 性与系统性的新成果， 为 21 世纪的可持续发展打下良好的基础， 提供了一 个宝贵的信息库。 2 北京第四纪地质导论 BEIJING DISIJI DIZHI DAOLUN 第二节自然地理与区域地质 一、 自然地理 （一） 地形 北京位于华北平原的西北隅， 西起东经115 25′ ， 东至东经 117 30′ ， 南 起北纬 39 28′ ， 北至北纬 41 05′ ， 东西宽约 160 km， 南北长约 176 km， 总 面积约 16,800 km 2。北京市地处山地与平原的过渡带，其中山地面积为 10,280 km 2， 占总面积的 38。东北、 北、 西三面群山环抱， 东南部是向外缓 倾斜的平原， 形成一个半开放性的环境地质系统。 北部和东北部山区系燕山 山脉的一部分， 称 “军都山” 。西自高崖口附近起， 向东绵延至昌平、 延庆、 怀 柔和密云县境内， 属太行山的余脉， 俗称北京西山。 它分布在门头沟区、 海淀 区和房山县境内 （图 1.1） 。 北京地势的主要特征是西北高而东南低。 山地最 高峰是东灵山， 海拔 2 303 m； 其次为白草畔峰， 海拔 2 145 m。此外， 还有百 花山 （海拔 1,991 m）等较高的山峰。北京市地形最低点是通县的柴厂屯一 带， 海拔仅 8 m， 相对高差达 2,295 m。山地中以海拔 200 ～ 1 500 m 左右的 中低山居多。平原中绝大部分高程都在 100 m 以下， 坦荡开阔， 略有起伏， 局部有洼地。 山地与平原之间， 地形起伏较大， 并出现了一些丘陵和台地， 地 形界线较清楚。 北京境内有大小河流 60 余条， 分属海河和潮白河、 蓟运河两大流域的 五大水系。 永定河和潮白河为本市两大水系； 房山县境内的拒马河和大石河 属大清河水系； 平谷县境内的错河和泃河属蓟运河水系。此外， 还有北运河 水系。主要河流大多为西北东南流向。 3 第一章绪论 山区 高山区 山峰 县、 区人民政府 驻地 018 km 河 北 省 山 云蒙山 密云水库 雾灵山 黑坨山 军 都 延庆盆地 延庆 海坨山 八达岭 河 北 官厅水库 省 东灵山 妙峰山 昌平 顺义 北京 朝阳 通县 丰台 石景山 门头沟 百花山 燕山 大兴 房山 河 十渡 北 省 北 河 省 天 怀柔 泃 平谷 密云 市 图 1.1 北京市地形轮廓图 （二） 气候 北京气候属于暖温带半湿润和半干旱的季风型气候， 大陆度为 60.1。 年 平均气温在平原地区为 11 ～ 12 ℃， 海拔 800 m以下山区为 7 ～ 10 ℃； 海坨 山、 白草畔、 东灵山及百花山等高山地区为 2 ～ 4 ℃。年极端最高温一般为 35 ～ 40 ℃之间， 1961 年在房山县炒米店最高曾达到 43.5 ℃。年极端最低 温一般在 20～ 14 ℃之间， 1966年在大兴县东黑垡曾低达 27． 4 ℃， 高山 区低于 30 ℃。 7 月最热时月平均气温在平原地区为 26 ℃左右， 海拔 800 m 以下山区为21 ～ 25 ℃。 1 月份最冷， 月平均气温在平原地区为 5 ～ 4 ℃， 4 北京第四纪地质导论 BEIJING DISIJI DIZHI DAOLUN 海拔 800 m 以下山区为 10 ～ 6 ℃。气温年较差为 30 ～ 32 ℃。年降水 量分布不均匀， 山前迎风坡一般为 700 ～ 800 mm； 西北部和北部深山区一 般少于 500 mm，平原区及山麓地区一般为 500 ～ 625 mm。由于山脉上升 的气候屏障作用， 使山脉的南北和东西无论是气温或降水量都有很大差别， 并形成西山东坡及北部云蒙山地区两个明显的降水中心， 年降水量较一般山 区要高 200 ～ 300 mm； 较平原地区也要高出 150 ～ 200 mm， 导致北京市山 区南部气候显得较暖湿， 而北部地区则显得较为干燥与寒冷。 自然环境也有 很大差别。 二、 区域地质 据北京市地质矿产局资料 （1991） ， 北京地区的地层与华北地区的地层基 本相同， 除了区域性缺失自上奥陶统到下石炭统、 上白垩统及始新统外， 还缺 失下元古界。此外其他地层系统都较齐全。太古界是北京地区最古老的地 层， 主要分布在密云县北部山区。其岩性以各种黑云母、 角闪及辉石质斜长 片麻岩和变粒岩为主。 中上元古界分布广泛， 其岩性 长城系为石英砂岩、 硅 质页岩、 硅质岩； 蓟县系以硅质白云岩为主， 夹有燧石条带及团块状白云岩； 青 白口系为黑色页岩、含海绿石石英砂岩及泥灰岩等。出露面积达 3 077 km 2， 约占全市面积的 18.8。 古生界主要分布在北京西山及北山局部地段， 其中 包含寒武系、 奥陶系， 岩性以石灰岩为主； 石炭二叠系则以碎屑岩为主， 含 煤层。面积约 765 km 2， 占全市面积的 4.67。中生界地层广泛分布在北京 西山、 北山的向斜及断陷盆地内， 其中白垩系仅零星地分布在西山的山前地 带。中生界全为陆相地层， 因多次火山喷发活动， 形成巨厚的火山岩系。侏 罗纪早期是本区第二次重要的成煤期。其面积约 1,897 km 2， 约占全市面积 的 11.5。新生界地层主要分布在北京平原区、山麓及山间盆地和各河谷 内。 平原区以河湖相沉积为主， 山区则多为松散的砂砾石及黄土和黄土状土 堆积。 北京地区岩浆岩分布极为广泛， 约占山区的 1/5 强， 其中以燕山晚期的 侵入岩为主， 约占全部侵入岩体的 1/2。侵入岩以花岗岩类为主， 尚有少量 基性 超基性岩体。火山岩以中酸性熔岩居多。 5 第一章绪论 北京地区在大地构造上属于华北断块的中部燕山隆起带西段和太 行山隆起带北段的转折部位。 在以往漫长的地质历史中， 曾产生过多次强烈 的造山运动， 尤以中生代的燕山运动为最剧烈， 规模大， 岩浆活动频繁， 褶皱 变形与断裂变动普遍发育。 新生代， 喜马拉雅期新构造运动也极为强烈。 它 不仅表现在明显的差异性升降运动上，而且也表现在水平错动和构造回返 上， 使第三纪夷平面系列逐渐解体。 第四纪西山期新构造运动又继承了第三 纪的差异性升降运动、 断裂运动及水平运动， 使北京山区不断上升， 平原地区 继续下沉， 形成现今的由一系列北东向隆起与坳陷和被北西向断层分割的小 断块所组成的构造格局。 北京地区多组构造线中， 主要有北北东向， 北东向， 北西向及东西向。目前北京地区地壳运动仍十分活跃， 断层活动频繁， 不同 规模的地震活动在某些地区也经常发生。 自第四纪以来， 地壳上升幅度和速 度似有明显增强之势。 第三节研究历史的回顾 20 世纪是第四纪地质学获得蓬勃发展的光辉年代。在全球范围内， 无 论是学科研究的深度和广度都在不断地向纵深发展。从学科研究内容或总 的发展方向上看， 20 世纪早期以前， 基本上以研究第四纪冰川作用为主， 特 别是彭克和布鲁克纳阿尔卑斯第四纪冰川研究结果发表后， 引起全世界地质 学家们的极大关注。许多第四纪地质学家便认为冰川和冰期是第四纪主要 事件和特色， 研究第四纪地质必须先研究冰川， 把第四纪称为 “冰川纪” 。于 是在世界范围内， 一种 “泛冰川” 论的思潮也相继而生。 有些地区根本没有发 生过冰川， 但一些专家也误认为有冰川， 如西伯利亚、 美国中低纬区。 “阿尔 卑斯” 一词几乎成了冰川的同义语， 如日本中部山脉称为 “日本阿尔卑斯” ， 新 西兰北部的山脉也称为 “新西兰的阿尔卑斯” 等。众所周知， 这种早期的 “泛 冰川” 思潮， 显然对中国东部地区的影响是很大的， 一直持续到今天。 20 世纪 20 年代末和 30 年代， 由于印度尼西亚 “爪哇猿人” 和北京周口 店 “北京猿人” 的发现， 使有关第四纪古人类问题的研究成为第四纪地质学研 究的又一个关键问题， 有人甚至认为人类的出现是第四纪的主要标志， 因此， 6 北京第四纪地质导论 BEIJING DISIJI DIZHI DAOLUN 他们建议把第四纪改为 “人类纪” 。自 50 年代后， 人们逐渐把第四纪研究的 重点转移到古人类及其与人类生存和发展密切相关的古环境上。 特别是 70 年代以来， 由于深海和洋底第四纪研究的开创和发展， 使全球性海陆对比和 古环境的系统研究成为可能。80 年代后， 提出的全球变化， 实际上是 70 年 代全球气候变化研究的继续和发展。应当指出，要完成这个巨大的研究计 划， 可能还需要几代第四纪地质学家的共同努力， 方能实现。 北京是我国首都， 同时也是我国第四纪地质研究的发祥地。迄今已有 130 余年的第四纪地质研究历史了。1863 年庞培里 （Pumpelly） 到北京西山 调查斋堂煤矿时， 便注意到清水河两岸的黄土与其他第四纪沉积， 并认为是 湖相沉积， 这可以说是北京地区第四纪研究的起点。 19141920 年， 安迪生 （J.G.Andersson） 曾三赴斋堂地区调查西山地质。 1919 年， 他提出了一直沿 用至今的 “马兰黄土” 、 “马兰砾石层” 及 “唐县砾石层” 。这些经典的地层单 位， 经以后许多第四纪地质学者的观察和研究， 都认为是正确的。 19231936 年，一些中外地质学家对广布于西山地区的长辛店砾石层进行了观察和研 究， 认为长辛店砾石层属第三纪早期始新统的产物 （安迪生， 1923； 斐文中， 1930； 谢家荣， 1993； 杨钟健， 1936） 。 在 20 世纪 20 年代的研究成果中，特别需要提出的是北京周口店古人 类学研究所取得突破性进展。1927 年， 步林 （B.Bolin） 和李捷在周口店洞穴 堆积物考古发掘工作中， 发现了北京猿人臼齿、 头骨碎片、 两个破碎牙床及数 个碎牙齿。 1929 年12 月 2 日， 斐文中等发现了一个完整的北京猿人的头盖 骨。截至 1966 年， 在周口店洞穴堆积物中先后发现了将近 9 个猿人头盖骨 化石。这些重大发现震撼了世界科学界。与此同时， 在发掘工作中， 还发现 大量哺乳动物化石。 经斐文中、 杨钟健、 贾兰坡及刘宪亭等专门研究后， 发表 了大量论著， 做出了巨大成就， 具有很高的科学价值和古文化意义， 获得了世 界学术界的公认， 使北京周口店不仅成为中国猿人的家乡， 同时也成为联合 国重点文物保护地点而誉名世界。 19371949 年， 因 8 年抗日战争和 4 年解放战争， 北京地区第四纪地质 研究处于停滞状态。 1953 年， 周明镇研究了北京西山山前地带广布的长辛店砾石层的分布、 岩性及地质时代。 据长辛店附近发现的若干哺乳动物化石， 他提出长辛店砾 7 第一章绪论 石层应属于老第三纪的始新统， 最新也不能晚于渐新统的看法。此外， 1977 年， 翟人杰据高佃村发现的少量哺乳动物化石研究， 亦提出长辛店砾石层时 代应为晚始新统的类似看法。 1957 年， 李四光首先在北京西山模式口引水渠旁基岩露头上， 肯定了第 四纪冰川遗迹， 并认为该冰川是从永定河和西山山上流下来的。 此后他又在 隆恩寺、 潭柘寺、 香山及八大处等地确认了有第四纪冰川遗迹。 并由此推论， 第四纪时期， 北京西山曾发生过广泛的山麓冰川作用 （李四光， 1962， 1975） 。 与此同时， 王曰伦和贾兰坡 （1952） 、 纳里夫金 （1961） 、 汤英俊 （1964， 1977， 1983） 也观察了周口店、 潭柘寺及灵岳寺等地的第四纪冰川作用。 但是， 对李 四光及其支持者的冰川论观点， 斐文中、 王乃梁及周挺儒等很多学者持有不 同的观点。 考虑到非冰川派有关学者在评价李四光的冰川论时， 野外调查研究工作 较粗略， 其结论不能令人信服， 为此， 19891996 年， 郭旭东等 （1991， 1993， 1996） 对北京西山的所谓冰川遗迹逐一进行了多次反复的野外调查和室内研 究。此外， 还攀登了东灵山和百花山等西山最高山峰， 考察那里是否存在第 四纪冰川遗迹和冰川地貌。 结果除了发现西山没有任何确凿的冰川证据外， 却发现许多冰缘现象 （郭旭东等， 1992， 1993） 。 它证明， 第四纪时期北京西山 确实未发生过冰川作用， 冰期阶段这里是一个较好的冰缘环境。 该结论不仅 被第六届国际冻土会议所确认， 而且对认识整个中国东部第四纪气候环境的 重建具有突破性的意义 （郭旭东， 1993） 。此外， 19931996 年， 郭旭东等还 就北京山区的上升对自然环境的影响、 新构造运动、 环境地质及地震预报等 问题作了深入研究， 取得了不少新的突破。不仅在理论上， 而且在实际应用 上， 都具有重要的意义 （郭旭东等， 1993， 1995） 。 此外， 还应当提出的是， 新中国成立以来， 北京市地质矿产局， 尤其北京 水文地质与工程地质公司， 国家地震局及其下属的第一地壳形变监测中心和 地震地质研究所， 以及中国地质大学、 北京大学、 北京师范大学等很多生产、 教育部门及科研单位， 在北京地区亦做了大量的调查和研究工作， 取得了很 多宝贵的资料和研究成果。 8 北京第四纪地质导论 BEIJING DISIJI DIZHI DAOLUN 第二章第四纪冰川与气候问题 据报道， 20 世纪 20 年代李四光教授曾多次提出北京西山有古冰川作用 发生， 但未加以论证。此后， 王曰伦 （1952） 、 汤英俊 （1964） 等对周口店， 李四 光等 （1963， 1964） 对北京西山的象鼻子沟、 碧云寺、 八大处、 隆恩寺、 潭柘寺、 模式口等处做了冰川地质研究工作， 确认上述地区冰川遗迹的存在， 同时指 出华北平原及其西部、北部所发现的泥砾，给予了冰川作用的解释。水力 （1977） 、 赵松龄 （1984） 、 地质矿产部航空遥感中心 （1985） 也对北京西山的古 冰川作了肯定的报道。 李四光 （1960） 指出， 北京有几处 “典型冰川遗迹” 点， 即隆恩寺、 八大处、 模式口、 荷叶山及潭柘寺等。从冰川作用标志而言， 指出隆恩寺山坡处有冰 溜面及擦痕、 模式口基岩面上有冰川擦痕、 八大处有带条痕的 “漂砾” ； 荷叶山 顶有小砾石， 认为是属 “鼻山尾” 型小丘或基岩鼓丘对此， 作者有不同的 看法， 并进行了实地考察。 现就北京西山地区前人报道的若干 “冰川遗迹” 辨析如下。 第一节模式口地区 李四光 （1962） 确定的 “冰川擦痕” 分布在北京市石景山区模式口村电站 水渠北侧 （图 2.1） ， 已修筑高墙保护 （下简称围墙遗迹） 。 1979 年下半年， 我们对围墙遗迹和模式口附近及永定河自三家店至雁 翅段河谷地貌、 第四纪地质进行了多次反复的调查， 了解更新世西山区冰川 发生的可能性， 重点考察了围墙遗迹。 其中发现 ①犁口形人工打击面； ②两 条分别为SN和EW向的节理交叉面； ③辉绿岩球状风化石， 人工刻痕甚多， 发育 SN 和 EW 向两组构造节理； ④一组产状为 NE70 ∠35的大节理面， 第二章第四纪冰川与气候问题 9 见水痕和人工刻痕，其中一面为节理面，一面为风化面； ⑤大节理面，产状 NE50 ∠38 ； ⑥辉绿岩风化面， 刻痕甚多； ⑦斜面为节理面， 顶面为人工打击 面； ⑧小块露头上出现的刻痕， 刻痕走向与坡向一致， 但刻痕较新鲜， 未见风 化。 观察结果表明， 墙内的所谓冰川擦痕实际上都是一些人工刻痕。 少部分 为水痕和构造擦痕。下面对这些问题进行讨论。 香峪 267 隆恩寺 三家店 187 436 379 双泉寺 法海寺 模式口 门头沟 九龙山 858 317 石景山 173 542 图 2.1北京西山模式口 “冰川遗迹” 分布略图 一、 对模式口第四纪冰川遗迹的质疑 李四光 （1975） 在 北京西山区第四纪冰川遗迹和中国冰期问题 一文中 说， 在 “模式口的东面有个小山坡南麓， 在相当坚硬的辉绿岩表面也发现了许 许多多擦痕， 那些擦痕显而易见地都是由刻划而成的， 它们所指的方向大都 10 北京第四纪地质导论 BEIJING DISIJI DIZHI DAOLUN 和山坡倾向方向是一致的， 但局部也有少许变化” ； 并指出 “所有这些擦痕的 特点显示它们与构造擦痕完全不同， 而是与一般冰川擦痕的特征相符合的” 。 但李先生在此并未提供任何实物证据， 用来说明究竟是哪块露头上的和哪些 擦痕是具有冰川性质的。 更没有就模式口区为什么会有第四纪冰川流行， 这 些冰川是如何形成、 活动和从何而来等一些涉及古冰川研究极为重要的理论 问题作出说明。上述事实使我们感到对李先生的这种推测仍有深入探讨的 必要性。他所说的那些冰川擦痕到底是真相还是假象根据我们仔细勘察 看到的事实， 可以认为第四纪时期模式口附近根本就不存在冰川活动， 因此， 所谓冰川擦痕完全是一种假象， 我们的依据如下。 （一） 无冰川滑动面存在 显然， 无论是李四光先生或者我们的调查， 都未认定围墙遗迹中有冰川 滑动面存在。 主要岩石露头都是些节理面、 风化面和人工打击面。 即便有些 磨光面， 其成因也不是冰川， 它们都是人为的或岩石风化破碎后所生成的。 既然没有冰川滑动面存在， 自然也不会有冰流活动了。 （二） 冰川擦痕分析 李四光先生把围墙内的许许多多刻痕都定性为冰川擦痕， 证明过去模式 口地区曾有过冰川活动。我们不妨来讨论一下冰川作用。所谓冰川作用是 指冰川底部沿冰床或斜坡发生的滑动作用。由于冰川刻蚀或磨蚀所产生的 较光滑的岩面称为冰川滑动面， 而冰流底部挟带更为坚硬的岩屑在较软的冰 床或冰川滑动面上刻划的条痕称冰川擦痕， 假如这种概念是正确的话， 那么 便产生既然围墙内看不到一个可以定性的冰川滑动面， 而这么多冰川擦痕究 竟是依据什么定性的无论是现在或过去， 根据冰川学的基本原理， 地球表 面不可能出现没有冰川滑动面的冰川擦痕。现在的问题在于如何区别这些 擦痕。 冰川擦痕乃是冰川在成冰过程和冰川形成后运移过程中掺和入冰体内 部的坚硬岩石碎屑， 伴随冰流缓慢移动而对冰床表面、 冰坎或其他滑动面硬 度较小的岩石表面刻划而成的痕迹。 冰川擦痕经常出现在冰斗冰川的坎部、 平顶冰川边部、 悬冰川顶部、 槽谷底部和山麓冰川的上下部位。冰川擦痕的 第二章第四纪冰川与气候问题 11 刻槽往往是上宽下窄， 槽底有一定倾斜度。 由于它是在冰层较大压力下刻划 的， 所以刻槽一般较刚劲平直， 多呈直线形， 深度亦较大。但应当指出， 这里 所总结的冰川擦痕的形态学特征决非具备这些形态学特征的刻痕都是冰川 成因的。 如在模式口叉路口边坡上， 重力崩石在边坡上也刻划出钉头鼠尾形 的擦痕。重力擦痕不但与水痕有明显区别， 而且与构造擦痕也不尽相同。 构造擦痕是发生在节理面或断层面上由于地壳动力作用使具有不同硬 度的岩石和矿物在错位时互相刻划而成的痕迹。如在围墙内第 8 观察点附 近见到的辉绿岩中黄铁矿对滑动面所刻划的痕迹。 这种擦痕大小较匀， 刻槽 底部宽而坦平， 无明显的钉头鼠尾形特征， 它很容易识别。 而人们用小刀、 铁 钎等工具刻划的痕迹， 由于人力有限， 用力不均， 加上岩石结构硬度差别， 刻 痕一般较小和短浅， 具规则和不规则线形， 刻槽底部常见不规则波状起伏。 这种特征在野外和室内对比实验中看得很清楚。通过刻痕穿插关系和风化 程度可大体判断它形成的先后和相对地质时间。有些擦痕类似冰川擦痕。 但因岩石和刻槽都较新鲜， 分析人工成因可能性较大。 虽然这些刻痕方向与 坡向一致， 但它们不是冰川成因的。 （三） 地形分析 围墙遗迹分布在法海寺两条山沟分割的小山脊南麓。围墙内上段地面 平缓， 下段较陡， 约为 10 ～ 15 和 25 左右。 擦痕多发育在两组近SN和EW 向的节理面上， 与地面夹角为 20 ～ 40 ， 所有擦痕与坡面都有较大夹角。 冰 川擦痕是冰川沿坡面滑动时生成的， 它的延伸方向不但应与坡向一致， 而且 还应当是平行关系。根本不允许它与坡面有交角关系， 否则怎么理解冰川会 像地表水那样渗到地下去呢显然这是不可能出现的。加上围墙内许多露 头岩石新鲜， 断面参差等都说明这里过去不曾受到冰川作用的影响。 （四） 冰川类型和成冰条件分析 李四光 （1975） 在 北京西山区第四纪冰川遗迹和中国冰期问题 中指出 “中国第四纪冰川主要是山谷冰川， 但有些地区， 冰流达到了山麓或山麓平 原。 ” 模式口地处西山山前或山麓， 既然有第四纪冰流存在， 自然应有山麓冰 川了。永定河谷和北京平原无疑地是这些山麓冰川的宿地了。倘若以擦痕 12 北京第四纪地质导论 BEIJING DISIJI DIZHI DAOLUN 延伸方向表示冰川流动方向， 则说明当时模式口山麓冰川主要来自法海寺北 面的山上，而且还可能带些冰碛物吧这些冰碛物的硬度肯定得比辉绿岩 大， 否则怎能在辉绿岩表面刻划出擦痕来呢然而有意思的是李先生又说法 海寺后离山顶不远是侏罗纪的黏土岩， 据我们调查， 这种黏土岩硬度小于辉 绿岩， 根本不可能在辉绿岩表面刻出擦痕。那么， 刻划擦痕的冰碛物从何而 来呢 从地貌上看， 古庙 （法海寺） 北面小山顶海拔仅 187 m 和 379 m， 同围墙 遗迹下段 （约 93 m） 高差 200 m， 水平距离 2 ～ 3 km。这么低的山和这么短 的距离内能形成这么大的冰川或山麓冰川吗就算古今地形有较大变化， 会 产生冰川， 这冰川时代一定是很老的， 但目前保存这样完好， 风化程度又不高 的冰川擦痕证明冰川时代不会太老， 显然， 这也是自相矛盾。姑且说有冰川 吧那么当时形成冰川的