北京第四纪地质导论（可编辑）.doc

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1、北京第四纪地质导论 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， 200712 ISBN 9787536692312 北 郭第四纪地质研究北京 市 P5621 中国版本图书馆CIP 数据核字（2007）第 175310 号 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 出版 重 庆 出版社 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

2、 EMAIL：fxchucqph 电话：023 68809452 全国新华书店经销 开本：787 mm 1 092 mm 1/16 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 价：3 5 . 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：023 68809955 转8005 版权所有 侵权必究 第一章 绪 论 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

3、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 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

4、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 ，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120 万的北京市区域地质图和125 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

5、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 1 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 外常常一个人独行，要忍受孤独和 劳。但是郭旭东同志没有退却，他对地质学的兴趣和信念 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， 行钻研，这

6、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 ，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 2 第一章

7、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

8、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 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 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

9、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， 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 1 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 预报服务，这 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

10、对家门口的 第四纪地质作一番系统的调研，为首都地 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 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 ，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

11、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

12、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。 198919

13、96 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 2 第一章 前绪 言论 秀铭（新构造）、王思敬和蒋才 （环境地质）、蒋才 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 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 外 工作

14、，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 3 录 C ONT EN TS 录 / 1 前 言 / 1 第一章 绪 论 / 1 第一节 概念与发展 /1 第二节 自然

15、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 1 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

16、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 /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 /1

17、29 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 2 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

18、献 / 2 1 5 3 1 1 1989 堂黄土剖面全貌（ ） 图 版 2 2 1989 堂黄土剖面全貌（ ） 图 版 3 3 1978 巴基斯坦境内西喀喇昆仑山巴托拉冰川（苏珍提供， ） 4 4 已遭破坏的前桑峪古冰（土）楔剖面（1996） 5 图版 5 前桑峪古冰（土）楔剖面（1989） 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

19、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 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：黄土与古气候；青藏高原的隆升与全球变化；古人类学与环境；古 海洋学与大洋钻探；极地和冰冻圈第四纪环境；中国东部冰川与环境问 题；新构造运动与地震预报；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

20、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 ，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。 1 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11730 ，南 起北纬3928 ，北至北纬41 05 ，东西宽约160 km，南北长约176 km ，总 2 面积约 16,800 km 。北京市

21、地处山地与平原的过渡带，其中山地面积为 2 10,280 km ，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1,99 1 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

22、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t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。 2 第一章 绪 论 山区 河 北 省 高山区 山峰 县、区人民政府 驻地 0 18 km 山 雾灵山 海坨山 云蒙山 密云水库 河 都 延庆

23、盆地 黑坨山 军 延庆 北 八达岭 密云 官厅水库 怀柔 昌平 省 妙峰山 顺义 平谷 东灵山 北京 t 天 门头沟 朝阳 河 百花山 石景山 通县 丰台 北 燕山 大兴 十渡 省 房山 市 河 北 省 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 2

24、7 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 ， 3 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，

25、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 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

26、状白云岩；青 2 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 ， 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 2 煤层。面积约765 km ，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 2 罗纪早期是本区第二次重要的成煤期。其面积约1,897 km ，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

27、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。 4 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

28、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 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

29、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 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

30、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， 5 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， 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）