北京城市建設和發展的地質要素

呂金波

(北京市地質調查研究院,北京 102206)

北京有1個世界地質公園,是世界上擁有地熱的6個國家首都之一.長城、京杭大運河、元大都和明北京對世界的影響深遠,這些都與北京的地理位置和地質背景有關系(見圖1).

圖1 北京世界文化遺產與世界地質公園分布

1 北京是有世界地質公園的首都城市

目前,全球共有66家世界地質公園,其中歐洲37家,中國22家,日本3家,伊朗1家,馬來西亞1家,巴西1家,澳大利亞1家.2006年9月17日,在英國北愛爾蘭首府Belfast召開的第2屆世界地質公園大會上,"中國房山世界地質公園"正式獲得聯合國教科文組織批準并授牌,使北京成為全球第1個擁有"世界地質公園"的首都城市.

房山世界地質公園與門頭溝、石景山、海淀和昌平等山區并稱為中國地質工作的搖籃.1863年9月,美國學者Pumpelly Raphael來到北京西山調查煤礦, 1867年發表了第1篇有關中國地質的論文,.提出了"震旦方向"的概念[1],1882年德國學者Richthofen Ferdinand Von 提出了"震旦系"地層名稱[2].1918年瑞典人Johan Gunnar Andersson發現了周口店園區, 1923年奧地利人Otto Zdansky在周口店第1地點找到了第1枚人的臼齒化石,1929年12月2日裴文中在周口店洞穴碎屑堆積物中發現了第1顆完整的北京猿人頭蓋骨.

地質公園北部大石河流域有百花山-白草畔園區、圣蓮山園區和石花洞園區.大石河北岸有侏羅紀火山巖構成的草甸景觀百花山-白草畔園區,北方罕見的小型巖溶盆地景觀-圣蓮山園區.其中,石花洞園區發育巖溶洞穴群,洞層最多(8層),石盾200多個,為世界之最;毛細滲透水沉積的石毛(銀狐),滴水沉積的石筍,流水沉積的石旗,池水沉積的月奶石,有被鈣華掩蓋的唐代題字,有《水經注》中記載的孔水洞[3].

地質公園南部拒馬河流域有白石山、野三坡、十渡和云居寺-上方山園區.白石山園區發育大理巖峰叢地貌,野三坡園區發育巖溶峽谷地貌,十渡園區發育華北地區最為典型的房山地貌(新近紀石林與第四紀巖溶陡壁的組合形態)[4].石門花崗巖體的熱力變質作用,"烤白了"高莊的漢白玉大理巖,成為紫禁城、明清皇陵和皇家園林的唯一石料區;"烤白了"云居寺-上方山園區所在的云帶山,故有云水洞、云居寺之名[5].

地質公園東部的良鄉地熱田和董家林西周遺址尚未劃入地質公園.董家林村附近發現距今3000多年前的西周都城遺址,是北京城的發源地.

2 長城與大運河兩大古建工程在北京交匯

長城長約6000km,緯向展布于中國北方的山脈之中,是世界最長的軍事工程.京杭大運河長約1794km,經向展布于中國東部的平原上,是世界最長的人工運河.兩大工程一緯一經交匯于北京,為北京古城的發展做出了貢獻.

(1)長城

長城是世界上最長的人工墻.東起山海關,西至嘉峪關,全長約6000km,橫跨中國北方7個省、市、自治區.春秋戰國時期,各國為了御敵,修筑城墻.秦統一中國后,把分段的城墻連接起來,形成萬里長城,以后各朝陸續增修,直至明代,逐漸形成如今的面貌.萬里長城是世界歷史上偉大的工程之一.1987年被列入《世界文化遺產名錄》.

修建長城既要利用良好地形,又要克服山區許多地質災害等問題,古人在這些方面都具有無比的智慧和毅力.

(2)大運河

京杭大運河開于春秋,完于隋代,盛于唐宋,直于元代,疏于明清.大運河北起通州,經北京、天津、河北、山東、江蘇和浙江等2市4省,貫通海河、黃河、淮河、長江和錢塘江等5大水系,全長約1794km,南達杭州.大運河有2500多年的歷史,長度是蘇伊士運河的16倍,巴拿馬運河的33倍,是世界上最長和最古老的人工運河.

元朝為南糧北運開鑿運河.把原來以洛陽為中心的隋代橫向運河,修筑成以元大都為中心的縱向大運河.大運河分為7段,最北段稱通惠河,自昌平區白浮泉經昆明湖至積水潭,長約82km.通州區到天津稱北運河,長約186 km;天津到臨清稱南運河,長約400 km;臨清到臺兒莊稱魯運河,長約500 km;臺兒莊到淮陰稱中運河,長約186km;淮陰到瓜州稱里運河,長約180 km;鎮江到杭州稱江南運河,長約330km.

雖然大運河尚未成為世界文化遺產,但掩蓋不了對世界的影響力.北運河之上稱溫榆河水系,發源于十三陵盆地的東沙河、關溝的北沙河、寨口的南沙河和玉泉山的清河.地質上處于潮白河洪積扇與永定河洪積扇的交匯處,兩個洪積扇的溢出帶水源豐富,成就了京杭大運河的最北段,是大運河的起點.

大運河工程既利用了地表水,又大量利用了山前洪積扇溢出帶的地下水,其成效十分顯著,充分展示了中華民族的智慧.

3 北京世界文化遺產的地質背景

北京列入世界文化遺產的長城、周口店"北京人"遺址、頤和園和明十三陵具有特殊的良好地質背景.

(1)長城(北京段)

長城北京段東起金山嶺、中過慕田峪、西至八達嶺,其地質構造特征使沿線最為壯觀.

金山嶺長城被司馬臺水庫截成兩段,稱為"二龍戲水".人們發現水下不斷冒出氣泡,說明有泉水涌出.共有2股泉水,東部泉水涼,西部泉水熱.登上金山嶺,你會發現長城內外無論山嶺、還是河流,都是東西走向.長城腳下的沉積巖,長城南側的火山巖和古北口侵入巖,也都是東西向延長的,這是因本區為印支東西向構造帶的組成部分.這里有一種有趣的地質現象,即10億年前的元古代地層覆蓋在1億年前的火山巖地層上,違反了老地層在下、新地層在上的基本原理.這是斷層反沖活動的結果,在燕山構造運動階段,沿著斷層活動面,把老地層推覆到新地層面上.古代的人類工程與天然的地質構造達到了完美的統一,是該處地質現象的一個特色.

慕田峪長城為古代黃花路渤海所下轄的7個隘口之一.長城在這里呈西北-東南走向,東南低緩,西北陡峭.這是因為東南的長城建在1.5億年前形成的長園閃長巖體上,巖石中的礦物粒度細,節理裂隙發育,風化層較厚,基巖裂隙水豐富,形成了低緩的山坡和較好的植被;越過16號敵樓后,長城腳下的巖石變得陡峭,直上牛犄角鞭,高差達500m,長城坐落在12.2億年前形成的霧迷山組硅質條帶白云巖上,巖溶陡壁托起了長城.在兩種巖石的交接處,由于長園巖體阻水,形成了許多泉水.

八達嶺海拔1015m,地質背景為花崗雜巖,巖石上的長城最為雄偉.八達嶺地區為中生代燕山期侵入巖,包括侵入體120個,出露面積540.45km2,可劃分為8個超單元,20個單元.在居庸關北的三轎子山附近,可以見到花崗巖上頂霧迷山組白云巖的景觀.在八達嶺城關拐角處的花崗巖壁上,一條基性巖脈沿山而下,恰似一條青龍,故名"青龍橋".八達嶺雜巖的主體部分為似斑狀花崗巖,主要礦物成分是正長石、斜長石和石英,巖石堅硬,形成形狀各異的花崗巖地貌,長城隨著花崗巖地貌上下起伏,達到了自然與人類工程完美統一的效果.

(2)周口店"北京人"遺址

周口店"北京人"遺址為房山世界地質公園的一個園區.楊鐘健建立了洞穴堆積層上部1～10層的中更新世地質剖面,賈蘭坡建立了下部11～13層和底礫層的中更新世地質剖面.1987年被列入《世界文化遺產名錄》.

周口店"北京人"遺址洞穴,沿著馬家溝組灰巖走向東西方向發育,頂蓋堆積為第1層洞穴,山頂洞為第2層洞穴,猿人洞為第3層鎖孔型洞穴.裴文中和賈蘭坡各發現3顆猿人頭蓋骨.周口店猿人的發現結束了自19世紀末荷蘭人E.Dubois發現爪洼猿人以來,猿人是人還是猿的爭論,確立了猿人在人類演化史中的地位,建立了華北中更新統標準剖面.

(3)頤和園

頤和園位于北京西北郊,金代建金山行宮,明代改建為好山園,清乾隆十五年(1750年)改建為清漪園,光緒十四年(1888年)慈禧太后改建為頤和園.全園以萬壽山為中心,占地2.9km2,其中湖泊面積約占3/4.1998年被列入《世界文化遺產名錄》.

昆明湖底部的基巖為背斜構造,巖石為奧陶紀馬家溝組石灰巖,突水性良好,遇到萬壽山二疊紀紅廟嶺組砂巖的阻隔,極易形成諸多泉水.元朝郭守敬引白浮泉水入大都城,注入昆明湖.

1996年12月28日,昆明湖進行了240年以來的第一次清淤,通過取樣研究獲知,昆明湖水起始于3500年前,3000年前穩定成湖,水生植物開始繁衍,公元1750年前屬于天然湖泊.1750年對湖區進行開挖,湖水的面積增加了1倍,從此變為人工湖.天然湖與人工湖之間,在顏色、物質組成、生物遺骸組合、化學元素等方面均有明顯的差異[6].

園中之萬壽山造景巖石為堅硬的長石石英砂巖,是距今2.4億年前二疊紀形成的.因其在門頭溝的紅廟嶺出露比較完整,所以命名為"紅廟嶺砂巖".

(4)十三陵

明清皇家陵寢是我國明、清兩朝皇帝營建的文物建筑,體現了中國封建社會的最高喪葬制度和千百年封建社會的宇宙觀、生死觀、道德觀和習俗.現保存完好的明皇家陵寢有:明皇陵、明孝陵、明祖陵、明十三陵、明顯陵.清皇家陵寢有:清永陵、清福陵、清昭陵、清東陵和清西陵.2000年被列入《世界文化遺產名錄》.2003年7月,明十三陵和明孝陵作為明清皇家陵寢的一部分收入《世界遺產名錄》.

明十三陵位于北京西北約40km處,在方圓約40km2的小盆地里,分布著明代13個皇帝的陵墓.十三陵是江西地理術士廖均卿選定的,即符合兩大山脈交匯的山勢,又符合天空二十八星宿四分的地靈獸說,體現了天人合一,普天之下莫非王土的思想.

十三陵位于燕山與太行山的結合部.太行山像一條龍脊沿北東方向橫亙于華夏大地,龍頭北達盧龍縣,龍眼即為十三陵盆地.燕山向東綿延,到八達嶺一躍而起,第一個風水寶地就是十三陵盆地.太行山脈體現的是"震旦方向",燕山山脈體現的是緯向構造帶.一橫一縱的交點就是十三陵盆地.

按照地靈獸說,十三陵后靠為玄武,盆地南面的紅泥溝龍虎臺(中更新世黃土)為朱雀,西面的臥虎山為白虎,東面的龍山為青龍.盆地周邊有中山口、老君堂口、賢莊口、灰嶺口、錐石口、燕子口、德勝口、西山口和榨子口等9個入水口,1個出水口是位于十三陵水庫大壩的東山口.體現了9龍匯聚的特點.東面的龍山頂部有一層石英砂巖,即元古代龍山組的命名地,龍山組砂巖比兩側的巖石堅硬,不易遭受風化,加上地層產狀較陡,形成了突出的龍脊.1934年,張文佑在龍山東坡的石灰巖中發現了三葉蟲化石,把這套灰巖作為寒武系的底部.建立了華北顯生宙的第一套地層"昌平組"[7].西面的臥虎山巖石為元古代霧迷山組白云巖,含有大量的硅質條帶,硅質條帶風化后顯出白色條帶,加上巖層向東南傾斜,看起來很像虎皮紋.

4 北京是世界上具有地熱的6個首都城市之一

世界100多個國家首都中,有6個具有地熱資源,它們是法國的巴黎(Paris)、冰島的雷克雅未克(Reykjavik)、匈牙利的布達佩斯(Budapest)、保加利亞的索菲亞(Sofia)、新西蘭的惠靈頓(Wellington)和我國的北京,這種珍貴的資源,為把北京建設成為以低炭經濟為目標的世界城市提供了地質條件.

現已查明全市有4條呈北東走向的地熱資源帶,10個地熱田.多屬中低溫類型,水溫一般40℃～60℃,最高可達88℃,現有地熱井337口(不含已經報廢地熱井),有200多個單位共172口地熱井投入開發,主要用于洗浴、游泳、康樂、醫療、養殖、種植等方面.地熱開發正在拉動首都旅游康樂業的發展.

[1]Pumpelly Raphael.Geological researches in China, Mongolia and Japan[J].1867.

[2]Richthofen Ferdinand von.China〔M〕.Berlin: Verlag von Dietrich Reimer.1882.

[3]酈道元,水經注(卷十二)[M].杭州:浙江古籍出版社, 2000;197.

[4]呂金波等,北京西山巖溶洞系的形成及其與新構造運動的關系[J],地質通報2010,29(4):502～509.

[5]呂金波,北京房山世界地質公園巖溶景觀特色[J],城市地質2007,2(3): 26～30.

[6]黃成彥等,頤和園昆明湖3500余年沉積物研究[M].北京:海洋出版社,1996.

[7]張文佑,中國北部震旦紀與寒武紀地層之分界問題[J],國立北京研究院院務報1935,6(2).

[8]馬可波羅,馬可波羅游記[M].北京:外文教學與研究出版社,1998.