北京石花洞巖溶學(xué)研究進展

呂金波，李鐵英，鄭明存，王東梅

（1.北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京 102206；2.北京市房山區(qū)石花洞風(fēng)景區(qū)管委會，北京 102416；3.北京化工大學(xué)，北京 100029）

石花洞位于中國地質(zhì)工作的搖籃——北京西山大石河流域（圖1），發(fā)現(xiàn)于明朝正統(tǒng)十一年（公元1446年）（圖2），開發(fā)于20世紀80年代初。北京市地質(zhì)調(diào)查所(現(xiàn)北京市地質(zhì)調(diào)查研究院)完成的《北京石花洞地區(qū)洞穴資源開發(fā)與環(huán)境保護》項目，從地質(zhì)學(xué)、氣象學(xué)和環(huán)境學(xué)方面對石花洞進行了全面的研究。按照巖溶學(xué)進行分類，石花洞分為鐘乳石（洞穴碳酸鈣）形態(tài)、溶蝕形態(tài)、崩塌形態(tài)和洞穴生物（表1）。鐘乳石（洞穴碳酸鈣）形態(tài)分為非重力水沉積，重力水沉積，協(xié)同沉積和疊置沉積4種類型；溶蝕形態(tài)分為大形態(tài)和小形態(tài)，大形態(tài)分為東西向展布的8層溶洞、近南北向的3條溶蝕裂隙（包括南北大走廊）和南北大走廊南端向東的鎖孔型斷面（周口店猿人遺址為鎖孔型斷面），小形態(tài)分為單孔窩穴、雙孔窩穴和東側(cè)溶蝕裂隙頂部的眾多天鍋窩穴；洞穴崩塌沉積分為距今約10萬年和距今約20萬年2次，其中距今約20萬年是周口店猿人遺址洞穴被掩埋的年代；洞穴生物有膜足硬肢馬陸和大足鼠耳蝠（表1）。

筆者通過20多年的研究，認為石花洞洞層多（8層），石盾多（200多個），為世界罕見；在全國范圍內(nèi)，首次發(fā)現(xiàn)月奶石，首次發(fā)現(xiàn)碳酸鈣微層理，首次發(fā)現(xiàn)膜足硬肢馬陸新種穴居動物。從溶蝕形態(tài)來看，石花洞8層溶洞展示北京西山的8次隆升；從沉積形態(tài)來看，石花洞中的粗獷石筍代表周口店期沉積，桿狀石筍代表馬蘭期沉積，微層理石筍代表全新世沉積，奠定了首次建立第四紀石筍剖面的基礎(chǔ)。

圖1 北京石花洞交通位置

表1 石花洞內(nèi)的洞穴形態(tài)種類

1 世界罕見的巖溶形態(tài)

石花洞洞層多（8層），石盾多（200多個），為世界罕見。

1.1 洞層多

石花洞的洞層上下發(fā)育8層，第①層洞為穿洞，海拔414.8m。第⑧層為地下暗河，海拔130.0m，其間發(fā)育7層溶洞。洞層從地表向下沿著地層傾向展布，洞系沿著地層?xùn)|西走向發(fā)育（圖3）。每個洞層位置代表當時的侵蝕基準面，8層洞反映地殼間歇性隆升，展示了北京西山新構(gòu)造運動的隆升[1]。

圖3 北京石花洞系洞層與地層的關(guān)系

1.2 石盾多

石盾為裂隙滲透水沉積。裂隙滲透水沉積是包氣帶洞穴中非重力水的主要形式之一，是微細裂隙中的薄膜水向外生長析出形成的，在薄膜水的兩端碳酸鈣析出，形成石盾。石盾中間空心，分為兩個互不連接的盾板，靠近下面的盾板在重力的作用下很容易垮落，剩下上面的半個石盾。用眼觀察與薄膜水接觸的盾面，具有從裂隙端點向外發(fā)育的同心環(huán)狀生長紋。

裂隙滲透水沉積的典型代表為石盾，石花洞中的石盾數(shù)量200多個，為世界罕見。石花洞石盾（仙女繡花臺）在中國是最大的，實際由3個小型石盾聯(lián)生，盾面尺寸2.70m×1.53m，盾面產(chǎn)狀220o∠14o，盾下乳長1.48m（圖4）。

圖4 石盾（仙女繡花臺）

2 中國首次發(fā)現(xiàn)的巖溶形態(tài)

中國巖溶洞穴首次發(fā)現(xiàn)的巖溶形態(tài)有月奶石和碳酸鈣微層理。

2.1 首次發(fā)現(xiàn)月奶石

1982年，中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶研究所袁道先確認了月奶石。典型月奶石（石蓮）（圖5）。

圖5 月奶石（石蓮）

“北京房山縣石花洞內(nèi)有大量的月奶石”被寫進袁道先主編的《巖溶學(xué)詞典》：一種乳白色、含水量高、可塑的、乳酪狀的洞穴堆積。在其形成中微生物起著重要作用。早在15世紀已在瑞士為人們所發(fā)現(xiàn)。1959年，月奶石的礦物成分經(jīng)法國和美國學(xué)者詳細研究，確定是方解石和文石，有時還有含水菱鎂礦［Mg4(OH)2(CO3)3?3H2O］、碳酸鈣鎂礦［Mg3Ca(CO3)4］、菱鎂礦（MgCO3）、三水菱鎂礦［MgCO3?3H2O］、白云石［CaMg(CO3)2］等[2]。

1986年，有“喀斯特盧”之稱的盧耀如詳細描述月奶石。在較寒冷的氣候條件下沉積的石花洞月奶石，其成分為CaCO3和MgCO3,通常呈漿糊狀、粉末狀和海綿狀，14C年齡為22ka和32ka[3]。

2.2 首次發(fā)現(xiàn)碳酸鈣微層理

1952年美國人Moore首先使用“speleothem（英文注釋cave calcite）”描述鐘乳石（洞穴碳酸鈣），人們逐步認識到石筍與黃土、湖泥、樹輪、冰芯、珊瑚一樣，可記錄自然環(huán)境變化，特別是石筍年層的發(fā)現(xiàn),為全球環(huán)境變化研究提供了高分辨的地質(zhì)載體。1995年11月4日，筆者率隊在石花洞南北大走廊南端發(fā)現(xiàn)具有透光微層理的石筍（圖6、圖7），編號9512（或TS9501）。

圖6 具有透光微層理的原狀石筍

圖7 剖開后顯示的石筍微層理

在南北大走廊北端（大戲臺）發(fā)現(xiàn)具有熒光微層理的石筍（圖8），編號9514（或TS9502）。1995年11月6日，趙樹森等進行整理拍照。

圖8 具有熒光微層理的原狀石筍

1996年以來，李鐵英、趙樹森、李紅春[4]、譚明[5]、劉東生[6]（2003年獲國家最高科學(xué)技術(shù)獎）、呂金波[7]、秦小光[8]等對洞內(nèi)南北大走廊（南北向裂隙）兩端取得的兩塊石筍（南端編號9512、北端編號9514）進行研究，確認洞穴碳酸鈣微層理為中國首次發(fā)現(xiàn)（9512樣品具有透光微層理，9514樣品具有熒光微層理）。1996年7月22日，劉東生首次進入石花洞，由筆者陪同觀察上述兩塊石筍的取樣地點，在北端石筍9514（或TS9502）附近（大戲臺）合影（圖9），為在北京召開的第30屆國際地質(zhì)大會（1996年8月4日～14日）上，利用石花洞碳酸鈣微層理說明《中國地質(zhì)環(huán)境與全球變化》做準備。

圖9 劉東生（左三）、呂金波（左四）、汪訓(xùn)一（右二）、秦小光（左一）

石花洞地層為東西走向，洞穴自西向東存在3條南北向巖溶裂隙，其中“南北大走廊”為中間1條南北向巖溶裂隙。3條巖溶裂隙與外界連通性好，生長的石筍容易具有微層理；9512樣品具有透光微層理，9514樣品具有熒光微層理，就是例證。

3 中國首次發(fā)現(xiàn)的膜足硬肢馬陸穴居動物新種

1982年，中國科學(xué)院動物研究所張崇洲研究員確認膜足硬肢馬陸（Skleroprotopus membranipedalis sp.nov.）為中國穴居動物新種；

硬肢馬陸屬（Skleroprotopus）隸于倍足綱（Diplopods）姬馬陸目（Julida）蒙古馬陸科（Mongoliulidae）。阿特姆（Attems，C.G.1901）在我國河北省張家口首次發(fā)現(xiàn)此種的孔丘硬肢馬陸（Skleroprotopus confucius），指定為模式種。高桑（Takakuwa，1942、1949）又先后在我國東北沈陽發(fā)現(xiàn)側(cè)基硬肢馬陸（Sk.laticoxalis）。1982年，張崇洲在北京石花洞發(fā)現(xiàn)膜足硬肢馬陸（Skleroprotopus membranipedalis，sp.nov.），雄性前生殖基節(jié)具有突起的膜葉,中國科學(xué)院動物研究所模式標本編號820623。這是中國巖溶洞穴中獨有的膜足硬肢馬陸穴居動物新種[9]。

4 首次建立石筍第四紀剖面

石花洞中的石筍粗細差異較大，中更新世石筍粗獷，晚更新世石筍呈桿狀，全新世石筍具有微層理，這些特征說明石花洞石筍疊置關(guān)系明顯，可以建立第四紀石筍剖面，這是對第四紀地質(zhì)學(xué)的重要貢獻。

石筍剖面從下至上依次劃分為鈣板組、云水洞組、石花洞組、守備支洞組和正在形成的鈣華[10]。

鈣板組為洞穴形成之初的鈣華沉積，為底流石，層理與洞穴底板平行。云水洞組為粗獷石筍沉積（以云水洞“塔倒三截”為代表），反映了周口店期濕熱環(huán)境。石花洞組為桿狀石筍沉積（以石花洞碗口粗細的金箍棒為代表），反映了馬蘭期干冷環(huán)境。守備支洞組為具有微層理的石筍沉積（洞穴碳酸鈣微層理在中國的首次發(fā)現(xiàn)及其對全球變化研究的意義[4]），反映全新世以來全球變暖的總趨勢下，冷暖相間的沉積環(huán)境。

上覆地層：正在形成的鈣華

平行不整合

守備支洞組

3．距今3ka以來的全新世，洞穴化學(xué)沉積發(fā)育，質(zhì)較純，具有透光微層和熒光微層。石筍類沉積普遍，但體積不太大，多為高約20cm，直徑7cm以下大小。沉積速率為0.04mm/a左右。

平行不整合

石花洞組

2.距今40～100ka的晚更新世，桿狀沉積的石筍非常發(fā)育，體積不等，最高達110～320cm以上，直徑約10cm，沉積速率為0.012～0.004mm/a。其中距今70ka僅測個別數(shù)據(jù)。距今120～160ka尚未有分析數(shù)據(jù)。

平行不整合

云水洞組

1.距今180～240ka為粗獷石筍沉積階段，高度＞7m，直徑1.5m。

平行不整合

下伏地層：鈣板組，距今170～180ka的中更新世，碳酸鈣多為洞穴形成之初的鈣華沉積。

5 巖溶學(xué)領(lǐng)域的另外6項全國領(lǐng)先

石花洞在巖溶學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新成果總共11項，前面提到5項，本節(jié)敘述6項。

前面提到5項，即：發(fā)現(xiàn)月奶石（1981—1986年）；發(fā)現(xiàn)洞穴碳酸鈣微層理（1995年）；發(fā)現(xiàn)膜足硬肢馬陸新種（1982年）；利用8層洞，提出北京西山8次新構(gòu)造隆升學(xué)說（1996年、2012年）；利用疊置關(guān)系明顯的石筍，建立第四紀石筍剖面（1999年、2013年）。

本節(jié)敘述6項全國領(lǐng)先，即：從地質(zhì)學(xué)、氣象學(xué)和環(huán)境學(xué)全面研究了石花洞（1995年—1997年，北京石花洞地區(qū)洞穴資源開發(fā)與環(huán)境保護）；測繪精度達到1：200；鈾系測年數(shù)據(jù)達到22個；進行了氡濃度研究（1992年，1995年，1997年）；進行了ESR測年（1989年）；進行了210Pb測年（1996年）。

5.1 首次從地質(zhì)學(xué)、洞穴氣候?qū)W、環(huán)境學(xué)等學(xué)科，全面研究了巖溶洞穴的開發(fā)與保護

北京市地質(zhì)調(diào)查所（現(xiàn)為北京市地質(zhì)調(diào)查研究院）主持的《北京石花洞地區(qū)洞穴資源開發(fā)與環(huán)境保護》項目（北京市科委855600400，1995年—1997年），從地質(zhì)學(xué)、氣象學(xué)和環(huán)境學(xué)全面研究了石花洞。

5.2 測繪精度高

李鐵英等對石花洞包括洞外、洞底、洞頂，進行了測量，洞外1km2范圍采用比例尺1：2000；洞底和洞頂采用比例尺1∶200，其測繪精度在全國巖溶洞穴中是最高的。

5.3 氡濃度研究早

氡是一種放射性氣體，對人類身體健康危害很大，被世界衛(wèi)生組織列為致癌的19種物質(zhì)之一。巖溶洞穴中氡濃度研究始于1967年，但直到20世紀70年代中期才由Willkening和Watkins等人系統(tǒng)研究。近年來，隨著巖溶洞穴的開發(fā)利用，英美等國在該領(lǐng)域進行了大量工作,并制定了氡子體允許濃度標準。我國在這方面的研究剛剛起步，最早有觀測記錄的就是石花洞。

1996年2月，筆者采用美國Sun Nuclear公司生產(chǎn)的1023型氡連續(xù)監(jiān)測儀對石花洞各層的氡濃度進行了系統(tǒng)測定，利用觀測數(shù)據(jù)，進行國內(nèi)外對比，根據(jù)國際放射防護委員會1990年建議書，首次制定了巖溶洞穴工作人員的年工作時間上限[11]。

5.4 鈾系測年數(shù)據(jù)多（約22個）

石花洞的年代學(xué)研究始于20世紀80年代初期(趙樹森等，1981年)[12]，目前對石花洞內(nèi)的碳酸鈣鈾系年齡數(shù)據(jù)約22個，即距今:5.70ka、5.90ka、8.10ka、14.90ka、42.90ka、47.50ka、50.40ka、51.80ka、54.70ka、64.40ka、65.50ka、69.50ka、78.50ka、81.50ka、98.80ka、100.30ka、169ka、178ka、183ka、235ka、240ka、241ka。這些年齡數(shù)據(jù)為在我國系統(tǒng)解剖一個洞穴，全面開展巖溶學(xué)研究典定了基礎(chǔ)。

5.5 首次進行ESR測年

用電子自旋共振(ESR)技術(shù)測定地質(zhì)和考古年代是近年發(fā)展起來的一項新的年代學(xué)方法，具有年代范圍寬,樣品廣泛，樣品量少等優(yōu)點，在石花洞西支洞（銀旗洞府）兩塊殘斷石筍中首次使用。石筍Ⅰ的年代，從上至下為14.0ka、130ka、235ka；石筍Ⅱ，以千年為單位，從上到下為245ka、267ka、316ka、472ka、518ka；加上二層洞口鈣華板的年齡179ka；共9組數(shù)據(jù)。為測定大于300ka的碳酸鈣樣品年齡開創(chuàng)了先河[13]。

5.6 首次進行210Pb測年

應(yīng)用210Pb法測定近百年以來鐘乳石年代，在國內(nèi)是首次嘗試。基本原理：從210Pb衰變到210Bi需要22a，再衰變到210Po需要5.02d，最終衰變到206Pb需要138.3d，半衰期總計22.4a。

應(yīng)用210Pb可精確測定近百年來的樣品年代。我們采集鵝管和石筍頂部樣品，做了8組210Pb樣品測定。應(yīng)用210Pb研究冰雪沉積速率和年代已經(jīng)取得成功，本研究是國內(nèi)用于鐘乳石測年的首次嘗試，所獲得的初步成果說明210Pb法研究近百年鐘乳石沉積基本可行。

6 巖溶學(xué)大事記

石花洞在巖溶學(xué)領(lǐng)域研究的大事年表見（表2）。

表2 石花洞巖溶學(xué)研究大事年表

[1]呂金波.石花洞8層溶洞展示北京西山新構(gòu)造運動的隆升[J].城市地質(zhì).2012，7（4）：41～45.

[2]袁道先.巖溶學(xué)詞典[M]北京：地質(zhì)出版社，1988，27.

[3]盧耀如.中國巖溶[M]北京：地質(zhì)出版社，1986，94～95.

[4]李紅春，顧德隆，陳文寄，焦文強，趙樹森，陳鐵梅，李鐵英.洞穴石筍的14C年代學(xué)研究——石花洞研究系列之二[J].地震地質(zhì)，1996，18（4）：329～338.

[5]譚 明，劉東生，秦小光，鐘 華，李鐵英，趙樹森，李紅春，呂金波，魯向陽.北京石花洞全新世石筍微生長層與穩(wěn)定同位素氣候意義初步研究[J].中國巖溶，1997，16（1）：1～10.

[6]劉東生，譚 明，秦小光，趙樹森，李鐵英，呂金波，張德二.洞穴碳酸鈣微層理在中國的首次發(fā)現(xiàn)及其對全球變化研究的意義[J].第四紀研究，1997（1）：41～51.

[7]呂金波，李鐵英，孫永華，車用太.北京石花洞的巖溶地質(zhì)特征[J].中國區(qū)域地質(zhì).1999，18（4）：373～378.

[8]秦小光，劉東生，譚 明，李鐵英，呂金波，丁仲禮，劉嘉麒，聶高眾.北京石花洞石筍微層灰度變化特征及其氣候意義——Ⅰ.微層顯微特征[J].中國科學(xué)（D輯），1998，28（1）.91～96.

[9]張崇洲，北京房山石佛洞硬肢馬陸屬——新種[A]．見：中國地理學(xué)會地貌專業(yè)委員會編，喀斯特地貌與洞穴[M]．北京：科學(xué)技術(shù)出版社，154～156.

[10]呂金波，李鐵英，汪訓(xùn)一，趙樹森，李紅春.第四紀石筍剖面的初步建立——以北京石花洞為例[J].地質(zhì)調(diào)查與研究.2013，36（1）：63～70.

[11]呂金波.北京石花洞氡濃度的研究[J].北京地質(zhì).1997，9（2）：29～32.

[12]趙樹森，劉明林，喬廣生.中國東部喀斯特洞穴沉積物鈾系年代[J].中國巖溶，1990，9（3）：279～288.

[13]邢如連，呼俊致，原思訓(xùn)，高世君.ESR法測定石筍類碳酸鹽年代的研究[J].中國巖溶，1989，8（2）：89～99.