北京的地質環境系統劃分

呂金波，王純君，劉 鴻，張曉亮

（北京市地質調查研究院，北京 102206）

北京的地質環境系統劃分

呂金波，王純君，劉 鴻，張曉亮

（北京市地質調查研究院，北京 102206）

北京位于中國地貌第二級臺階與第三級臺階的過渡帶，山地為太行山（西山）與燕山（北山）的交匯之地，平原為華北平原的西北隅，山地和平原兩大地貌單元造就兩大地質環境系統。山地地質環境系統分為：西山南部碳酸鹽巖區、中部火山巖區、北部碳酸鹽巖區，北山西部松散沉積物區、中部巖漿巖區、東部變質巖區、東南部碳酸鹽巖區。平原地質環境系統分為：山前島狀殘丘區、拒馬河沖洪積扇區、大石河沖洪積扇區、永定河沖洪積扇區、北運河洪積扇群區、北運河洪積扇群溢出帶區、潮白河沖洪積扇區、薊運河沖洪積扇區。

地質環境系統；山地；平原；沖洪積扇；北京

20世紀末，中國科學院和國家環保總局聯合提出建立地質環境系統研究中心，劉東生提出《加強跨學科綜合研究，解決現實環境問題》，孫樞（1998）提出《地質環境系統研究與可持續發展戰略》，王思敬提出《論人類工程活動與地質環境的相互作用》。2008年8月6日－14日在挪威奧斯陸舉行的第33屆國際地質大會主題為“地球科學系統是可持續發展的基礎”。2016年7月4日—6日在上海召開了第四屆“地球系統科學大會”。筆者在系統科學思想的感召下，結合北京的實際，思考“北京的地質環境系統劃分”。

人類活動是在人地界面進行的，表現為人類活動受到自然地質環境的制約，同時，地質環境也會受到人類活動反饋制約，研究人類活動與地質環境作用的綜合環境效應，以期取得人與自然的和諧發展（王思敬等，1998）。

北京是具有山地（包括延慶盆地）和平原的城市，帶動整個國家地質工作發展的地質學搖籃城市。《北京西山地質志》記載：“一九一六年夏，輔等任事于地質調查所，所長丁文江首令完成五萬分之一之西山地質圖”（葉良輔等，1920）。2016年恰逢北京西山地質調查百年，劃分北京的地質環境系統有重要意義。

1 地質工作形勢分析

北京是中國地質工作的搖籃，1863年9月美國人Raphael Pumpelly（1867）第一個到北京西山調查地質，提出“震旦方向（Sinian Trend or Axis）”的概念，19世紀70年代德國人Richthofen Ferdinand Von（1877）提出了“震旦組（Sinian Formation）”地層名稱，1920年中國人葉良輔等（1920）13人編纂了中國的第一部地質學專著《北京西山地質志》，隨后地質工作相繼在全國展開。

20世紀，由于工業化對礦產資源的強大需求，地質工作主要圍繞礦產資源勘查展開，由此帶來了礦業的繁榮，建立了一大批以采礦為業的新興工業城市，帶動和促進了人類社會經濟的發展。同時，地質學本身也得到了深化與發展。

21世紀，對人口、資源和環境關系的研究成為主題。隨著世界人口的增長和城市化進程的加快，與城市災害防治、資源開發、廢物處置和環境保護等有關的地質問題日益嚴重，已直接影響和制約著人類社會的可持續發展，地質學對確立人與自然的和諧發展起著不可替代的重要作用。

根據《北京城市總體規劃》（2016—2030年）和2015年7月北京市委、市政府通過的關于貫徹《京津冀協同發展規劃綱要》，建設京津冀協同發展副中心（通州），北京將優化城市功能和空間結構布局；加強精細化管理，構建超大城市有效治理體系。

當前，北京地質工作發展正在向城市化區域迅猛拓展，工作內容向著綜合性發展，工作精度向著1∶2.5萬～1∶1萬或更大比例尺發展，大數據展示向著及時性和時時性發展，此時加強北京的地質環境系統劃分已迫在眉睫。

2 地質環境系統的概念

地質環境系統是指，在發生和發展上存在聯系的各種營力在地球表層形成的具有特定地質過程和邊界的區域。一個地質環境系統是地球內外地質營力在特定范圍內作用的結果，系統與系統之間存在不斷的能量與物質交換過程，每一個地質環境系統都占有地球表面一定的區域，并由巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈和人類社會的特定部分所構成（孫樞，1998）。

北京在地質地貌上的最大特色是“北京灣”。《北京西山地質志》地文一章記載：“維理士有言曰，中國東部自緯度四十度起，有大平原向北入叢山，形如海灣，其東南口徑寬達四十五英里，山脈因之被橫斷。從平原以視其四維之山嶺，猶海灣之于石壁。其灣澳之部分名之曰北京灣”。依據“北京灣”山地與平原的交界線，山地與平原所呈現的地質環境系統差別很大，劃分為山地地質環境系統和平原地質環境系統。

3 北京地質環境系統的三級單元劃分

地球本身是最大的地質環境系統，7大洲4大洋分別是相對獨立的地質環境系統，中國屬于亞洲東部季風條件下可分為3大臺階的地質環境系統，北京恰好處于中國第二臺階和第三臺階過渡帶，分為山地和平原兩大地質環境系統。

北京山地與平原界限清晰。山地為黃土高原及華北中、低山。平原為松遼—華北平原。地質環境系統詳細劃分為3級（表1、圖1）。

北京地區的大地構造位于柴達木—華北板塊華北陸塊（克拉通）華北北緣隆起帶、燕山中新元古代斷裂帶和華北盆地，地質構造的復雜造成地質環境系統也復雜。北京市總面積16410km2，山地面積10072km2，占61.4%，海拔一般1000～1500m，最高峰為與門頭溝東靈山，海拔2303m。平原面積6338 km2，占38.6%，海拔一般10～60m，最低處在通州柴廠屯，海拔8m，著名的天安門廣場海拔44.4m。

圖1 北京地質環境系統分區Fig.1 Partitions of systems of geological environment in Beijing

山地一級地質環境系統為黃土高原及華北中山、低山區。二級地質環境系統分為太行山中山、低山區和燕山中山、低山區。三級地質環境系統分為西山南部碳酸鹽巖區，中部火山巖區，北部碳酸鹽巖區；北山西部松散沉積物區，中部巖漿巖區，東部變質巖區，東南部碳酸鹽巖區。

平原一級地質環境系統為松遼—華北平原區。二級地質環境系統分為山前島狀殘丘區，大清河沖洪積扇區，永定河沖洪積扇區，北運河沖洪積扇群區，潮白河沖洪積扇區，薊運河沖洪積扇區。三級地質環境系統分為太行山山前島狀殘丘區和燕山山前島狀殘丘區，拒馬河沖洪積扇區、大石河沖洪積扇區、牤牛河沖洪積扇區，北運河山前洪積扇群區和洪積扇群溢出帶區。

4 一級地質環境系統研究的總體思路

研究巖石圈、第四紀松散沉積物、土壤圈、水圈、生物圈和大氣圈等系統，對北京環境的關鍵性問題和跨學科界線的問題進行探索，強調系統科學的方向。通過保存在地質體大檔案庫里時間和空間的記錄來認識地球系統的變化，以期對環境的變化在時間的分辨率上有突破。通過對各個圈層的相互作用的研究，使得環境地學在思想認識上有突破（劉東生，1998）。

北京分為山地和平原，兩種地貌的交界線構成了“北京灣”，城市規劃應該與“北京灣”相互協調，力爭達到人與自然的和諧，按照不同地質環境系統單元，有針對性地制定地質環境系統研究的總體思路。

山地分為太行山（西山）和燕山（北山）。西山是我國地質工作的搖籃，盛產煤、石灰巖、大理巖非金屬資源、以巖溶景觀和火山巖景觀為美的旅游地質資源；地質環境系統調查不但要摸清煤、石灰巖和大理巖資源的儲量，還要研究開采這些資源給首都帶來的負面效應，開展環境容量的研究，合理布局。開發地質景觀資源，以自然景觀旅游帶動西山經濟的發展。北山以開采鐵礦和多金屬礦為主，現在密云水庫、懷柔水庫及京密引水渠是北京人民的飲用水源；地質環境系統調查應緊緊圍繞這兩盆清水，開展各流域的環境地質調查，查清各種自然污染物和人為污染物的污染路徑，提出治理方案，為首都人民的飲水安全提供保障；北山的延慶斷陷盆地環境優良，為2022年冬奧會場地，地質環境系統調查應立足生態農業地質，為該地區的大農業發展提供豐富的地質資料，發揮農業地質在城市發展中的作用。

平原分為深部（晚更新世以前）和淺部（晚更新世以來）。平原被新生代沖洪積物掩埋，基巖面由西北向東南呈現北京凹陷、大興隆起和廊固凹陷。北京凹陷包括西北部的馬池口凹陷（深約700m）、中心城區的豐臺凹陷（深約1500m）和東北部的順義凹陷（深約800m）。晚更新世末以來，平原是由大清河、永定河、溫榆河、潮白河和薊運河共同塑造的，人類活動與沖洪積物地質體關系的研究是地質環境系統的重點，北京中心城區坐落在永定河沖洪積扇上。地質環境系統調查的重點是開展水工環地質調查和長期監測，研究南水北調與地下水資源的調蓄關系，尋找地下水庫，長期開展應急水源地調查和深層巖溶水的動態調查，增強全市的供水能力。從深層地殼穩定性和淺層巖土工程兩個方面布局和限定人類工程活動，調查地下空間，研究人類活動與地質環境作用的綜合環境效應，實現人與自然的和諧發展。調查地熱及淺層地溫分布的深度和范圍，發揮為首都提供無污染清潔能源的優勢。重視垃圾場選址工作，最大限度地避免對地下環境的破壞，使得城市建設進入良性循環。

5 二、三級地質環境系統單元的特點

以北京山地與平原兩個一級地質環境系統單元為框架，進一步劃分二、三級地質環境系統單元，初步分析各個地質環境系統單元的特點，為深化各個單元之間關系的研究奠定基礎。

5.1 山地地質環境系統

一級單元為山地地質環境系統，二級單元分為太行山（西山）和燕山（北山）2個地質環境系統。

5.1.1 太行山（西山）地質環境系統

太行山（西山）三級單元分為西山南部碳酸鹽巖區、西山中部火山巖區、西山北部碳酸鹽巖區。

（1）西山南部碳酸鹽巖區

拒馬河流域，人類在旅游活動中，要防范巖石的崩塌作用。大石河流域有豐富的巖溶水，人類可以調蓄利用巖溶水。

拒馬河流域地層主要為中元古代霧迷山組硅質條帶白云巖。由于硅質條帶是非可溶性巖石，白云巖是可溶性巖石，造成整體巖溶作用不均勻，形成十渡似峰叢巖溶地貌。同時，由于地層水平，垂直節理深而直，容易產生崩塌作用。

關于拒馬河兩岸的巖溶地貌，酈道元（2001）的《水經注》（卷十二篇·巨馬水）描述：“層巖壁立，直上千宵，遠望崖側，有若積刀”。這是對新近紀石林與第四紀巖溶陡壁的組合地貌形態——房山地貌的最早詮釋（呂金波等，2010）。

拒馬河流域的霧迷山組，主要巖石為硅質條帶白云巖，巖石多厚層狀，結構致密，性脆。溶蝕試驗結果表明，這種巖石的比溶蝕度、比溶解度均在0.6以下，而崩塌破壞量較大。

拒馬河流域的霧迷山組地層水平，垂直節理發育是最大特點。一個地點常常有3組到4組交叉。裂隙面多垂直，一般大于70°。裂隙密度大，一般大于5條/米，最大可達20.6條/米，裂隙寬度平均為0.03～0.05 mm，很少充填。密度高、滲透性好的多組裂隙為巖溶作用提供了有力的基礎條件。容易導致雨水直接下滲溶蝕，形成縱橫交錯的溶蝕裂隙網絡，并在溝谷水流的作用下，擴大為溶溝和深切的溝谷系統（蔣忠誠等，1996）。

大石河流域地層主要為奧陶紀馬家溝組石灰巖，在馬家溝組與上覆石炭紀太原組之間有1.4億年的沉積間斷，沿著馬家溝組頂部地層走向形成石花洞巖溶洞穴。同時也形成了流量可觀的巖溶水，可以調蓄利用巖溶水。

（2）西山中部火山巖區

火山巖主要為髫髻山組，東靈山和百花山形成美麗的亞高山草甸，妙峰山有道教金頂景觀；人類采煤引起的礦坑塌陷，同時清水河谷為強降雨帶，易發洪水和泥石流

西山大的地質構造為向斜成山，自東北向西南依次為九龍山向斜、髫髻山向斜和百花山向斜。門頭溝火山巖位于向斜的核部，向斜成山形成了東靈山、百花山、髫髻山和妙峰山等具有分水嶺性質的火山巖山峰。東靈山和百花山形成美麗的亞高山草甸，素有“華北天然植物園”之稱，俗稱“五色花塘”，形成旅游景區。火山巖歸入髫髻山組。妙峰山為火山巖地貌，以創建于明末的“天仙圣母碧霞元君廟”著名，稱為金頂妙峰山，也是旅游區。

1863年9 月以來，隨著現代地質學的興起，對向斜兩翼的煤炭進行了大規模開采，形成了許多采空區。與石炭紀煤層相關的地質災害，以奧陶紀石灰巖水透入—地面不均勻沉降—地裂縫為主；與侏羅紀煤層相關的地質災害，以古煤窯采空積水泄漏—頂板崩塌—強烈礦震為主（紀玉杰，2004）。

（3）西山北部碳酸鹽巖區

沿河城斷裂北部的幽州背斜成谷，正是因為背斜成谷使得永定河成為唯一穿過北京西山的河流，形成美麗的永定河主河道巖溶景觀；同時，由于懷來盆地與西山在此過渡，形成強降雨帶，容易產生局地強對流天氣，易發洪水和泥石流，2017年6月19日就在麻黃峪發生了洪水。沿河城斷裂南部的青白口穹窿形成南石洋大峽谷巖溶景觀，下葦甸穹窿南翼形成永定河蛇曲景觀。沿河城斷裂沿線巖石破碎，遇局地強對流天氣，容易發生泥石流。

西山北部發育沿河城——南口山前斷裂帶，在了思臺以東山谷，燕山期構造破碎的巖石形成了巨厚而松散的馬蘭礫石層（馬蘭臺地），容易產生斷裂破碎帶泥石流。

5.1.2 燕山（北山）地質環境系統

燕山（北山）三級單元分為北山西部松散沉積物區、北山中部巖漿巖區、北山東部變質巖區、北山東南部碳酸鹽巖區。

（1）北山西部松散沉積物區

延慶新生代斷陷盆地南側為八達嶺花崗雜巖體，為與北京平原隔離的分水嶺，托起了著名的萬里長城，為旅游區；盆地北側為大海陀山花崗巖體，構成了北京的第二高峰（海拔2241m），為旅游區；東部千家店有侏羅紀土城子組硅化木和恐龍腳印，三者構成了延慶世界地質公園的主體。山地適合旅游，盆地平原適合農業地質；但盆地邊坡較陡，易發泥石流，在旅游與農業地質發展中，注意防范泥石流地質災害。

延慶為北東向展布、東北高、西南低的新生代山間斷陷盆地，從山地到盆地中心可分為山地、坡積裾、黃土臺地和現代河流階地地貌單元，具有明顯的分帶性。延慶盆地與西南的懷來盆地、涿鹿盆地和礬山盆地構成一個大的新生代斷陷盆地，稱為延懷盆地。

（2）北山中部巖漿巖區

山區南北兩端發育花崗巖，球形風化作用形成類似黃山和華山的地貌景觀，非常適合旅游，同時燕山期花崗巖經歷多期地質構造，節理發育，易發崩塌和泥石流，在旅游的同時注意避讓地質災害。

昌平懷柔山區中部為中生代火山巖地貌，南北兩端發育花崗巖體。南部主要為云蒙山變質核雜巖，巖體裸露，R、S、Q三組節理發育。北部喇叭溝門一帶發育大面積的花崗巖體，節理發育。節理發育的花崗巖極易產生崩塌，崩塌后的碎石堆積在溝谷中，形成易發泥石流。

（3）北山東部變質巖區

密懷太古宙變質巖產鐵礦，同時密云水庫和懷柔水庫也坐落在變質巖上，為了保護北京的飲用水源，必須停止采礦，盡量減少人類活動，使得該地區恢復成自然生態地質環境系統。

酈道元在《水經注》（卷十四篇）中稱密云區為“密云戍”。由于烏云密布，故稱密云；由于長發泥石流，生產力低下的古代建不起較大的縣城，故為規模較小的行政單位“密云戍”。

密云的泥石流的發生主要與強降雨有關系，從北京山前到密云番子牌為一條強降雨帶。

（4）北山東南部碳酸鹽巖區

屬于薊運河流域，地層為白云巖，賦存豐富的巖溶水，在開發巖溶水的同時，注意巖溶塌陷地質災害。

平谷區為著名薊縣剖面的西延部分，基巖主要為中晚元古代白云巖，沿構造線方向發育小型巖溶洞穴（如京東高于莊組大溶洞）。2012年—2014年，開展的《北京巖溶水資源勘查評價工程》項目，將二十里長山—平谷盆地劃分為巖溶水子系統，在平谷區東高村和馬坊施工的兩眼井，井深1000多米，水位降深不大，出水量卻超過了6000 m3/d，達到了奧陶系灰巖水的出水量。另外，位于二十里長山西側的勘探井在施工過程中，由于巖溶塌陷，使得鉆機幾乎全部沒入坑中。

5.2 平原地質環境系統

一級單元為平原地質環境系統，二級單元分為山前島狀殘丘區、大清河沖洪積扇區、北運河洪積扇群區、永定河沖洪積扇區、潮白河沖洪積扇區、薊運河沖洪積扇區6個地質環境系統，能進一步劃分三級單元的為山前島狀殘丘區地質環境系統、大清河沖洪積扇區地質環境系統和北運河洪積扇群區地質環境系統。

（1）山前島狀殘丘區地質環境系統

山前島狀殘丘區三級單元分為太行山（西山）山前島狀殘丘區、燕山（北山）山前島狀殘丘區。

太行山（西山）山前島狀殘丘區包括石景山、老山、八寶山和田村山，燕山（北山）山前島狀殘丘區包括九里山、棉山、大湯山、小湯山、牛欄山和二十里長山。這些殘山代表了中生代正沖構造展布特征。

（2）大清河沖洪積扇區地質環境系統

大清河沖洪積扇區三級單元分為拒馬河沖洪積扇區、大石河沖洪積扇區和牤牛河沖洪積扇區。

拒馬河沖洪積扇區：分布北京西南部，主體已出北京市，主要物質為白云巖礫石，沖洪積扇底部隔水底板為古近紀半膠結砂礫石。

大石河沖洪積扇區：分布于山前地區，砂礫石巖性復雜，化探富Sr圖很好地顯示大體形狀為北窄南寬展布。

牤牛河沖洪積扇區：分布于大石河與永定河之間，由多條山谷流出的小型沖洪積扇群構成山前平原。

（3）北運河洪積扇群區地質環境系統

北運河洪積扇群區三級單元分為山前洪積扇群區和洪積扇群溢出帶區。

山前洪積扇群區：海淀山后與南口山前地區形成山前洪積扇群，從西南向北東依次有北安河洪積扇、西峰山洪積扇、南口洪積扇、十三陵洪積扇等，形成洪積扇群。

洪積扇群溢出帶區：洪積扇群的眾多溢出帶，在高里掌—辛力屯一帶形成扇前洼地，至今地下埋藏大量全新世泥炭。

6 結論

北京的地質環境系統劃分是對北京地質環境深刻認識的初步階段，隨著北京建設世界一流和諧宜居之都的偉大進程，人們對地質環境系統的認知持續豐富，不斷提高利用環境效率和善待環境的良好氛圍，達到人與自然和諧共存的理想境界。

致謝：本文在編寫過程中得到了北京地勘局總工程師鄭桂森的多次指導，在此表示感謝。

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Division of Beijing Geological Environment System

Lü Jinbo, WANG Chunjun, LIU Hong, ZHANG Xiaoliang

(Beijing Geological Survey, Beijing 102206)

Located in the transitional zone between second step and the third steps Chinese landform, Beijing was in the junction of Taihangshan Mountain and Yanshan Mountain. The thesis fi rstly studied geological environment system from mountainous region and plain area in Beijing. The geological environment system of mountainous region was divided into Beijing Western Hills and Northern Hills. We marked off Carbonate Rocks System in southern of Beijing Western Hills, Volcanic Rock System in middle of Beijing Western Hills, Carbonate Rocks System in northern of Beijing Western Hills, unconsolidated sediment System in western of Northern Hills,Magmatic Rocks System in Northern Hills, Metamorphic Rocks System in east of Northern Hills, and Carbonate Rocks System in southeast of Northern Hills. The geological environment system of plain area was divided into that Island Hills and Alluvial-Proluvial Fan of Juma River, Dashi River, Yongding River, Beiyun River, Chaobai River and Jiyun River.

geological environment system; mountainous region; plain area; alluvial-proluvial fan; Beijing

A

1007-1903（2017）03-0019-07

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.03.004

中國區域地質志——北京志修編項目資助（12120113012900）

呂金波（1956- ），男，博士，教高，從事北京地質調查。E-mail：ljb5610@sohu.com