北京平原地区地质系统

蔡向民，栾英波，郭高轩，刘 鸿

（1.北京市地质调查研究院，北京 102206；2.北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195 3.北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

北京平原地区地质系统

蔡向民1，栾英波2，郭高轩3，刘 鸿1

（1.北京市地质调查研究院，北京 102206；2.北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195 3.北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

经过几代人的工作，北京平原地质工作取得了丰硕的成果，在基础地质、水文地质、工程地质和环境地质等领域都有重要进展。本文通过北京平原三维地质结构分析，认为北京平原的地下水资源、工程地质、地面沉降、地裂缝灾害等地质问题均受三维地质结构控制，各种地质现象都处在一个统一的地质系统之内。第四系三维结构控制着第四系孔隙水资源的赋存、平原的工程地质特征和地面沉降的分布和演化；基岩的三维结构控制基岩裂隙水、岩溶水资源和地热资源的赋存状态；平原隐伏断裂对平原的地貌、基底形态起控制作用，对地裂缝、地面沉降等地质灾害的形成和发展有重要影响。这些由三维地质结构控制的地下水子系统、隐伏断裂子系统以及工程地质、地面沉降等地质问题，共同组成了北京平原区地质系统。

北京平原地区;三维地质结构;地质系统

0 前言

北京的地质工作历史较长，特别是建国以来，地质工作有了很大发展。基础地质、水文地质、工程地质、环境地质等领域取得了很多成果，为北京的城市发展和建设作出了很大贡献。

在我国的地质工作体制中，往往习惯按专业将地质工作分为区域地质、水文地质、环境地质、工程地质等类别，各专业各学科之间相对独立，互相联系不紧密，往往不以大地质观的角度进行综合分析研究。

2008年北京市政府与国土资源部联合领导组织开展的我国首个大规模城市地质综合调查工作圆满结束，第一次以大地质观的角度将构造地质、第四纪地质、水文地质、工程地质、环境地质、地热地质等工作系统地开展综合研究，通过几年的工作取得了丰硕的成果。研究表明，北京平原的各种地质问题都处在其地质系统的控制之中。

1 北京平原区的地质特征

北京地区新生代继承了中生代晚期的地质构造格架，形成了西部山区，东部平原的地貌特点。平原下伏基岩埋深变化较大，被多条断裂切割，构成了著名的北京断陷盆地（图1）。

图1 北京平原区地质构造示意图

在白垩纪末至上新世，断陷盆地内存在北京和延庆古湖泊(图2)。古湖新近纪时湖面扩大，湖水变深，有巨厚的古近纪和新近纪沉积，北京境内可达千米。北京平原由永定河、潮白河等冲洪积物堆积塑造而成，第四纪沉积物分布广泛，厚度变化很大，从山前到平原由几十米到数百米，在沉积凹陷中心最厚达一千余米(图3)。第四系沉积物成因类型主要有：冲积相、洪积相、湖沼相，局部钻孔发现有海相层。

卫星像片显示北京平原区存在数个巨大的冲洪积扇，它们相互交错、叠压，关系复杂。在冲洪积扇之间的扇间洼地和冲洪积扇边缘存在湖泊和沼泽沉积。

由于黄庄—高丽营断裂、永定河断裂的活动，永定河河道多次改道，由北向南逐渐迁移。通过卫星像片可清晰的看到，永定河改道形成的巨大冲洪积扇相互叠压（图4），最终塑造成如今的北京平原面貌。这些冲洪积扇从扇顶到扇缘，沉积物由砂砾石、中粗砂、粉细砂到粘土的规律变化。在扇间洼地和扇缘分布有湖相和沼泽相沉积。由于河流的摆动，冲洪积扇内岩性横向变化迅速，对比困难。在垂向上，砂砾石、砂、粉砂、亚粘土、粘土交互出现。在扇中、扇缘部位可见由粗到细的韵律，可作为冲洪积扇内岩层连接的依据之一。除了冲洪积扇外，在马池口、后沙峪和平谷存在3个第四纪沉积凹陷，凹陷中心第四纪沉积物厚度分别为597m、1000m、400m。这些冲洪积扇和沉积凹陷共同构成了北京平原第四纪的沉积总体轮廓。

图2 新近纪时期的延庆、北京古湖

图3 北京平原区第四系沉积厚度等值线图

图4 北京平原第四纪晚更新世永定河、潮白河冲洪积扇示意图

2 北京平原第四系地层的三维结构

北京平原第四系地层由几个巨大的冲洪积扇和沉积凹陷构成。在冲洪积扇内发育河流相；在扇间洼地和扇缘分布有湖泊沼泽，有湖沼型和河床型泥炭沉积，蕴藏量丰富。自上新世形成以来永定河出山口几次改变，其主河道受新构造运动影响多次改道，逐渐由北向南迁移。古金沟河，古漯河、古浑河、古无定河都是永定河向南迁移的古河道。这些古河道大多被冲洪积物填埋，另一些形成了众多的湖泊和洼地。

第四纪早期，在马池口、后沙峪和平谷形成3个沉积凹陷，沉积了巨厚的第四纪沉积物。在北京平原6400km2的区域内存在湖泊、沼泽、河流沉积，形成巨大的冲洪积扇群。河流冲洪积扇和沉积凹陷是北京平原第四系地质单元的主要类型（图5）。

图5 北京平原区第四系地质单元组合示意图

2.1 永定河冲洪积扇结构

永定河冲洪积扇群由多个扇体相互叠加组成，其中有2个扇体（称Ⅰ号扇、Ⅱ号扇），分布在北京境内。

永定河Ⅰ号冲洪积扇形成时间最早，规模最大。其轴线为东西方向，大致沿长安街由西向东。扇顶位于石景山地区，主要沉积物为砂砾石，出露地表，厚度数十米；扇的中部为中砂—细砂—粉砂与粘土互层，其河道部位为砂砾石和砂，河道两侧沉积物粒度变细；通县地区是冲洪积扇缘，沉积物颗粒较细，以粘土、亚粘土为主，见湖沼相沉积（图6、图7）。

通县向东至宋庄地区是永定河冲洪积扇与潮白河冲洪积扇的叠加部位，其沉积物相互叠压比较复杂。永定河冲洪积扇的形成时间较早，经新5孔钻探查明，永定河冲洪积扇的底界埋深340m，底部见厚度数十米的泥砂砾岩；经古地磁测试其形成时代为上新世中期，距今3.33～3.58Ma。冲洪积扇沉积物之下为上新世湖相沉积。在大兴隆起部位，冲洪积扇沉积层直接覆盖在寒武系、奥陶系地层之上。

永定河Ⅱ号冲洪积扇形成时间较晚，其轴线为南东方向，与古漯水、古浑河走向一致。Ⅱ号扇的规模较大，扇顶在石景山，沿古河道走向，其砂砾石层向东南方向凸出，电测深资料可清晰显示其分布范围和埋藏深度，扇体的北东侧叠置在Ⅰ号扇之上，有侵蚀Ⅰ号扇的现象；扇缘分布在北京市与河北省交界附近（图8）。

图6 永定河冲洪积扇剖面位置示意图

图7 永定河冲洪积扇A－A′地质剖面示意图

图8 永定河冲洪积扇B－B′地质剖面示意图

2.2 潮白河冲洪积扇结构

潮白河冲洪积扇的规模比永定河冲洪积扇小。潮白河河道相对稳定，其扇体无大的迁移，结构相对简单，扇体呈狭长的窄扇形。在北京境内潮白河河道位于扇的轴部，呈南北向。沉积物沿轴部由扇顶向南由砂砾石渐变为中细砂、粉砂，在通州与永定河冲洪积扇相互叠置。潮白河冲洪积扇中部砂石蕴藏丰富，可作为重要的建筑用砂产地。河道两侧地下水丰富，是北京重要的地下水源地。潮白河冲洪积扇与永定河冲洪积扇以温榆河为界，2个冲洪积扇的地球化学特征有明显差异，前者K2O的含量明显高于后者，说明了物质来源的不同。

2.3 沉积凹陷的结构

马池口凹陷位于南口—孙河断裂西北端南侧，因断裂上盘断陷形成，震平2孔揭露第四系厚597.6m。由于地处山麓，沉积物颗粒较粗，主要沉积物为砂质粘土、中细砂、砂砾石互层。凹陷基底为紫色中生界火山角砾岩，有风化现象。

后沙峪凹陷位于南口—孙河断裂北侧顺义附近，因断裂上盘断陷形成。凹陷中心新生界厚约1000m。总体上沉积物粒度上细下粗。上部为灰色、杂色砂砾石、砂、砂质粘土，下部为灰黄色、杂色砂砾石。底部浅棕红色泥岩，色匀质纯性软，成岩性差，易造浆。底部见巨厚的泥砾岩。后沙峪凹陷基底为中生界凝灰岩、凝灰质角砾岩。

平谷凹陷位于平谷盆地，凹陷中心基岩埋深600余米，主要为中上元古界长城系、蓟县系白云岩。基岩之上为巨厚第四系单一结构的砂卵砾石层，主要由河冲洪积物组成。砂砾石层砾径由东向西减小，东部以漂砾为主，西南出山部位以砂为主，砾石较少。砾石成分主要为砂岩、片麻岩，少量白云岩、火山岩。砾石磨圆中等。砾石层中加有厚度不等的透镜状、层状砂层。平谷凹陷地下水丰富，是北京城市供水重要的水源地。

上述冲洪积扇与沉积凹陷构成了北京第四系平原的总体架构。在每个第四系沉积单元内还分布有河流相、湖泊相沉积。查明这些次级地质体的结构，对于进一步精细刻画北京平原三维地质结构是很重要的。随着地质调查工作的深入，北京平原第四系三维地质结构的精度不断提高。

3 北京平原地下水资源、工程地质特征和地质灾害与三维地质结构的关系

3.1 地下水富水性与三维地质结构

北京市地处山区与华北平原的过渡地带，与我国北方许多城市一样，属严重缺水城市。1999年以来，年均降雨量仅为457mm，北京主要河流和水库来水严重不足，全市用水量的三分之二以上由地下水供给。地下水资源的可持续利用和保护十分重要，即使南水北调工程完工后，北京地下水资源的重要性仍不会削弱。

北京平原的地下水主要采自第四系松散沉积物中，其开采量占全市地下水开采量的90%以上。因此平原第四系三维地质结构，要反映平原地下水系统的主要特征。由图 9 可以看出，北京平原的第四系孔隙水富水性严格受第四系三维结构控制，其富水性区的分布、形态和规模都与潮白河冲洪积扇、永定河Ⅰ号冲洪积扇吻合。富水地段与含水层岩性有关，其颗粒粗富水性就好，颗粒细富水性则差。由冲洪积扇顶到扇缘，含水层颗粒逐渐变细，富水性也逐渐变差。粘土、亚粘土为隔水层，砂砾石、中细砂、粉砂为储水层。第四系三维地质结构控制着北京平原的第四系孔隙水地下水系统；基岩裂隙水和岩溶水受基岩三维地质结构控制。隐伏断裂的破碎带多为导水赋水部位,碳酸盐岩分布区则是岩溶水的赋存区。

图9 北京市平原区第四系孔隙水富水性分区图［11］

3.2 岩土工程地质特征与第四系三维地质结构

北京平原岩土工程地质特征具有明显的规律性，并与第四纪沉积物的性质密切相关。按照岩土的力学性质、地下水特点等因素，将平原分为岩土工程地质条件良好、较好和较差3类地区。其3类地区的分布，受平原第四系三维地质结构的控制（图 10）。由图10可以看出，北京平原岩土工程地质分区受冲洪积扇三维地质结构控制。永定河Ⅰ号冲洪积扇形成时代早于Ⅱ号扇，岩土密实度和力学性质好于Ⅱ号扇。同样，由于自扇顶到扇缘、岩土沉积物的颗粒由粗到细，分带分布，其岩土体的力学性质也具有明显的分带性。在冲洪积扇的扇缘、沉积凹陷与河湖地区，其沉积物颗粒较细，其力学性质较差。

图10 北京市平原区岩土工程地质简图

3.3 地面沉降与第四系三维地质结构的关系

地面沉降是北京平原地质灾害之一。近些年其沉降区面积和沉降速率呈上升趋势，对城市建设和发展造成的一定威胁和损害。关于北京地面沉降产生的原因存在2种观点：一种意见认为其主要原因是开采地下水过量；另一种意见认为主要是岩土地质原因，即平原地区存在可压缩的土层所致。由图 11 可以看出，北京平原地面沉降的分布具有明显的规律性，沉降中心都分布在冲洪积扇的扇缘和第四纪沉积凹陷区附近，而沉积凹陷又受断裂构造控制，其累计沉降量与所处冲洪积扇的形态和部位有关。榆垡沉降中心与永定河Ⅱ号扇基本吻合；冲洪积扇扇缘由于沉积物颗粒较细，存在较厚的可压缩层，为地面沉降的发生提供了发生条件，可能成为地面沉降的中心。北京平原地面沉降的原因主要是地质因素，受第四系三维地质结构和断裂系统控制。

除地下水、工程地质与地面沉降的特征受第四系三维地质结构控制外，北京平原土壤的地球化学特征、垃圾填埋场选址等，也都与第四系三维地质结构关系密切。

图11 北京市平原区地面沉降等值线图［12］

3.4 活动断裂、地裂缝与隐伏断裂系统的关系

北京平原的隐伏断裂比较发育，大多被第四系松散沉积物覆盖。通过大量的钻探和物探工作，平原区主要断裂分布目前已基本查清。北京平原主要的活动断裂有南口— 孙河断裂、黄庄—高丽营断裂、顺义断裂和夏垫—马坊断裂。北京地裂缝的分布与黄庄—高丽营断裂、顺义断裂关系密切。北京平原活动断裂和地裂缝已对城市的建设和发展造成了一定影响和威胁（图12）。北京平原地区的断裂系统是华北构造系统的一部分，他们与西山的隆升、华北平原的形成有一定的关联，它们的发生和活动规律与区域构造运动是一致的。NE向的断裂系统对北京断陷盆地和北京平原的形成起着主要控制作用，其中的黄庄—高丽营断裂、顺义断裂、南苑—通县断裂、夏垫—马坊断裂是主要的活动断裂，它们控制着地裂缝的分布、规模和发展。加强对平原隐伏断裂的研究，对开发基岩地下水和地热资源有重要意义。

图12 北京市平原区活动断裂及地裂缝图

4 北京平原的地质系统

已经完成的北京市多参数立体地质调查项目，使我们用系统的眼光观察各种地质现象。我们发现，北京平原的各种地质现象之间存在密切的联系和规律性，各种地质现象均处在一个统一的地质系统之中。

北京平原的地下水资源、工程地质特征以及各种地质灾害，都赋存或发生于第四系之中，与第四系的关系密切,受第四系的三维地质结构控制。因此了解平原第四系的三维地质结构，对于揭示平原的各种地质现象内在的规律具有重要的意义。

北京平原由冲洪积扇群、沉积凹陷、基岩和断裂组成的庞大系统，是我们面对的所有地质问题的最终决定者（图13）。构造运动和断裂活动造成了西部山区和平原的分化，形成了北京断陷盆地。随着永定河、潮白河等水系的出现，形成了巨大的冲洪积扇群。永定河、潮白河的冲洪积扇群控制着平原的地下水系统、工程地质特征以及地面沉降等的分布和发展。

基岩隐伏断裂子系统的特征决定着活动断裂的分布与活动特点，决定着隐伏岩溶塌陷和地裂缝的分布和发展，决定着平原的地壳稳定性。

图13 北京平原的地质系统示意图

5 结束语

本文所引用的资料大多为北京市多参数立体地质调查项目的成果。用系统的宏观的视角对这些成果进行综合的分析和研究还只是刚刚开始，本文的分析是初步的，一定会存在不少问题和不足。

[1] 王成善等.沉积盆地分析原理与方法.北京：高等教育出版社，2003年6月.

[2] 刘宝君等.岩相古地理基础和工作方法.北京：地质出版社，1985年5月.

[3] 谢宇平等.第四纪地质学及地貌学.北京：地质出版社，1994年11月.

[4] 北京区域地质志.北京：地质出版社,1991年12月.

[5] 北京市岩石地层.北京：中国地质大学出版社，1996年7月.

[6] 李华章.北京地区第四纪古地理研究.北京：地质出版社，1995年.

[7] 鲍亦冈等.北京地质百年研究.北京：地质出版社，2001年10月.

[8] 河北省北京市天津市区域地质志.北京：地质出版社，1989年6月.

[9] 蔡向民等.城市地质调查中第四纪松散沉积物的分类研究.城市地质，2007年，第2卷第3期.

[10] 北京城市地质（北京城市地质丛书一分册）.北京：中国大地出版社，2008年9月.

[11] 北京地下水（北京城市地质丛书二分册）.北京：中国大地出版社，2008年9月.

[12] 北京地质灾害（北京城市地质丛书三分册）.北京：中国大地出版社，2008年9月.

[13] 北京浅层地温能资源（北京城市地质丛书四分册）.北京：中国大地出版社，2008年9月.

[14] 北京城市地质图集（北京城市地质丛书）.北京：中国大地出版社，2008年9月.

[15] 北京志（北京矿产水利气象卷·地质矿产志）.北京：北京出版社，2001年12月.

Geological System in Beijing Plain Area

CAI Xiangmin1, LUAN Yingbo2, GUO gaoxuan3, LIU Hong1
（1. Beijing Institute of Geological Survey, Beijing 102206; 2. Beijing Geological Development Corporation; Beijing 100195; 3. Hydrogeology and Engineering Geology Team of Beijing, Beijing 100195）

The geological work in Beijing plain has achieved many fruitful results by the several generations. Great important advances have been made in such felds as basic geology, hydrogeology, engineering geology and environmental geology. The three-dimensional geological structures were frst analyzed in this paper. It is considered that all the geological problems of groundwater resources, engineering geology, land subsidence and ground fissure are controlled by the three-dimensional geological structures, and all the geological phenomena were in a unifed geological system. This paper suggests that the three-dimensional Quaternary geological structures control the occurrence of pore water resources, the engineering geological characteristics of the plain area, distribution and evolution of the land subsidence. The occurrence of bedrock fssure water, karst water and geothermal resources are controlled by the three-dimensional structures of bedrock. Topographic feature and basement pattern are controlled by the buried faults, which affect the formation and development of land subsidence and ground fssures. The geological system in Beijing plain is composed of groundwater subsystem, the buried fault subsystem and the geological problems of engineering geology and land subsidence.

Beijing plain; three-dimensional geological structure; geological system

P534.63

A

1007-1903(2009)03-0006-07