北京西山圣莲山地质公园的岩溶地貌演化

吕金波，刘增利

(1.北京市地质调查研究院，北京 102206；2.北京市房山区圣莲山风景区，北京 102461)

北京西山圣莲山地质公园的岩溶地貌演化

吕金波1，刘增利2

(1.北京市地质调查研究院，北京 102206；2.北京市房山区圣莲山风景区，北京 102461)

圣莲山地质公园为房山北部大石河上游一个小型完整的岩溶盆地，地质构造属于百花山向斜的南翼。造景岩石从下至上依次为，寒武纪张夏组鲕粒灰岩、炒米店组条带状石灰岩和奥陶纪石灰岩。造貌构造为，印支运动、燕山运动和新构造运动。印支运动的南北向挤压形成响山背斜；燕山运动的北西－南东向挤压形成神牛岭和翠屏峰两个方向的岩溶墙；新构造运动的8次抬升，形成穿洞（通风洞）、孤峰（莲子峰）、脚洞（圣米石塘）、房山地貌（笔架山）、岩溶夷平面（晾马台）、北西向岩溶墙（翠屏峰）、北东向岩溶墙（神牛岭）、溶洞（隐仙洞）岩溶地貌景观。穿洞为北京西山最高的岩溶洞穴，孤峰为残存的新近纪峰林地貌，圣米石塘为孤峰脚洞，笔架山为上新世石林与第四纪岩溶陡壁组合成的房山地貌，晾马台为中更新世形成的岩溶夷平面，翠屏峰和神牛岭为晚更新世形成的岩溶墙，隐仙洞为全新世形成的岩溶洞穴。

新构造运动；北方岩溶地貌演化；岩溶墙；圣莲山；北京西山

北京西山圣莲山地质公园，位于大石河上游（图1）。为岩溶地貌区，造景岩石为古生代寒武纪 奥陶纪海相沉积形成的石灰岩。印支运动形成了近东西向的响山背斜；燕山运动形成了北东向延伸的百花山向斜。随着新构造运动的抬升，在百花山南坡先后形成了穿洞（通风洞）、孤峰（莲子峰）、脚洞（圣米石塘）、房山笔架山等奇特岩溶景观。

1 圣莲山的造景岩石

图1 圣莲山区交通位置图

圣莲山地质公园的造景岩石，为古生代寒武纪和奥陶纪形成的石灰岩。由于圣莲山处于百花山向斜的南翼，所以从南向北岩层由老到新依次为寒武系昌平组、馒头组、张夏组和炒米店组，奥陶系冶里组、亮甲山组和马家沟组。

昌平组主要是灰色厚层豹斑状灰岩，馒头组的岩石普遍呈紫红色，张夏组发育鲕粒灰岩，炒米店组发育竹叶状砾屑灰岩，冶里组发育泥质条带和纹带，亮甲山组以下部灰岩上部白云岩为特征，马家沟组发育厚层状灰岩[1]。

张夏组是美国地质学家Willis和Blackwelder（1907）在山东省长清县张夏镇附近建立的地层单位，以厚层鲕粒灰岩和藻灰岩为主夹钙质页岩为特征。该组地层分布在地质公园南部的柳林水一带，分为下中上3层，下层泥质条带灰岩，中层颗粒灰岩夹钙质粉砂岩，上层巨厚层深灰色鲕粒灰岩。

炒米店组是美国地质学家Willis和Blackwelder（1907）在山东省长清县崮山镇炒米店村东北山脊上建立的地层单位，以中薄层竹叶状灰岩为主、夹云斑叠层石藻礁灰岩为特征。在地质公园入口处，下部岩石普遍夹砂质条带，中部为竹叶状、上部为小竹叶状灰岩，顶部为白云质灰岩。

冶里组为Grabau（1922）在唐山开平镇冶里村建立，以厚层豹皮灰岩及灰色厚层泥纹灰岩为主。在地质公园佛椅山附近的三碰水之上，路边即出露豹斑灰岩。

亮甲山组为叶良辅等（1919）在河北省抚宁县石门寨亮甲山创名，为灰色厚层燧石结核灰岩、中厚层灰岩夹薄板状灰岩及少量竹叶状灰岩组成，分布在地质公园的翠屏峰附近。

马家沟组为Grabau（1922）在唐山开平镇马家沟村建立，为灰色厚层灰岩夹白云岩、角砾状灰岩、角砾状白云岩的岩石组合。该组岩石分布在地质公园九莲洞、圣水洞、圣米石塘、莲子峰、笔架山、穿洞地区。

2 圣莲山的造貌运动

从地貌形成的角度，将造貌运动代替构造上的后造山运动[2]。北京西山明显的构造形变只发生在印支、燕山和新构造3个时期，3个时期的褶皱与断裂的空间展布、组合方式、延伸方位及形成机制都存在一定的差异[3]。

（1）印支运动残留的构造形迹 响山背斜

二叠纪－三叠纪双泉组的杂色碎屑岩沉积以后，在南北向区域构造应力挤压下，发生了印支运动，形成了一系列走向东西，横剖面上背、向斜构造呈较典型的宽缓箱状褶曲。荞麦山背斜呈宽缓箱状，规模较大，响山背斜是其中残留的一部分（图2）。

图2 印支运动形成的响山背斜

响山背斜景点的岩石为寒武纪石灰岩，由于水平岩层受到地应力的挤压，造成岩层向上弯曲，地质学上称为背斜。响山背斜宽度100m，背斜轴近东西向，是华北地区恐龙刚刚出现时的构造运动 印支运动、南北向挤压作用的结果。

（2）燕山运动形成的构造单元 百花山向斜

燕山运动最早由翁文灏在1926年的东京泛太平洋科学大会上提出，原意为北京西山侏罗纪末白垩纪初产生的不整合，火成岩活动和成矿作用[4]。长久以来，燕山运动成因问题一直是学者们争论的焦点。北京的地质工作者，通过大量的野外填图工作，围绕基础地质领域（地层、构造、火成岩等）进行解释。近年来，许多学者相继提出了板块内部流变学特征的解释，以及天体事件和板块多向汇聚的复杂成因等。

燕山期褶皱是盖层强烈变形的产物。它的褶皱规模大、延伸远、褶皱较强烈，与断裂构造密切相伴，空间上呈北东向斜排列等特征与印支褶皱相区别。按照发育顺序、构造特征和方位等差异，可以划分为早、中、晚3个时期的褶皱。

百花山向斜为燕山中期褶皱，为一略向南西缓倾伏、轴面向南东陡倾的斜歪箱状向斜。向斜核部岩层较缓，由中生代侏罗纪髫髻山组构成；由核部到两翼依次由三叠系、二叠系和石炭系砂页岩、奥陶系石灰岩、寒武系条带状石灰岩和鲕状灰岩构成。

圣莲山地质公园发育在百花山向斜南翼的奥陶纪和寒武纪石灰岩中。

（3）新构造运动的8次抬升 不同海拔高程的岩溶地貌景观

华北地区的地貌景观主要由新构造运动形成。古近纪，华北为准平原化地貌，形成了最早的夷平面。新近纪，北京西山开始抬升，形成了宽谷地貌，圣莲山的穿洞最先形成，接着形成孤峰，随后形成脚洞（如：圣米石塘、圣水洞和九莲洞等）。北京西山新近纪晚期形成了一片石林地貌，笔架山是这个时期形成的。进入第四纪，北京西山迅速抬升，形成了岩溶陡壁，笔架山就是新近纪石林与第四纪岩溶陡壁的组合形态，这一现象在房山地质公园表现得最为明显，可以称为房山地貌[5]。第四纪中更新世，北京西山相对稳定，形成了晾马台岩溶夷平面。晚更新世，北京西山抬升幅度加大，沿着燕山运动形成的北西和北东两组节理构成了翠屏峰和神牛岭岩溶墙景观。进入全新世，随着北京西山的抬升形成了最低一级的溶洞 隐仙洞。

3 圣莲山地质公园的岩溶地貌形态（按照形成期次分类）

（1）穿洞（俗称通风洞）

通风洞 景点的岩石，为奥陶系石灰岩。新近纪，圣莲山地区的石灰岩长期处在地下河面附近，石灰岩的化学成分为CaCO3，侵蚀性CO2的作用下，河面附近的石灰岩被溶蚀，形成洞穴。新构造运动使得山体抬升，形成了北京西山最高的岩溶地貌 穿洞，海拔1050m（图3）。

图3 北京西山最高岩溶地貌——穿洞

（2）孤峰（莲子峰）

莲子峰 景点的岩石为奥陶纪石灰岩，化学成分为CaCO3。新近纪，气候湿热，在大气降水中侵蚀性CO2的作用下，石灰岩被溶蚀，形成了 莲子峰岩溶孤峰，海拔938m（图4）。孤峰为新近纪兀立在圣莲山岩溶盆地上的孤立石峰。

图4 岩溶地貌——孤峰.

脚洞 圣米石塘 景点位于莲子峰下，造景岩石为奥陶纪石灰岩，为孤峰的脚洞，海拔888m（图5）。洞口向南，洞体沿着南北向裂隙发育，深10m，高7m。洞顶的南北向裂隙被 圣米 充填。 圣米 是石英岩经过流水的长距离搬运，形成磨圆分选较好的石英颗粒，形状与大米相似，故曰 圣米 （图6）。另外，处于同一海拔高程的圣水洞门口右上方生长着具有生物特征的石钟乳（图7），追着阳光向外生长，为趋光石钟乳，这一现象在中国北方罕见。

图5 岩溶洞穴顶部裂隙被石英砂充填（圣米石塘）

图6 掉入洞中的石英颗粒（圣米）

图7 圣水洞口右上方生物沉积的石钟乳

（3）房山地貌 (笔架山)

笔架山 的岩石，为奥陶纪石灰岩。新近纪，圣莲山地区为石林地貌。人类诞生后的第四纪，新构造运动使得山体迅速抬升，形成岩溶陡壁。石林与岩溶陡壁组合成房山地貌 笔架山[5]，海拔760m（图8）。

图8 新近纪石林与第四纪岩溶陡壁组合形态——房山地貌

（4）岩溶夷平面 (晾马台)

晾马台 景点的岩石，为寒武纪石灰岩。新构造运动使得山体时而抬升，时而稳定。中更新世，地壳相对稳定，形成了岩溶夷平面。随后地壳继续抬升，流水将岩溶夷平面周边的岩石溶蚀，留下了平顶状山峰 晾马台，海拔625.8m（图9）。

图9 中更新世岩溶夷平面（晾马台）

（5）岩溶墙（北西向翠屏峰、北东向神牛岭）

翠屏山 景点的岩石，为奥陶纪石灰岩。燕山运动，形成了北东和北西向共轭的两组裂隙。新近纪，新构造运动使得山体抬升，岩石经过溶蚀作用，沿着北西向裂隙垮落，形成了圣莲山特有的岩溶墙景观（北西向延伸的翠屏峰、北东向延伸的神牛岭）。翠屏峰岩溶墙宽2～10m，海拔600m（图10），神牛岭岩溶墙宽5m，海拔500m（图11）。

图10 沿着北西向裂隙形成的岩溶墙（翠屏峰）

图11 沿着北东向裂隙形成的岩溶墙（神牛岭）

（6）岩溶洞穴（隐仙洞）

隐仙洞 景点的岩石，为寒武纪石灰岩，是一个沿着270 裂隙形成的溶洞。洞体深30m，高20m，宽10m。海拔470m，是圣莲山最低的岩溶地貌，形成于全新世（图12）。

图12 全新世形成的岩溶洞穴（隐仙洞）

4 区域地貌对比

圣莲山地质公园为百花山南坡形成的岩溶盆地，新近纪以来，先后形成了穿洞（通风洞）、孤峰（莲子峰）、脚洞（圣米石塘）、房山地貌（笔架山）、岩溶夷平面（晾马台）、北西向岩溶墙（翠屏峰）、北东向岩溶墙（神牛岭）、溶洞（隐仙洞）8个不同海拔高程的岩溶地貌景观，可以和同为大石河流域的石花洞多层溶洞进行对比，也可以和同在北京西山的永定河阶地对比，甚至可以和整个华北山区的地文期对比，从不同的角度说明了北京西山的8次隆升。

（1）圣莲山与同为大石河流域的石花洞对比

圣莲山地质公园位于大石河上游北岸，新近纪以来，形成了8个不同海拔高程的岩溶地貌。

石花洞位于大石河下游南岸，新近纪以来，在大房山北坡，北岭向斜北翼的奥陶纪石灰岩中发育了不同海拔高程的8层溶洞（图13）[5]。

圣莲山8个不同海拔高程的岩溶地貌与石花洞的8层溶洞共同说明了大石河流域新构造运动的8次抬升。

（2）圣莲山与永定河级阶地对比

图13 石花洞8层溶洞与地层的关系

圣莲山地质公园位于北京西山南部的大石河流域，新近纪以来，形成了8个不同海拔高程的岩溶地貌。

永定河位于北京西山北部的门头沟区，从官厅大坝到石景山称为永定河山峡。地质构造控制了永定河的流向，永定河依次流经幽州背斜核部、沿河城断裂、青白口穹隆张裂隙、横跨髫髻山向斜、在石古岩至军庄形成深切河曲、从军庄沿着永定河断裂流向北京平原。是贯穿北京西山的唯一河流，从新近纪－第四纪全新世共发育8级阶地（表1）[6]。

（3）圣莲山与华北地文期对比

表1 圣莲山与华北地文期和永定河阶地之间的对比

根据Davis地形侵蚀循环理论[7]，在同一个构造活动区域内各地点的地文期是可以对比的，多层溶洞发育历史与山区地文期发育各阶段之间有着密切的对应关系[8]。所以圣莲山不但可以和石花洞洞层、永定河阶地进行对比，还可以同华北地文期进行对比，共同反映华北山体的隆升过程。

1904年Willis B.开创了华北地文期研究的先河，将华北地文期分为北台期、唐县期、忻州期和汾河期[9]。1919年Johan Gunnar Andersson重分为唐县期、汾河期、马兰期和板桥期。1926年王竹泉重分为吕梁期、唐县期、忻州期、汾河期和黄河期[10]。1929年G.B.Barbour分为北台期、唐县期、汾河期、三门期、清水期、马兰期、板桥期和近代期等8个地文期[11]。袁宝印分为唐县期、汾河期、泥河湾期、湟水期、周口店期、清水期、马兰期、板桥期等8个地文期。

地文期是区域地貌演化中对性质不同地貌过程的阶段性划分，G.B.Barbour认为两个侵蚀期之间被一个堆积期分隔开[11]。北台期，属华北地壳稳定期，以五台山的北台夷平面为代表，整个华北为准平原，这种夷平作用发生在古近纪，现在北京西山的深切河曲即为北台期夷平面的形态。唐县期，属华北地壳稳定期，以河北省唐县夷平面为代表，发生在新近纪的中新世，在华北的河谷中表现为最高的阶地 宽谷地貌，在岩溶分布区表现为最高的溶洞 穿洞（通风洞）。汾河期，属华北地壳抬升期，形成了穿洞与脚洞之间的高差。泥河湾期，属华北地壳稳定期，形成脚洞（圣米石塘）。湟水期，属华北地壳抬升期，形成房山地貌（笔架山）。周口店期，属华北地壳稳定期，形成岩溶夷平面（晾马台）。清水期，属华北地壳抬升期，形成北西向岩溶墙（翠屏峰）。马兰期，属华北地壳稳定期，形成北东向岩溶墙（神牛岭）。板桥期，属华北地壳抬升期，形成最低的岩溶洞穴（隐仙洞）。

5 结语

圣莲山地质公园，为大石河上游、百花山向斜南翼古生代地层中发育的小型岩溶盆地。造景岩石为寒武纪张夏组鲕粒灰岩、炒米店组竹叶状灰岩，奥陶纪冶里组豹皮灰岩、亮甲山组燧石结核灰岩和马家沟组厚层灰岩。公园入口处为炒米店组，佛椅山附近的三碰水之上为冶里组，翠屏峰岩溶墙为亮甲山组，笔架山、九莲洞、圣水洞、圣米石塘、莲子峰、穿洞所在范围内的岩石均为马家沟组。

圣莲山的造貌构造有印支运动南北向挤压残留的构造形迹 响山背斜，燕山运动北西 南东向挤压形成的北东向百花山向斜，新构造运动差异性抬升形成的穿洞（通风洞）、孤峰（莲子峰）、脚洞（圣米石塘）、房山地貌（笔架山）、岩溶夷平面（晾马台）、北西向岩溶墙（翠屏峰）、北东向岩溶墙（神牛岭）、溶洞（隐仙洞）8个不同海拔高程的岩溶地貌景观。

穿洞为北京西山最早的岩溶地貌，莲子峰和脚洞（包括圣米石塘、圣水洞和九莲洞）为新近纪 第四纪初残留的峰林地貌，笔架山为石林与岩溶陡壁组合成的房山地貌，晾马台为中更新世形成的岩溶夷平面，翠屏峰和神牛岭为晚更新世形成的岩溶墙，隐仙洞为全新世形成的溶洞。

[1]北京市地质矿产局，北京市岩石地层[M].北京：中国地质大学出版社，1996；53～75.

[2]地球科学大辞典《基础学科卷》编辑委员会.地球科学大辞典[M].北京：地质出版社，2006；262.

[3]北京市地质矿产局，北京市区域地质志[M].北京：地质出版社，1991，442.

[4]Wong W.H. Crustal movement and igneous activities in eastern China since Mesozoic time[J].Bull. Geol. Soc. China，1927，6（1）.

[5]吕金波等.北京西山岩溶洞系的形成及其与新构造运动的关系[J].地质通报. 2010，29（4）：502～509.

[6]吕金波，李铁英，孙永华，车用太.北京石花洞的岩溶地质特征[J].中国区域地质. 1999，18（4）：373～378.

[7]Davis, W.M.，The cycle of erosion and summit level of the Alps. Journal of Geology,1923,31:1～41.

[8]李容泉，邱维理.地文期与地文期研究[J].第四纪研究. 2005，25（6）：676～685.

[9]Willis, B.，Blacweller E.,Sargent R.H. Research in China[M].Washington D.C: The Camegie Institution of Washington,1907:236～264.

[10]王竹泉.华北地文期沿革之重检讨[J].地质论评. 1937，2：357～360.

[11]G.B. Barbour. Physigraphyic history of the Yangze [J]. Geol.Mem.Ser.A,1935,(14):1～112.

Evolvement of Karst Landform in Shenglianshan Geopark in Western-Hill, Beijing

LÜ Jinbo1LIU Zengli2
(1.Beijing Geological Survey, Beijing 102206; 2.Shenglianshan Beauty Spot in Fangshan District, Beijing 102461)

There is a small-scale karst basin in Dashi upriver in north of Fangshan District, Beijing. Shenglianshan Geopark is located at Fangshan Global Geopark; to geological structure, it is situated at the south of Baihuashan syncline. From the bottom up, the sedimentary rocks are oolitic limestone of Cambrian Zhangxia Fm, stripe limestone of Cambrian Chaomidian Fm and limestone of Ordovician. In the geological history, three staged movements of Indosinian Movement, Yanshanian Movement and Neotectonic Movement have formed the beautiful landscapes in the geopark. The Xiangshan anticline was formed by the convergence from Indosinian Movement. The karst dykes along two direction of Shenniu and Cuiping Mts were shaped by the convergence from Yanshanian Movement. There were 8 stages of land uplifting movement during Neotectonic Movement in this area, which formed the Light Through Cave, Isolated Peak, foot cave, peak cluster, karst planation surface, karst dyke and karst cave. The Light Through Cave is the topmost karst cave in Western Hills. Isolated Peak is the remains of peak forest of Neogene Period. Shengmishi Pool is a foot cave of Isolated Peak. Bijia Shan belong to combined landform of Pliocene stone forest and Quaternary karst dyke. Liangma Platform is karst planation surface formed in middle Pleistocene Epoch. Cuiping Peak and Shengniu Mt are karst walls formed in later Pleistocene Epoch. Yinxian Cave is a karst cave formed in Holocene Epoch.

Neotectonic Movement; Evolvement of karst landform in North China; Karst dyke; Western-Hill, Beijing

S759.93

A

1007-1903(2011)03-0022-06

中国地质调查局20001300005031号项目资助

吕金波（1956-），男，博士，教授级高工，从事北京地质研究。E-mail：ljb5610@sohu.com