北京城市建设和发展的地质要素

吕金波

(北京市地质调查研究院,北京 102206)

北京有1个世界地质公园,是世界上拥有地热的6个国家首都之一.长城、京杭大运河、元大都和明北京对世界的影响深远,这些都与北京的地理位置和地质背景有关系(见图1).

图1 北京世界文化遗产与世界地质公园分布

1 北京是有世界地质公园的首都城市

目前,全球共有66家世界地质公园,其中欧洲37家,中国22家,日本3家,伊朗1家,马来西亚1家,巴西1家,澳大利亚1家.2006年9月17日,在英国北爱尔兰首府Belfast召开的第2届世界地质公园大会上,"中国房山世界地质公园"正式获得联合国教科文组织批准并授牌,使北京成为全球第1个拥有"世界地质公园"的首都城市.

房山世界地质公园与门头沟、石景山、海淀和昌平等山区并称为中国地质工作的摇篮.1863年9月,美国学者Pumpelly Raphael来到北京西山调查煤矿, 1867年发表了第1篇有关中国地质的论文,.提出了"震旦方向"的概念[1],1882年德国学者Richthofen Ferdinand Von 提出了"震旦系"地层名称[2].1918年瑞典人Johan Gunnar Andersson发现了周口店园区, 1923年奥地利人Otto Zdansky在周口店第1地点找到了第1枚人的臼齿化石,1929年12月2日裴文中在周口店洞穴碎屑堆积物中发现了第1颗完整的北京猿人头盖骨.

地质公园北部大石河流域有百花山-白草畔园区、圣莲山园区和石花洞园区.大石河北岸有侏罗纪火山岩构成的草甸景观百花山-白草畔园区,北方罕见的小型岩溶盆地景观-圣莲山园区.其中,石花洞园区发育岩溶洞穴群,洞层最多(8层),石盾200多个,为世界之最;毛细渗透水沉积的石毛(银狐),滴水沉积的石笋,流水沉积的石旗,池水沉积的月奶石,有被钙华掩盖的唐代题字,有《水经注》中记载的孔水洞[3].

地质公园南部拒马河流域有白石山、野三坡、十渡和云居寺-上方山园区.白石山园区发育大理岩峰丛地貌,野三坡园区发育岩溶峡谷地貌,十渡园区发育华北地区最为典型的房山地貌(新近纪石林与第四纪岩溶陡壁的组合形态)[4].石门花岗岩体的热力变质作用,"烤白了"高庄的汉白玉大理岩,成为紫禁城、明清皇陵和皇家园林的唯一石料区;"烤白了"云居寺-上方山园区所在的云带山,故有云水洞、云居寺之名[5].

地质公园东部的良乡地热田和董家林西周遗址尚未划入地质公园.董家林村附近发现距今3000多年前的西周都城遗址,是北京城的发源地.

2 长城与大运河两大古建工程在北京交汇

长城长约6000km,纬向展布于中国北方的山脉之中,是世界最长的军事工程.京杭大运河长约1794km,经向展布于中国东部的平原上,是世界最长的人工运河.两大工程一纬一经交汇于北京,为北京古城的发展做出了贡献.

(1)长城

长城是世界上最长的人工墙.东起山海关,西至嘉峪关,全长约6000km,横跨中国北方7个省、市、自治区.春秋战国时期,各国为了御敌,修筑城墙.秦统一中国后,把分段的城墙连接起来,形成万里长城,以后各朝陆续增修,直至明代,逐渐形成如今的面貌.万里长城是世界历史上伟大的工程之一.1987年被列入《世界文化遗产名录》.

修建长城既要利用良好地形,又要克服山区许多地质灾害等问题,古人在这些方面都具有无比的智慧和毅力.

(2)大运河

京杭大运河开于春秋,完于隋代,盛于唐宋,直于元代,疏于明清.大运河北起通州,经北京、天津、河北、山东、江苏和浙江等2市4省,贯通海河、黄河、淮河、长江和钱塘江等5大水系,全长约1794km,南达杭州.大运河有2500多年的历史,长度是苏伊士运河的16倍,巴拿马运河的33倍,是世界上最长和最古老的人工运河.

元朝为南粮北运开凿运河.把原来以洛阳为中心的隋代横向运河,修筑成以元大都为中心的纵向大运河.大运河分为7段,最北段称通惠河,自昌平区白浮泉经昆明湖至积水潭,长约82km.通州区到天津称北运河,长约186 km;天津到临清称南运河,长约400 km;临清到台儿庄称鲁运河,长约500 km;台儿庄到淮阴称中运河,长约186km;淮阴到瓜州称里运河,长约180 km;镇江到杭州称江南运河,长约330km.

虽然大运河尚未成为世界文化遗产,但掩盖不了对世界的影响力.北运河之上称温榆河水系,发源于十三陵盆地的东沙河、关沟的北沙河、寨口的南沙河和玉泉山的清河.地质上处于潮白河洪积扇与永定河洪积扇的交汇处,两个洪积扇的溢出带水源丰富,成就了京杭大运河的最北段,是大运河的起点.

大运河工程既利用了地表水,又大量利用了山前洪积扇溢出带的地下水,其成效十分显著,充分展示了中华民族的智慧.

3 北京世界文化遗产的地质背景

北京列入世界文化遗产的长城、周口店"北京人"遗址、颐和园和明十三陵具有特殊的良好地质背景.

(1)长城(北京段)

长城北京段东起金山岭、中过慕田峪、西至八达岭,其地质构造特征使沿线最为壮观.

金山岭长城被司马台水库截成两段,称为"二龙戏水".人们发现水下不断冒出气泡,说明有泉水涌出.共有2股泉水,东部泉水凉,西部泉水热.登上金山岭,你会发现长城内外无论山岭、还是河流,都是东西走向.长城脚下的沉积岩,长城南侧的火山岩和古北口侵入岩,也都是东西向延长的,这是因本区为印支东西向构造带的组成部分.这里有一种有趣的地质现象,即10亿年前的元古代地层覆盖在1亿年前的火山岩地层上,违反了老地层在下、新地层在上的基本原理.这是断层反冲活动的结果,在燕山构造运动阶段,沿着断层活动面,把老地层推覆到新地层面上.古代的人类工程与天然的地质构造达到了完美的统一,是该处地质现象的一个特色.

慕田峪长城为古代黄花路渤海所下辖的7个隘口之一.长城在这里呈西北-东南走向,东南低缓,西北陡峭.这是因为东南的长城建在1.5亿年前形成的长园闪长岩体上,岩石中的矿物粒度细,节理裂隙发育,风化层较厚,基岩裂隙水丰富,形成了低缓的山坡和较好的植被;越过16号敌楼后,长城脚下的岩石变得陡峭,直上牛犄角鞭,高差达500m,长城坐落在12.2亿年前形成的雾迷山组硅质条带白云岩上,岩溶陡壁托起了长城.在两种岩石的交接处,由于长园岩体阻水,形成了许多泉水.

八达岭海拔1015m,地质背景为花岗杂岩,岩石上的长城最为雄伟.八达岭地区为中生代燕山期侵入岩,包括侵入体120个,出露面积540.45km2,可划分为8个超单元,20个单元.在居庸关北的三轿子山附近,可以见到花岗岩上顶雾迷山组白云岩的景观.在八达岭城关拐角处的花岗岩壁上,一条基性岩脉沿山而下,恰似一条青龙,故名"青龙桥".八达岭杂岩的主体部分为似斑状花岗岩,主要矿物成分是正长石、斜长石和石英,岩石坚硬,形成形状各异的花岗岩地貌,长城随着花岗岩地貌上下起伏,达到了自然与人类工程完美统一的效果.

(2)周口店"北京人"遗址

周口店"北京人"遗址为房山世界地质公园的一个园区.杨钟健建立了洞穴堆积层上部1～10层的中更新世地质剖面,贾兰坡建立了下部11～13层和底砾层的中更新世地质剖面.1987年被列入《世界文化遗产名录》.

周口店"北京人"遗址洞穴,沿着马家沟组灰岩走向东西方向发育,顶盖堆积为第1层洞穴,山顶洞为第2层洞穴,猿人洞为第3层锁孔型洞穴.裴文中和贾兰坡各发现3颗猿人头盖骨.周口店猿人的发现结束了自19世纪末荷兰人E.Dubois发现爪洼猿人以来,猿人是人还是猿的争论,确立了猿人在人类演化史中的地位,建立了华北中更新统标准剖面.

(3)颐和园

颐和园位于北京西北郊,金代建金山行宫,明代改建为好山园,清乾隆十五年(1750年)改建为清漪园,光绪十四年(1888年)慈禧太后改建为颐和园.全园以万寿山为中心,占地2.9km2,其中湖泊面积约占3/4.1998年被列入《世界文化遗产名录》.

昆明湖底部的基岩为背斜构造,岩石为奥陶纪马家沟组石灰岩,突水性良好,遇到万寿山二叠纪红庙岭组砂岩的阻隔,极易形成诸多泉水.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,昆明湖进行了240年以来的第一次清淤,通过取样研究获知,昆明湖水起始于3500年前,3000年前稳定成湖,水生植物开始繁衍,公元1750年前属于天然湖泊.1750年对湖区进行开挖,湖水的面积增加了1倍,从此变为人工湖.天然湖与人工湖之间,在颜色、物质组成、生物遗骸组合、化学元素等方面均有明显的差异[6].

园中之万寿山造景岩石为坚硬的长石石英砂岩,是距今2.4亿年前二叠纪形成的.因其在门头沟的红庙岭出露比较完整,所以命名为"红庙岭砂岩".

(4)十三陵

明清皇家陵寝是我国明、清两朝皇帝营建的文物建筑,体现了中国封建社会的最高丧葬制度和千百年封建社会的宇宙观、生死观、道德观和习俗.现保存完好的明皇家陵寝有:明皇陵、明孝陵、明祖陵、明十三陵、明显陵.清皇家陵寝有:清永陵、清福陵、清昭陵、清东陵和清西陵.2000年被列入《世界文化遗产名录》.2003年7月,明十三陵和明孝陵作为明清皇家陵寝的一部分收入《世界遗产名录》.

明十三陵位于北京西北约40km处,在方圆约40km2的小盆地里,分布着明代13个皇帝的陵墓.十三陵是江西地理术士廖均卿选定的,即符合两大山脉交汇的山势,又符合天空二十八星宿四分的地灵兽说,体现了天人合一,普天之下莫非王土的思想.

十三陵位于燕山与太行山的结合部.太行山像一条龙脊沿北东方向横亘于华夏大地,龙头北达卢龙县,龙眼即为十三陵盆地.燕山向东绵延,到八达岭一跃而起,第一个风水宝地就是十三陵盆地.太行山脉体现的是"震旦方向",燕山山脉体现的是纬向构造带.一横一纵的交点就是十三陵盆地.

按照地灵兽说,十三陵后靠为玄武,盆地南面的红泥沟龙虎台(中更新世黄土)为朱雀,西面的卧虎山为白虎,东面的龙山为青龙.盆地周边有中山口、老君堂口、贤庄口、灰岭口、锥石口、燕子口、德胜口、西山口和榨子口等9个入水口,1个出水口是位于十三陵水库大坝的东山口.体现了9龙汇聚的特点.东面的龙山顶部有一层石英砂岩,即元古代龙山组的命名地,龙山组砂岩比两侧的岩石坚硬,不易遭受风化,加上地层产状较陡,形成了突出的龙脊.1934年,张文佑在龙山东坡的石灰岩中发现了三叶虫化石,把这套灰岩作为寒武系的底部.建立了华北显生宙的第一套地层"昌平组"[7].西面的卧虎山岩石为元古代雾迷山组白云岩,含有大量的硅质条带,硅质条带风化后显出白色条带,加上岩层向东南倾斜,看起来很像虎皮纹.

4 北京是世界上具有地热的6个首都城市之一

世界100多个国家首都中,有6个具有地热资源,它们是法国的巴黎(Paris)、冰岛的雷克雅未克(Reykjavik)、匈牙利的布达佩斯(Budapest)、保加利亚的索菲亚(Sofia)、新西兰的惠灵顿(Wellington)和我国的北京,这种珍贵的资源,为把北京建设成为以低炭经济为目标的世界城市提供了地质条件.

现已查明全市有4条呈北东走向的地热资源带,10个地热田.多属中低温类型,水温一般40℃～60℃,最高可达88℃,现有地热井337口(不含已经报废地热井),有200多个单位共172口地热井投入开发,主要用于洗浴、游泳、康乐、医疗、养殖、种植等方面.地热开发正在拉动首都旅游康乐业的发展.

[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]郦道元,水经注(卷十二)[M].杭州:浙江古籍出版社, 2000;197.

[4]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.

[5]吕金波,北京房山世界地质公园岩溶景观特色[J],城市地质2007,2(3): 26～30.

[6]黄成彦等,颐和园昆明湖3500余年沉积物研究[M].北京:海洋出版社,1996.

[7]张文佑,中国北部震旦纪与寒武纪地层之分界问题[J],国立北京研究院院务报1935,6(2).

[8]马可波罗,马可波罗游记[M].北京:外文教学与研究出版社,1998.