天津市重要地质遗迹特征及综合分级评价

李志华 ，杨圣坤 ，胡海博 ，董卫宏 ，董志华

（天津市地质调查研究院, 天津 300191）

地质遗迹是由各种内外地质作用形成、发展并遗留下来的珍贵的、不可再生的地质现象，不仅为人类探索地质历史时期地球古气候、古环境、生命演化等过程提供可靠证据，同时也造就了绚丽多彩的秀美山川、大江大河、湿地平原等自然景观[1-2]。由成因上相同或相关，空间上相连的地质遗迹构成的区域或范围即为地质遗迹点[1]。

人类活动已经成为重要地质营力，人-地相互作用影响也越来越明显[3-4]，尤其是对于区域地质地貌（包括地质遗迹）的改造亦成为城镇化发展过程的表征之一。作为中国城镇化高水平发展代表的京津冀城市群之一的天津，其地质遗迹资源大多位于城区周边人类生产、生活较频繁的地区，受人为干扰较大。对地质遗迹分布边界和演化规律的调查和研究可以为科学划定地质遗迹分区和保护范围、妥善处理地质遗迹保护与开发的关系、合理规划城市产业布局、有效缓解人类活动和地质遗迹保护之间的冲突和矛盾等提供基础支撑。

天津市地质遗迹调查工作尚处于早期，还未出台正式的规范性文件。由于对地质遗迹点概念认识上存在差异，在进行地质遗迹调查时，常常局限于蓟州北部基岩出露区的地质公园或保护区内，调查和评价对象一般为某一地质遗迹点的特征点，导致存在地质遗迹分类方案不够规范、地质遗迹特征点数量多但却难以反映天津市地质遗迹整体状况以及缺乏对地质遗迹的整体评价的问题。本次地质遗迹调查工作不同于以往，一是作为行业标准《地质遗迹调查规范》（DZ/T 0303—2017）颁布实施以后的第一次规范性调查，对天津市地质遗迹资源进行了全面调查和梳理，查清了重要地质遗迹特征、规模、分布范围、演化历史等[5]，采用了规范的地质遗迹分类方案；二是调查研究的空间尺度由地质公园和保护区，上升为省、市乃至国家层面，对观察点和特征点进行筛选、梳理等，完整、科学、规范、全面地对地质遗迹点进行认定、描述、分类；三是工作过程中采用了定性评价和定量评价相结合的综合分级评价方法，使地质遗迹评价结果更可靠。

1 研究区概况

天津市总面积1.37万 km2，陆域面积约为1.19万 km2，海域面积约为0.18万km2。北部山区属燕山山地，分布在蓟州区北部，面积约占陆域面积的7%，出露新太古界、中新元古界及下古生界地层，其中，以中新元古界为主，新太古界及下古生界仅零星分布；南部平原属华北平原的一部分，为堆积平原，分布在山区以南广大地区，约占陆域面积的93%，被第四系覆盖，第四系之下发育中新元古界至新近系地层；东南部濒临渤海湾，属海积低平原,海岸线长度约360 km，主要由滨海盐滩、潟湖洼地、沼泽和潮滩组成，以淤泥质黏土为主。

2 重要地质遗迹分类及其分布

在充分搜集天津市地质遗迹有关资料基础上，初步筛选出具有重要科学、科普和观赏价值的重要地质遗迹作为研究对象。通过野外调查和综合研究分析，对初选的地质遗迹进行分类和综合分级评价。由于地质遗迹在漫长的地质历史时期，经过多期复杂的地质变化，因此地质遗迹具有改造成因多样、自身具备多重科学价值属性的特点，这都将决定地质遗迹的最终分类和综合分级评价结果。

经调查研究，天津市重要地质遗迹点为15处，根据《地质遗迹调查规范》（DZ/T 0303—2017）中地质遗迹分类方案和最能反映地质遗迹科学价值的成因等，分为3大类，7类和10亚类（表1）。

表1 天津市重要地质遗迹点一览表Table 1 List of important geological sites in Tianjin

天津市地质遗迹涵盖地层剖面、重要岩矿石产地、岩土体地貌、构造地貌、水体地貌、海岸地貌、地质灾害遗迹，其中前四者分布在天津市北部基岩出露区，后三者分布在天津市南部第四系深覆盖区。

3 重要地质遗迹

3.1 地层剖面

蓟县剖面（即蓟县中、新元古界标准地层剖面简称）位于蓟州区北部山区，起点从常州沟村到蓟州城区附近，绵延十数公里，展布在燕山南麓，出露面积约9 km2。蓟县剖面地层厚度约9 200 m，底界与太古界分界，见图1（a），距今16.5亿 a[6-7]，顶界与寒武系昌平组分界，见图1（b），距今7.8亿 a[8]。地层划分为4个系：长城系、蓟县系、待建系、青白口系；12个组：常州沟组、串岭沟组、团山子组、大红峪组、高于庄组、杨庄组、雾迷山组、洪水庄组、铁岭组、下马岭组、龙山组、景儿峪组。除下马岭组和龙山组之外，其他各组均为层型所在地。地层岩性主要为碳酸盐岩，占岩石种类的73.53%，其次是碎屑岩，占17.6%，其余为黏土质岩石、火山岩和火山碎屑岩，因此，蓟县剖面属于碳酸盐岩相。蓟县剖面的古生物化石，以页岩相微古植物化石、燧石相微化石、炭质宏观藻类化石和隐藻化石中的叠层石资源最为丰富，尤其是宏观藻类化石群的发现，对研究生命起源具有重大意义。现已建立国家级自然保护区。

图1 蓟县剖面顶底界Fig.1 Top and bottom boundary of Jixian Profile

3.2 重要岩矿石产地

锰方硼石是一种很少见的无水氯硼酸盐矿物，分子式为Mn3B7O13Cl，于1962年在美国德克萨斯州钱伯斯镇发现，并命名为钱伯斯矿[9]。1971年，在天津蓟县发现金伯斯矿床，并翻译为锰方硼石矿。锰方硼石矿床位于蓟州区穿芳峪镇东水厂附近，矿层赋存于蓟县系高于庄组二段泥晶白云岩中，矿体成透镜状断续成层分布，东西延长达30 km。矿层中致密块状富矿体呈扁豆状、饼状、串珠状、筒状、散点状等断续排列，矿体走向280°～310°，倾向SW，倾角40°～60°，由于该矿极易风化，鲜见出露。目前，该矿床处于天津蓟县国家地质公园内，是天津市政府明令禁止开采的重点保护矿种。

3.3 水体地貌

天津市地处北运河、永定河、大清河、子牙河、南运河5条河流下游，河道纵横交错、支流众多，地表水资源丰富。全新世时期，天津市经历了多期海侵、海退事件，海侵最西处直达白洋淀；随着全球气候逐渐变冷，渤海逐渐退去，海水入侵逐渐减少，在渤海湾北岸形成大量的潟湖、沼泽等，在大气降水与河水注入的混合作用下，潟湖的盐度逐渐降低，逐渐成为了湿地。在没有人类干扰的情况下，湿地演化比较稳定，自然更替相对比较缓慢，但是在自然环境、人类活动和政策因素驱动下，天津市湿地类型有加速由自然湿地向人工湿地转化、空间上有向东南部转移的趋势[10-11]。

天津市湿地主要包括近海及海岸湿地、河流湿地、湖泊湿地、沼泽和沼泽化草甸湿地、人工湿地5大类型，面积约占天津总面积的20%，居北方省市第一，较重要的为七里海、北大港、大黄堡、团泊洼湿地等，其中七里海湿地最具地学研究价值和观赏价值。七里海湿地位于宁河区境内，面积约68 km2，为典型的古潟湖遗迹，形状呈凸字形，是由堤岸、贝壳、碎屑沙等组成的退海地，潮白新河纵穿七里海，将七其分隔为东西两海，东海为水库和苇地、西海为苇地。七里海湿地处于华北平原强烈沉降带东北部，新生代以来持续下沉，地貌上介于黄河海河三角洲与滦河三角洲之间相对低洼区。全新世时期，随着最后一次海退，七里海地区变成只能高潮水到达的潟湖，约隋唐时期，逐渐脱离海水影响，最终演化成淡水湖泊湿地。

3.4 海岸地貌

3.4.1 贝壳堤

渤海湾贝壳堤（图2）是由波浪或高潮水将贝壳和贝壳碎片从浅海泥砂中簸选出来，在海边的泥滩上逐渐堆积加高，形成上凸的堤状堆积体，一般埋藏在地下0～10 m，堤宽数十米，高数米，长数十公里，极少露头，目前研究发现共有4～6道贝壳堤沿渤海湾西北侧[12]，与海岸线平行分布，从滨海新区一直延伸到河北省黄骅市。目前，贝壳堤已处于国家级古海岸与湿地自然保护区内。渤海湾贝壳堤形成于7 000 a 前，是由海生贝类动物在海潮推动下，逐渐堆积而成的古渤海岸线的标志。物质组成主要为海相软体动物双壳类的贝壳和碎片、少量的腹足类壳，以及他们的碎屑。

图2 古林古海岸遗迹博物馆原地保存的贝壳堤Fig.2 Shell ridges preserved in situ in Gulin Ancient Coastal Heritage Museum

3.4.2 牡蛎礁滩

渤海湾的西北岸，潮白河两岸及蓟运河以西，自早全新世最大海侵以来, 发育了规模巨大、数量众多的埋藏牡蛎礁体，往往形成于略高于自然地坪的垄岗状高地——俗称牡蛎（礁）岭, 是该地区重要地质现象[13-14]。渤海湾牡蛎礁在宁河区境内多处分布，是深埋于地下3～7 m不等的牡蛎遗骸的堆积体，形成于距今2 000～7 000 a，由长重蛎、近江重蛎组成，厚达5 m，据《天津古海岸与湿地国家级自然保护区保护对象调查与研究》[15]测算天津市牡蛎礁储量约为2.4×107m3。牡蛎礁滩内部形态一般以直立与倒伏为主，气候温暖，牡蛎正常生长，则以直立矗立生长；气候变冷，海水退却，牡蛎大面积死亡、倒伏，则形成倒伏状，这也揭示了气候变化的规律，为研究古气候、古环境等提供证据。目前，牡蛎礁滩处于国家级古海岸与湿地自然保护区内。

3.4.3 天津沿海滩涂

海岸滩涂（简称海涂）位于陆地与海洋之间狭长的潮间地带，通常指海岸线至理论深度基准面——零米线间低潮时出露的滩地。天津市渤海湾海岸带位于渤海湾西——西北岸，海岸带宽广低平，形态单一，呈弧形带状分布，为典型的粉砂淤泥质平原海岸，由于人工填海、防潮堤的普遍修建，自然发展的海岸线已面目全非，补给泥沙量不足，导致淤泥质海岸处于不断侵蚀后退状态，并逐渐演化为砂质海岸[16]。目前，沿海滩涂尚未采取有效保护措施。

3.5 岩土体地貌和构造地貌

天津市北部地区主要出露地层为中新元古界地层，其中，北部的常州沟组石英砂岩在地质构造及流水侵蚀下形成石英砂岩峰林峡谷地貌，面积约24 km2，如刀砍斧凿、鬼斧神工般秀美；中部发育的高于庄组灰质白云岩构成的九龙山峰丛地貌景观，面积约5 km2，形成典型的低矮山峰、峰丛、石芽等地貌单元；蓟州北部与兴隆交界处在黄崖关断裂带的影响下形成了黄崖关断崖地貌，面积约12 km2，与盘桓而上的长城相映成辉；西部出露印支期火山活动形成的盘山侵入岩地貌，面积约12 km2，岩体节理裂隙发育，球形风化强烈，形成怪石嶙峋的石蛋山地貌；南部蓟州城区附近推覆构造形成的府君山飞来峰地貌，面积约3 km2，造成此地貌的地质活动被我国著名地质学家孙云铸命名为“蓟县运动”。目前，以上地质遗迹资源处于天津蓟县国家地质公园范围内。

3.6 地质灾害遗迹

天津市南部平原区松散沉积层巨厚，地下水开采集中，地面沉降地质灾害发育，是天津市最主要的地质灾害，也是全国地面沉降地质灾害主要代表区域[17]。目前，沉降区基本覆盖天津市南部平原区，呈不规则椭圆形，最大累计沉降量为3 m多，主要形成汉沽、杨村、西青—静海—津南区3个沉降中心。由于自然因素与人为因素，导致新近系、古近系、第四系地层产生沉降，继而造成地面高程损失（图3）、降低河道行洪和排泄能力、加重风暴潮危害、威胁轨道交通安全等一系列问题，损失大，影响持久，但随着控沉工作力度加强，这一趋势将放缓。

图3 地面沉降导致的管道一侧抬升Fig.3 Lifting of one side of the pipeline caused by land subsidence

4 地质遗迹综合分级评价

本次地质遗迹综合分级评价的目的是为了建立全国地质遗迹保护名录，为地质遗迹保护区划、分级保护和开发提供政策依据。重要地质遗迹综合分级评价结果可根据地质遗迹的科学价值、观赏价值和保护价值分为世界级、国家级、省级3个等级。

地质遗迹评价方法众多，评价结果也有所不同，总体来说可以分为定性评价和定量评价。定性评价是大多数习惯采用的地质遗迹评价方法，但评价结果往往带有一定的主观性。定量评价一定程度可弥补定性评价的主观性缺点，但各评价指标的模糊得分仍然离不开定性分析。因此，本文采用定性评价和定量评价相结合的方式进行综合分级评价。

4.1 地质遗迹定性评价

4.1.1 科研价值

天津市地质遗迹资源科研价值主要体现在地层学、矿床学、生态地质学、第四纪地质学等学科上。如蓟县剖面对区域地层对比、生命的形成及进化、地球的演变以及古地理环境恢复等方面具有重大的科学价值，尤其是随着锆石U-Pb同位素测年技术的进步，蓟县剖面相关地层首次获得直接定年，为重新厘定年代格架、对比等，提供了新的、精确的年代学锚点[18-19]。锰方硼石是一种罕见的锰氯硼酸盐矿物，对该矿物的矿物学特征和成因研究填补了我国乃至世界锰方硼石矿物学和矿床学研究的空白[20]。渤海西北岸的贝壳堤、牡蛎礁、海岸滩涂及湿地等，记录了过去7 000 a 间“沧海变桑田”过程中的数道古海岸线，是海陆变迁的重要产物和证据，众多国内外相关专业学者在此开展研究、调查工作，相继在国内外学术期刊上发表了众多关于海洋、地质、地理等系统海岸演变、古气候、湿地生态等学科的研究成果和文章。

4.1.2 观赏价值

天津市南部平原区湿地是全新世以来海侵、海退地质事件形成的独特的景观资源，这里大面积生长的芦苇，在天津乃至华北地区均属罕见，动植物资源丰富，拥有良好的湿地生态系统。每年大量候鸟在此汇集，其中包括多种珍稀濒危鸟种，是鸟类南北迁徙的中转站。北部地质遗迹出露区，位于燕山山脉南麓，自然风光优美，人文历史悠久，地质构造形成的峰林峡谷地貌、断层崖和花岗岩山峰与皇家文化、宗教文化和长城等历史文化遗迹交相呼应，形成了人文古迹与青山秀水相融合的景观特色，极具观赏价值。

4.1.3 保护价值

蓟县剖面从典型性、自然性、系统性和完整性上，均属世界一流，真实地记录着地球演化距今约16.5～7.8亿 a 间的地质演化史，赋存着能反映当时古地理、古气候、古生物、古构造、古地磁等的大量自然信息以及多种金属、非金属矿产资源。锰方硼石矿，在世界上分布稀少，只在天津市蓟县形成了世界上唯一的具有开发利用价值的锰方硼石矿床[21]，是一种重要的化工原料，在电子工业和原子能工业上都有重要应用价值，开发应用前景巨大，政府已明文禁止开采。渤海湾西北岸的贝壳堤、牡蛎礁和湿地是古海岸线的标志，对研究古海洋、古气候、古环境等科研领域和调节区域气候、净化水质、保护生物多样性具有重要作用，在国际上占有重要位置。

4.2 地质遗迹定量评定

4.2.1 评价指标与方法

地质遗迹评价指标及其权重的合理确定关系着评价结果的准确性。目前，地质遗迹定量评价不外乎从自然属性、功能价值、开发条件等几个方面，但具体评价时选取的评价指标各有不同。评价指标过少，使得结果不够全面，评价指标过多，指标间存在包含或交叉关系，使得评价属性冗余[22]。本文根据天津地质遗迹的特点，通过反复权衡，选取能最大程度体现遗迹价值的因子，去除不相关和冗余因子，得到了如表2所示的评价指标体系。

表2 天津市地质遗迹评价指标、权重及因子含义Table 2 The evaluation indexes, weights and factor meanings of geological heritage in Tianjing

本文采用层次分析法（AHP）进行评价指标体系中各评价因子权重的确定。层次分析法是通过将评价体系分解成若干层次，通过专家两两对比下一层因子相对于上一层次因子的重要性而逐层判断评分，给出相对重要性定量指标，建立判断矩阵，进而计算特征向量并做一致性检验[23]。运用层次分析法，得出了天津地质遗迹定量评价的各因子权重如表2所示。

4.2.2 评价模型

在确定指标体系中各因子权重后，运用模糊数学法确定综合评分。首先，邀请5位地质遗迹研究相关专家对各处地质遗迹各项指标打分，打分标准采用模糊数学百分制计分法。打分之前，提供每处地质遗迹的详细调查资料，对每处地质遗迹的各要素指标有图文和数据描述。评分标注划分为Ⅰ极好[85,100]、Ⅱ很好[70,85)、Ⅲ较好[55,70)、Ⅳ一般[0,55]等4档。

每位专家依据评价因子打分，选取一个集中度较高的分值来确定每个因子的模糊得分，将各因子得分乘以各自的权重得出该因子的最终得分，把各因子的最终得分相加，计算出地质遗迹的总得分，总分越高，其价值越大，公式如下：

式中：F——地质遗迹综合评分；

Si——第i个评价因子的模糊得分值;

Wi——第i个评价因子的权重值；

n——评价因子的数目。

4.2.3 定量评价结果

通过上述方法和模型，对主要地质遗迹的综合分级评价结果值进行等级划分，其依据标准为：世界级（极高的遗迹价值，得分为[85,100]）、国家级（很高的遗迹价值，得分为[70,85)）、省级（较好的遗迹价值，得分为[55,70)）、地方级（一般的遗迹价值，得分[0,55]）。最终结果为世界级4处，国家级3处，省级8处（表3）。

表3 天津市重要地质遗迹评价等级Table 3 Evaluation grade of important geological heritages in Tianjin

5 结论及建议

（1）天津市地域面积较小，地形地貌、地质背景简单，在漫长的地质历史过程中，共发育了15处重要地质遗迹，按照《地质遗迹调查规范》（DZ/T 0303—2017）分为3大类、7类和10亚类。3大类为：基础地质大类、地貌景观大类和地质灾害大类；7类为：地层剖面类、重要岩矿石产地类、岩土体地貌类、构造地貌类、水体地貌类、海岸地貌类以及地质灾害遗迹类；10亚类为：层型（典型剖面）、典型矿床类露头、侵入岩地貌、碎屑岩地貌、碳酸盐岩地貌、湿地、飞来峰、断层崖、海积地貌、地面沉降。

（2）天津市重要地质遗迹分布范围基本覆盖天津市全域，其中地层剖面类、重要岩矿石产地类、岩土体地貌类、构造地貌类地质遗迹分布在北部基岩出露区，水体地貌类、海岸地貌类以及地质灾害遗迹类分布在南部平原区。

（3）通过定性和定量相结合的方式综合分级评价地质遗迹等级为：世界级4处，蓟州区蓟县剖面、锰方硼石矿床，渤海湾西北岸贝壳堤、牡蛎礁；国家级3处，宁河区七里海湿地、滨海新区沿海滩涂和全市范围内的地面沉降；省级8处，蓟州区盘山花岗岩地貌、石英砂岩峰林峡谷地貌、九龙山碳酸盐岩地貌、府君山飞来峰地貌、黄崖关断崖地貌，滨海新区北大港湿地、静海区团泊洼湿地以及武清区大黄堡湿地。

综上，建议科学合理划定地质遗迹保护边界，适度开展地学旅游和地学科普活动；从多学科多角度、以通俗易懂的方式解读地质遗迹，增强群众保护地质遗迹意识；颁布地质遗迹保护规定，加强地质遗迹巡查监测，及时掌握地质遗迹及保护设施保存现状；结合村镇发展规划，积极申报地质文化村，打造地学科普基地等。