北京平原地區(qū)地質(zhì)系統(tǒng)

蔡向民，欒英波，郭高軒，劉 鴻

（1.北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京 102206；2.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195 3.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195）

北京平原地區(qū)地質(zhì)系統(tǒng)

蔡向民1，欒英波2，郭高軒3，劉 鴻1

（1.北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京 102206；2.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195 3.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195）

經(jīng)過幾代人的工作，北京平原地質(zhì)工作取得了豐碩的成果，在基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)等領(lǐng)域都有重要進(jìn)展。本文通過北京平原三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析，認(rèn)為北京平原的地下水資源、工程地質(zhì)、地面沉降、地裂縫災(zāi)害等地質(zhì)問題均受三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制，各種地質(zhì)現(xiàn)象都處在一個統(tǒng)一的地質(zhì)系統(tǒng)之內(nèi)。第四系三維結(jié)構(gòu)控制著第四系孔隙水資源的賦存、平原的工程地質(zhì)特征和地面沉降的分布和演化；基巖的三維結(jié)構(gòu)控制基巖裂隙水、巖溶水資源和地?zé)豳Y源的賦存狀態(tài)；平原隱伏斷裂對平原的地貌、基底形態(tài)起控制作用，對地裂縫、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害的形成和發(fā)展有重要影響。這些由三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制的地下水子系統(tǒng)、隱伏斷裂子系統(tǒng)以及工程地質(zhì)、地面沉降等地質(zhì)問題，共同組成了北京平原區(qū)地質(zhì)系統(tǒng)。

北京平原地區(qū);三維地質(zhì)結(jié)構(gòu);地質(zhì)系統(tǒng)

0 前言

北京的地質(zhì)工作歷史較長，特別是建國以來，地質(zhì)工作有了很大發(fā)展。基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等領(lǐng)域取得了很多成果，為北京的城市發(fā)展和建設(shè)作出了很大貢獻(xiàn)。

在我國的地質(zhì)工作體制中，往往習(xí)慣按專業(yè)將地質(zhì)工作分為區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、工程地質(zhì)等類別，各專業(yè)各學(xué)科之間相對獨(dú)立，互相聯(lián)系不緊密，往往不以大地質(zhì)觀的角度進(jìn)行綜合分析研究。

2008年北京市政府與國土資源部聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)組織開展的我國首個大規(guī)模城市地質(zhì)綜合調(diào)查工作圓滿結(jié)束，第一次以大地質(zhì)觀的角度將構(gòu)造地質(zhì)、第四紀(jì)地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、地?zé)岬刭|(zhì)等工作系統(tǒng)地開展綜合研究，通過幾年的工作取得了豐碩的成果。研究表明，北京平原的各種地質(zhì)問題都處在其地質(zhì)系統(tǒng)的控制之中。

1 北京平原區(qū)的地質(zhì)特征

北京地區(qū)新生代繼承了中生代晚期的地質(zhì)構(gòu)造格架，形成了西部山區(qū)，東部平原的地貌特點(diǎn)。平原下伏基巖埋深變化較大，被多條斷裂切割，構(gòu)成了著名的北京斷陷盆地（圖1）。

圖1 北京平原區(qū)地質(zhì)構(gòu)造示意圖

在白堊紀(jì)末至上新世，斷陷盆地內(nèi)存在北京和延慶古湖泊(圖2)。古湖新近紀(jì)時湖面擴(kuò)大，湖水變深，有巨厚的古近紀(jì)和新近紀(jì)沉積，北京境內(nèi)可達(dá)千米。北京平原由永定河、潮白河等沖洪積物堆積塑造而成，第四紀(jì)沉積物分布廣泛，厚度變化很大，從山前到平原由幾十米到數(shù)百米，在沉積凹陷中心最厚達(dá)一千余米(圖3)。第四系沉積物成因類型主要有：沖積相、洪積相、湖沼相，局部鉆孔發(fā)現(xiàn)有海相層。

衛(wèi)星像片顯示北京平原區(qū)存在數(shù)個巨大的沖洪積扇，它們相互交錯、疊壓，關(guān)系復(fù)雜。在沖洪積扇之間的扇間洼地和沖洪積扇邊緣存在湖泊和沼澤沉積。

由于黃莊—高麗營斷裂、永定河斷裂的活動，永定河河道多次改道，由北向南逐漸遷移。通過衛(wèi)星像片可清晰的看到，永定河改道形成的巨大沖洪積扇相互疊壓（圖4），最終塑造成如今的北京平原面貌。這些沖洪積扇從扇頂?shù)缴染墸练e物由砂礫石、中粗砂、粉細(xì)砂到粘土的規(guī)律變化。在扇間洼地和扇緣分布有湖相和沼澤相沉積。由于河流的擺動，沖洪積扇內(nèi)巖性橫向變化迅速，對比困難。在垂向上，砂礫石、砂、粉砂、亞粘土、粘土交互出現(xiàn)。在扇中、扇緣部位可見由粗到細(xì)的韻律，可作為沖洪積扇內(nèi)巖層連接的依據(jù)之一。除了沖洪積扇外，在馬池口、后沙峪和平谷存在3個第四紀(jì)沉積凹陷，凹陷中心第四紀(jì)沉積物厚度分別為597m、1000m、400m。這些沖洪積扇和沉積凹陷共同構(gòu)成了北京平原第四紀(jì)的沉積總體輪廓。

圖2 新近紀(jì)時期的延慶、北京古湖

圖3 北京平原區(qū)第四系沉積厚度等值線圖

圖4 北京平原第四紀(jì)晚更新世永定河、潮白河沖洪積扇示意圖

2 北京平原第四系地層的三維結(jié)構(gòu)

北京平原第四系地層由幾個巨大的沖洪積扇和沉積凹陷構(gòu)成。在沖洪積扇內(nèi)發(fā)育河流相；在扇間洼地和扇緣分布有湖泊沼澤，有湖沼型和河床型泥炭沉積，蘊(yùn)藏量豐富。自上新世形成以來永定河出山口幾次改變，其主河道受新構(gòu)造運(yùn)動影響多次改道，逐漸由北向南遷移。古金溝河，古漯河、古渾河、古無定河都是永定河向南遷移的古河道。這些古河道大多被沖洪積物填埋，另一些形成了眾多的湖泊和洼地。

第四紀(jì)早期，在馬池口、后沙峪和平谷形成3個沉積凹陷，沉積了巨厚的第四紀(jì)沉積物。在北京平原6400km2的區(qū)域內(nèi)存在湖泊、沼澤、河流沉積，形成巨大的沖洪積扇群。河流沖洪積扇和沉積凹陷是北京平原第四系地質(zhì)單元的主要類型（圖5）。

圖5 北京平原區(qū)第四系地質(zhì)單元組合示意圖

2.1 永定河沖洪積扇結(jié)構(gòu)

永定河沖洪積扇群由多個扇體相互疊加組成，其中有2個扇體（稱Ⅰ號扇、Ⅱ號扇），分布在北京境內(nèi)。

永定河Ⅰ號沖洪積扇形成時間最早，規(guī)模最大。其軸線為東西方向，大致沿長安街由西向東。扇頂位于石景山地區(qū)，主要沉積物為砂礫石，出露地表，厚度數(shù)十米；扇的中部為中砂—細(xì)砂—粉砂與粘土互層，其河道部位為砂礫石和砂，河道兩側(cè)沉積物粒度變細(xì)；通縣地區(qū)是沖洪積扇緣，沉積物顆粒較細(xì)，以粘土、亞粘土為主，見湖沼相沉積（圖6、圖7）。

通縣向東至宋莊地區(qū)是永定河沖洪積扇與潮白河沖洪積扇的疊加部位，其沉積物相互疊壓比較復(fù)雜。永定河沖洪積扇的形成時間較早，經(jīng)新5孔鉆探查明，永定河沖洪積扇的底界埋深340m，底部見厚度數(shù)十米的泥砂礫巖；經(jīng)古地磁測試其形成時代為上新世中期，距今3.33～3.58Ma。沖洪積扇沉積物之下為上新世湖相沉積。在大興隆起部位，沖洪積扇沉積層直接覆蓋在寒武系、奧陶系地層之上。

永定河Ⅱ號沖洪積扇形成時間較晚，其軸線為南東方向，與古漯水、古渾河走向一致。Ⅱ號扇的規(guī)模較大，扇頂在石景山，沿古河道走向，其砂礫石層向東南方向凸出，電測深資料可清晰顯示其分布范圍和埋藏深度，扇體的北東側(cè)疊置在Ⅰ號扇之上，有侵蝕Ⅰ號扇的現(xiàn)象；扇緣分布在北京市與河北省交界附近（圖8）。

圖6 永定河沖洪積扇剖面位置示意圖

圖7 永定河沖洪積扇A－A′地質(zhì)剖面示意圖

圖8 永定河沖洪積扇B－B′地質(zhì)剖面示意圖

2.2 潮白河沖洪積扇結(jié)構(gòu)

潮白河沖洪積扇的規(guī)模比永定河沖洪積扇小。潮白河河道相對穩(wěn)定，其扇體無大的遷移，結(jié)構(gòu)相對簡單，扇體呈狹長的窄扇形。在北京境內(nèi)潮白河河道位于扇的軸部，呈南北向。沉積物沿軸部由扇頂向南由砂礫石漸變?yōu)橹屑?xì)砂、粉砂，在通州與永定河沖洪積扇相互疊置。潮白河沖洪積扇中部砂石蘊(yùn)藏豐富，可作為重要的建筑用砂產(chǎn)地。河道兩側(cè)地下水豐富，是北京重要的地下水源地。潮白河沖洪積扇與永定河沖洪積扇以溫榆河為界，2個沖洪積扇的地球化學(xué)特征有明顯差異，前者K2O的含量明顯高于后者，說明了物質(zhì)來源的不同。

2.3 沉積凹陷的結(jié)構(gòu)

馬池口凹陷位于南口—孫河斷裂西北端南側(cè)，因斷裂上盤斷陷形成，震平2孔揭露第四系厚597.6m。由于地處山麓，沉積物顆粒較粗，主要沉積物為砂質(zhì)粘土、中細(xì)砂、砂礫石互層。凹陷基底為紫色中生界火山角礫巖，有風(fēng)化現(xiàn)象。

后沙峪凹陷位于南口—孫河斷裂北側(cè)順義附近，因斷裂上盤斷陷形成。凹陷中心新生界厚約1000m。總體上沉積物粒度上細(xì)下粗。上部為灰色、雜色砂礫石、砂、砂質(zhì)粘土，下部為灰黃色、雜色砂礫石。底部淺棕紅色泥巖，色勻質(zhì)純性軟，成巖性差，易造漿。底部見巨厚的泥礫巖。后沙峪凹陷基底為中生界凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)角礫巖。

平谷凹陷位于平谷盆地，凹陷中心基巖埋深600余米，主要為中上元古界長城系、薊縣系白云巖?；鶐r之上為巨厚第四系單一結(jié)構(gòu)的砂卵礫石層，主要由河沖洪積物組成。砂礫石層礫徑由東向西減小，東部以漂礫為主，西南出山部位以砂為主，礫石較少。礫石成分主要為砂巖、片麻巖，少量白云巖、火山巖。礫石磨圓中等。礫石層中加有厚度不等的透鏡狀、層狀砂層。平谷凹陷地下水豐富，是北京城市供水重要的水源地。

上述沖洪積扇與沉積凹陷構(gòu)成了北京第四系平原的總體架構(gòu)。在每個第四系沉積單元內(nèi)還分布有河流相、湖泊相沉積。查明這些次級地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)，對于進(jìn)一步精細(xì)刻畫北京平原三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)是很重要的。隨著地質(zhì)調(diào)查工作的深入，北京平原第四系三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)的精度不斷提高。

3 北京平原地下水資源、工程地質(zhì)特征和地質(zhì)災(zāi)害與三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系

3.1 地下水富水性與三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)

北京市地處山區(qū)與華北平原的過渡地帶，與我國北方許多城市一樣，屬嚴(yán)重缺水城市。1999年以來，年均降雨量僅為457mm，北京主要河流和水庫來水嚴(yán)重不足，全市用水量的三分之二以上由地下水供給。地下水資源的可持續(xù)利用和保護(hù)十分重要，即使南水北調(diào)工程完工后，北京地下水資源的重要性仍不會削弱。

北京平原的地下水主要采自第四系松散沉積物中，其開采量占全市地下水開采量的90%以上。因此平原第四系三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)，要反映平原地下水系統(tǒng)的主要特征。由圖 9 可以看出，北京平原的第四系孔隙水富水性嚴(yán)格受第四系三維結(jié)構(gòu)控制，其富水性區(qū)的分布、形態(tài)和規(guī)模都與潮白河沖洪積扇、永定河Ⅰ號沖洪積扇吻合。富水地段與含水層巖性有關(guān)，其顆粒粗富水性就好，顆粒細(xì)富水性則差。由沖洪積扇頂?shù)缴染墸畬宇w粒逐漸變細(xì)，富水性也逐漸變差。粘土、亞粘土為隔水層，砂礫石、中細(xì)砂、粉砂為儲水層。第四系三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制著北京平原的第四系孔隙水地下水系統(tǒng)；基巖裂隙水和巖溶水受基巖三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制。隱伏斷裂的破碎帶多為導(dǎo)水賦水部位,碳酸鹽巖分布區(qū)則是巖溶水的賦存區(qū)。

圖9 北京市平原區(qū)第四系孔隙水富水性分區(qū)圖［11］

3.2 巖土工程地質(zhì)特征與第四系三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)

北京平原巖土工程地質(zhì)特征具有明顯的規(guī)律性，并與第四紀(jì)沉積物的性質(zhì)密切相關(guān)。按照巖土的力學(xué)性質(zhì)、地下水特點(diǎn)等因素，將平原分為巖土工程地質(zhì)條件良好、較好和較差3類地區(qū)。其3類地區(qū)的分布，受平原第四系三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)的控制（圖 10）。由圖10可以看出，北京平原巖土工程地質(zhì)分區(qū)受沖洪積扇三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制。永定河Ⅰ號沖洪積扇形成時代早于Ⅱ號扇，巖土密實(shí)度和力學(xué)性質(zhì)好于Ⅱ號扇。同樣，由于自扇頂?shù)缴染?、巖土沉積物的顆粒由粗到細(xì)，分帶分布，其巖土體的力學(xué)性質(zhì)也具有明顯的分帶性。在沖洪積扇的扇緣、沉積凹陷與河湖地區(qū)，其沉積物顆粒較細(xì)，其力學(xué)性質(zhì)較差。

圖10 北京市平原區(qū)巖土工程地質(zhì)簡圖

3.3 地面沉降與第四系三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系

地面沉降是北京平原地質(zhì)災(zāi)害之一。近些年其沉降區(qū)面積和沉降速率呈上升趨勢，對城市建設(shè)和發(fā)展造成的一定威脅和損害。關(guān)于北京地面沉降產(chǎn)生的原因存在2種觀點(diǎn)：一種意見認(rèn)為其主要原因是開采地下水過量；另一種意見認(rèn)為主要是巖土地質(zhì)原因，即平原地區(qū)存在可壓縮的土層所致。由圖 11 可以看出，北京平原地面沉降的分布具有明顯的規(guī)律性，沉降中心都分布在沖洪積扇的扇緣和第四紀(jì)沉積凹陷區(qū)附近，而沉積凹陷又受斷裂構(gòu)造控制，其累計沉降量與所處沖洪積扇的形態(tài)和部位有關(guān)。榆垡沉降中心與永定河Ⅱ號扇基本吻合；沖洪積扇扇緣由于沉積物顆粒較細(xì)，存在較厚的可壓縮層，為地面沉降的發(fā)生提供了發(fā)生條件，可能成為地面沉降的中心。北京平原地面沉降的原因主要是地質(zhì)因素，受第四系三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)和斷裂系統(tǒng)控制。

除地下水、工程地質(zhì)與地面沉降的特征受第四系三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制外，北京平原土壤的地球化學(xué)特征、垃圾填埋場選址等，也都與第四系三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。

圖11 北京市平原區(qū)地面沉降等值線圖［12］

3.4 活動斷裂、地裂縫與隱伏斷裂系統(tǒng)的關(guān)系

北京平原的隱伏斷裂比較發(fā)育，大多被第四系松散沉積物覆蓋。通過大量的鉆探和物探工作，平原區(qū)主要斷裂分布目前已基本查清。北京平原主要的活動斷裂有南口— 孫河斷裂、黃莊—高麗營斷裂、順義斷裂和夏墊—馬坊斷裂。北京地裂縫的分布與黃莊—高麗營斷裂、順義斷裂關(guān)系密切。北京平原活動斷裂和地裂縫已對城市的建設(shè)和發(fā)展造成了一定影響和威脅（圖12）。北京平原地區(qū)的斷裂系統(tǒng)是華北構(gòu)造系統(tǒng)的一部分，他們與西山的隆升、華北平原的形成有一定的關(guān)聯(lián)，它們的發(fā)生和活動規(guī)律與區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動是一致的。NE向的斷裂系統(tǒng)對北京斷陷盆地和北京平原的形成起著主要控制作用，其中的黃莊—高麗營斷裂、順義斷裂、南苑—通縣斷裂、夏墊—馬坊斷裂是主要的活動斷裂，它們控制著地裂縫的分布、規(guī)模和發(fā)展。加強(qiáng)對平原隱伏斷裂的研究，對開發(fā)基巖地下水和地?zé)豳Y源有重要意義。

圖12 北京市平原區(qū)活動斷裂及地裂縫圖

4 北京平原的地質(zhì)系統(tǒng)

已經(jīng)完成的北京市多參數(shù)立體地質(zhì)調(diào)查項目，使我們用系統(tǒng)的眼光觀察各種地質(zhì)現(xiàn)象。我們發(fā)現(xiàn)，北京平原的各種地質(zhì)現(xiàn)象之間存在密切的聯(lián)系和規(guī)律性，各種地質(zhì)現(xiàn)象均處在一個統(tǒng)一的地質(zhì)系統(tǒng)之中。

北京平原的地下水資源、工程地質(zhì)特征以及各種地質(zhì)災(zāi)害，都賦存或發(fā)生于第四系之中，與第四系的關(guān)系密切,受第四系的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制。因此了解平原第四系的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)，對于揭示平原的各種地質(zhì)現(xiàn)象內(nèi)在的規(guī)律具有重要的意義。

北京平原由沖洪積扇群、沉積凹陷、基巖和斷裂組成的龐大系統(tǒng)，是我們面對的所有地質(zhì)問題的最終決定者（圖13）。構(gòu)造運(yùn)動和斷裂活動造成了西部山區(qū)和平原的分化，形成了北京斷陷盆地。隨著永定河、潮白河等水系的出現(xiàn)，形成了巨大的沖洪積扇群。永定河、潮白河的沖洪積扇群控制著平原的地下水系統(tǒng)、工程地質(zhì)特征以及地面沉降等的分布和發(fā)展。

基巖隱伏斷裂子系統(tǒng)的特征決定著活動斷裂的分布與活動特點(diǎn)，決定著隱伏巖溶塌陷和地裂縫的分布和發(fā)展，決定著平原的地殼穩(wěn)定性。

圖13 北京平原的地質(zhì)系統(tǒng)示意圖

5 結(jié)束語

本文所引用的資料大多為北京市多參數(shù)立體地質(zhì)調(diào)查項目的成果。用系統(tǒng)的宏觀的視角對這些成果進(jìn)行綜合的分析和研究還只是剛剛開始，本文的分析是初步的，一定會存在不少問題和不足。

[1] 王成善等.沉積盆地分析原理與方法.北京：高等教育出版社，2003年6月.

[2] 劉寶君等.巖相古地理基礎(chǔ)和工作方法.北京：地質(zhì)出版社，1985年5月.

[3] 謝宇平等.第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)及地貌學(xué).北京：地質(zhì)出版社，1994年11月.

[4] 北京區(qū)域地質(zhì)志.北京：地質(zhì)出版社,1991年12月.

[5] 北京市巖石地層.北京：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1996年7月.

[6] 李華章.北京地區(qū)第四紀(jì)古地理研究.北京：地質(zhì)出版社，1995年.

[7] 鮑亦岡等.北京地質(zhì)百年研究.北京：地質(zhì)出版社，2001年10月.

[8] 河北省北京市天津市區(qū)域地質(zhì)志.北京：地質(zhì)出版社，1989年6月.

[9] 蔡向民等.城市地質(zhì)調(diào)查中第四紀(jì)松散沉積物的分類研究.城市地質(zhì)，2007年，第2卷第3期.

[10] 北京城市地質(zhì)（北京城市地質(zhì)叢書一分冊）.北京：中國大地出版社，2008年9月.

[11] 北京地下水（北京城市地質(zhì)叢書二分冊）.北京：中國大地出版社，2008年9月.

[12] 北京地質(zhì)災(zāi)害（北京城市地質(zhì)叢書三分冊）.北京：中國大地出版社，2008年9月.

[13] 北京淺層地溫能資源（北京城市地質(zhì)叢書四分冊）.北京：中國大地出版社，2008年9月.

[14] 北京城市地質(zhì)圖集（北京城市地質(zhì)叢書）.北京：中國大地出版社，2008年9月.

[15] 北京志（北京礦產(chǎn)水利氣象卷·地質(zhì)礦產(chǎn)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