呂金波1鄭明存2
1北京市地質(zhì)調(diào)查研究院北京 102206；
2北京市房山區(qū)石花洞風景區(qū)管委會北京 102416
摘 要：在全國范圍內(nèi)，北京石花洞的層數(shù)最多，洞穴鐘乳石種類齊全，毛細滲透水沉積的石花美麗，裂隙滲透水沉積的石盾最多、體積最大，滴水沉積的石筍疊置關(guān)系最明顯，流水沉積的石旗發(fā)育奇特，池水沉積的月奶石發(fā)育最好，全新世石筍微層理發(fā)育最清晰。獨有膜足硬肢馬陸穴居動物。該洞的大形態(tài)反映了北京西山新構(gòu)造運動的歷史，可以同華北地文期和永定河階地對比，洞內(nèi)鐘乳石記錄了中更新世以來北京西山古環(huán)境的變化信息，可以和周口店碎屑沉積物進行對比，首先建立鐘乳石剖面。石花洞在地質(zhì)時期沒有遭受破壞，是對北京猿人生存空間的真實體現(xiàn)。石花洞外自北向南為一條奧陶系-三疊系典型地質(zhì)剖面。
關(guān)鍵詞：洞穴大形態(tài)、石盾、月奶石、石筍微層理、鐘乳石剖面、硬肢馬陸、北京石花洞
北京石花洞位于房山區(qū)大石河南岸的河北鎮(zhèn)南車營村，距北京市區(qū)約50km（圖1）。
在全國，石花洞層數(shù)最多；洞穴鐘乳石種類齊全，毛細滲透水沉積的石花美麗；裂隙滲透水沉積的石盾最多，體積最大；滴水沉積的石筍疊置關(guān)系最明顯；流水沉積的石旗奇特；池水沉積的月奶石發(fā)育最好；石筍微層理發(fā)育最清晰；獨有膜足硬肢馬陸動物。
石花洞外地質(zhì)剖面典型，洞穴大形態(tài)(洞層)反映了北京西山的新構(gòu)造運動期次，洞內(nèi)鐘乳石種類齊全，首次發(fā)現(xiàn)石筍微層理[1]，通過與周口店洞穴群洞內(nèi)碎屑沉積物進行對比，首次建立鐘乳石剖面[2]。
從區(qū)域上看，石花洞位于房山花崗巖體的北側(cè)，發(fā)育在北嶺向斜東北揚起端的奧陶系馬家溝組頂部。地層南傾，走向近東西，傾角30o左右（圖2）。
1 洞外地層剖面典型
石花洞溝北低南高，自溶洞區(qū)到南山頂為一條古生界-中生界地層剖面。依
次發(fā)育奧陶系馬家溝組，石炭系清水澗組、下楊家屯組，二疊系中上楊家屯組、紅廟嶺組，三疊系雙泉組，侏羅系南大嶺組、窯坡組和龍門組。是一部完整的地質(zhì)教科書，石花洞就產(chǎn)生在剖面所在的奧陶系馬家溝組石灰?guī)r中。奧陶系馬家溝組與石炭系清水澗組之間有140Ma的沉積間斷，形成了平行不整合,往后沉積環(huán)境從初期的陸表淺海，向著海陸交替的過渡環(huán)境發(fā)展，最終成為海退大陸環(huán)境。
馬家溝組厚51.70m，以青灰色紋帶灰?guī)r為主，有白云巖夾層，基本不含硅質(zhì)團塊，巖性單一。巖石中含Ca較高，含K、Na值較低。其元素含量的變化與下伏冶里組明顯不同，前者以石灰?guī)r為主，后者以白云巖為主，加之上覆地層為石炭系砂頁巖，這就使得馬家溝組與上下地層相比有極強的溶蝕能力，發(fā)育溶洞。馬家溝組地層剖面如下：
1.新生代構(gòu)造層；2.中生代構(gòu)造層；3.晚古生代構(gòu)造層（包括三疊系）；4.早古生代構(gòu)造層；5.中、晚元古代構(gòu)造層；6.燕山期花崗閃長巖；7.背斜；8.向斜；9.倒轉(zhuǎn)背斜（箭頭指軸面傾向）；10.倒轉(zhuǎn)向斜；11.穹隆及穹狀背斜；12.斷層；13.推測斷層；14.平行不整合；15.角度不整合
上覆地層：石炭系清水澗組硬綠泥石紅柱石藍晶石片巖
…………平行不整合…………
5.黃白色中厚層條帶狀石灰?guī)r 2.00m
4.灰白色中厚層紋帶狀石灰?guī)r與白云巖互層 7.96m
3.薄層石灰?guī)r與白云巖互層 15.96m
2.灰白色中厚層白云質(zhì)灰?guī)r 10.34m
1.灰色薄層狀白云巖與石灰?guī)r互層 15.44m
…………整合…………
下伏地層：奧陶系冶里組白云巖
馬家溝組向上地層剖面見（圖3）。
2 洞穴大形態(tài)——洞層最多
洞穴大形態(tài)（Large Forms of Caves）系指新近紀以來形成的洞穴通道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征，包括不同地段的縱剖面及橫斷面形態(tài)。洞穴縱剖面是指一個洞穴系統(tǒng)的不同部位，其頂、底板的縱剖面坡降常有很大變化，它們有的是受地質(zhì)條件所控制，有的是在不同的水動力條件下所形成。洞穴的橫斷面是指洞穴的橫斷面形狀，可分為扁圓狀及峽谷狀兩大類。
形成石花洞的奧陶系石灰?guī)r傾角為30°左右，洞穴通道沿著地層走向延伸，其頂、底板的縱剖面坡降很小，1～4層和5～6層洞穴橫斷面為鎖孔形，應(yīng)該為潛水帶洞；4層和7層以下洞穴橫斷面為鎖孔形，應(yīng)該為滲流帶洞，地殼抬升速度加快（表1）。
華北地文期是指隨著華北地臺的上升，形成的一系列夷平面、階地和洞穴等地貌形式?？煞譃楸迸_期、唐縣期、汾河期、三門期、清河期、馬蘭期、板橋期和近代期等。古近紀華北地區(qū)為準平原化地貌，最高的山峰山脊為當時的殘留地面。新近紀唐縣期，北京西山開始隆升，形成高位寬谷和最老的洞穴大形態(tài)。
永定河為石花洞北部貫穿北京西山的唯一河流，是北京城市的母親河，階地發(fā)育完整，從新近紀－第四紀全新世共發(fā)育8級階地[3]。
石花洞原分7層。1996年4月16日呂金波、李鐵英、姚留增、王秋來等對石花洞進行了全面探測，發(fā)現(xiàn)了地下懸河和大量新的沖積物－黃色中粗砂，認為石花洞共發(fā)育8層洞道（圖4），8層洞道在全國是最多的。
3 洞穴鐘乳石的種類齊全
石花洞內(nèi)鐘乳石的種類齊全，可分為4種基本類型，即重力水沉積，非重力水沉積，協(xié)同沉積和疊置沉積。前3類之間存在著密切的系統(tǒng)成因聯(lián)系，疊置沉積是不同階段沉積的疊合。重力水沉積中分為滴水、流水和停滯水等3種沉積類型，非重力水沉積中分為毛細滲透、裂隙滲透、淋濾滲透和霧滴飛濺水等4種沉積類型，協(xié)同沉積分為滴水-飛濺水-流水、裂隙滲透水-流水等2種沉積類型?？偣?1種鐘乳石種類。
4 毛細滲透水沉積的石花美麗
毛細滲透水沉積是包氣帶洞穴中，非重力水沉積的主要形式。所以多孔隙的巖石是毛細水活動的主要場所，化學沉積作用是在洞穴中水流量最小的情況下發(fā)生的。洞穴空氣中的濕度及運動強度對非重力水生成物結(jié)晶的完美程度及形態(tài)有重大的影響[4]。
毛細滲透水沉積的典型代表為洞穴方解石石花“火樹銀花”（圖5），曾獲得1993年第11界世界洞穴大會二等獎。
5 裂隙滲透水沉積的石盾最多、體積最大
裂隙滲透水沉積是包氣帶洞穴中非重力水的另一主要形式，是微細裂隙中的薄膜水向外生長析出形成的，在薄膜水的兩端碳酸鈣析出，形成石盾。石盾的中間是空心的，分為兩個互不連接的盾板，靠近下面的盾板在重力的作用下很容易垮落，剩下上面的半個石盾。用眼觀察與薄膜水接觸的盾面，具有從裂隙端點向外發(fā)育的同心環(huán)狀生長紋。
裂隙滲透水沉積的典型代表為石盾，石花洞中的石盾在世界上是最多的，仙女繡花臺石盾在中國是最大的（圖6），雙彩石盾是最為絢麗的（圖7）。
仙女繡花臺石盾，實際上由3個石盾聯(lián)生；盾面2.70×1.53m，產(chǎn)狀220o∠14o，盾下乳長1.48m。
雙彩石盾實際上是由3個盾組成，最外面的盾0.85×0.85m，盾面傾向80o∠32o；中間的盾被隱藏在后面，盾面面積0.55×0.42m，盾面產(chǎn)狀120o∠45o；最里面的盾0.50×0.50m，盾面產(chǎn)狀130o∠55o。
6 滴水沉積的筍乳相接石柱經(jīng)典
滴水沉積的石筍、石鐘乳是巖溶洞穴中最常見和數(shù)量最多的沉積物。滴水（斷續(xù)的水滴）的動力和流量有大有小，所以相關(guān)沉積物的形態(tài)和規(guī)模均有較大的變化。水滴掉在地面上，析出的鈣華一層層向上生長，形成石筍。在洞頂沒有掉下的碳酸鈣水析出，從上向下生長，形成石鐘乳，由于后期的水不斷從上向下流動，所以成層性不如石筍。石筍與石鐘乳相接在一起形成石柱，石花洞中的筍乳相接的石柱（天地銀鐘）猶如教科書般的經(jīng)典（圖8）。
7 滴水沉積的石筍疊置關(guān)系明顯、微層理最清晰
滴水沉積成因疊置關(guān)系明顯景觀為龍宮中的擎天鴛鴦柱（圖9），粗獷的石柱為中更新世周口店期沉積物，細桿狀石筍（如金箍棒）（圖10）為晚更新世馬蘭期沉積物，具有微層理的黃色半透明石筍（圖11）為全新世沉積物。石筍疊置關(guān)系明顯這一地質(zhì)特征有著重要的科學意義，為在巖溶洞穴中首次建立鐘乳石剖面奠定了基礎(chǔ)。
7.1 中更新世最老的鈣板沉積
石花洞2層鈣板年齡為趙樹森等1981年1月利用鈾系測量，樣品為鈣板流石，編號8117的鈣板年齡為334.99ka，編號8118的鈣板年齡為366.74ka[5]。
根據(jù)國際地層表規(guī)定，126～781 ka為更新世中期，鈣板年齡均在此范圍。
7.2中更新世粗獷石筍沉積
中更新統(tǒng)粗獷石筍沉積（圖9），包括蟠龍玉柱、擎天鴛鴦柱和迎門玉柱。其中擎天鴛鴦柱旁邊有倒塌的粗獷石筍，靠近頂部中心的鈾系年齡169ka，斷柱中間中心的鈾系年齡235ka，相當于周口店期。1981年1月，趙樹森等最早在2層水簾洞東側(cè)坎上測量的石筍，編號8116，鈾系年齡為160.46 ka[5]。
1989年邢如連、原思訓等對西支洞內(nèi)殘斷的石筍（石筍-Ⅰ、石筍-Ⅱ）進行了國內(nèi)首次ESR測年與鈾系測年對比研究，石筍-Ⅰ年齡值為130ka、179ka、235ka、石筍-Ⅱ年齡值為245 ka、267 ka、316 ka、472 ka、518 ka[6]。
根據(jù)國際地層表規(guī)定，126～781 ka為更新世中期，上述年齡均在此范圍。
7.3晚更新世桿狀石筍沉積
圖10中的9510樣品采于4層鎖孔狀斷面南側(cè)崩塌塊鈣華之上，石筍長116cm，直徑8～11cm，為晚更新統(tǒng)桿狀石筍沉積。通過230Th/234U年代測定，年齡為42.9±2.0～100.3±11.1ka（表4），相當于馬蘭期。圖9中碗口粗，長3.2m的石筍（金箍棒）也是這個時期的產(chǎn)物，碳酸鈣沉積速率為0.012～0.04mm/a。
根據(jù)國際地層表規(guī)定，11.5～126 ka為更新世晚期，表4年齡均在此范圍。
7.4 全新世具有清晰微層理的石筍沉積
圖11中的9512（或TS9501）樣品，是1996年11月4日傍晚呂金波、趙樹森、王星等在為洞穴裂隙的南北大走廊南端（平型關(guān)轉(zhuǎn)彎處守備支洞，洞穴沿地層走向東西發(fā)育，南北為裂隙，與外界連通較好）泥池中采得的，石筍長21cm，直徑為9～11cm，頂部有未飽和水。石筍剖面中首次發(fā)現(xiàn)透光微層理（圖12），是世界上最好的碳酸鈣微層理樣品。
樣品首次在美國南加州大學進行210Pb法測年，距石筍頂4mm，年齡小于100a。
AMS14C測年，距石筍頂4mm處為130±100a，距石筍頂23mm處為670±130a。常規(guī)14C測年，距石筍頂24mm處為580a，距石筍頂104mm處為2500a。
碳酸鈣沉積速率為0.04mm/a，生長微層理代表年層。
根據(jù)國際地層表規(guī)定，＜11.5 ka為更新世晚期，表5年齡均在此范圍。
樣品編號為9512（圖11），為李鐵英主持的北京市科學技術(shù)委員會項目《北京石花洞地區(qū)洞穴資源開發(fā)與環(huán)境保護研究》855600400號安排采樣，1996年11月4日呂金波帶隊采得樣品，1996年11月6日在北京市地質(zhì)調(diào)查研究院（原北京市地質(zhì)調(diào)查所）北面石材車間葛世偉安排縱向切開剖面并照相。譚明、劉東生和秦小光等在發(fā)表的文章中改為TS9501。李鐵英①、趙樹森②、李紅春[7]、劉東生[1]、譚明[8]、秦小光[9]、呂金波[2]等進行了詳細的研究，從中發(fā)現(xiàn)了透光微層理（圖12）。通過年代測定、氣候事件控制分析，研究了北京地區(qū)3000a以來的古氣候變化②。初步提出了石筍微層的年層時標含義及層厚變化主要響應(yīng)降水變化的氣候意義，試圖利用微層層厚－降水響應(yīng)關(guān)系，重建北京地區(qū)1130a來干濕變化的年分辨率趨勢，通過功率譜分析發(fā)現(xiàn)136a、50a、16～18a、11a、5.8a的降水周期變化[1]。
8 流水沉積的石旗美麗
流水沉積是由連續(xù)運動的水流形成的，主要由天流石、壁流石和底流石組成。天流石成因的典型和美麗的代表類型為石旗（洞府銀旗）（圖13），長2.18m。
9 池水沉積的月奶石發(fā)育最好
典型代表為國內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)的月奶石－石蓮（圖14）。
在較寒冷的氣候條件下沉積的月奶石，其成分為CaCO3和MgCO3,通常呈漿糊狀、粉末狀和海綿狀，14C年齡為22ka和32ka[10]。
10 獨有硬肢馬陸穴居動物
硬肢馬陸屬（Skleroprotopus）隸于倍足綱（Diplopods）姬馬陸目（Julida）蒙古馬陸科（Mongoliulidae）。阿特姆（Attems，C.G.1901）在我國河北省張家口首次發(fā)現(xiàn)此種的孔丘硬肢馬陸（Skleroprotopus confucius），指定為模式種。高桑（Takakuwa，1942、1949）又先后在我國東北沈陽發(fā)現(xiàn)側(cè)基硬肢馬陸（Sk.laticoxalis）。1982年，張崇洲在北京石花洞發(fā)現(xiàn)膜足硬肢馬陸（Skleroprotopus membranipedalis，sp.nov.），這是中國巖溶洞穴中獨有的硬肢馬陸穴居動物[11]。
參 考 文 獻
[1] 劉東生、譚明、呂金波等．洞穴碳酸鈣微層理在中國的首次發(fā)現(xiàn)及其對全球變化研究的意義[J]．第四紀研究，1997（1）：41～51
[2] 呂金波，李鐵英，孫永華．車用太.北京石花洞的巖溶地質(zhì)特征[J]．中國區(qū)域地質(zhì). 1999，18（4）：373～378
[3] 呂金波．北京西山新生代古地理環(huán)境的演變[J]．河北地質(zhì)學院學報. 1994，17（3）：228～235
[4] 朱學穩(wěn)．桂林巖溶[M]上海：科學技術(shù)出版社，1988，108～109
[5] 趙樹森，劉明林，喬廣生．中國東部喀斯特洞穴沉積物鈾系年代[J]．中國巖溶，1990，9（3）：279～288.
[6] 邢如連，原思訓等．ESR法測定石筍類碳酸鹽年代的研究[J]．中國巖溶，1989，8（2）：89～99
[7] 李紅春，趙樹森，李鐵英等．洞穴石筍的14C年代學研究——石花洞研究系列之二[J]．1996，18（4）：329～338.
[8] 譚明，劉東生，呂金波等．北京石花洞全新世石筍微生長層與穩(wěn)定同位素氣候意義初步研究[J]．中國巖溶，1997，16（1）：1～10
[9] 秦小光，劉東生，呂金波等．北京石花洞石筍微層灰度變化特征及其氣候意義——Ⅰ.微層顯微特征[J].中國科學（D輯）， 1998，28（1）. 91～96
[10] 盧耀如．中國巖溶[M]．北京：地質(zhì)出版社，1986，94～95
[11] 張崇洲．北京房山石佛洞硬肢馬陸屬——新種[A]．見：中國地理學會地貌專業(yè)委員會編，喀斯特地貌與洞穴[M]．北京：科學技術(shù)出版社，154～156
①李鐵英、呂金波，張薔、李振聲等，北京石花洞地區(qū)洞穴資源開發(fā)與環(huán)境保護研究，1998
②趙樹森，等，“北京石花洞地區(qū)洞穴資源開發(fā)與環(huán)境保護研究”報告中的“北京石花洞洞穴碳酸鈣年代學與古氣候環(huán)境研究”章節(jié)，1998
