吕金波¹郑明存²
1北京市地质调查研究院北京 102206；
2北京市房山区石花洞风景区管委会北京 102416

摘 要：在全国范围内，北京石花洞的层数最多，洞穴钟乳石种类齐全，毛细渗透水沉积的石花美丽，裂隙渗透水沉积的石盾最多、体积最大，滴水沉积的石笋叠置关系最明显，流水沉积的石旗发育奇特，池水沉积的月奶石发育最好，全新世石笋微层理发育最清晰。独有膜足硬肢马陆穴居动物。该洞的大形态反映了北京西山新构造运动的历史，可以同华北地文期和永定河阶地对比，洞内钟乳石记录了中更新世以来北京西山古环境的变化信息，可以和周口店碎屑沉积物进行对比，首先建立钟乳石剖面。石花洞在地质时期没有遭受破坏，是对北京猿人生存空间的真实体现。石花洞外自北向南为一条奥陶系-三叠系典型地质剖面。

关键词：洞穴大形态、石盾、月奶石、石笋微层理、钟乳石剖面、硬肢马陆、北京石花洞

　　北京石花洞位于房山区大石河南岸的河北镇南车营村，距北京市区约50km（图1）。

　　在全国，石花洞层数最多；洞穴钟乳石种类齐全，毛细渗透水沉积的石花美丽；裂隙渗透水沉积的石盾最多，体积最大；滴水沉积的石笋叠置关系最明显；流水沉积的石旗奇特；池水沉积的月奶石发育最好；石笋微层理发育最清晰；独有膜足硬肢马陆动物。

　　石花洞外地质剖面典型，洞穴大形态(洞层)反映了北京西山的新构造运动期次，洞内钟乳石种类齐全，首次发现石笋微层理^[1]，通过与周口店洞穴群洞内碎屑沉积物进行对比，首次建立钟乳石剖面^[2]。

　　从区域上看，石花洞位于房山花岗岩体的北侧，发育在北岭向斜东北扬起端的奥陶系马家沟组顶部。地层南倾，走向近东西，倾角30º左右（图2）。

1　洞外地层剖面典型

　　石花洞沟北低南高，自溶洞区到南山顶为一条古生界-中生界地层剖面。依

　　次发育奥陶系马家沟组，石炭系清水涧组、下杨家屯组，二叠系中上杨家屯组、红庙岭组，三叠系双泉组，侏罗系南大岭组、窑坡组和龙门组。是一部完整的地质教科书，石花洞就产生在剖面所在的奥陶系马家沟组石灰岩中。奥陶系马家沟组与石炭系清水涧组之间有140Ma的沉积间断，形成了平行不整合,往后沉积环境从初期的陆表浅海，向着海陆交替的过渡环境发展，最终成为海退大陆环境。

　　马家沟组厚51.70m，以青灰色纹带灰岩为主，有白云岩夹层，基本不含硅质团块，岩性单一。岩石中含Ca较高，含K、Na值较低。其元素含量的变化与下伏冶里组明显不同，前者以石灰岩为主，后者以白云岩为主，加之上覆地层为石炭系砂页岩，这就使得马家沟组与上下地层相比有极强的溶蚀能力，发育溶洞。马家沟组地层剖面如下：

1.新生代构造层；2.中生代构造层；3.晚古生代构造层（包括三叠系）；4.早古生代构造层；5.中、晚元古代构造层；6.燕山期花岗闪长岩；7.背斜；8.向斜；9.倒转背斜（箭头指轴面倾向）；10.倒转向斜；11.穹隆及穹状背斜；12.断层；13.推测断层；14.平行不整合；15.角度不整合

　　上覆地层：石炭系清水涧组硬绿泥石红柱石蓝晶石片岩

　　…………平行不整合…………

　　5.黄白色中厚层条带状石灰岩　2.00m
　　4.灰白色中厚层纹带状石灰岩与白云岩互层　7.96m　
　　3.薄层石灰岩与白云岩互层　15.96m
　　2.灰白色中厚层白云质灰岩　10.34m
　　1.灰色薄层状白云岩与石灰岩互层　15.44m

　　…………整合…………

　　下伏地层：奥陶系冶里组白云岩
　　马家沟组向上地层剖面见（图3）。

2　洞穴大形态——洞层最多

　　洞穴大形态（Large Forms of Caves）系指新近纪以来形成的洞穴通道系统结构特征，包括不同地段的纵剖面及横断面形态。洞穴纵剖面是指一个洞穴系统的不同部位，其顶、底板的纵剖面坡降常有很大变化，它们有的是受地质条件所控制，有的是在不同的水动力条件下所形成。洞穴的横断面是指洞穴的横断面形状，可分为扁圆状及峡谷状两大类。

　　形成石花洞的奥陶系石灰岩倾角为30°左右，洞穴通道沿着地层走向延伸，其顶、底板的纵剖面坡降很小，1～4层和5～6层洞穴横断面为锁孔形，应该为潜水带洞；4层和7层以下洞穴横断面为锁孔形，应该为渗流带洞，地壳抬升速度加快（表1）。

　　华北地文期是指随着华北地台的上升，形成的一系列夷平面、阶地和洞穴等地貌形式。可分为北台期、唐县期、汾河期、三门期、清河期、马兰期、板桥期和近代期等。古近纪华北地区为准平原化地貌，最高的山峰山脊为当时的残留地面。新近纪唐县期，北京西山开始隆升，形成高位宽谷和最老的洞穴大形态。

　　永定河为石花洞北部贯穿北京西山的唯一河流，是北京城市的母亲河，阶地发育完整，从新近纪－第四纪全新世共发育8级阶地^[3]。

　　石花洞原分7层。1996年4月16日吕金波、李铁英、姚留增、王秋来等对石花洞进行了全面探测，发现了地下悬河和大量新的冲积物－黄色中粗砂，认为石花洞共发育8层洞道（图4），8层洞道在全国是最多的。

3　洞穴钟乳石的种类齐全

　　石花洞内钟乳石的种类齐全，可分为4种基本类型，即重力水沉积，非重力水沉积，协同沉积和叠置沉积。前3类之间存在着密切的系统成因联系，叠置沉积是不同阶段沉积的叠合。重力水沉积中分为滴水、流水和停滞水等3种沉积类型，非重力水沉积中分为毛细渗透、裂隙渗透、淋滤渗透和雾滴飞溅水等4种沉积类型，协同沉积分为滴水-飞溅水-流水、裂隙渗透水-流水等2种沉积类型。总共41种钟乳石种类。

4　毛细渗透水沉积的石花美丽

　　毛细渗透水沉积是包气带洞穴中，非重力水沉积的主要形式。所以多孔隙的岩石是毛细水活动的主要场所，化学沉积作用是在洞穴中水流量最小的情况下发生的。洞穴空气中的湿度及运动强度对非重力水生成物结晶的完美程度及形态有重大的影响^[4]。

　　毛细渗透水沉积的典型代表为洞穴方解石石花“火树银花”（图5），曾获得1993年第11界世界洞穴大会二等奖。

5　裂隙渗透水沉积的石盾最多、体积最大

　　裂隙渗透水沉积是包气带洞穴中非重力水的另一主要形式，是微细裂隙中的薄膜水向外生长析出形成的，在薄膜水的两端碳酸钙析出，形成石盾。石盾的中间是空心的，分为两个互不连接的盾板，靠近下面的盾板在重力的作用下很容易垮落，剩下上面的半个石盾。用眼观察与薄膜水接触的盾面，具有从裂隙端点向外发育的同心环状生长纹。

　　裂隙渗透水沉积的典型代表为石盾，石花洞中的石盾在世界上是最多的，仙女绣花台石盾在中国是最大的（图6），双彩石盾是最为绚丽的（图7）。

　　仙女绣花台石盾，实际上由3个石盾联生；盾面2.70×1.53m，产状220º∠14º，盾下乳长1.48m。

　　双彩石盾实际上是由3个盾组成，最外面的盾0.85×0.85m，盾面倾向80º∠32º；中间的盾被隐藏在后面，盾面面积0.55×0.42m，盾面产状120º∠45º；最里面的盾0.50×0.50m，盾面产状130º∠55º。

6　滴水沉积的笋乳相接石柱经典

　　滴水沉积的石笋、石钟乳是岩溶洞穴中最常见和数量最多的沉积物。滴水（断续的水滴）的动力和流量有大有小，所以相关沉积物的形态和规模均有较大的变化。水滴掉在地面上，析出的钙华一层层向上生长，形成石笋。在洞顶没有掉下的碳酸钙水析出，从上向下生长，形成石钟乳，由于后期的水不断从上向下流动，所以成层性不如石笋。石笋与石钟乳相接在一起形成石柱，石花洞中的笋乳相接的石柱（天地银钟）犹如教科书般的经典（图8）。

7　滴水沉积的石笋叠置关系明显、微层理最清晰

　　滴水沉积成因叠置关系明显景观为龙宫中的擎天鸳鸯柱（图9），粗犷的石柱为中更新世周口店期沉积物，细杆状石笋（如金箍棒）（图10）为晚更新世马兰期沉积物，具有微层理的黄色半透明石笋（图11）为全新世沉积物。石笋叠置关系明显这一地质特征有着重要的科学意义，为在岩溶洞穴中首次建立钟乳石剖面奠定了基础。

7.1 中更新世最老的钙板沉积

　　石花洞2层钙板年龄为赵树森等1981年1月利用铀系测量，样品为钙板流石，编号8117的钙板年龄为334.99ka，编号8118的钙板年龄为366.74ka^[5]。

　　根据国际地层表规定，126～781 ka为更新世中期，钙板年龄均在此范围。

7.2中更新世粗犷石笋沉积

　　中更新统粗犷石笋沉积（图9），包括蟠龙玉柱、擎天鸳鸯柱和迎门玉柱。其中擎天鸳鸯柱旁边有倒塌的粗犷石笋，靠近顶部中心的铀系年龄169ka，断柱中间中心的铀系年龄235ka，相当于周口店期。1981年1月，赵树森等最早在2层水帘洞东侧坎上测量的石笋，编号8116，铀系年龄为160.46 ka^[5]。

　　1989年邢如连、原思训等对西支洞内残断的石笋（石笋-Ⅰ、石笋-Ⅱ）进行了国内首次ESR测年与铀系测年对比研究，石笋-Ⅰ年龄值为130ka、179ka、235ka、石笋-Ⅱ年龄值为245 ka、267 ka、316 ka、472 ka、518 ka^[6]。

　　根据国际地层表规定，126～781 ka为更新世中期，上述年龄均在此范围。

7.3晚更新世杆状石笋沉积

　　图10中的9510样品采于4层锁孔状断面南侧崩塌块钙华之上，石笋长116cm，直径8～11cm，为晚更新统杆状石笋沉积。通过²³⁰Th/²³⁴U年代测定，年龄为42.9±2.0～100.3±11.1ka（表4），相当于马兰期。图9中碗口粗，长3.2m的石笋（金箍棒）也是这个时期的产物，碳酸钙沉积速率为0.012～0.04mm/a。

　　根据国际地层表规定，11.5～126 ka为更新世晚期，表4年龄均在此范围。

7.4 全新世具有清晰微层理的石笋沉积

　　图11中的9512（或TS9501）样品，是1996年11月4日傍晚吕金波、赵树森、王星等在为洞穴裂隙的南北大走廊南端（平型关转弯处守备支洞，洞穴沿地层走向东西发育，南北为裂隙，与外界连通较好）泥池中采得的，石笋长21cm，直径为9～11cm，顶部有未饱和水。石笋剖面中首次发现透光微层理（图12），是世界上最好的碳酸钙微层理样品。

　　样品首次在美国南加州大学进行²¹⁰Pb法测年，距石笋顶4mm，年龄小于100a。

　　AMS¹⁴C测年，距石笋顶4mm处为130±100a，距石笋顶23mm处为670±130a。常规¹⁴C测年，距石笋顶24mm处为580a，距石笋顶104mm处为2500a。

　　碳酸钙沉积速率为0.04mm/a，生长微层理代表年层。
　　根据国际地层表规定，＜11.5 ka为更新世晚期，表5年龄均在此范围。

　　样品编号为9512（图11），为李铁英主持的北京市科学技术委员会项目《北京石花洞地区洞穴资源开发与环境保护研究》855600400号安排采样，1996年11月4日吕金波带队采得样品，1996年11月6日在北京市地质调查研究院（原北京市地质调查所）北面石材车间葛世伟安排纵向切开剖面并照相。谭明、刘东生和秦小光等在发表的文章中改为TS9501。李铁英^①、赵树森^②、李红春^[7]、刘东生^[1]、谭明^[8]、秦小光^[9]、吕金波^[2]等进行了详细的研究，从中发现了透光微层理（图12）。通过年代测定、气候事件控制分析，研究了北京地区3000a以来的古气候变化^②。初步提出了石笋微层的年层时标含义及层厚变化主要响应降水变化的气候意义，试图利用微层层厚－降水响应关系，重建北京地区1130a来干湿变化的年分辨率趋势，通过功率谱分析发现136a、50a、16～18a、11a、5.8a的降水周期变化^[1]。

8　流水沉积的石旗美丽

　　流水沉积是由连续运动的水流形成的，主要由天流石、壁流石和底流石组成。天流石成因的典型和美丽的代表类型为石旗（洞府银旗）（图13），长2.18m。

9　池水沉积的月奶石发育最好

　　典型代表为国内首次发现的月奶石－石莲（图14）。

　　在较寒冷的气候条件下沉积的月奶石，其成分为CaCO₃和MgCO₃,通常呈浆糊状、粉末状和海绵状，¹⁴C年龄为22ka和32ka^[10]。

10　独有硬肢马陆穴居动物

　　硬肢马陆属（Skleroprotopus）隶于倍足纲（Diplopods）姬马陆目（Julida）蒙古马陆科（Mongoliulidae）。阿特姆（Attems，C.G.1901）在我国河北省张家口首次发现此种的孔丘硬肢马陆（Skleroprotopus confucius），指定为模式种。高桑（Takakuwa，1942、1949）又先后在我国东北沈阳发现侧基硬肢马陆（Sk.laticoxalis）。1982年，张崇洲在北京石花洞发现膜足硬肢马陆（Skleroprotopus membranipedalis，sp.nov.），这是中国岩溶洞穴中独有的硬肢马陆穴居动物^[11]。

参 考 文 献
[1] 刘东生、谭明、吕金波等．洞穴碳酸钙微层理在中国的首次发现及其对全球变化研究的意义[J]．第四纪研究，1997（1）：41～51
[2] 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
[3] 吕金波．北京西山新生代古地理环境的演变[J]．河北地质学院学报. 1994，17（3）：228～235
[4] 朱学稳．桂林岩溶[M]上海：科学技术出版社，1988，108～109
[5] 赵树森，刘明林，乔广生．中国东部喀斯特洞穴沉积物铀系年代[J]．中国岩溶，1990，9（3）：279～288.
[6] 邢如连，原思训等．ESR法测定石笋类碳酸盐年代的研究[J]．中国岩溶，1989，8（2）：89～99
[7] 李红春，赵树森，李铁英等．洞穴石笋的14C年代学研究——石花洞研究系列之二[J]．1996，18（4）：329～338.
[8] 谭明，刘东生，吕金波等．北京石花洞全新世石笋微生长层与稳定同位素气候意义初步研究[J]．中国岩溶，1997，16（1）：1～10
[9] 秦小光，刘东生，吕金波等．北京石花洞石笋微层灰度变化特征及其气候意义——Ⅰ.微层显微特征[J].中国科学（D辑）， 1998，28（1）. 91～96
[10] 卢耀如．中国岩溶[M]．北京：地质出版社，1986，94～95
[11] 张崇洲．北京房山石佛洞硬肢马陆属——新种[A]．见：中国地理学会地貌专业委员会编，喀斯特地貌与洞穴[M]．北京：科学技术出版社，154～156

①李铁英、吕金波，张蔷、李振声等，北京石花洞地区洞穴资源开发与环境保护研究，1998
②赵树森，等，“北京石花洞地区洞穴资源开发与环境保护研究”报告中的“北京石花洞洞穴碳酸钙年代学与古气候环境研究”章节，1998