北京石花洞结构特征及发育演化过程研究

北京石花洞是中国北方已探明洞穴中次生碳酸盐沉积规模最大、种类最丰富的洞穴;石花洞的景观美学价值和科学价值,在我国北方岩溶洞穴中占有重要地位。2013年7月,为了获取石花洞发育规模、空间结构等基本数据,采用国际通用洞穴测量方法,运用激光测距仪、罗盘和倾角仪,辅以Onstation洞穴绘图软件和ArcMap10软件对石花洞洞穴开展了全面的调查和测绘。结果显示:(1) 石花洞洞穴系统整体呈北西西-南东东向展布,长度为5 639 m,洞底投影面积为37 096 m2,洞底高差为172 m,洞内最高点海拔约为265 m,最低点海拔约为93 m。洞穴系统的发育演化主要受地层产状与北东向和北西向两组断层控制;(2) 石花洞洞穴系统分为五层,自上而下,各层洞道平均海拔依次为249 m, 211 m, 154 m, 111 m和95 m;(3) 最底第五层季节性地下河洞道长1 638 m,自西北向东南方向贯穿整个洞穴系统,依干湿季水文条件的差别,地下水以季节性涨落为主要特征,有多段有水通道;地下河道下游末端为叉状河道,崩塌明显,洞壁上无明显流纹发育;(4) 综合石花洞地下河走向和流向、洞穴发育控制因素和区域地层产状特征、石花洞与周边洞穴的空间位置关系,推测孔水洞是石花洞洪水期的排泄口。      

石花洞8层溶洞展示北京西山新构造运动的隆升

北京大石河南岸从上游至下游依次分布鸡毛洞、银狐洞、石花洞、清风洞和孔水洞,由一条地下暗河将其连为一体,称为石花洞系。石花洞系为多层溶洞,可分为上下8层,即洞外山顶穿洞（唐县期）和洞穴上下7层。多层溶洞的每一层形成于岩溶水的水平流动带,新近纪以来,随着北京西山间歇性隆升,形成上下不同海拔高度的8层溶洞,可以和北京西山永定河的8级阶地对比,也可以和G．B．Barbour划分的8次华北地文期对比。石花洞的8层溶洞显示北京西山的8次抬升。     

北京石花洞第四纪钟乳石剖面的年代学研究

北京石花洞位于房山花岗岩体边缘向形带的东北扬起端,与北京猿人遗址南北相望。地层为460Ma前形成的中奥陶统马家沟组石灰岩,洞穴大形态从25Ma前的上新世开始形成,洞内钟乳石从0.37Ma前的中更新世开始形成。在中国岩溶洞穴中,北京石花洞的层数最多,洞穴钟乳石种类齐全,裂隙渗透水沉积的石盾多、体积大,滴水沉积的石笋叠置关系明显,池水沉积的月奶石发育好,全新世石笋微层理发育清晰。该洞的大形态反映了北京西山新构造运动的期次,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,可以建立第四纪剖面,与周口店洞穴群碎屑沉积物剖面进行对比。钙板的铀系年龄为334.99～366.74ka,可定名钙板组。粗犷石笋的铀系年龄为169～235ka,粗犷石笋的电子自旋共振年龄为130～518ka,为中更新世沉积,可定名云水洞组。杆状石笋的铀系年龄为14.9±2.1～100.3±11.1ka,为晚更新世沉积,可定名石花洞组。在全新世石笋中,微层与微层之间存在厚约1μm的条带状纹线,是划分微层层数的标志,具有微层理的石笋14C年龄为为0.58～2.50ka,AMS14C年龄为为130±100～670±130a,可定名守备支洞组。     

北京房山世界地质公园岩溶景观特色

北京房山世界地质公园是以岩溶洞穴景观和峰丛地貌景观为主题的地质公园。大石河流域发育中奥陶统马家沟组石灰岩,自上而下,依次发育鸡毛洞、银狐洞、石花洞和孔水洞,由一条地下暗河将其连为一个洞系,其水源补给点在大石河上游,排泄点为孔水洞。周口店猿人遗址属于中奥陶统马家沟组岩溶洞穴。拒马河流域发育中元古界雾速山组白云岩,岩溶洞穴包括云水洞、仙栖洞、龙仙宫和三清洞,均属唐县期夷平面时期的产物。拒马河流域地层平缓的中元古界雾速山组峰丛地貌区东从张坊起,西至大沙地,南临笔架山,北抵石人峰,流域面积395km~2,其中碳酸盐岩岩石面积占360km~2,山体上部的岩石被溶解,形成峰丛地貌景观。     

北京西山岩溶洞系的形成及其与新构造运动的关系

形成中国北方岩溶的地层主要为奥陶系马家沟组石灰岩和中元古界蓟县系雾迷山组硅质条带白云岩。上新世石林与第四纪岩溶陡壁组合成的房山地貌主要形成于雾迷山组中,岩溶洞穴发育在马家沟组和雾迷山组中。大石河南岸从上游至下游依次分布鸡毛洞、银狐洞、石花洞、清风洞和孔水洞,由一条地下暗河连为一体,称为石花洞系。石花洞系发育在北岭向斜东北扬起端的马家沟组顶部,与南面的周口店猿人洞系隔着房山闪长岩体。石花洞系中8层不同海拔高度的溶洞可以和永定河的8级阶地进行对比,也可以和8个华北地文期对比,代表了与之相互对应的北京西山新构造隆升的期次。     

北京石花洞的区域地质意义

在全国范围内，北京石花洞的层数最多，次生化学沉积物的叠置关系明显。该洞的大形态反映了北京西山新构造运动的历史，可以同华北地文斯和永定河阶地对比。洞内次生化学沉积物记录了中更新世以来，西山地区古环境变化的信息，可以和周口店洞穴中碎屑堆积物进行对比。     

北京石花洞岩溶学研究进展

全面介绍北京石花洞发现与研究的历史、取得的重大成果,以及在岩溶学研究领域所起的作用。石花洞位于北京西山,发现于明朝正统十一年,开发于20世纪80年代。岩溶学研究表明,石花洞洞层多（8层）,石盾多（200多个）,为世界罕见。在全国范围内,首次发现月奶石,首次发现碳酸钙微层理,首次发现膜足硬肢马陆穴居动物。笔者从地质学、气象学和环境学全面研究了石花洞,测绘精度达到1：200,进行了氡浓度研究。从溶蚀形态来看,石花洞8层溶洞展示北京西山的8次隆升;从沉积形态来看,石花洞中的粗犷石笋代表中更新世沉积,杆状石笋代表晚更新世沉积,微层理石笋代表全球转暖以来的全新世沉积,奠定了首次建立第四纪石笋剖面的基础。     

北京石花洞氡浓度的研究

通过对石花洞为各层氡浓度的测定，发现石花洞的氡浓度比广西岩溶洞穴的氡浓度要高，只是 与其周围的银狐洞、云水洞和国外洞穴相比要低。并根据国际放射防护委员会１９９０年建议书的规定，制定了石花洞内工作人员工作时间上限。     

贵州绥阳双河洞白云岩溶洞群成因研究

双河洞溶洞群是发育于中—上寒武统娄山关群白云岩中的大型岩溶洞穴系统,是当前已探知的全球最长的白云岩洞穴。为配合申报世界地质公园,笔者等通过野外调查、地层剖面实测、节理和洞道统计、水化学分析,综合探讨了溶洞群的成因和演化机制。研究表明,区域寒武系白云岩中同生沉积的硬石膏层对溶洞的发育具有至关重要的诱发和促进作用,溶洞洞道的发育方向和形态是地层构造和岩性综合影响的结果,区域岩溶水多处于不饱和状态,加剧岩溶作用过程。根据研究结果提出了溶洞群发育模型,认为溶洞群形成经历了膏盐溶孔——孤立孔洞——连通洞穴——大型溶洞——多层溶洞群一系列演化过程。     

位于首都的世界地质公园网络成员——房山地质公园

全球的世界地质公园活动是于1996年在房山周口店开始的。房山世界地质公园地跨北京市房山区和河北省涞水县、涞源县,地理坐标：东经114°36ˊ48＂～116°08ˊ16＂,北纬39°09ˊ57＂～39°43ˊ08＂。公园东西长130.80km,南北宽75.09km,总面积953.95km2。其中划分为8个园区：周口店、石花洞、十渡、百花山-百草畔、上方山-云居寺、圣莲山、野三坡和白石山园区。房山区为3水合围,东面为永定河,北面为大石河,南面为拒马河。房山是以岩溶景观为特色的世界地质公园。其北面的大石河流域自上而下,依次发育鸡毛洞、银狐洞、石花洞和孔水洞,由一条地下暗河将其连为一个洞系。南面的拒马河流域,地层为产状平缓的中元古代雾迷山组硅质条带白云岩,形成新近纪石林与第四纪岩溶陡壁的组合地貌形态——房山地貌。     

北京房山岩溶旅游资源评述及开发探讨：建议建立“北京岩溶国家公园”

北京市房山区中西部约有９００ｋｍ＾２覆盖着碳酸盐岩,岩溶景观发育,可以划分出“十渡岩溶峡谷风景区”、“石径山－上方山佛教名胜区”、“周口店人类社会风情名胜区”、“石花洞－银狐洞岩溶洞穴风景区”、“圣米石塘－万顷园岩溶峡谷风景区”５个景区。以这５个景区为基础,提出建立“北京岩溶国家公园”的构思。建园要与保护环境、发展山区、治理地质灾害同步进行。     

贵州凉风洞洞穴滴水水文水化学过程分析

通过对贵州荔波凉风洞5个滴水点进行为期1年的动态监测,表明除大气降雨携带的较少物质成份外,凉风洞滴水中的物质主要来源于土壤,同时,示踪结果显示出凉风洞滴水对大气降雨的响应较快,滴水的物质组成直接源自于洞穴环境。洞穴滴水的化学组成中元素含量的变化主要由水运移过程中水-土、水-岩作用导致的方解石溶解-沉淀过程所控制,稀释作用、水来源的差异或者活塞流产生了一定的效果,但其影响较弱,表明凉风洞滴水点的次生沉积物可能记录了环境变化信息。但水在洞穴顶板内运移过程中发生的水文地球化学过程(岩石的溶解、方解石沉淀作用过程)以及洞穴滴水响应大气降雨的时间尺度、水动力过程、水流形式等因素,影响到凉风洞洞穴次生沉积物过去环境记录指标。因此,岩溶次生沉积物过去环境变化指标的解译应该有洞穴滴水水动力地球化学过程的结果作为支撑。这些过程的清晰化可以更好地为研究洞穴环境次生沉积记录的高分辨率、短时间尺度的过去变化提供依据。     

北京石花洞石笋微层层面有机物质的形成时间及机理初探

通过对北京石花洞滴水水溶性有机碳(DOC)近一个水文年的观测,发现不同点滴水DOC浓度均表现出明显的季节性变化,7月中旬均有一个大的主峰出现。初步说明中国北方石笋微层的层面物质沉积于7月雨季,主要来源于大的雨量对土壤中有机质的淋溶;洞穴顶板较薄的滴水点在5月和8月有明显的DOC次峰,可能与石笋亚年层形成有关。     

北京房山岩溶旅游资源评述及开发探讨--建议建立"北京岩溶国家公园"

北京市房山区中西部约有 90 0km2 覆盖着碳酸盐岩 ,岩溶景观发育 ,可以划分出“十渡岩溶峡谷风景区”、“石经山—上方山佛教名胜区”、“周口店古人类社会风情名胜区”、“石花洞—银狐洞岩溶洞穴风景区”、“圣米石塘—万顷园岩溶峡谷风景区”5个景区。以这 5个景区为基础 ,提出建立“北京岩溶国家公园”的构思。建园要与保护环境、发展山区、治理地质灾害同步进行。     

北京西山南部构造及新构造运动与区域岩溶地貌形成、演化

北京西山不仅以地质构造现象丰富、典型著称,而且发育了十分壮观的似峰丛岩溶地貌和石花洞等大型旅游洞穴。本文研究表明:地质构造和新构造运动是造成区域不同岩溶地貌单元差异的两个重要控制因素。地质构造控制了岩溶发育的宏观选择性作用;新构造运动特点决定了岩溶发育具阶段性和继承性,是该区一些特殊岩溶形态形成、发育的主要动因。      

北京石花洞降水至滴水下渗时间示踪观测

Tan等^[1]2003年报道了采用北京石花洞石笋年层厚度重建的北京2650年热月温度记录数据,并得到广泛引用。为了更好地了解北京石花洞石笋微层形成及其气候信号输入过程,笔者从2004年开始对北京石花洞进行了较为全面的监测工作。本文报道了大气降水下渗时间（大气降水落至地面到形成洞穴滴水的时间间隔）的示踪研究结果。示踪法是目前国内外进行岩溶地下水来源和补给,圈定流域边界以及水运移时间等研究广泛采用的一种方法^[2～4],也对信号的输入-输出和激励-响应机理的解释具有重要意义。     

北京西山圣莲山地质公园的岩溶地貌演化

圣莲山地质公园为房山北部大石河上游一个小型完整的岩溶盆地,地质构造属于百花山向斜的南翼。遣景岩石从下至上依次为,寒武纪张夏组鲕粒灰岩、炒米店组条带状石灰岩和奥陶纪石灰岩。遣貌构追为,印支运动．燕山运动和新构造运动。印支运动的南北向挤压形成响山背斜;燕山运动的北西-南东向挤压形成神牛岭和翠屏峰两个方向的岩溶墙;新构遣运动的8次抬升,形成穿洞（通风洞）、孤峰（莲子峰）、脚洞（圣米石塘）,房山地貌（笔架山）、岩溶夷平面（晾马台）、北西向岩溶墙（翠屏峰）、北东向岩溶墙（神牛岭）,溶洞（隐仙洞）岩溶地貌景观。穿洞为北京西山最高的岩溶洞穴,孤峰为残存的新近纪峰林地貌,圣米石塘为孤峰脚洞,笔架山为上新世石林与第四纪岩溶陡壁组合成的房山地貌,晾马台为中更新世形成的岩溶夷平面,翠屏峰和神牛岭为晚更新世形成的岩溶墙,隐仙洞为全新世形成的岩溶洞穴。     

南太行山(河南部分)的洞穴旅游资源及开发利用

南太行山(河南部分)拥有丰富的洞穴旅游资源,洞穴类型分为岩溶洞穴、崩塌洞穴、古采矿洞三类。其沉积可划分为化学沉积、崩塌堆积、流水机械沉积。洞穴发育与地层、岩性、构造、地貌等都有密切关系。有效开发利用这些洞穴资源,可采取综合开发、营造洞穴文化、完善洞穴景观、提高洞穴的科学内涵等方式,对实现南太行(河南部分)地区旅游业的持续发展具有重要的意义。     

地下河水人工补给洞穴滴水、碳酸盐(钙)沉积特征及景观恢复探讨

岩溶旅游洞穴碳酸盐岩沉积物景观容易受到污染、风化,为了探讨受污损洞穴碳酸盐沉积物的修复方法以确保岩溶旅游洞穴的可持续发展,对广西桂林七星岩No.15支洞距洞口约150 m长洞段的滴水物化指标、现代碳酸盐岩沉积物进行了为期4年的监测分析。结果表明:（1）该洞段的滴水主要源于抽取地下河水的水柜渗漏及降水补给,地下河水和滴水的电导率、[Ca2＋] 、[HCO3-]在4个水文年中的变化趋势基本相同,雨季洞穴滴水电导率、[Ca2＋] 、[HCO3-]等显著降低,降雨稀释效应明显;（2）现代洞穴碳酸盐岩沉积具有明显的季节性变化,雨季洞穴滴水量/速率、碳酸钙沉积速率加快,最大沉积量达0.8 g／半月,洞穴入口约150 m长洞段快速滴水碳酸盐最大沉积量达2～4 g／半月,旱季碳酸盐沉积速率减少,最大沉积量仅为0.4 g／半月;（3）抽取岩溶地下水经由地表补给洞穴滴水可提高滴水的电导率、[Ca2＋] 、[HCO3-]及CaCO3饱和度,促使大量碳酸盐(CaCO3)快速沉积,实现对洞穴受风化、污染景观的修复,新沉积的碳酸钙(CaCO3)还可以将基岩裂隙和洞穴内破损、破裂的钟乳石重新“粘结”起来,利于洞穴的稳定性。      

塔里木盆地早海西期多期次风化壳岩溶洞穴层

洞穴层是识别多期次岩溶旋回的标志,是岩溶旋回连接沉积旋回及周期性海平面变化的纽带。本文通过古地貌恢复,将从钻井剖面中识别的洞穴层归位到早石炭世古地貌剖面中,根据洞穴层总是沿稳定古潜水面发育的特点划分对比洞穴层。通过洞穴层的形成条件、充填结构分析,推断洞穴层发育序次、洞穴层与其同时期形成的沉积地层的时空对应关系,并据此对洞穴层进行盆地范围内跨地区对比、总结斜坡及岛屿两种不同的洞穴层发育模式。研究结果表明,在早海西期,塔北、塔中、和田古隆起中、下奥陶统碳酸盐岩陆块内部发育了3个期次的风化壳岩溶洞穴层,其序次为下老上新,它们是在早石炭世间歇性海平面上升过程中形成的,其同时期形成的沉积地层分别为下石炭统东河砂岩段、生屑灰岩段、下泥岩段中上部。洞穴层内部多旋回“坍塌角砾-地下河沉积”组合是斜坡内陆区潜流面的迟后上升效应,洞穴层与洞穴等时层的时空对应关系对于大型古岩溶事件的断年及洞穴层的分布预测具有重要意义。