溫榆河的形成與演化

溫榆河的形成與演化

1河流水文氣象從北京平原西北的南平到沙河市，有一個(gè)北、西、南三面環(huán)山的山谷。河谷中的許多溪流匯入文榆河。溫榆河是北京平原北部一條重要的河流,其上游匯集了西山、軍都山山谷中的眾多水流,在昌平沙河鎮(zhèn)附近又有南沙河、北沙河、東沙河和清河幾條支流匯集流向東南,在通州與通惠河相匯易名北運(yùn)河最終匯入海河注入渤海。溫榆河的長(zhǎng)度只有幾十千米,河水的流量也不大,但是它的特點(diǎn)卻非常突出:其沿岸泉水眾多,地?zé)豳Y源豐富;同時(shí)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,地殼活動(dòng)明顯,地裂縫、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害比較嚴(yán)重,對(duì)城市規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)建設(shè)影響較大。因此對(duì)溫榆河成因的研究具有十分重要的意義。2熱-沉積關(guān)系溫榆河地處北京平原的北部,附近地質(zhì)背景比較復(fù)雜。溫榆河的形成受地質(zhì)條件控制。溫榆河的成因、形成時(shí)代以及變遷均與地質(zhì)構(gòu)造的演變密切相關(guān)。地質(zhì)歷史上燕山運(yùn)動(dòng)對(duì)北京地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造格架產(chǎn)生了重要影響。北京地區(qū)的構(gòu)造地質(zhì)背景主要是繼承了燕山運(yùn)動(dòng)形成的構(gòu)造格架,主體構(gòu)造線方向是NE方向。從區(qū)域上看,北京的平原與山區(qū)以黃莊—高麗營(yíng)斷裂為界。由于黃莊—高麗營(yíng)斷裂的活動(dòng),致使斷裂西部地區(qū)抬升形成山地,基巖裸露遭受剝蝕,NE向的百花山向斜、九龍山向斜現(xiàn)已隆起形成山峰,西部山區(qū)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)古近紀(jì)和新近紀(jì)的沉積物。黃莊—高麗營(yíng)斷裂以東地區(qū)地殼下降形成斷陷盆地,接受新生代沉積形成北京平原。斷陷盆地內(nèi)沉積了巨厚的古近紀(jì)和新近紀(jì)沉積物,最厚處可達(dá)1600m。NE向的黃莊—高麗營(yíng)斷裂、南苑—通縣斷裂等一組NE向斷裂控制著北京平原下覆斷陷盆地的形成和演化。劇烈的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng),造就了當(dāng)今北京的地貌形態(tài)。北京地區(qū)的眾多河流就是在這滄海桑田的過(guò)程中形成的?？刂茰赜芎有纬珊脱莼臄嗔阎饕荖W走向的南口—孫河斷裂和NE走向的黃莊—高麗營(yíng)斷裂。黃莊—高麗營(yíng)斷裂是北京地區(qū)最著名的一條斷裂,屬太行山山前斷裂的一部分,在北京境內(nèi)長(zhǎng)約120km。斷裂走向NE,SW端自河北涿縣經(jīng)房山、石景山區(qū)黃莊、高麗營(yíng)至懷柔。斷裂傾向南東,傾角60°左右,新生代以來(lái)上盤下降。南口—孫河斷裂是北京平原地區(qū)重要的NW向活動(dòng)斷裂。NW端自南口經(jīng)百泉莊、百善、東三旗、孫河至通州附近,斷裂向SE的延伸情況尚不明確。該斷裂空間形態(tài)復(fù)雜,總體上分為兩段。南口至北七家段斷裂面傾向SW,斷裂北側(cè)的下盤上升,基巖呈孤島狀裸露。斷裂南側(cè)的上盤下降,形成一個(gè)NW走向的第四紀(jì)斷陷盆地,即馬池口凹陷,凹陷中心第四系厚度約900m(圖1)。由于地處山麓,沉積物顆粒較粗。經(jīng)震平2孔揭露主要沉積物為砂質(zhì)粘土、中細(xì)砂、砂礫石互層。見(jiàn)10余層泥礫石層,每層厚6~38m,顏色以黃色、雜色為主,礫石大小不一,見(jiàn)磨圓較好的礫石,礫石多被泥砂包裹。礫石成分簡(jiǎn)單,下部以花崗巖為主,上部主要為花崗巖和火山巖。附近山區(qū)為大面積花崗巖和火山巖出露區(qū),因此礫石主要來(lái)自附近山區(qū)。越靠近山區(qū),沉積物粒度越大。凹陷基底為紫色中生代火山角礫巖,有風(fēng)化現(xiàn)象。北七家至通州段,斷裂面傾向NE,上盤下降,形成后沙峪凹陷。凹陷中心新生代沉積物厚約1000m?？傮w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(jiàn)巨厚的泥礫石層。礫石色雜,以灰色、紅色、黑色為主,成分以石英質(zhì)為主,其次為中基性火成巖。泥礫石層應(yīng)為上新世產(chǎn)物。后沙峪凹陷基底為中生代凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)角礫巖。南口—孫河斷裂兩側(cè)分布有馬池口和后沙峪2個(gè)第四紀(jì)沉積中心,南口—孫河斷裂控制著2個(gè)沉積中心的發(fā)展和演化。2個(gè)沉積中心巨厚的第四紀(jì)沉積,說(shuō)明第四紀(jì)以來(lái)南口—孫河斷裂一直處于強(qiáng)烈活動(dòng)階段。前人對(duì)于上述2條斷裂開(kāi)展了大量的研究工作[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。江娃利等在昌平區(qū)舊縣村開(kāi)挖探槽對(duì)南口—孫河斷裂的古地震事件進(jìn)行了研究得出了全新世時(shí)期該斷裂曾發(fā)生3次古地震事件,同震垂直位移分別為1m、2m、2m,推測(cè)相應(yīng)震級(jí)為7.7級(jí)及7.9級(jí)的結(jié)論;車兆宏等發(fā)現(xiàn)黃莊—高麗營(yíng)斷層及八寶山斷層所在地段是地震活動(dòng)引起應(yīng)力場(chǎng)變化的敏感地區(qū);馬文濤等采用淺層地震技術(shù)對(duì)北京市立水橋附近的黃莊—高麗營(yíng)隱伏斷裂淺部活動(dòng)特征進(jìn)行探測(cè),研究其活動(dòng)形變特征;張世民等通過(guò)小孔距的排鉆巖心對(duì)南口—孫河斷裂進(jìn)行分析研究,初步建立了斷裂帶距今60ka以來(lái)由13次地表位錯(cuò)事件組成的古地震序列;常旭等利用偽隨機(jī)可控震源及其高精度反射地震方法,調(diào)查了黃莊—高麗營(yíng)斷裂在北京奧林匹克公園段的特征;柯柏林依據(jù)北京孫河斷裂區(qū)的重力、電阻率測(cè)深及可控源音頻大地電磁測(cè)深等勘查資料結(jié)合地?zé)峋@探揭露的地?zé)岬刭|(zhì)成果,得出孫河斷裂具有多期活動(dòng)性,晚侏羅世以來(lái)至少發(fā)生過(guò)2期先逆后正性質(zhì)的構(gòu)造活動(dòng)的結(jié)論;胡平等對(duì)北京奧林匹克公園黃莊—高麗營(yíng)斷裂開(kāi)展綜合探測(cè),明確給出了斷裂該段位置、結(jié)構(gòu)和活動(dòng)性;張磊等通過(guò)綜合物探對(duì)南口—孫河斷裂北段進(jìn)行精確定位,并利用鉆孔資料對(duì)其活動(dòng)性進(jìn)行評(píng)價(jià);張磊等利用磁性地層學(xué)對(duì)南口—孫河斷裂南段開(kāi)展了活動(dòng)性研究。黃莊—高麗營(yíng)斷裂和南口—孫河斷裂這2條重要的活動(dòng)斷裂在昌平區(qū)北七家附近交匯,造成這一帶地質(zhì)背景和地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜,地面沉降、地裂縫、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害都有發(fā)生。北七家一帶的地面沉降中心位于2條斷裂交匯部位。沉降區(qū)面積和沉降速率近年有增加的趨勢(shì)。NE向的黃莊—高麗營(yíng)斷裂與NW向的南口—孫河斷裂可以說(shuō)是北京地區(qū)NE向斷裂和NW向斷裂的代表。它們的形成時(shí)代有不同意見(jiàn),多數(shù)學(xué)者傾向于中生代。其中NE向的構(gòu)造對(duì)燕山地區(qū)乃至中國(guó)東部地區(qū)影響深遠(yuǎn)。NE向的斷裂構(gòu)造控制了中生代火山-沉積盆地的形成和演化,控制了中生代侵入巖漿帶的分布范圍。新生代以來(lái)的地殼隆起與凹陷的形成和發(fā)展都受NE向構(gòu)造斷裂帶嚴(yán)格控制。與NE向構(gòu)造相比,NW向的斷裂在北京地區(qū)分布較前者少,開(kāi)始強(qiáng)烈活動(dòng)的時(shí)間較晚。雖然NW向斷裂的分布范圍、活動(dòng)持續(xù)時(shí)間以及活動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)不如前者。但是在北京地區(qū)它對(duì)當(dāng)今地貌及河流的形成和演化影響深刻。特別是對(duì)當(dāng)今河流水系走向的控制非常明顯。如永定河、溫榆河、潮白河、海河等河流都受NW向斷裂帶嚴(yán)格控制。由于黃莊—高麗營(yíng)斷裂與南口—孫河斷裂的交匯,使得松散沉積物之下的基巖被切割成幾個(gè)塊體,相互之間的關(guān)系十分復(fù)雜,通過(guò)多年的鉆探和物探工作對(duì)基巖的形態(tài)有了初步的了解。從圖2可以看出,在北七家附近黃莊—高麗營(yíng)斷裂、南口—孫河斷裂在此處交匯,斷裂將基巖切割成多個(gè)塊體,塊體與塊體相互關(guān)系復(fù)雜,其中a、b、c、d4個(gè)塊體對(duì)溫榆河的流向起控制作用。除此之外,2條斷裂的相對(duì)活動(dòng)與附近第四紀(jì)沉降中心、地裂縫的分布也有密切的因果關(guān)系。3古溫榆河河谷群溫榆河的形成和演化是地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)的結(jié)果,嚴(yán)格受地質(zhì)構(gòu)造控制。通過(guò)對(duì)溫榆河流域地質(zhì)背景的分析,溫榆河的形成與演化主要與南口—孫河斷裂的形成與演化密切相關(guān)。據(jù)相關(guān)資料,北京地區(qū)山區(qū)與平原的分化開(kāi)始于始新世,隨著北京西部山區(qū)的隆升,黃莊—高麗營(yíng)斷裂以東地區(qū)出現(xiàn)沉降并接受沉積,北京平原逐漸形成。根據(jù)近幾年的調(diào)查資料,在溫榆河的上游(百善以西)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)早于第四紀(jì)的新生代沉積物,說(shuō)明溫榆河的形成時(shí)代應(yīng)在第四紀(jì)以來(lái)。上新世末,以黃莊—高麗營(yíng)斷裂為界,北京地區(qū)山區(qū)與平原的地貌分化已十分明顯。西部上升隆起成山地,東部存在一個(gè)古湖(圖3)。此時(shí)南口—孫河斷裂兩盤升降差異并不明顯,沒(méi)有溫榆河形成的條件。2010年北京市地質(zhì)調(diào)查研究院在百善一帶進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查時(shí),經(jīng)鉆探發(fā)現(xiàn)溫榆河南口至百善一帶最早的新生代沉積物為早更新世形成。說(shuō)明早更新世南口—孫河斷裂活動(dòng)加劇,斷裂兩盤升降出現(xiàn)差異,斷裂下降盤開(kāi)始接受沉積。由于早更新世南口至北七家段的斷裂上盤下降,古溫榆河河谷開(kāi)始形成(圖4)。古溫榆河河谷由南口至北七家長(zhǎng)約30km,由百望山至百善寬約18km。在南口至馬池口一帶由于南口—孫河斷裂上盤下降幅度大,形成一個(gè)面積廣大的凹陷。經(jīng)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。開(kāi)展鉆探工程是探測(cè)隱伏活動(dòng)斷層的常用方法,該方法已經(jīng)在中國(guó)當(dāng)前的城市活動(dòng)斷層探測(cè)工作中取得了廣泛應(yīng)用。2012年北京市地質(zhì)調(diào)查研究院在昌平區(qū)百善附近實(shí)施了ZK108鉆孔,該鉆孔位于南口—孫河斷裂南側(cè)下降盤,鉆孔深360m。鉆孔底部鉆遇基巖,為黑灰色泥灰?guī)r和頁(yè)巖。經(jīng)古地磁樣品測(cè)試,最早的新生代沉積物為早更新世,布容極性世和松山極性世的界限位于117.2m。ZK108鉆孔巖性主要以細(xì)粒沉積物為特征(圖5),以灰褐色、黃褐色、褐色、棕色、黑灰色粘土,粉砂質(zhì)粘土,粉砂為主。細(xì)砂、中粗砂、礫石層在180~280m與粘土互層,厚度一般1~2m,最厚處6m。在溫榆河兩岸的許多鉆孔中粘土層的累計(jì)厚度較大。ZK108孔第四系厚度329.8m,其中粉砂質(zhì)粘土層厚157.3m,約占總厚度的48%。粘土是靜水沉積的產(chǎn)物,說(shuō)明在很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)溫榆河上游存在一個(gè)很大的湖泊,湖泊的中心可能在南口至馬池口一帶,溫榆河是湖水外泄的通道。據(jù)丁嘉賢等(1979),在昌平區(qū)冷泉、辛莊、高里掌和辛力屯一帶的廣大地區(qū),發(fā)現(xiàn)地下1~2m處見(jiàn)有棕褐色、黑褐色含螺貝殼的泥炭層,厚可達(dá)數(shù)米。其中高里掌村附近泥炭層埋深2~3m,似層狀,多層,延伸連續(xù),泥炭層厚0.3~4.5m,厚度穩(wěn)定。經(jīng)測(cè)定,泥炭層底部14C年齡為(9930±150)a,頂部泥炭層14C年齡約3ka。說(shuō)明該湖泊10ka前湖水較淺,適合水生植物生長(zhǎng),隨后湖水逐漸消退。湖水的完全消失距今不到3ka的時(shí)間。說(shuō)明溫榆河的形成時(shí)代雖很久遠(yuǎn),但是河道不斷變遷,今天溫榆河的面貌還是很年輕的。從圖1可以看出,溫榆河在河谷內(nèi)不斷遷移,河床主要分布在南口—孫河斷裂的下降盤。在北七家附近,溫榆河河道呈幾字形的大拐彎,形成原因主要是受基巖和來(lái)廣營(yíng)凸起(圖2的d點(diǎn))的阻擋,迫使河道向基巖凹陷一側(cè)轉(zhuǎn)向(圖2)。在溫榆河南口—北七家段,河流穩(wěn)定在南口—孫河斷裂南側(cè)的下降盤一側(cè),在圖2的a點(diǎn)附近由于此處基巖翹起地勢(shì)變高,河流受阻被迫轉(zhuǎn)向地勢(shì)較低的b點(diǎn),由于北部基巖逐漸抬升河流流至c點(diǎn)后被迫掉頭向南折返。由于南口—孫河斷裂北七家至通州段斷裂面傾向NE,斷裂北東盤下降,此后河流沿?cái)嗔驯辈肯陆当P一側(cè)流動(dòng)。可以看出,河流流向與基巖的起伏或河流與基巖塊體之間有著密切關(guān)系。可見(jiàn)地質(zhì)構(gòu)造對(duì)溫榆河河道的形成和演化有嚴(yán)格的控制作用。4溫榆河地質(zhì)背景的研究溫榆河是北京平原北部一條重要的河流。隨著城市的發(fā)展,北京