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，有一個北、西、南三面環山的山谷。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河最終匯入海河注入渤海。溫榆河的長度只有幾十千米,河水的流量也不大,但是它的特點卻非常突出:其沿岸泉水眾多,地熱資源豐富;同時地質構造復雜,地殼活動明顯,地裂縫、地面沉降等地質災害比較嚴重,對城市規劃和經濟建設影響較大。因此對溫榆河成因的研究具有十分重要的意義。2熱-沉積關系溫榆河地處北京平原的北部,附近地質背景比較復雜。溫榆河的形成受地質條件控制。溫榆河的成因、形成時代以及變遷均與地質構造的演變密切相關。地質歷史上燕山運動對北京地區的地質構造格架產生了重要影響。北京地區的構造地質背景主要是繼承了燕山運動形成的構造格架,主體構造線方向是NE方向。從區域上看,北京的平原與山區以黃莊—高麗營斷裂為界。由于黃莊—高麗營斷裂的活動,致使斷裂西部地區抬升形成山地,基巖裸露遭受剝蝕,NE向的百花山向斜、九龍山向斜現已隆起形成山峰,西部山區沒有發現古近紀和新近紀的沉積物。黃莊—高麗營斷裂以東地區地殼下降形成斷陷盆地,接受新生代沉積形成北京平原。斷陷盆地內沉積了巨厚的古近紀和新近紀沉積物,最厚處可達1600m。NE向的黃莊—高麗營斷裂、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。劇烈的地質構造運動,造就了當今北京的地貌形態。北京地區的眾多河流就是在這滄海桑田的過程中形成的。控制溫榆河形成和演化的斷裂主要是NW走向的南口—孫河斷裂和NE走向的黃莊—高麗營斷裂。黃莊—高麗營斷裂是北京地區最著名的一條斷裂,屬太行山山前斷裂的一部分,在北京境內長約120km。斷裂走向NE,SW端自河北涿縣經房山、石景山區黃莊、高麗營至懷柔。斷裂傾向南東,傾角60°左右,新生代以來上盤下降。南口—孫河斷裂是北京平原地區重要的NW向活動斷裂。NW端自南口經百泉莊、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。該斷裂空間形態復雜,總體上分為兩段。南口至北七家段斷裂面傾向SW,斷裂北側的下盤上升,基巖呈孤島狀裸露。斷裂南側的上盤下降,形成一個NW走向的第四紀斷陷盆地,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。經震平2孔揭露主要沉積物為砂質粘土、中細砂、砂礫石互層。見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,見磨圓較好的礫石,礫石多被泥砂包裹。礫石成分簡單,下部以花崗巖為主,上部主要為花崗巖和火山巖。附近山區為大面積花崗巖和火山巖出露區,因此礫石主要來自附近山區。越靠近山區,沉積物粒度越大。凹陷基底為紫色中生代火山角礫巖,有風化現象。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。總體上沉積物粒度上細下粗。上部為灰色、雜色砂礫石、砂、砂質粘土,下部為灰黃色、雜色砂礫石。底部淺棕紅色泥巖,色勻質純性軟,成巖性差,易造漿。底部見巨厚的泥礫石層。礫石色雜,以灰色、紅色、黑色為主,成分以石英質為主,其次為中基性火成巖。泥礫石層應為上新世產物。后沙峪凹陷基底為中生代凝灰巖、凝灰質角礫巖。南口—孫河斷裂兩側分布有馬池口和后沙峪2個第四紀沉積中心,南口—孫河斷裂控制著2個沉積中心的發展和演化。2個沉積中心巨厚的第四紀沉積,說明第四紀以來南口—孫河斷裂一直處于強烈活動階段。前人對于上述2條斷裂開展了大量的研究工作[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。江娃利等在昌平區舊縣村開挖探槽對南口—孫河斷裂的古地震事件進行了研究得出了全新世時期該斷裂曾發生3次古地震事件,同震垂直位移分別為1m、2m、2m,推測相應震級為7.7級及7.9級的結論;車兆宏等發現黃莊—高麗營斷層及八寶山斷層所在地段是地震活動引起應力場變化的敏感地區;馬文濤等采用淺層地震技術對北京市立水橋附近的黃莊—高麗營隱伏斷裂淺部活動特征進行探測,研究其活動形變特征;張世民等通過小孔距的排鉆巖心對南口—孫河斷裂進行分析研究,初步建立了斷裂帶距今60ka以來由13次地表位錯事件組成的古地震序列;常旭等利用偽隨機可控震源及其高精度反射地震方法,調查了黃莊—高麗營斷裂在北京奧林匹克公園段的特征;柯柏林依據北京孫河斷裂區的重力、電阻率測深及可控源音頻大地電磁測深等勘查資料結合地熱井鉆探揭露的地熱地質成果,得出孫河斷裂具有多期活動性,晚侏羅世以來至少發生過2期先逆后正性質的構造活動的結論;胡平等對北京奧林匹克公園黃莊—高麗營斷裂開展綜合探測,明確給出了斷裂該段位置、結構和活動性;張磊等通過綜合物探對南口—孫河斷裂北段進行精確定位,并利用鉆孔資料對其活動性進行評價;張磊等利用磁性地層學對南口—孫河斷裂南段開展了活動性研究。黃莊—高麗營斷裂和南口—孫河斷裂這2條重要的活動斷裂在昌平區北七家附近交匯,造成這一帶地質背景和地質環境十分復雜,地面沉降、地裂縫、地面塌陷等地質災害都有發生。北七家一帶的地面沉降中心位于2條斷裂交匯部位。沉降區面積和沉降速率近年有增加的趨勢。NE向的黃莊—高麗營斷裂與NW向的南口—孫河斷裂可以說是北京地區NE向斷裂和NW向斷裂的代表。它們的形成時代有不同意見,多數學者傾向于中生代。其中NE向的構造對燕山地區乃至中國東部地區影響深遠。NE向的斷裂構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。新生代以來的地殼隆起與凹陷的形成和發展都受NE向構造斷裂帶嚴格控制。與NE向構造相比,NW向的斷裂在北京地區分布較前者少,開始強烈活動的時間較晚。雖然NW向斷裂的分布范圍、活動持續時間以及活動強度遠不如前者。但是在北京地區它對當今地貌及河流的形成和演化影響深刻。特別是對當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向斷裂帶嚴格控制。由于黃莊—高麗營斷裂與南口—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塊體,相互之間的關系十分復雜,通過多年的鉆探和物探工作對基巖的形態有了初步的了解。從圖2可以看出,在北七家附近黃莊—高麗營斷裂、南口—孫河斷裂在此處交匯,斷裂將基巖切割成多個塊體,塊體與塊體相互關系復雜,其中a、b、c、d4個塊體對溫榆河的流向起控制作用。除此之外,2條斷裂的相對活動與附近第四紀沉降中心、地裂縫的分布也有密切的因果關系。3古溫榆河河谷群溫榆河的形成和演化是地質構造變動的結果,嚴格受地質構造控制。通過對溫榆河流域地質背景的分析,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。據相關資料,北京地區山區與平原的分化開始于始新世,隨著北京西部山區的隆升,黃莊—高麗營斷裂以東地區出現沉降并接受沉積,北京平原逐漸形成。根據近幾年的調查資料,在溫榆河的上游(百善以西)沒有發現早于第四紀的新生代沉積物,說明溫榆河的形成時代應在第四紀以來。上新世末,以黃莊—高麗營斷裂為界,北京地區山區與平原的地貌分化已十分明顯。西部上升隆起成山地,東部存在一個古湖(圖3)。此時南口—孫河斷裂兩盤升降差異并不明顯,沒有溫榆河形成的條件。2010年北京市地質調查研究院在百善一帶進行地質調查時,經鉆探發現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。說明早更新世南口—孫河斷裂活動加劇,斷裂兩盤升降出現差異,斷裂下降盤開始接受沉積。由于早更新世南口至北七家段的斷裂上盤下降,古溫榆河河谷開始形成(圖4)。古溫榆河河谷由南口至北七家長約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,形成一個面積廣大的凹陷。經震平2孔揭露第四系厚597.6m。由于地處山麓,沉積物顆粒較粗,主要沉積物為砂質粘土、中細砂、砂礫石互層。開展鉆探工程是探測隱伏活動斷層的常用方法,該方法已經在中國當前的城市活動斷層探測工作中取得了廣泛應用。2012年北京市地質調查研究院在昌平區百善附近實施了ZK108鉆孔,該鉆孔位于南口—孫河斷裂南側下降盤,鉆孔深360m。鉆孔底部鉆遇基巖,為黑灰色泥灰巖和頁巖。經古地磁樣品測試,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,粉砂質粘土,粉砂為主。細砂、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厚度較大。ZK108孔第四系厚度329.8m,其中粉砂質粘土層厚157.3m,約占總厚度的48%。粘土是靜水沉積的產物,說明在很長時期內溫榆河上游存在一個很大的湖泊,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。據丁嘉賢等(1979),在昌平區冷泉、辛莊、高里掌和辛力屯一帶的廣大地區,發現地下1~2m處見有棕褐色、黑褐色含螺貝殼的泥炭層,厚可達數米。其中高里掌村附近泥炭層埋深2~3m,似層狀,多層,延伸連續,泥炭層厚0.3~4.5m,厚度穩定。經測定,泥炭層底部14C年齡為(9930±150)a,頂部泥炭層14C年齡約3ka。說明該湖泊10ka前湖水較淺,適合水生植物生長,隨后湖水逐漸消退。湖水的完全消失距今不到3ka的時間。說明溫榆河的形成時代雖很久遠,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廣營凸起(圖2的d點)的阻擋,迫使河道向基巖凹陷一側轉向(圖2)。在溫榆河南口—北七家段,河流穩定在南口—孫河斷裂南側的下降盤一側,在圖2的a點附近由于此處基巖翹起地勢變高,河流受阻被迫轉向地勢較低的b點,由于北部基巖逐漸抬升河流流至c點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,此后河流沿斷裂北部下降盤一側流動。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系。可見地質構造對溫榆河河道的形成和演化有嚴格的控制作用。4溫榆河地質背景的研究溫榆河是北京平原北部一條重要的河流。隨著城市的發展,北京