北京石花洞岩溶学研究进展

吕金波，李铁英，郑明存，王东梅

（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；3.北京化工大学，北京 100029）

石花洞位于中国地质工作的摇篮——北京西山大石河流域（图1），发现于明朝正统十一年（公元1446年）（图2），开发于20世纪80年代初。北京市地质调查所(现北京市地质调查研究院)完成的《北京石花洞地区洞穴资源开发与环境保护》项目，从地质学、气象学和环境学方面对石花洞进行了全面的研究。按照岩溶学进行分类，石花洞分为钟乳石（洞穴碳酸钙）形态、溶蚀形态、崩塌形态和洞穴生物（表1）。钟乳石（洞穴碳酸钙）形态分为非重力水沉积，重力水沉积，协同沉积和叠置沉积4种类型；溶蚀形态分为大形态和小形态，大形态分为东西向展布的8层溶洞、近南北向的3条溶蚀裂隙（包括南北大走廊）和南北大走廊南端向东的锁孔型断面（周口店猿人遗址为锁孔型断面），小形态分为单孔窝穴、双孔窝穴和东侧溶蚀裂隙顶部的众多天锅窝穴；洞穴崩塌沉积分为距今约10万年和距今约20万年2次，其中距今约20万年是周口店猿人遗址洞穴被掩埋的年代；洞穴生物有膜足硬肢马陆和大足鼠耳蝠（表1）。

笔者通过20多年的研究，认为石花洞洞层多（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新种穴居动物。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周口店期沉积，杆状石笋代表马兰期沉积，微层理石笋代表全新世沉积，奠定了首次建立第四纪石笋剖面的基础。

图1 北京石花洞交通位置

表1 石花洞内的洞穴形态种类

1 世界罕见的岩溶形态

石花洞洞层多（8层），石盾多（200多个），为世界罕见。

1.1 洞层多

石花洞的洞层上下发育8层，第①层洞为穿洞，海拔414.8m。第⑧层为地下暗河，海拔130.0m，其间发育7层溶洞。洞层从地表向下沿着地层倾向展布，洞系沿着地层东西走向发育（图3）。每个洞层位置代表当时的侵蚀基准面，8层洞反映地壳间歇性隆升，展示了北京西山新构造运动的隆升[1]。

图3 北京石花洞系洞层与地层的关系

1.2 石盾多

石盾为裂隙渗透水沉积。裂隙渗透水沉积是包气带洞穴中非重力水的主要形式之一，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。石盾中间空心，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，石花洞中的石盾数量200多个，为世界罕见。石花洞石盾（仙女绣花台）在中国是最大的，实际由3个小型石盾联生，盾面尺寸2.70m×1.53m，盾面产状220º∠14º，盾下乳长1.48m（图4）。

图4 石盾（仙女绣花台）

2 中国首次发现的岩溶形态

中国岩溶洞穴首次发现的岩溶形态有月奶石和碳酸钙微层理。

2.1 首次发现月奶石

1982年，中国地质科学院岩溶研究所袁道先确认了月奶石。典型月奶石（石莲）（图5）。

图5 月奶石（石莲）

“北京房山县石花洞内有大量的月奶石”被写进袁道先主编的《岩溶学词典》：一种乳白色、含水量高、可塑的、乳酪状的洞穴堆积。在其形成中微生物起着重要作用。早在15世纪已在瑞士为人们所发现。1959年，月奶石的矿物成分经法国和美国学者详细研究，确定是方解石和文石，有时还有含水菱镁矿［Mg4(OH)2(CO3)3•3H2O］、碳酸钙镁矿［Mg3Ca(CO3)4］、菱镁矿（MgCO3）、三水菱镁矿［MgCO3•3H2O］、白云石［CaMg(CO3)2］等[2]。

1986年，有“喀斯特卢”之称的卢耀如详细描述月奶石。在较寒冷的气候条件下沉积的石花洞月奶石，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[3]。

2.2 首次发现碳酸钙微层理

1952年美国人Moore首先使用“speleothem（英文注释cave calcite）”描述钟乳石（洞穴碳酸钙），人们逐步认识到石笋与黄土、湖泥、树轮、冰芯、珊瑚一样，可记录自然环境变化，特别是石笋年层的发现,为全球环境变化研究提供了高分辨的地质载体。1995年11月4日，笔者率队在石花洞南北大走廊南端发现具有透光微层理的石笋（图6、图7），编号9512（或TS9501）。

图6 具有透光微层理的原状石笋

图7 剖开后显示的石笋微层理

在南北大走廊北端（大戏台）发现具有荧光微层理的石笋（图8），编号9514（或TS9502）。1995年11月6日，赵树森等进行整理拍照。

图8 具有荧光微层理的原状石笋

1996年以来，李铁英、赵树森、李红春[4]、谭明[5]、刘东生[6]（2003年获国家最高科学技术奖）、吕金波[7]、秦小光[8]等对洞内南北大走廊（南北向裂隙）两端取得的两块石笋（南端编号9512、北端编号9514）进行研究，确认洞穴碳酸钙微层理为中国首次发现（9512样品具有透光微层理，9514样品具有荧光微层理）。1996年7月22日，刘东生首次进入石花洞，由笔者陪同观察上述两块石笋的取样地点，在北端石笋9514（或TS9502）附近（大戏台）合影（图9），为在北京召开的第30届国际地质大会（1996年8月4日～14日）上，利用石花洞碳酸钙微层理说明《中国地质环境与全球变化》做准备。

图9 刘东生（左三）、吕金波（左四）、汪训一（右二）、秦小光（左一）

石花洞地层为东西走向，洞穴自西向东存在3条南北向岩溶裂隙，其中“南北大走廊”为中间1条南北向岩溶裂隙。3条岩溶裂隙与外界连通性好，生长的石笋容易具有微层理；9512样品具有透光微层理，9514样品具有荧光微层理，就是例证。

3 中国首次发现的膜足硬肢马陆穴居动物新种

1982年，中国科学院动物研究所张崇洲研究员确认膜足硬肢马陆（Skleroprotopus membranipedalis sp.nov.）为中国穴居动物新种；

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.），雄性前生殖基节具有突起的膜叶,中国科学院动物研究所模式标本编号820623。这是中国岩溶洞穴中独有的膜足硬肢马陆穴居动物新种[9]。

4 首次建立石笋第四纪剖面

石花洞中的石笋粗细差异较大，中更新世石笋粗犷，晚更新世石笋呈杆状，全新世石笋具有微层理，这些特征说明石花洞石笋叠置关系明显，可以建立第四纪石笋剖面，这是对第四纪地质学的重要贡献。

石笋剖面从下至上依次划分为钙板组、云水洞组、石花洞组、守备支洞组和正在形成的钙华[10]。

钙板组为洞穴形成之初的钙华沉积，为底流石，层理与洞穴底板平行。云水洞组为粗犷石笋沉积（以云水洞“塔倒三截”为代表），反映了周口店期湿热环境。石花洞组为杆状石笋沉积（以石花洞碗口粗细的金箍棒为代表），反映了马兰期干冷环境。守备支洞组为具有微层理的石笋沉积（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[4]），反映全新世以来全球变暖的总趋势下，冷暖相间的沉积环境。

上覆地层：正在形成的钙华

平行不整合

守备支洞组

3．距今3ka以来的全新世，洞穴化学沉积发育，质较纯，具有透光微层和荧光微层。石笋类沉积普遍，但体积不太大，多为高约20cm，直径7cm以下大小。沉积速率为0.04mm/a左右。

平行不整合

石花洞组

2.距今40～100ka的晚更新世，杆状沉积的石笋非常发育，体积不等，最高达110～320cm以上，直径约10cm，沉积速率为0.012～0.004mm/a。其中距今70ka仅测个别数据。距今120～160ka尚未有分析数据。

平行不整合

云水洞组

1.距今180～240ka为粗犷石笋沉积阶段，高度＞7m，直径1.5m。

平行不整合

下伏地层：钙板组，距今170～180ka的中更新世，碳酸钙多为洞穴形成之初的钙华沉积。

5 岩溶学领域的另外6项全国领先

石花洞在岩溶学领域的创新成果总共11项，前面提到5项，本节叙述6项。

前面提到5项，即：发现月奶石（1981—1986年）；发现洞穴碳酸钙微层理（1995年）；发现膜足硬肢马陆新种（1982年）；利用8层洞，提出北京西山8次新构造隆升学说（1996年、2012年）；利用叠置关系明显的石笋，建立第四纪石笋剖面（1999年、2013年）。

本节叙述6项全国领先，即：从地质学、气象学和环境学全面研究了石花洞（1995年—1997年，北京石花洞地区洞穴资源开发与环境保护）；测绘精度达到1：200；铀系测年数据达到22个；进行了氡浓度研究（1992年，1995年，1997年）；进行了ESR测年（1989年）；进行了210Pb测年（1996年）。

5.1 首次从地质学、洞穴气候学、环境学等学科，全面研究了岩溶洞穴的开发与保护

北京市地质调查所（现为北京市地质调查研究院）主持的《北京石花洞地区洞穴资源开发与环境保护》项目（北京市科委855600400，1995年—1997年），从地质学、气象学和环境学全面研究了石花洞。

5.2 测绘精度高

李铁英等对石花洞包括洞外、洞底、洞顶，进行了测量，洞外1km2范围采用比例尺1：2000；洞底和洞顶采用比例尺1∶200，其测绘精度在全国岩溶洞穴中是最高的。

5.3 氡浓度研究早

氡是一种放射性气体，对人类身体健康危害很大，被世界卫生组织列为致癌的19种物质之一。岩溶洞穴中氡浓度研究始于1967年，但直到20世纪70年代中期才由Willkening和Watkins等人系统研究。近年来，随着岩溶洞穴的开发利用，英美等国在该领域进行了大量工作,并制定了氡子体允许浓度标准。我国在这方面的研究刚刚起步，最早有观测记录的就是石花洞。

1996年2月，笔者采用美国Sun Nuclear公司生产的1023型氡连续监测仪对石花洞各层的氡浓度进行了系统测定，利用观测数据，进行国内外对比，根据国际放射防护委员会1990年建议书，首次制定了岩溶洞穴工作人员的年工作时间上限[11]。

5.4 铀系测年数据多（约22个）

石花洞的年代学研究始于20世纪80年代初期(赵树森等，1981年)[12]，目前对石花洞内的碳酸钙铀系年龄数据约22个，即距今:5.70ka、5.90ka、8.10ka、14.90ka、42.90ka、47.50ka、50.40ka、51.80ka、54.70ka、64.40ka、65.50ka、69.50ka、78.50ka、81.50ka、98.80ka、100.30ka、169ka、178ka、183ka、235ka、240ka、241ka。这些年龄数据为在我国系统解剖一个洞穴，全面开展岩溶学研究典定了基础。

5.5 首次进行ESR测年

用电子自旋共振(ESR)技术测定地质和考古年代是近年发展起来的一项新的年代学方法，具有年代范围宽,样品广泛，样品量少等优点，在石花洞西支洞（银旗洞府）两块残断石笋中首次使用。石笋Ⅰ的年代，从上至下为14.0ka、130ka、235ka；石笋Ⅱ，以千年为单位，从上到下为245ka、267ka、316ka、472ka、518ka；加上二层洞口钙华板的年龄179ka；共9组数据。为测定大于300ka的碳酸钙样品年龄开创了先河[13]。

5.6 首次进行210Pb测年

应用210Pb法测定近百年以来钟乳石年代，在国内是首次尝试。基本原理：从210Pb衰变到210Bi需要22a，再衰变到210Po需要5.02d，最终衰变到206Pb需要138.3d，半衰期总计22.4a。

应用210Pb可精确测定近百年来的样品年代。我们采集鹅管和石笋顶部样品，做了8组210Pb样品测定。应用210Pb研究冰雪沉积速率和年代已经取得成功，本研究是国内用于钟乳石测年的首次尝试，所获得的初步成果说明210Pb法研究近百年钟乳石沉积基本可行。

6 岩溶学大事记

石花洞在岩溶学领域研究的大事年表见（表2）。

表2 石花洞岩溶学研究大事年表

[1]吕金波.石花洞8层溶洞展示北京西山新构造运动的隆升[J].城市地质.2012，7（4）：41～45.

[2]袁道先.岩溶学词典[M]北京：地质出版社，1988，27.

[3]卢耀如.中国岩溶[M]北京：地质出版社，1986，94～95.

[4]李红春，顾德隆，陈文寄，焦文强，赵树森，陈铁梅，李铁英.洞穴石笋的14C年代学研究——石花洞研究系列之二[J].地震地质，1996，18（4）：329～338.

[5]谭 明，刘东生，秦小光，钟 华，李铁英，赵树森，李红春，吕金波，鲁向阳.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.

[6]刘东生，谭 明，秦小光，赵树森，李铁英，吕金波，张德二.洞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.

[7]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.

[8]秦小光，刘东生，谭 明，李铁英，吕金波，丁仲礼，刘嘉麒，聂高众.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.

[9]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.

[10]吕金波，李铁英，汪训一，赵树森，李红春.第四纪石笋剖面的初步建立——以北京石花洞为例[J].地质调查与研究.2013，36（1）：63～70.

[11]吕金波.北京石花洞氡浓度的研究[J].北京地质.1997，9（2）：29～32.

[12]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.

[13]邢如连，呼俊致，原思训，高世君.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.