北京石花洞结构特征及发育演化过程研究
北京石花洞结构特征及发育演化过程研究
北京的风景名胜刘宏;郑明存;段洪伍;陈海舰;王芳;蔡炳贵
【摘 要】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5639 m,洞底投影面积为37096 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,11 1 m 和95 m；(3)最底第五层季节性地下河洞道长1638 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。%Of the known karst ca
ves in northern China,the Shihua Cave in Beijing has the greatest scale and most kinds of secondary carbonate sediments.It is one of the most important caves in northern China in terms of its landscape sightseeing and scientific values.To determine its size and structure,a complete inves-tigation including survey was conducted in July 2013.This work followed international survey standards and used various instruments including Leica laser rangefinders and Sunnto compasses and clinometers,in con-junction with Onstation and ArcMap 10 software.The results show that the Shihua Cave extends from NWW to SEE along the strike of the Ordovician limestone,indicating that the cave development is primarily controlled by strata.NE and NW-striking faults have influenced cave development to a less extent.The cave has a total length of 5,639 m and a floor projection area of 37,096 m2 .In the vertical direction,the highest and lowest positions within the cave are 14 m above and 158 m below the entrance,respectively.The cave system consists of five levels of passages,of which the elevation is 249 m,21 1 m,154 m,1 1 1 m and 95 m a-bove sea level,respectively.Each level indicates a period of stable local base level,suggesting that this cave experienced five stages of development.The lowest level of it has a 1,638 m pass
age,which is characterized by seasonal water flow with three windows into a perennially inundated phreatic level.The seasonal under-ground river flows southeastward during the summer flood season.The downstream passage forks,one branch terminating in a sump pool while the other consists of chambers with a large amount of breakdown, implying the end of the underground river.The underground river may connect the Shihua Cave with Silver Fox cave to the northwest and the Kongshui Cave to the southeast.Exploration of nearby caves and tracer tests should be conducted to verify this connection in the future.
【期刊名称】《中国岩溶》
【年(卷),期】2015(000)001
【总页数】8页(P27-34)
【关键词】石花洞;地下河;洞穴分层;洞穴发育
【作 者】刘宏;郑明存;段洪伍;陈海舰;王芳;蔡炳贵
【作者单位】云南大学资源环境与地球科学学院，云南 昆明 650091;北京市石花洞风景名胜区管理处，北京 102416;北京市石花洞风景名胜区管理处，北京 102416;北京市石花洞风景名胜区管理处，北京 102416;福建师范大学地理科学学院，福建 福州 350007; 国家地质实验测试中心，北京 100037;福建师范大学地理科学学院，福建 福州 350007
【正文语种】中 文
【中图分类】P931.5
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、沉积种类最丰富的洞穴；作为北京房山世界地质公园的重要组成部分，石花洞的旅游开发已有二十余年，吸引了大量的国内外游客，被国内外洞穴研究专家誉为紫禁城外的地下宫殿。
石花洞的科学研究在中国全球气候变化研究中起到重要的作用。1997年，刘东生等在石花洞首次发现具有年层的石笋[1]。石花洞石笋纹层具有中国北方型石笋纹层的典型特征，即双重光性显微沉积旋回[2]，谭明等利用北京器测气象资料进行校准，发现石花洞一支石笋的厚度变化与夏季5-8月的温度具有显著相关，从而重建了北京地区2 650年来5-8月的温度[3-4]。围
绕石笋古气候研究，学者们对石花洞石笋和洞穴滴水现代沉积过程做了大量的观测与研究[5-12]。石花洞独具特的洞穴结构和次生碳酸盐沉积不仅是洞穴科学和全球变化研究的重要材料，而且是区域地质和中国北方喀斯特水文地质研究不可多得的研究对象，例如，石花洞的多层洞穴结构及其与区域地质构造的关系[13-15]，石花洞石花的形成机制[16]等。有关石花洞洞穴分层问题，目前尚未形成统一的认识，王秉钧等认为分成7层[13]，吕金波将之分成8层[15]，但是，这些说法都缺少石花洞测量证据。由于还未开展过石花洞系统的洞穴调查工作，缺少完整的洞穴平面图和剖面图等基本资料，人们对石花洞最底部的地下河洞道也知之甚少。
基于上述原因，我们对石花洞开展了系统的洞穴调查和测绘，获得了第一手洞穴基础数据，对石花洞的结构、地下河洞道的基本地理要素及其与周边岩溶洞穴的关系等问题进行了探讨，探究成果将为石花洞未来的旅游规划、科普教育和科学研究提供基本参考。
石花洞 (N39°47′, E115°56′) 位于北京房山区河北镇南车营村，距北京城约50 km(图1)，大石河自西北经佛子庄、河北庄、磁家务向东蜿蜒绕过本区，石花洞地处大石河南岸，区内岩溶洞穴和岩溶泉众多，西有银狐洞地下河，北有大石河佛子庄河段的消溢洞、黑龙关、河南庄岩溶泉，东有孔水洞岩溶泉出露(图2)。
区域地质上，石花洞位于房山花岗岩体的北侧，地质上属于房山穹隆边缘向形带凤凰山向斜北翼。石花洞发育地层为奥陶系马家沟组灰岩，该组地层上部为浅灰白的白云质灰岩，下部为青灰纯灰岩，有白云岩夹层，基本不含硅质团块，厚200～300 m。地层走向近东西，倾向南，倾角30°左右[14]。石花洞区域发育石炭系、二叠系、侏罗-白垩系多层煤系地层，因此石花洞上覆表层或亚表层有煤层侵入，但分布不均匀①*①煤炭部地质局主编，中国主要煤矿资源,1983.。
该地区属东亚季风气候，据1951-2000年仪器记录(国家气象局气候中心)，年均温为12 ℃，多年平均降雨量为616 mm，降雨主要集中在夏季(6-8月)，占全年降水量的70%以上。现洞内温度介于13～17 ℃，略高于大气年均温[10]。
2013年6-7月，对石花洞所有洞道，包括目前尚未探测但人可进入的洞段进行探测制图，洞穴测绘工作采用国际通用洞穴测量方法，按照英国洞穴研究学会5C精度等级标准进行，运用激光测距仪、罗盘和倾角仪，辅助以Onstation洞穴测量软件和ArcMap10软件，成果图包含洞穴三相图(洞穴平面、纵剖面和横断面)。
为了弄清石花洞地下河洞道各水潭之间，及其与周围地下水系之间可能存在的关联，分别于
石花洞地下河洞道的水潭，银狐洞地下河岩溶泉和泄水河段，佛子庄黑龙关岩溶泉，半壁店井水，以及孔水洞岩溶泉采集水样，供氘、氧同位素分析。水样使用8 mL棕玻璃瓶装满，密封保存，每个点采集两瓶，后置于实验室冰箱冷藏保存直至上机测试。氘同位素使用MAT253质谱仪与TC-EA联机测试，分析误差小于1‰，氧同位素采用MAT253质谱仪与GAS-Bench联机, CO2平衡法测试，分析误差小于0.1‰, 本文报道数据均相对于V-SMOW标准。
本次洞穴调查与测绘，完成402个测点，包括旅游洞道中的重复路线，总测量长度为5 963.3 m，水平长度为5 770.6 m。根据测绘结果统计，石花洞目前探明的洞穴长度约为5 639 m，投影长度为5 448 m，总面积约为3.7×104 m2，洞内最高点高于洞口约14 m，最低点低于洞口158 m，高差约为172 m，依洞口海拔251 m计算，洞内最高点海拔为265 m，最低点海拔93 m(表1)。
3.1 洞穴系统垂直分布特征与洞层划分
多年来，石花洞洞穴系统的层状结构一直受到学者们关注，因为洞穴发育与区域构造和水文系统演化密切相关。一般来说，洞穴水平层发育代表该地区的侵蚀基准面保持相对稳定的状
态，当区域构造抬升，导致区域侵蚀基准面下降，形成下层洞道[17-18]。因此，不同海拔高度的水平洞道，反映了多次构造抬升对石花洞发育演化的影响。
有关石花洞洞穴系统分层，1996年，王秉钧等在《北京石花洞》一书中将石花洞分成7层，但是没有明确给出7层洞道的划分方法和标准，也没有指出各层的分布高度[13]。后来，吕金波等根据区域地质调查的永定河河流阶地记录，认为北京房山地区存在8级河流阶地，并认为这8级阶地与石花洞的洞穴系统发育对应，据此，将石花洞洞穴系统分成8层，并将之与华北地文期建立对应关系，但并没有给出石花洞各层的具体资料与参数[15]。
关于洞穴水平发育层与阶地的对比，上世纪80-90年代曾开展过广泛地讨论[19]，尽管都与区域构造运动有关，但二者并不一定具有一一对应关系，特别是有堆积阶地发育的情况下。因此，依据阶地级数推测洞穴发育层数具有较大不确定性。
从洞穴纵剖面图看(图3)，石花洞可以划分为五层，也可以划分为六层。本研究依据洞穴发育特征，将石花洞洞穴系统划分为五层，自上而下顺序编号(表1，图3)。第一至第五层层内高差分别为24 m、77 m、52 m、70 m和28 m。相对于洞口海拔高度，各层水平洞道的平均高度分别低于洞口2 m、40 m、97 m、140 m和156 m，依照洞口海拔251 m计算，第一至第
五层水平洞道平均海拔高度分别为249 m、211 m、154 m、111 m、95 m。

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