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纪念中国第一部地质学著作《北京西山地质志》出版百年

吕金波(北京市地质调查研究院,北京 102206)

    “化石”是在远古地层里发现的,当然与地质学紧密相关。汉语中的“地质”一词最早出现在三国时期王弼对《易·坤》的注释“居中得正,极於地质”。1853年—1854年,上海墨海书馆出版了苏格兰传教士慕维廉的《地理全志》,书中将英文‘Geology’翻译成汉语“地质”,从此中国有了现代科学意义的地质学。《北京西山地质志》是中国第一批地质学家编写的第一部地质学著作,恰逢2020年出版百年,写文纪念。

中国的第一部地质学著作

    北京西山属于太行山,最早记录在秦代《吕氏春秋》中的九山;东晋的《述径记》记录太行山首始于河内,那么北京西山就是太行之尾了;明代北京作为首都,永乐皇帝取了“北京”的名字,后来的《京师五城坊巷胡同集》记录“西山、府西三十里、太行之首”,这样就有了“北京西山”的名字。

    北京西山是中国最早开展地质调查的地方,1863年秋天美国学者崩派来调查北京西山地质,提出了“震旦抬升系”和“震旦革命”。1869年和1871年德国学者李希霍芬两次到北京西山调查,提出了“震旦系”和“北京湾”。1920年中国学者出版了中国第一部地质学著作《北京西山地质志》,为后来“燕山运动”的提出、“北京猿人”的发现以及“鹫峰地震台”的建立奠定了基础,也为后来北京地区乃至整个中国的地质工作奠定了基础,所以北京西山素有“中国地质工作者的摇篮”之称。

    地质调查所——中国第一个地质调查机构

    1913年——1916年创建的农商部地质调查所和地质研究所,创始人为丁文江、章鸿钊和翁文灏3位老师,共结业22位学生(卒业证书者18人,修业证书者3人,未获证书者1人),其中13位学员参与了《北京西山地质志》的调查与编写,他们是中国自己培养的第一批地质人才,其中很多人后来成长为中国著名的地质学家。

地质调查所(西四路口南兵马司胡同)

    《北京西山地质志》的作者

    1916年,农商部地质研究所师生合影。老师章鸿钊(一排中)、丁文江(一排右)和翁文灏(一排左)培养的学员叶良辅(三排左二)、王竹泉(二排左七)、谢家荣、刘季辰(三排左六)、徐渊摩(三排左三)、谭锡畴(二排左五)、朱庭祜(二排左二)、卢祖荫(三排左四)、马秉铎、李捷(三排左五)、仝步瀛(二排左一)、陈树屏、赵汝钧一起合影。

3位老师和《北京西山地质志》部分作者在地质研究所图书馆门前合影

    中国地质学属于西学东渐的产物, 于是地质调查所聘请了瑞典人安特生做顾问。安特生在1918年发现了宣龙式铁矿、周口店遗址和仰韶文化遗址,提供了《北京西山地质志》中第四章地文和第五章经济地质章节的素材。

瑞典人安特生顾问的护照

    教育界的人士常说:“给学生一杯水,教师应有一桶水”,老师的作用和水平是不可低估的。发出地质调查首令的所长丁文江取得英国格拉斯哥大学地质学和动物学双学士,倡导“登山必到峰顶、移动必须步行,近路不走走远路,平路不走走山路”;资格最老的章鸿钊留学日本,是讲授地质课程的第一人;“燕山运动”的提出者翁文灏是中国的第一位地质学博士,亲自编写了《北京西山地质志》中的第二章火成岩章节。

    1916年夏,叶良辅、赵汝钧、刘季辰、陈树屏、王竹泉、朱庭祜、谭锡畴、谢家荣、马秉铎、卢祖荫、李捷、徐渊摩、仝步瀛13名学员正式参加工作,成为地调所调查员,“所长丁文江首令完成五万分之一之西山地质图”,13人在北京西山测制1∶5万地形地质图。当年8月,用平板测量法调查。仅用了一个月就基本完成了大部分地区的测量,有一、二片区域直到1918年春天才补齐。在地形地质测量的基础上,从1918年冬天开始,由英文较好的叶良辅主笔,1919年7月成书,1920年出版《北京西山地质志》。

    13位学员调查西山地质。叶良辅与赵汝钧两位学员调查了温泉、阳坊、杨家屯、三家店、模式口、青白口、田家庄和高崖口一带的地质,谢家荣(后来担任地质部总工程师)与马秉铎两位学员调查了煤窝、大鞍山一带的地质,李捷(后来发现模式口冰川擦痕)与卢祖荫两位学员调查了清水涧、髫髻山和王平村一带的地质,王竹泉(后来担任煤炭部总工程师)与朱庭祜两位学员调查了斋堂和清水河沿岸的地质,刘季辰与陈树屏两位学员调查了琉璃渠、门头沟和大灰厂一带的地质,徐渊摩与仝步瀛两位学员调查了坨里和万佛堂一带的地质,谭锡畴调查了周口店、长沟峪、红煤厂、柳林水、妙峰山涧沟一带的地质。

    《北京西山地质志》著作的主要内容

    《北京西山地质志》章节分为地层系统、火成岩、构造地质、地文、经济地质和附录。

    第一章地层系统,根据13名学员野外调查记录而成,其中的植物化石由安特生顾问在坨里砾岩之黄色页岩地层中首先发现苏铁杉、鞍带石斑鱼和长叶杉等,后在髫髻山南北继续发现若干同类化石丽鳖属,寄往瑞典王家博物院赫勒博士鉴定。地层系统(从新到老)如下:

    新生界之地层:(一)红色粘土、(二)老黄土、(三)高崖口梯地(即马兰台地)、(四)新黄土。

    上侏罗纪(髫髻山系):火山岩,与下伏的九龙山层呈不整合接触,即后来提出的“燕山运动”。

    下侏罗纪(九龙山系):火山成因的紫绿色砂岩、页岩与砾岩交互成层,不含煤层,与上层不整合。

    下侏罗纪(门头沟煤系):恐龙时代的煤系地层,西山主要开采的含煤层,产大量植物化石。

    二叠三叠纪(红庙岭砂岩层):浅海沉积,如颐和园万寿山红色砂岩,富含石英的砂岩,硬度大。

    石炭纪(杨家屯煤系):海陆交互相沉积,恐龙出现之前的沼泽相煤系地层,含丰富的植物化石。

    奥陶纪(上震旦系):得名英国奥陶族,震旦中国古名。深海沉积石灰岩,含角石化石,笔石的时代。

    寒武纪(下震旦系):得名北威尔士,震旦中国古名。海洋沉积石灰岩,显生宙开始,含三叶虫化石。

    下马岭层:命名于门头沟区下马岭村附近,为浅海沉积富含有机质的黑色页岩,现在研究产页岩气。

    新元古界矽质灰岩层:为陆表海沉积的硅质条带白云岩,富含早期菌藻类生命化石——叠层石。

    第二章火成岩,系翁文灏博士编作。13名学员大半致力于测量,未能详细研究,那只有依托翁文灏博士编写了。地质图上火成岩分为花岗岩、辉绿岩和斑岩3大类,花岗岩描述了羊(阳)坊之花岗岩(地质图北面的红色区域)、周口店之花岗岩(地质图南面的红色区域)、辉绿岩描述了后来称之为南大岭组的玄武岩(翁文灏博士仍趋重于侵入说),斑岩描述了斋堂盆地之斑岩、清水尖妙峰山一带之斑岩以及零星小块之火成岩。

    第三章构造地质,褶皱描述了梁家坨之外斜层(幽州背斜)、花木岭之外斜层(青白口半穹窿)、清水尖庙安岭内斜层(庙安岭向斜)、九龙山之内斜层(九龙山向斜)、北岭内斜层(北岭向斜)。断层描述了大灰厂之东北断层(八宝山断裂)、三家店南之炭峪沟北断层、自紬儿岭至琉璃渠断层、浑河西北断层(永定河断裂)、南庄断层、淤泥坑断层、斋堂清水河断层、花安岭西北断层、自黑龙观至滴水崖断层、八十亩地之西断层和上万村断层(黄庄——高丽营断裂)。

    第四章地文,援引安特生顾问观察较多。分为山脉、北京平原(或称北京湾)、河流、地文期、黄土。其中,河流描述了永定河(浑河)、清水河和琉璃河,地文期描述了唐县期之地面、汶河期自上而下之侵蚀、马兰期之梯地和板桥期自上而下之侵蚀。黄土研究引自安特生顾问,从上至下分3层:

    含脊椎动物遗骸的次生黄土(全新世黄土)

    含脊椎动物遗蜕的风成黄土(更新世马兰黄土)

    富于野马Hipparion化石的上新统红色粘土(上新世三趾马红土)

    第五章经济地质,援引安特生顾问观察较多。北京西山为中国北部矿产丰富之区,有煤、石灰及石料。煤田产于九龙山内斜层、庙安岭内斜层和北岭内斜层。煤田描述了门头沟、琉璃渠(即琉璃局)刘家岭鎗峰岭一带、炭峪、响峪、玉泉山白家疃、王平村安家滩王平口、煤岭佛门沟、石板场冯村、清水尖大台穿石台东板桥西板桥庄户千里台大寒岭煤窑刘家台等处、木场子禅房、斋堂、长沟峪、安子北窖英水窖儿杏园等处、周口店金陵万佛堂佛子庄中窖南窖长流水等处、东桃园曹家园刘公沟淤泥坑煤台。金属矿描述了铁、铜、铅、金,非金属矿描述了石棉、滑石、石材和石灰业。

    附录,石景山附近永定河迁流辩。

    《北京西山地质志》的图件:

    从某种意义讲,著作是图件的说明书,图件非常重要。《北京西山地质志》图件是由13名学员野外以五万分之一的精度调查,缩编成十万分之一的精度出版。图件由仝步瀛学员和李彝荣绘制。

北京西山地质图(缩尺十万分之一)的范围,北至高崖口—向阳口,南至牛口峪—周口店,西至清水—莲花庵,东至肖家河—颐和园。1920年,与《北京西山地质志》著作一起出版。

 

《北京西山地质志》图件

    地层总剖面及其对后来中国大地构造划分的影响:

    《北京西山地质志》用中英两种文字出版,中文中没有插图,插图全部在英文版中。下面的地层总剖面图在英文版的第2页,图中5个不整合对后来中国构造运动的命名和划分起了关键性作用,笔者为恢复高考后的第一批地质工作者,常年工作在北京西山,对《北京西山地质志》内容颇为熟悉,感觉英文版图1很重要,翻译成下面的表格,便于大家一起讨论。

北京西山地层总剖面(地层总厚度约6600米)


洪积统

上新统




--不整合--

髫髻山系

--不整合--

九龙山系


现代地表

杂色泥、成层砾石和黄土

上侏罗统

1500

斑状熔岩、斑状砾岩、绿色红色页岩、带有镜煤的黄砂页岩砾岩、斑岩灰岩和大理岩的砾岩


下侏罗统

700

紫色绿色页岩、砂岩和砾岩

门头沟煤系

--不整合--

红庙岭砂岩

550

砾岩、含煤砂岩和页岩

二叠——三叠系

130

石英砂岩

石炭系

杨家屯煤系

--不整合--

上震旦

310

页岩、砂岩,煤或砾岩

奥陶系

750

厚层状、深灰色石灰岩,只有顶部呈薄层状

寒武系

下震旦

--不整合--

下马岭层

900

竹叶状、鲕状灰岩,红绿色页岩夹白云质灰岩


前寒武系

570±

砂岩,炭质页岩和板岩

矽质灰岩

1000±

矽质灰岩,燧石条带,黑色页岩

    英国北威尔士山的古名寒武山,地质学家喜欢用古老的地名命名地质年代,于是将这一带距今5.41—4.85亿年前含有三叶虫的海洋地层的形成时代命名为“寒武纪”;“震旦”是古印度人对中国最早的称呼,地质学家将西山富含叠层石的陆表海沉积形成的硅质条带白云岩形成的时代称为“震旦纪”,现在已经不用;下马岭是门头沟永定河沿岸的一个村子,地质学家将富含有机质的黑色页岩命名为“下马岭层”,现在研究含有页岩气。前寒武系与寒武系之间的不整合后来被命名为“蓟县运动”,这个不整合缺失了约2亿年的地层,在永定河边上的下苇甸剖面可以见到。

前寒武系与寒武系之间的不整合(蓟县运动)

    英国北威尔士山最早居住着奥陶族,地质学家后来发现了脊索动物门的笔石,感觉很重要,于是把寒武纪地层之上含有笔石的地层年代命名“奥陶纪”,这套地层石灰岩很纯,可以烧石灰,也可以产生喀斯特洞穴;石炭纪沉积了恐龙出现之前的煤炭,所以得名,在西山的杨家屯附近发育,于是命名“杨家屯煤系”。奥陶系与石炭系之间的不整合先前被崩派来命名为“震旦革命(Sinian Revolution)”,但后来没有人在文章中使用,现在需要重提;这个不整合缺失了约1.4亿年的地层,不整合之下形成了周口店洞穴、石花洞喀斯特洞穴和玉泉山喀斯特泉水。

    二叠纪名字来源于乌拉尔山脉西坡,恐龙出现之前形成的双层地层;三叠纪来源于欧洲中部存在的三层地层,恐龙开始出现,二叠——三叠系在西山为红庙岭石英砂岩,岩石在颐和园形成了万寿山,古人将香山东北部这套岩石在阳光下闪闪发光的山命名为金山,曹雪芹将山下的书屋命名悼红轩,创造了不朽的《红楼梦》;侏罗纪来源于阿尔卑斯山的侏罗山(今译汝拉山),是恐龙的繁盛时期,森林发育,形成了西山的门头沟煤系;下侏罗统在门头沟河滩北山发育九龙山系,上侏罗统在门头沟髫髻山发育髫髻山系。二叠——三叠系与下侏罗统之间的不整合后来命名为“印支运动”,下侏罗统与上侏罗统之间的不整合后来被翁文灏命名为“燕山运动”;这就是中国的第一个地质学博士翁文灏,与气象学家竺可桢一起参加1926年在日本东京举办的第三届泛太平洋科学会议上,发表《中国东部的地壳运动》论文,提出的著名地质构造运动——燕山运动。

    更新统被叶良辅译成洪积统,当时在西山发现了黄土和哺乳动物化石。这个时期有两大事件,一个是冰川的出现,一个是人类的出现,人类伴随着冰川一路走来,很不容易啊!后来发现证实周口店猿人生活在距今约50多万年前的中更新世,山顶洞人生活在距今约3万年前的晚更新世。上侏罗统与上新统和更新统之间的不整合就是基岩与新生代松散沉积物之间的不整合,全球都是如此。

    地质志编写沿革

    1920年,农商部地质调查所出版《北京西山地质志》,开启了中国区域地质调查的序幕。

    1988年—1993年,出版了全国30个省市自治区的第一版《XXX区域地质志》,其中出版了《北京市区域地质志》,对改革开放以来国民经济建设和科研教学等起到了重要作用。

    2008年开始,《中国区域地质志》项目在32个省市自治区、11个构造单元(重要成矿区带、重要经济区、海域)展开,每部志书都包括地质志、地质图件和数据库3部分内容,名为《中国区域地质志—XXX志》。其中《中国区域地质志—北京志》将于2021年由地质出版社出版,以此纪念《北京西山地质志》出版百年。

    作者简介:

    吕金波,博士,教授级高级工程师,北京市地质调查研究院原副总工程师,北京地质学会理事。

    原文刊载在《化石》杂志2020年第2期。

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