虎峪—沟崖玉虚观探索 地质篇

虎峪在昌平县城的西北部,恰好位于北京山区和平原的交界。在谷歌地球上,可以非常明显的看到这个现象。

自左下到右上,一条很明显的线,左上是山区,右下是平原(图片的上方是正北方)。其实,这不是偶然,这里有一条断层,走向恰好沿着这条非常明显的分界线。这是一条正断层,叫南口断裂,正是这条正断层,造就了这里的地貌景观。

这种地貌类型的成因,可以类比一下千沟万壑的黄土高原、太行山和一望无际的华北平原。当河流从高处流到地处,就会把高处切割成山峰高耸、沟壑纵横的山区,而带走的物质就会在低处沉积下来,成为平原。

但问题又来了,为什么会一边高一边低呢?尤其是像上图中那样,分界那么截然,又那么直?原因,正是南口断裂,一条正断层。

(图片摘自windows2universe.org)
正断层(图片来源

这个就是一个正断层的模式图,图中黑色的斜线就是断层的,箭头表示断层两侧岩层的相对滑动方向,即一盘相对升高,一盘相对降低。在模式图中,就是左边的一盘相对降低,右边的一盘相对上升。如果有河流,水往低处走,就会由右侧流向左侧;断层不断地活动,使两侧的高差越来越大;河流就不断地在高处冲刷切割,物质在低处沉积。久而久之,右侧成为山陵地区,而左测成为平原。而且,断层一般是比较直的,所以,平原和山地的分界也就相对是直的了。

在上面描述的过程中,河流扮演了非常重要的角色,它是塑造地貌最强的外动力地质作用(区别于地震、火山、板块运动等内动力地质作用)。

我们知道,河流中有水,而水在一个相对固定的槽子中流淌,这个槽子叫河床或河道。我说这个河道是相对固定的,是因为短期来看,河道是位置变化不大,但长期来看,河流的河道又是不断地左右摆动的。摆动的结果,就是使得河道所在的谷地越来越大,就像下图。

开始的时候,河流只在一个深切的河谷里面,随着时间的推移,河流不断地摆动,河谷就会越来越宽,即河流会在两侧“造”出来一片平地(Huggett,2007)

河流冲出的河谷
河流冲出的河谷

河流横向摆动制造出一个宽而平的谷地的过程,一般发生在一个构造平静期,即这段时间内,没有大的构造运动,这一带相对比较平静。但是,地球是在不断运动的,比如板块在慢慢地漂移,青藏高原也在不断地抬升,脚下的大地也时时刻刻发生着我们感觉不到的变化。河流总能够感受并记录这些变化,阶地,就是它的记录形式之一。

如上面照片所示,在河流长期的作用下,一个谷地已经形成了。现在,如果这一区域发生了一场强烈的抬升运动,即这里的地壳被抬升,高差加大,河流就会继续下切,这样就形成了阶地。可以看下面的模式图。

河流阶地模式图(选自geologycafe.com,有改动)黄色截面即为砾石层,T1、T2、T3为阶地编号

从这张图中可以看出,阶地发育在河流两侧,是一块比较平的台子。当然这个台子可大可小,大则几十、上百平方公里,小则宽不足一米。阶地的识别标志,除了一片平地之外,还要在剖面上找到成层的磨圆砾石层。一般在山涧里的河流,河床上布满了磨圆的砾石。当这些河床变成了阶地之后,这些砾石还会保留在阶地之上,就像河流阶地模式图中表示的那样。

典型的阶地剖面
典型的阶地剖面

在南口这个地方,发育有三级阶地,记录了本地区三次较大的抬升事件(在不考虑气候变化等的情况下)。这些抬升事件很可能是和南口断裂的活动有关,每一次地震都会造成断层两侧的高差加大,河流下切,形成阶地。

河流的三级阶地。去虎峪景区路上拍摄,镜头东向

沿着虎峪景区的路向前走,一路都是比较古老的地层,主要形成年代是太古代晚期和中元古代(即27~25亿年和18~14亿年)。岩性主要为白云岩和角闪岩等。在地球的历史上的中、晚元古代(即18~5.4亿年),海洋中结晶形成了巨厚的白云岩地层,在北京地区有着比较完整的出露。根据这些地层所携带的信息,地质学家可以推测出华北的演化历史。沿着阶地,可以见到一个断层。

断层。如果把图中方框中放大来看,就是下面这个样子
图中相同颜色的线所在的地层,原来应该在同一层位上,现在被断层错断了。图中箭头就表示断层两侧岩层的相对运动方向

在虎峪景区的逃票口那里(o(╯□╰)o),发育有丰富的软沉积变形和石香肠构造。

黄色箭头指的是软沉积变形,而蓝色箭头指的是石香肠构造

这个露头的组成岩性主要是白云岩,是一种沉积岩。沉积岩一般是在水中形成的,由沉积物质一层一层地堆叠而成。所以,在沉积之初,里面含有了大量的水。在成岩的过程中,先沉积下来的松软沉积物会遭到后沉积物质的挤压,水就会被向上挤出,形成一些特殊的构造。图中的软沉积变形类似于一个火山(貌似这里还有一个更好的现象,但没有照片)。

水流作用下软沉积变形的模式图,箭头表示水流动的方向,就会带动周围成层的沉积物发生弯曲。(Moretti,2000)

虽然这个露头上的岩石主要为白云岩,但在不同的层位,组成成分会有一些差别,随之而来的,就是岩石强度的差异了。当岩石受到挤压的时候,强硬层就会被压断成为一截一截的,软弱层流到空隙里面。

沿路往前走,岔道往玉虚观方向,在一个落石上看到了漂亮的斜层理。岩石的沉积层理是在沉积过程中形成的,之所以叫斜层理,是因为它和正常的沉积层理有一定的夹角。一般,沉积岩的层理是水平的,但是斜层理由于其特殊的形成过程,会和水平的层理有一定的夹角,如下图所示。

斜层理。横向红线是正常的层理,斜红线即为斜层理(图片来源

斜层理是在水流的作用下形成的,也记录了它形成的时候水流的方向。可以看下面的图。

上方蓝色箭头指示水流方向,下发箭头指示沉积物运动方向。物质由迎着水流的面被搬运到背向水流的面上,并沉积下来,形成斜层理(图片来源
该图即为探索途中遇到的斜层理,如果以该露头为参考系,水流的方向就如黄色箭头所示
白云岩的刀砍纹

出露在地表的白云岩,大都会出现这样的纹理。这是差异风化造成的。在白云岩中,一般会含有一些灰岩(主要成分为碳酸钙),呈条带状分布。相对于白云岩(主要为碳酸镁),灰岩更容易风化流失掉,就会留下一条条的纹,像一个饱经沧桑的脸。

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