編者按：如果你是一個地質迷，你一定會知道“北京西山”。北京境內的西部山區(qū)統稱北京西山，是太行山的余脈。北京西山是中國現代地質學的誕生地，被譽為中國的地學搖籃。2020年恰逢中國地質事業(yè)的開篇之作——《北京西山地質志》正式出版100周年?！吨R就是力量》雜志編輯部聯合中國地質科學院地質研究所研究員、自然資源部首席科學傳播專家蘇德辰老師為大家精心推出了地質科考研學課程——跟著地質學家探秘地球課。千里之行，始于足下，就讓我們跟隨蘇老師的腳步，沿著109國道和108國道，一起走讀西山，探索地球奧秘。

北京西山擁有異常豐富的地質現象，是中國地質學的發(fā)源地。1920年，由中國人繪制、撰寫的第一份中文地質報告就誕生于北京西山。100多年來，成千上萬的地質工作者在北京西山進行地質考察或實習，因此被稱為中國地質的搖籃。而丁家灘-下葦甸之間的地層是北京西山沉積學現象最集中、又較容易到達的路線，在中國地學界久負盛名，許多地質迷走過十幾遍甚至上百遍（圖1）。

圖 1 交通示意圖

兩個古村落隱藏著數億年的地球史

丁家灘和下葦甸都是門頭溝區(qū)著名的古村落，這里民風古樸，景色優(yōu)美。兩村之間的直線距離才2千米，沿著蜿蜒的永定河谷來走的話，相距也不足5千米。表面上看，兩村之間的人文歷史相似，風景地貌相同。但是，連接兩村的層層巖石之間的年齡差卻超過上億年。一般的游客往往只注意到了永定河谷兩側峰巒疊障的美景，地質學家卻在這些巖石之間尋找著經典的地質學現象以及隱藏在巖石中的各種線索，用來了解這數億年間的地球奧秘。

據已有資料記載，下葦甸村周邊多是距今8億年以前的元古代巖石。今天，我們先從下葦甸村東1000米的一處陡崖講起。

野外考察中的地質學家

地球上每個人都有一個名字，這樣我們才能分清彼此。類似的道理，地球上的巖石也要有名字。

圖3中陡崖底邊畫了一條白色虛線，虛線左下方的巖石形成于8億年以前的海洋環(huán)境，最接近白線的巖層形成時代與天津薊縣景兒峪村附近的巖石相同，1934年被地質學家命名為景兒峪組，8億年在地球歷史上屬于新元古代，所以照片上標注為新元古代景兒峪組。最接近白色虛線右側的巖石以北京地區(qū)的昌平最為典型，因此稱為昌平組，此處昌平組的巖石從成分上屬于白云巖，所以在照片注釋中稱其為昌平組白云巖。

圖3中的地質學家為什么這么興奮？原來這里是兩個不同時代的地層相遇點，界線兩側的巖石年齡相差2億多年！我們平時只有在科幻片或荒誕劇中才能看到的時空穿越，現實中很難實現，但當你到了這樣的地方，只要踏上一只腳，就可一步跨越億萬年。是不是非常神奇？

知識鏈接

地質學家將上下巖層彼此平行，中間又缺失了很長時間沉積紀錄的接觸面稱為“平行不整合”。寒武紀昌平組與新元古代景兒峪組之間的這個不整合在華北地區(qū)普遍存在，是最重要的不整合之一。

雪球事件帶來的滄桑巨變

在距今8億年左右的時候，地球表面的溫度突然降低，從兩極到赤道，幾乎所有海洋、湖泊的水體凝結成冰，地球變成了冰雪皚皚的雪球（Snowball Earth），只有少量的液態(tài)水殘留在大洋深處。大面積白色冰雪把更多的陽光反射回太空，使地球表面溫度越來越低，只有零星噴發(fā)的火山和太陽的照射才阻止了地球表面溫度的無限下降。這種狀況從距今8億年左右一直持續(xù)到距今5.5億年。后來，地球上的冰雪因為大量的火山活動重新融化，表面溫度才迅速回升。地質學家把這段持續(xù)了2億多年的特殊過程稱為雪球事件。在多個類似的雪球事件中，距今8億年至5.5億年之間的這次地球事件從規(guī)模和生命演化歷史上都是影響最大的。華北大部分地區(qū)因為雪球事件而抬升成陸地，也因此缺失這個時期的沉積物。

北京西山饅頭組的紫紅色頁巖（這些一片片堆疊在一起的紫紅色石頭像不像一頁頁書？頁巖就是這樣得名的?。?/p>

雪球事件后，壓抑了2億多年的生命開始在地球上爆發(fā)。在距今5.4億年左右，原始海洋中突然涌現出大量的生物，特別是出現了門類眾多的無脊椎動物，它們像爆炸波一樣迅速占領了地球上所有的海洋環(huán)境。在此后沉積形成的地層中，才留有多種生物化石紀錄。這次生命大爆發(fā)的原因至今還是未解之迷，但它把地球的演化史分成了兩個截然不同的時代，在這次生命大爆發(fā)前的地層中很少或沒有生物化石，因此稱為隱生宙，而大爆發(fā)之后的地層中生物遺跡相對明顯，稱為顯生宙。

知識鏈接

地球已有46億歲，要想仔細描述和研究不同時間發(fā)生的事情，顯然需要把地球的歷史細化。所以，地質學家又把5.4億年歷史的顯生宙分成3個“代”，每個代又進一步細分成多個“紀”。生命大爆發(fā)后的海洋生物繁盛，距今5.4億至4.85億年之間沉積形成的巖石在英國的威爾士（Wales）最典型，生物化石最豐富，因此地質史上顯生宙以來第一個“紀”的名字就以Wales來命名，稱為寒武紀（Cambrian Period）。同學們會不會奇怪，威爾士的英文是Wales，而寒武紀的名字是Cambrian，這與命名地的名字差得太多了吧？原來，Wales的拉丁文名字是Cambria，在正式的英文地質文獻中，地名是用拉丁文來命名的。

透過地質現象來推演地球時代

我們再把話題拉回到北京西山。雪球事件之前，華北大部分地區(qū)是海洋環(huán)境，并且已經沉積了幾千米的地層。雪球事件使海水退卻，地球歷史仿佛也被凍結了，兩億多年的時間內，在華北留下的巖石紀錄很少。雪球地球融化之后，海洋重新復活，當時的華北又重新被海水淹沒，但是這個過程不是瞬間完成的，在最初的大約幾百萬年時間內，在北京地區(qū)沉積了50多米厚的石灰?guī)r或白云巖。這套地層在昌平北最典型，并且地質學家張文佑還在其中發(fā)現了三葉蟲化石，因此地質學家就把與昌平龍山同一時期形成的巖石統稱為昌平組。

昌平組石灰?guī)r沉積后不久，海洋環(huán)境發(fā)生了比較急劇的變化，海洋中沉積的巖石變成了非常細膩的紫紅色泥質巖，中間夾著幾層淡黃綠色的白云巖。根據現代的研究結果，這套以紫紅色泥巖為主的巖石是在炎熱干燥的潮間帶環(huán)境下形成的，在北京西山的厚度約為130米。華北許多地方都可以見到，但是不同地區(qū)的巖石形成時間和沉積特征并不完全相同。最早對這套紅色巖石進行系統研究的地點位于山東省張夏鎮(zhèn)的饅頭山，所以得名饅頭組。在北京西山，這套以紫紅色泥質巖為主的地層仍然以饅頭組命名，但根據三葉蟲化石等資料，北京地區(qū)的饅頭組形成時間晚于山東的饅頭組。

張夏組的鮞?；?guī)r和泥晶灰?guī)r 注意：下半部分比較細致的是泥晶灰?guī)r，年齡相對較老;上半部分的鮞?；?guī)r沉積在后，年齡較新。請仔細觀察上下巖石之間的接觸線（紅色箭頭），是不是呈凹凸狀接觸，因與兩塊面料之間的縫合線相似，而稱為“縫合線構造

饅頭組沉積之后，海洋的環(huán)境又發(fā)生了變化，此時的北京西山主要在幾米至幾十米深且變動頻繁的海水下面，沉積了一套220米厚，以石灰?guī)r為主的地層，期間夾少量薄層的泥質巖和粉砂巖。石灰?guī)r中除了三葉蟲化石外，特別常見的是一些直徑不到1毫米的粒狀物質，密密麻麻堆積在一起，特別像魚卵，稱為鮞粒。相應地這些主要由鮞粒構成的石灰?guī)r被稱為鮞粒灰?guī)r。寒武紀時期這套以鮞?；?guī)r為主的地層在山東張夏最先被研究和命名，因此，北京西山的這套地層也稱為張夏組。

中厚層石灰?guī)r與薄層粉砂巖重復性沉積構成的沉積韻律

圖6 中，野外常常見到數十厘米厚的石灰?guī)r與泥質巖間隔出現，有時規(guī)律性特別明顯，而其成因正是海洋環(huán)境呈周期性變化所形成的韻律，周期性的環(huán)境變化使海平面產生規(guī)律性升降，海洋沉積物也隨之發(fā)生規(guī)律性交替變化。這種周期性的變化規(guī)律有時稱為沉積旋回，也被形象地稱為地球的脈動。

地球的脈動是有不同級別的，短的周期以天為單位，長的周期以百萬年甚至千萬年為單位。因此，在野外會見到不同規(guī)模的脈動產物。像圖6所指示的時間周期大概為數萬年至數十萬年的脈動，而圖7所代表的則是一種相對較短的脈動產物，圖中，相對較厚的灰白色巖石是石灰?guī)r，主要化學成分是碳酸鈣，較薄的黃色夾層則含有較多的泥質，主要化學成分以二氧化硅為主。二者之間交替生長，脈動性非常明顯。但是到目前為止，科學家還不能精確判定這個周期的具體時間，這個謎要等同學們以后來破解。

張夏組地層中的生物丘（這些丘的體積比較大，高度常在 1～2 米之間，保存完好的丘只占少數）

張夏組中的生物丘（這些丘的形態(tài)不規(guī)則，但都主要是由低等生物構成的）

除了鮞?；?guī)r以外，張夏組中還有一種比較集中出現的現象——生物聚集形成的丘狀體，簡稱生物丘（圖8）。生物丘實際上就是小型的生物礁。不同的地質學家有各自不同的習慣叫法。

圖8的生物丘位于109國道通往北京方向，也就是永定河的右岸。

生物丘可并不總是長得像圖8這樣規(guī)則，經常見到的丘是不規(guī)則狀的（圖9）。

張夏組地層沉積之后，華北板塊進入寒武紀的晚期，這個時期的海底沉積了大量泥質物質，它們混在碳酸鹽礦物中，形成條帶狀的構造，這些含有泥質條帶且沒有完全固結的石灰?guī)r經常受到風暴的擾動，形成許多扁平狀的特殊排列的泥質礫石。在特大風暴作用下，這些泥礫會被揚起，甚至大片的未完全固結的泥礫層被撕裂，然后又迅速與泥質沉積物混在一起沉降在海底，這樣的沉積物固結成巖后，保留了風暴活動的特征，地質學家將這些受風暴作用影響的巖石稱為風暴巖，風暴巖是寒武紀晚期特別典型的現象（圖10，圖11）。

薄層石灰?guī)r（灰白色，厚度 1 厘米左右）與極薄層泥質條帶（黃色，厚度1～5 毫米）之間交替生長形成的韻律

張夏組中因風暴擾動作用形成風暴巖

張夏組中因風暴擾動作用形成風暴巖 （ 這張照片中近直立旋卷狀的巖石都是以前沉積的薄層條帶狀灰?guī)r，在強風暴作用下，沒有完全固結的薄層灰?guī)r被風暴卷起，再沉積到海底，就形成了這樣的構造。注意與圖 10 進行比較 ）

丁家灘-下葦甸剖面的地質現象實在很多，本文只展示了部分精彩的地質現象，還有更多的內容等待你的發(fā)現。

千里之行，始于足下。當你因為各種原因不能或不知道如何遠行的時候，不妨先從你的身邊做起，從你身邊的山山水水、自然公園做起。野外考察要在老師或家長的帶領下進行，或者參加有資質的研學機構組織的活動。就讓我們立刻行動起來，去尋找地球的奧秘吧。

出行貼士

時長：全程參觀時間約4小時。

交通：109國道車輛比較多，為避免聚集接觸，提倡自駕，但沿途停車空間有限，要注意安全，一定要把車停放在安全的地方。

安全指南：

1.夏季多發(fā)暴雨，注意遠離永定河水。

2.觀察巖石時，要注意上邊的落石，最好戴安全帽。

3.戶外活動一定要在老師、家長或專業(yè)研學機構的帶領下進行。

周邊景點：京西古道牛角嶺關城、妙峰山、王平煤礦遺址、灰峪化石采集點、琉璃渠古村、琉璃造辦廠遺址

（責任編輯 / 徐沐妍? 美術編輯 / 周游）