地质历史上燕山运动对北京地区的地质构造格架产生了重要影响。北京地区的构造地质背景主要是继承了燕山运动形成的构造格架，主体构造线方向北东。古近—新近纪时，北京地区在横向上构成“ 两隆一凹”的构造格局，即：京西隆起，北京凹陷和大兴隆起^[1]。第四纪以来，本区新构造活动不但具有继承性，而且具有新生性。新华夏系应力场引发了北西向张性兼扭性断裂活动，形成以NW向为主，NNE向仍继续活动的两组沉降中心。此时北西向的南口—孙河断裂活动明显。切割了平原区的“两隆一凹”的构造格局，沉积中心也随之发生转移。由于南口—孙河断裂北段第四纪以来的强烈活动，古近—新近纪时形成的京西隆起局部强烈下沉，接受了大量巨厚的第四纪沉积物，在断层上盘南西一侧形成了与其平行展布的北西向凹陷带—沙河凹陷（图 1）。

图1(Fig.1)

图1 北京凹陷构造略图[1] 1—凹陷边界断裂；2— 一般断裂；3—凸起（①—来广营凸起 ②—良乡凸起）；4—隆起区；5—山区与平原区界线；6—隆起山 区；7—第四纪凹陷；8—钻孔位置; Fig.1 Tectonic sketch map of Beijing depression[1] 1-Sag border fault; 2-Average fault ; 3-Convex (a. Laiguangying convex; b. Liangxiang convex); 4-Uplifted area; 5-Boundary between mountain area and plain area; 6-Uplifted mountain area; 7-Quaternary sag ; 8-Drill hole location

本次工作施工的ZK3 钻孔位于沙河凹陷的腹地地区，第四纪地层沉积连续且厚度较大，是研究该凹陷盆地演化及新构造运动的理想场所。通过开展钻孔磁性地层学研究，建立了该凹陷盆地内第四纪标准地层序列，探讨其第四纪沉积速率对于新构造运动的响应关系。通过构造和沉积两方面的研究,最终明确了北京西山隆升作用和沙河凹陷沉积作用的对应关系及演化规律。

钻孔ZK3 位于北京昌平百善镇东沙屯村西农田，位置坐标为116°17′06″N，40°10′06″E，孔口标高44.49 m，孔深616.20 m。钻探工程采用油压式钻机，全孔取心率达90％以上，实际岩心直径可达90mm。该孔岩心自上而下共分为462 个自然层，按照沉积物的颜色、沉积环境、沉积旋回和沉积构造特点，将岩心归纳为4套组合层，描述如下。

（1）剖面下部总体上为河流湖泊相沉积物，岩性为黏土、粉砂质黏土、黏质粉砂、粗砂及砾石层。沉积物颗粒总体上较粗，以砂层和砾石层为主。该套岩石组合上部（157.4~203.7 m）主要为灰绿色、黄绿色、黄褐色黏土，粉砂质黏土，中粗砂以及灰白色砾石层，灰绿色黏土中普遍见有腹足、双壳类化石残片。粉砂质黏土中多见铁质、锰质结核，属湖相或湖沼边缘相沉积；中部（203.7~306.9 m）主要为棕黄色、青灰色、灰黑色、黑色黏土，粉砂质黏土，中间夹有多层细砂层，细砂层水平层理发育，黏土坚硬致密，具河流相和湖泊相交替沉积的特点；上部（306.9~493.8 m）主要为棕黄色、棕红色砂质黏土，灰绿色、灰褐色黏质粉砂和少量杂色砾石层，砾石成分复杂，多为中性火山岩和酸性岩脉，分选较差，磨圆较差，呈棱角-次棱角状，偶见薄层钙板层（1~22 cm），属山前冲洪积相沉积，后期又在扇体上形成局部洼地和河流。

（2）剖面中下部总体上为河流相、河漫滩相和湖相沉积，岩性为黏土、粉砂质黏土、粉砂、细砂、粗砂以及砾石层。该套岩石组合上部（36.6~73.0 m）为棕黄色粉砂，灰绿色黏土和灰黑色黏土的岩性组合，粉砂层发育弱的水平层理，为浅湖相沉积，灰绿色、灰黑色黏土中含有大量的腹足、双壳类化石残片，为湖沼相沉积；中部（73.0~112.4 m）为棕黄色、褐黄色黏土，粉砂质黏土和少量的薄层粉砂组成。黏土和粉砂质黏土中可见大量的黄色锈斑及根系孔发育，反映了水动力条件变化的特征，判断其为泛滥平原的堆积物，粉砂质黏土中局部含有大量的钙质结核，大小为3~5 cm，具有后期淋滤的特点；下部（112.4~157.4 m）为褐黄色、灰褐色黏质粉砂、粉砂、细砂、粗砂以及杂色砾石层组成的多个沉积旋回，反映了河流-河漫滩相沉积的二元结构特征。

（3）剖面中上部为河流相、湖泊相沉积，岩性为黏土，粉砂质黏土、黏质粉砂和砂砾石层。该套岩石组合上部（7.2~21.4 m）为褐黄色黏土、粉砂和细砂组成的沉积韵律，反映了较强氧化环境下形成的浅湖和天然堤；中部（21.4~36.6 m）为灰褐色粉砂质黏土，砂质黏土和中粗砂，属于湖沼边缘相和河流相交替沉积的环境；下部（36.6~87.7 m）为棕黄色砂质黏土，灰黑色、灰绿色黏土，含大量的腹足、双壳类化石残片，局部层位见有薄层细砂，反映了河漫湖向湖沼相过渡的沉积环境。

（4）剖面上部为湖沼相、河流相沉积，岩性为灰绿色、灰黑色粉砂质黏土和黏土，局部夹有薄层的粉砂。该套岩石组合底部（5.5~7.2 m）为一套灰绿色的砂砾石层，砂为中粗砂，含量约为60%，砾石含量约为40%，成分复杂，多为中酸性火山岩，大小1~3 cm，磨圆较好。本层位的出现表明研究区全新世早期为河流相沉积环境，推测可能为新仙女木事件之后，全球新气温回暖导致的沉积环境变化。

传统的测年手段由于无法满足整个第四系长序列测年的技术要求，因此引入磁性地层学研究，该方法不仅可以推算出地层的形成时代和地层所经历的某些地质事件的年代，而且在解决地层的划分和地层的远距离对比方面也卓有成效。目前，磁性地层年代学方法已经成为研究地层年代学问题的一个强有力工具^[2-15]。上述成果为开展本次研究奠定了坚实的基础。

古地磁野外取样是本研究建立高质量古地磁极性柱的首要保障。根据岩性变化情况确定采样密度进行采样取心率和岩心状况满足磁性地层岩性变化情况确定采样密度进行采样，本次采样间距0.5 m。在野外编录时仔细确定岩心上下方向，取出岩心后立即采样。标出取样位置后，标明样品所在岩心段的顶底方向，其次将做好标记的整段岩心取出，在保证标志线所在的面不受破坏的情况下，尽量获取岩心中部的样品。将获取的粗样品进行精细加工，磨出基准面，标记顶底方向，用无磁性不锈钢刀加工出边长为2 cm×2 cm×2 cm 的立方体样品。由于钻孔岩心中砂砾石层无法取样，因此最终采集古地磁样品共计411 件，选择其中的样品130件进行系统热退磁。热退磁是用中国地质大学（北京）古地磁学与环境磁学实验室的ASC-TD48 热退磁炉进行系统热退磁的。剩磁测量是在中国地质大学（北京）古地磁学与环境磁学实验室的2G 755-4K超导磁力仪上进行的。

第四系地层相对松软，在取心过程中易造成岩心变形，此外由于构造运动或沉积滑塌，也有可能破坏了原来的沉积构造和剩磁记录。因此在进行系统热退磁之前，先测量每个样品的磁化率各向异性(AMS)，用来检查沉积物的原生沉积结构是否已被扰动。该实验是在中国地质大学（北京）古地磁学与环境磁学实验室的KLY-4S卡帕桥磁化率仪上进行的。通过对所采样品进行磁化率各向异性（AMS）测量发现沉积物样品的磁化率各向异性最小轴K3 与层面近垂直，最大轴K1 近平行于层面，且磁化率椭球体是压扁形的，磁化率各向异性度小（图 2），表明沉积物仍保持正常的沉积组构，为良好的磁性地层学研究对象。

图2(Fig.2)

图2 ZK3 钻孔样品磁化率各向异性（AMS）结果 a—ZK3 钻孔AMS最大轴（蓝色方块）和最小轴（红色圆点）等面积投影图；b—ZK3 钻孔磁化率各向异性度与形态参数关系图；c—ZK3 钻孔磁线理与磁面理关系图（磁线理=磁化率各向异性最大轴/磁化率各向异性中间轴，而磁面理=磁化率各向异性中间轴/磁化率各向异性最小轴[16]; Fig.2 Anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) results of the cores ZK3 a-Equal-area projection of the AMS maximum (blue squares) and minimum (red circles) axes inclinations of drill hole ZK3; b-Plot of shape parameters versus anisotropy degree of drill hole ZK3; c-Plot of magnetic lineation versus magnetic foliation of drill hole ZK3; Magnetic lineation=AMS maximum axes/AMS intermediate axes; magnetic foliation=AMS intermediate axes/AMS minimum axes[16]

针对磁化率各向异性符合正常沉积组构的样品进行系统热退磁，热退磁是用中国地质大学（北京）古地磁学与环境磁学实验室的ASC-TD48热退磁炉进行系统热退磁的。剩磁测量是在中国地质大学（北京）古地磁学与环境磁学实验室的2G 755-4K超导磁力仪上进行的。中国地质大学（北京）古地磁学与环境磁学实验室的2G 755-4K超导磁力仪和热退磁炉均放置在磁场强度小于300 nT的屏蔽室内。所有样品的加热均为12 步：NRM，100°C，150°C，200°C，250°C，300°C，350°C，400°C，450°C，500°C，540°C和580°C。经过详细的逐步热退磁，ZK3 孔有130 块样品能分离出稳定的高温特征剩磁。

经过系统热退磁，所有样品都获得了磁化强度、剩磁方向随退磁步骤的变化特征。绝大部分样品都能有效的分离出高温稳定剩磁成分。剩磁分析和磁成分分离采用主成分分析法^[17]。数据分析采用Enkin^[18]和Cogné^[19]的地磁数据分析软件包，计算得到样品的特征剩磁方向（注：磁偏角是任意的）。退磁结果显示，所有样品原生剩磁的携磁矿物为磁铁矿，因此高温分量采用温度≥150~250°C 的退磁步骤，保证每个样品至少有4个连续的退磁步骤点。

ZK3 孔代表性样品ZK3-397.5 m和ZK3-82.5m Z 矢量图显示，200℃已经将黏滞剩磁消除，水平分量和垂直分量均稳定地趋向于原点，特征剩磁表现为正极性（图 3-a,b）。代表性样品ZK3-310.9 mZ 矢量图显示出在低温阶段（NRM-200℃）存在一个正的、较高倾角的剩磁分量，在200~580℃可分离出一个负的稳定剩磁分量（图 3-c），ZK3-445.4 mZ矢量图显示为岩心顶底颠倒样品（图 3-d）。稳定剩磁分量的磁倾角和磁化率椭球体最大轴(K1)和最小轴（K3)随深度变化特征表明研究的沉积物没有受到后期扰动（图 4）。根据磁倾角的变化特征建立ZK3 孔的磁极倒转序列，将0~157.4 m的正极性带解释为布容正极性带，157.4~495 m的负极性带解释为松山负极性带，将203.6~213.5 m 和347.5~401.3m的正极性带分别解释为Jaramillo 和Olduvai 正极性亚带,493.8 m以下的正极性带解释为高斯正极性带，493.8~552.9 m为C2An.1n正极性亚带（图 4）。

图3(Fig.3)

图3 钻孔代表样品的热退磁强度衰减曲线及Z矢量图 Z矢量图中空心及实心圆分别代表剩磁方向在铅垂面和水平面上 的投影；注意磁偏角方向是任意的; Fig.3 Orthogonal projections of representative thermal demagnetization and decay curves of the natural remanent magnetization (NRM) The open and solid circles represent vertical and horizontal planes, respectively. Note that the magnetic declinations are arbitrary

图4(Fig.4)

图4 钻孔ZK3 与标准极性柱[20]对比图 1—粘土；2—黏土质粉砂；3—中细砂；4—含砾粗砂；5—砂卵石； 6—含砾细砂；7—粉砂质黏土；8—粗砂; Fig.4 The contrast diagram of magnetostratigraphy of cores from drill hole ZK3 and polarity zones[20] 1-Clay; 2-Clayey silt; 3-Medium-fine sand; 4-Coarse sand with gravel; 5-Sandy gravel; 6 - Fine sand with gravel; 7-Silty clay; 8-Coarse sand

磁性地层研究表明ZK3 孔M/G 界线为493.8m；B/M界线为157.4 m；钻孔剖面¹⁴C同位素数据表明，ZK3 孔深度3.3 m处获得年龄(3900±30) a B.P.，深度5.2 m处获得年龄(4640±30) a B.P.，综合磁性地层研究，岩石地层分析并结合¹⁴C测年数据^❶(❶北京市地质调查研究院.北京地区主要活动断裂精细调查及灾害效应研究年度成果报告,2013.)，最终建立了本区第四纪地层年代格架。ZK3 孔早更新统、中更新统、晚更新统和全新统的底界埋深分别为493.8 m、157.4 m、87.7 m和7.2 m。

沙河凹陷是由一系列的断块垂直叠落所形成，主体位于昌平南口、马池口地段，向东南延入区内小寨村、百善、沙河一线，为一北西向长约20 km，北东向宽6~10 km 的断陷槽地。凹陷中心位于马池口、沙河一带。凹陷的形成受南口山前断裂和南口—孙河断裂正断活动控制，是2 条断裂上盘地块向南东掀斜陷落的产物，南口—孙河断裂是直接控制凹陷形成的同生断裂构造。该断裂是首都圈平原区一条重要的北西向活动断裂，该断裂北西端起自昌平县南口镇，向南东方向经七间房、百泉庄、东三旗、孙河至通州，总体走向315°，长约80 km。北西段自南口至北七家，断面倾向南西，南东段自北七家至孙河段，断面倾向北东。大量的调查研究表明，该断裂第四纪以来强烈活动^[21-30]。北京市地震地质会战期间，该凹陷内曾开展钻孔震平-2 施工，第四纪系底界埋深601.44 m，主要沉积物为砂质黏土、中细砂、砂砾石互层，见10 余层泥砾岩。颜色以黄色、杂色为主，砾石大小不一，见磨圆较好的砾石。砾石多被泥沙包裹。砾石成分简单，下部以花岗岩为主，上部主要为花岗岩和火山岩。凹陷基底为紫色中生代火山角砾岩^❶(北京地震地质办公室. 北京地震地质会战研究成果汇编(5),北京地区地震地质的估价及新构造运动. 1983.)。但由于缺少必要的测年数据，仅通过岩石地层组合特征对钻孔剖面进行了粗略的地层划分。

构造运动的过程同时也是沉积建造的历史，在沉积盆地形成发育的过程中，盆地不断沉降，沉积不断进行，盆地外侧不断隆起，绝大多数沉积盆地中沉积物的快速堆积期与高原快速隆升增长阶段相对应^[31]。构造格局控制了盆地的性质、形状、大小及沉积作用,是沉积盆地形成的主控因素,也是沉积层序发育的关键因素，发展与形成在断陷陆相湖盆中^[32]。同时，层序特征又是构造活动的响应和记录，所以盆地充填的沉积记录是构造运动轨迹的间接反映^[33]。如:华北平原地区的新构造运动导致了不同地质构造单元第四纪以来沉积物厚度差异显著^[34]；青藏高原外缘诸盆地沉积速率对高原隆升具有很好的响应^[35-36]；张明安等发现泌阳凹陷沉积、沉降中心迁移的变化特征能够确定边界断裂的活动时间及盆地的演化史^[37]。由于隆起区和凹陷区沉积物厚度的差别体现了新构造运动对不同构造单元沉积物分布的控制，因此沙河凹陷的沉积作用必然与北京西山的隆升作用存在密切的关系。

北京平原沙河凹陷磁性地层年代学框架研究表明：受活动断裂的影响，凹陷内第四纪不同时期沉积物厚度和沉积速率具有显著的变化。钻孔ZK3 早更新世、中更新世、晚更新世和全新世地层底板埋深分别为493.8 m、157.4 m、87.7 m和7.2 m；参考2013 年国际地层年表第四纪地层界线早更新世底界年龄（2.588 Ma）、中更新世底界年龄（0.781Ma）、晚更新世底界年龄（0.126 Ma）、全新世底界年龄（0.0115 Ma），可计算出钻孔ZK3 早更新世、中更新世、晚更新世和全新世平均沉积速率分别为0.19mm/a、0.11 mm/a、0.70 mm/a和0.63 mm/a。

第四纪时期北京西山新构造运动除了继承古近—新近纪的上升运动外,还伴随有多次断裂活动、不均衡的掀斜运动和垂直运动。北京西山是沙河凹陷沉积物的主要物源地，作为沙河凹陷的控盆断裂南口—孙河断裂，其活动性亦能够客观地反映西山隆升的新构造特点。因此，我们在山体隆升、盆地沉积速率和断裂活动三者之间能够建立特定的制约影响关系。从钻孔ZK3 沉积速率来看，早、中更新世沙河凹陷的沉积速率相对较小，分别为0.19 mm/a、0.15 mm/a，中更新世晚期至晚更新世逐渐增大，晚更新世时期的平均速率达到0.70 mm/a，全新世沉积速率略有减小，平均速率为0.63 mm/a。笔者在研究中发现（另文），第四纪以来南口—孙河断裂垂直活动速率自中更新世以来亦具有同样的规律性。中更新世、晚更新世和全新世以来的垂直活动速率分别为0.12 mm/a、0.58 mm/a、0.31 mm/a。总体表现为弱-强-弱的规律^[38]。第四纪以来北京西山的强烈隆升，在2.50~1.00 Ma B.P.的早更新世期间,山体上升幅度为280 m ,山体上升速度为0 .10 ~ 0 .26 mm/a；在中更新世早期及晚期，山体上升幅度均为30 m，但晚期上升速度比早期几乎要大一倍，达0.1 mm/a。在0.10~0. 012 Ma B.P.的晚更新世期间，山脉上升幅度和速度达到第四纪各阶段的最大值，其中山脉上升幅度达72 m，上升速度达0.82 mm/ a。在0.012 ~ 0 Ma B. P.的全新世阶段，山体仍较强烈上升，其上升幅度一般为3~8 m ,最大达8 m ；最大上升速度为0.66 mm/a ^[39]（表 1）。

综上所述，受到北京西山隆升的影响，控制沙河凹陷的同生断裂南口—孙河断裂第四纪以来强烈活动，控制了沙河凹陷的演化形成，表现在钻孔地层沉积速率上的变化特征。其中早、中更新世平均沉积速率较小，晚更新世逐渐增大，为整个第四纪沉积速率的最大值，全新世以来沉积速率略有减小。钻孔沉积速率的变化，与西山隆升速率及控盆断裂南口—孙河断裂的平均活动速率变化特征具有较好的吻合关系。由此可知，北京地区盆山耦合作用体现了新构造运动与沉积建造存在紧密的联系。

通过对北京平原沙河凹陷内钻孔ZK3 开展第四纪磁性地层学研究，建立了钻孔剖面的第四纪地层格架，并对比分析第四纪不同时期地层平均沉积速率、控盆断裂南口—孙河断裂活动速率和西山隆升速率的相互关系，对本区第四纪以来新构造运动特征进行了探讨，得到了以下2点认识：

（1）利用磁性地层研究结果与¹⁴C测年数据，建立了钻孔ZK3 第四纪地层格架。钻孔ZK3 早更新世、中更新世、晚更新世和全新世地层底板埋深分别为493.8 m、157.4 m、87.7 m和7.2 m。通过计算得出，钻孔ZK3 早更新世、中更新世、晚更新世和全新世平均沉积速率分别为0.19 mm/a、0.11 mm/a、0.70 mm/a和0.63 mm/a。

表1(Table 1)

表1 ZK3钻孔沉积速率，南口—孙河断裂活动速率与西山隆升速率对比Table 1 The comparison between deposition rate of drill hole ZK3, action rate of Nankou-Sunhe fracture and uplift rate of Xishan

表1 ZK3钻孔沉积速率，南口—孙河断裂活动速率与西山隆升速率对比 Table 1 The comparison between deposition rate of drill hole ZK3, action rate of Nankou-Sunhe fracture and uplift rate of Xishan

（2）通过对钻孔ZK3 剖面第四纪不同时期沉积速率、控盆断裂南口—孙河断裂活动速率和西山隆升速率进行对比可知，第四纪以来，受到北京西山隆升的影响，控制沙河凹陷的同生断裂南口—孙河断裂第四纪以来强烈活动。凹陷内钻孔沉积速率总体表现为早、中更新世较小，晚更新世逐渐增大，达到整个第四纪沉积速率的最大值，全新世略有减小。由此可知，北京地区盆山耦合作用体现了新构造运动与沉积建造存在紧密的联系。

致谢：衷心感谢中国地质大学（北京）吴怀春教授在本次工作中的指导和帮助，感谢审稿专家及编辑部李亚萍老师为成文定稿提出的宝贵意见。