“燕山運動”——20世紀中國偉大的地質發現

20世紀初的中國，隨著清王朝的滅亡、世界列強對中國的瓜分和國內軍閥混戰的逐序上演，近代社會進入轉型時期，國內的政治、經濟、思想和文化均發生了重大變革，其中，出現了一種既有秀才功名，又有留洋博士的獨特文化現象。一批學貫中西的近代學者出現，他們將東方古老文明智慧與西方現代科學融匯貫通，在動蕩的社會環境中，懷揣“我雖年少知自勉，須扶衰弱佐中興”的理想，堅持對科學孜孜不倦的追求，開啟了中國自然科學諸多學科發展的篇章。1913年末，剛剛獲得中國第一位地質學博士稱號的翁文灝離開了比利時魯汶（leuven）大學，回到國內，于亂世中立下了“愿為地學啟朝暾”的誓言，成為拉開中國地質學發展大幕的關鍵人物，他提出的“燕山運動”學說，成為20世紀中國偉大的地質發現。

翁文灝先生

1916年農商部地質研究所教員（前排左起：翁文灝、章鴻釗、丁文江）與卒業生之留影

區域地質填圖與“燕山運動”的誕生

區域地質填圖是在選定或規定的區域范圍內，按一定的比例尺及統一的技術要求，將各種地質體分布特征、三維關系及有關地質現象用規定的地質填圖要素填繪于地理底圖之上，形成地質圖的工作過程。由區域地質填圖所形成的圖件和報告，是開展礦產地質調查、地質工程建設、地質災害治理和進一步科學研究重要的參考資料。區域地質填圖的程度取決于一個國家地質工作的水平。雖然中國古代的知識分子和能工巧匠們在巖礦開采等方面，取得了優秀的成績，但是，并沒有形成系統的科學理論，嚴重制約了經濟的發展，這種的理念狀況一直持續到晚清。然而，當時的一些官員和學者已經認識到這一點，秉持“師夷長技”推動留學運動，如1903年，時任湖北總督的端方奏請清朝光緒皇帝，折中所言“中國地大物博，實甲環球，唯于工藝素少講求，器械未能自制，開礦修路等事，無不雇傭洋匠，以致事權旁假，大利難興…比國（指比利時）實業較精，學費較省，誠能各派學生前往肆業，他日學成而歸，上足以備任用，下足以裕資生，實于大局不無裨益”，于是，包含翁文灝在內的一批青年人，便在此背景下，出國留學，學成歸國之后，投入為振興國家而興建的各類事業中。以章鴻釗、丁文江和翁文灝等為代表的中國地質學奠基人員，深刻認識到區域地質填圖的重要性，于是在北洋政府地質調查所成立之后，便將繪制中國的地質圖擺在工作的首位。

圖1 《北京西山地質志》所附華北地區綜合地層柱狀圖（右，葉良輔，1920）與華北地區典型中生代盆地充填序列對比圖（渠洪杰，2019）

北京是當時地質調查所所在地，也是政治、經濟、文化中心，北京周邊的地質調查工作自然開展的最為順利，研究程度最高。1916年夏，原中央地質調查所所長丁文江組織在北京西山開展1:50000區域地質填圖，首令當時的13位學員們完成該項工作，當年8月，13名學員采用小平板分片測量，只用了1個多月就基本完成了北京西山大部分地區的測量，有2個區域在1918年補齊。在地形、地質測量的基礎上，從1918年冬天，由葉良輔執筆開始編寫《北京西山地質志》，并于1920年出版。《北京西山地質志》為北京地區提供了第一份系統的區域地質調查報告，建立了第一個相對完整的、對華北地塊有相當普遍意義的綜合地層柱狀圖（圖1）。《北京西山地質志》指出：“髫髻山層為闡明西山地史變遷之一大關鍵，故與其余地層之關系，不可不研究及之。”書中還列舉了髫髻山層與下伏3類不同巖層之間的接觸關系。通過對比《北京西山地質志》和翁文灝的研究論文可以看出，北京地區的區域地質填圖為“燕山運動”的提出打下了堅實的基礎。

1926年，翁文灝參加了東京舉辦的泛太平洋科學大會，宣讀了題為“Crustal movements in Eastern China”《中國東部的地殼運動》的文章，文中首次提出了“燕山運動。”1927 年，翁文灝對文章做少量修改后，以“Crustal movements and igneous activities in eastern China since Mesozoic time”（《中國東部中生代以來的地殼運動及巖漿活動》）為題，發表在《中國地質學會志》（即現：《地質學報》）上。在論文中，翁文灝指出：“我國沉積記錄中雖常出現地層間斷，但從未變質的前寒武系（約18億年始形成的巖石）直到侏羅系（2億年-1.45億年間形成的巖石）、有些地方可到更高層位的全部序列顯然是整合（不同時間形成的巖石間角度無差別）的，而沒有或很少角度不整合的蹤跡。在許多地點主要不整合見于侏羅系以上，故中生代運動在中國大地構造學中具極大重要意義，應過細予以研究。”他還指出：“北京西山九龍山和髫髻山巖系（組成髫髻山的主要巖石）之間傾角的差別也許并不很顯著，但在我看來，不會有多大疑問，在髫髻山巖系沉積之前，曾發生過重大的變形和剝蝕。” 他對“燕山運動”發生的時間也給出了認識，認為“燕山運動年代應限于北京西山的九龍山系與髫髻山系之間。”1927年冬和1928年初，翁文灝兩度考察了位于遼寧省西部北票煤礦的地質構造，對當地的逆沖斷層進行了深入研究，隨后發表了論文《熱河北票附近地質構造研究》，指出：“余從前嘗論中國東部燕山期地殼運動之重要，按之北票地質則知所謂燕山期者應相當于上煤系及上火山巖系間之不整合，僅為緒動期間，而主要運動則為時尚稍后，而其動之性質又極猛烈，使余前說不得不有所補充或修正。”該論文中還提出將“燕山運動”分為三期的觀點。通過上述3篇論文，翁文灝提出并完善了“燕山運動”，其主要觀點一直持續到現在仍指導著地質學的發展。

翁文灝論文《中國東部中生代造山運動》的部分截圖

雖然“燕山運動”的影響在中國極為廣泛而深入，只是當年占統治地位的西方地質學界只知有“加里東運動”（發生在4.9-3.9億年間）、“海西運動”（發生在3.86 -2.57億年間）、“喜馬拉雅運動”（發生在2350萬年-78萬年間）等，而我國現代地質學知識最初又主要從西方引進，所以，大多數人一開始并未意識到“燕山運動”的存在，中國的地質學發展還處于艱難的學習與引進階段。1925年，在南開大學科學館開幕式上，強烈的責任感和使命感令翁文灝寫道“我們自己的材料，自己的問題，不快快的自己研究，以貢獻于世界，卻要勞動他們外國人來代我們研究，我們應該感覺十分的慚愧，應該自加十二分的策勵。”當時的中國地質學界急需一個自己創建的重大理論。翁文灝根據中國的實際提出了“燕山運動”，指出“若將它（指燕山運動）與海西造山期相比，則其年代太年輕，若與喜馬拉雅期相比，則又過于古老。然而，這一運動對中國東部局部構造確有影響，并足以給予一專門名稱。”經翁文灝一點破，很快得到廣大地質界的響應。著名地質學家、中國科學史奠基人之一的章鴻釗，曾對翁文灝提出“燕山運動”之后當時地質學界做過生動的描述：“自翁文灝先生唱燕山運動之說，一時言中國地質構造者莫不宗之。”

“燕山運動”定義的地質依據

巖層發生褶皺變形是構造運動存在的主要證據之一（圖2），人們在研究和命名諸如“喜馬拉雅運動”等構造運動時往往收集這類的證據，包括翁文灝本人及后者在深入研究“燕山運動”時，也通過北票等地區的逆沖變形改變了最初的認識，而將提出之時的地質證據稱之為“緒動”的表現。然而，回歸到1926年，“燕山運動”概念提出時所認知的地層沒有顯著的褶皺變形，不同巖層之間仍然沒有產狀上的明顯差異，如北京西山一帶侏羅系與下伏巖層之間沒有角度不整合，按照《北京西山地質志》的表述是“地層率皆整合”（產狀無差別）。這種情況就需要確認構造運動存在的其他證據。翁文灝在提出“燕山運動”時給出了地層無明顯角度不整合前提下，判斷構造運動不整合界面存在的兩個準則，他提出：“不整合之存在不能盡于地層傾斜之不一致求之。如異種地層之接觸，及礫巖巖石之來源等亦應予以深切注意。”（圖2）

圖2 翁文灝最初判別“燕山運動”存在的準則示意圖

按照翁文灝當時提出“燕山運動”和后續研究者的主要論述，在北京西山地區，“異種地層之接觸”可分為三類：侏羅系的髫髻山組底部或九龍山組底部或龍門組（王竹泉）覆蓋在元古界之上、覆蓋在古生界之上和覆蓋在門頭溝煤系（窯坡組）。“礫巖巖石之來源”則主要是指不整合面上礫巖中的礫石物源。根據野外實地調查，不整合面上礫巖中含有大量的燧石和白云巖礫石，而含燧石條帶白云巖則是北京西山地區元古界霧迷山組巖石的主要特征。按照地質學的理論，若無重大構造運動，地層之間會遵循下老上新的疊置規律，若后期地層中出現了前期或更早時期地層的物質，則表明往期地層已經過構造運動被抬升，早期沉積區變成了剝蝕區，前后兩期沉積地層之間發生過構造運動，抬升剝蝕的地層時代越老，抬升幅度越大。在北京西山地區，當侏羅系礫巖中出現了應該深埋于地下的元古界巖層礫石，說明這一地區不僅發生了構造運動，而且由此構造運動所導致的早期地層抬升幅度非常大。根據北京西山地層序列和厚度計算，本次抬升幅度達到4000米左右，而在遼寧西部則幾乎達到了6000米。

為復原翁文灝所分的這三類“異種地層之接觸”，本文分別以北京昌平區流村鎮韓臺村、門頭溝區雁翅鎮劉公溝和龍泉鎮九龍山南坡進行舉例考證（圖3）。

圖3 北京西山地質略圖（據1:250000北京地質圖修改，渠洪杰）

(1)韓臺村地質點（N:40°06′06.7″ ，E:115°57′28.4″， H:327m）。該點現象為侏羅系覆蓋在元古界霧迷山組之上。下部的元古界霧迷山組為中薄層藻團白云巖、硅質條帶白云巖（圖4左）。侏羅系為粗碎屑巖相, 底部為灰白色粗礫巖，礫石成分以硅質條帶白云巖和硅質巖為主，磨圓和分選都很差，向上漸變為紫紅色砂巖\含礫粗砂巖旋回層（圖4右）。該套礫巖上部為髫髻山組火山巖覆蓋。火山巖中含有可以界定噴發年齡的鋯石，采用鋯石U-Pb同位素測年方法會準確得到火山噴發的年齡，進而限定火山巖下部的該套礫巖形成上限。在測年樣品采集位置，可以觀察到火山巖與礫巖間無明顯不整合現象，且該處附近火山巖與礫巖常成互層狀態，表明火山巖的形成時間與礫巖沉積是同時的。在上述點之南（GPS數據：N:40°05′53.6″， E:115°57′29.9″，H:350m）采集安山巖年齡測定樣品給出的數據表明，該套火山巖與礫巖形成的時間為151.0±5.1Ma（侏羅紀晚期）。

圖4 “燕山運動”不整合面之侏羅系（右）與下伏元古界霧迷山組（左）巖層巖性特征

（渠洪杰，2012年，拍攝于北京市昌平區流村鎮韓臺村）

(2)劉公溝地質點（N:40°00′18.1″，E:115°49′50.9″，H:330m）。主要現象為：古生界中厚層塊狀灰巖被一層厚度不均的礫巖層所覆蓋（圖5），礫巖部分夾有灰色、灰綠色粉砂巖和細砂巖，砂巖之下的礫巖中礫石棱角狀明顯，成分單一，與下伏灰巖一致，礫石直徑一般不大于30cm，基質支撐。該不整合面上覆礫巖的年代學研究較為薄弱，因為礫巖本身很難進行年代學測試，對礫巖中砂巖夾層可以采集碎屑鋯石測年樣品，挑選其中的碎屑鋯石進行U-Pb同位素年代學測試，測試結果表明其物質來源豐富，并存在一個159.2±1.9Ma的峰值，而最年輕鋯石年齡為152Ma，表明該不整合面構造的形成時代為侏羅紀晚期。

圖5 “燕山運動”不整合面之侏羅系（上）與下伏古生界（下）巖層特征

（渠洪杰，2009年，拍攝于北京市門頭溝區劉公溝）

(3)九龍山南坡地質點（N:39°56′16.0″ ，E:116°02′50.9″，H:305m）。該點位于侏羅紀盆地內部。按照地質理論，處于同時期盆地內部的地層相對是連續的，所以，該處露頭最具有考證意義。《北京西山地質志》和王竹泉都分別在九龍山南坡進行過剖面測量（圖6），識別出了多層礫巖，其中，最為重要的為自下而上測量時第一層礫巖。這層礫巖在王竹泉定名為龍門組之前，被稱之為九龍山組底部礫巖。礫巖厚層塊狀，夾深灰色砂巖透鏡體，上覆于門頭溝煤系或窯坡組灰色、深灰色砂巖與泥巖之上。礫巖中礫石分選和磨圓中等，成分復雜，主要以石英砂巖、碎屑巖、凝灰巖、碳酸鹽巖和燧石為主，其中，碳酸鹽巖和燧石與元古界霧迷山組可對應。這套地層的確切年齡依然難以測定，但根據上下地層關系和內部砂巖碎屑鋯石測年，仍可以得出其形成的時間約為145Ma左右，時代為侏羅紀晚期。

圖6 《北京西山地質志》（a）與王竹泉（b）在九龍山南坡測制的侏羅系剖面及礫巖照片

（渠洪杰，2009年，拍攝于北京市門頭溝區九龍山南坡）

然而，正如前章所言，“燕山運動”在提出以后的長期發展中，已經對最初的定義進行了更為豐富的擴展，最突出表現為將代表“燕山運動”的地質記錄變得更為全面。從“每覆于不同時代之上的礫巖”發展成為多個期次形成的沉積盆地、巖漿作用、不整合面和變形構造等證據。目前，主流地質學界在翁文灝等早期分幕或期的基礎上，將“燕山運動”分為“A幕”、“中間幕”和“B幕”。

“A幕”是以現在定義髫髻山組火山巖之前的不整合為標志，在北京西山盆地內的龍門組和九龍山組沉積是該幕次構造運動的響應，所以，髫髻山組底部火山巖之前和窯坡組頂部碎屑沉積之上的年齡代表了“A幕”的時間（圖7）。鑒于不同地區地層保存和火山噴發不盡相同，所以，這個時間在研究結果上存在一個跨度。北京西山雁翅鎮馬蘭村一帶髫髻山組底部火山巖鋯石U-Pb年齡為157±3Ma，在河北省承德一帶的髫髻山組底部火山巖則為161±1Ma。在此之前可以進行很好定年的地層為南大嶺組火山巖。渠洪杰等（2012）報道了北京西山南大嶺組火山碎屑巖的年齡為168.2±1.4Ma，這套地層位于難以測定準確年代的龍門組和窯坡組之下，給出了A幕發生的下限年齡。故，“燕山運動”A幕是發生在161-168Ma之間的構造運動。

圖7 北京西山龍門組底部礫巖中燧石礫石（左）與髫髻山組底部的復成分礫巖（右）

（渠洪杰，2012年，拍攝于北京市門頭溝區九龍山和雁翅鎮淤白村）

“中間幕”是一個確認了“B幕”存在標志之后才能定義的幕次，所以，判別“B幕”標志十分重要。翁文灝在提出“燕山運動”之后的遼寧北票盆地之行，就觀察到了侏羅紀末-白堊紀初的一次構造變形，由此標記的上、下地層之間不整合面更加凸顯了“B幕”的存在。在北京西山地區“B幕”不明顯，主要是因為所保存的地層受限，西山盆地內較少保存有白堊紀地層，所以，不易觀察到這期變形。在河北省北部的后城盆地、承德盆地或燕山山脈中段的其他中生代盆地內，標志著這一期次存在的證據是很明顯的，也是被后人研究最為透徹的地方（圖8）。張家口組流紋巖與下伏土城子組碎屑巖之間，存在顯著的角度不整合面，這一不整合面上覆張家口組最底部火山巖的鋯石U-Pb年齡為135±1Ma。北京西山盆地內同期的東嶺臺組流紋巖年齡為132.24±0.41Ma。不整合面之下的土城子組已經發生了顯著的褶皺變形，對這一變形的剖析尤以河北省北部的承德盆地最為透徹，該盆地內土城子組和髫髻山組已形成一寬緩且不對稱的向斜。在北京西山盆地內的黃土店，可見早期地層逆沖于土城子組之上，頂部凝灰巖鋯石U-Pb年齡為140.2±3Ma。區域上土城子組內部火山巖夾層鋯石U-Pb同位素的測年結果表明其形成時間為156-139Ma。

圖8 “燕山運動”B幕張家口組流紋巖與土城子組礫巖間角度不整合（右手為東）

（渠洪杰，2015年，拍攝于河北省赤城縣后城鎮）

“A幕”和“B幕”之間稱之為“中間幕”，從巖石地層序列而言，“中間幕”就是以髫髻山組火山巖為代表的一套巖漿作用來表現的，具體時間段以髫髻山組頂部火山巖的年齡來限定，集中在161-153Ma。

“燕山運動”之于中國東部構造格局的重大意義

“燕山運動”所揭示的地質現象和所總結的地質理論，在指導固體礦產勘察、煤炭資源開發、石油天然氣勘探和科學研究中都發揮了重要的作用。燕山期的巖漿作用帶來了巨量金屬元素的富集，形成了諸多不同類型的礦床。中國東部自北向南的大興安嶺成礦帶、太行山成礦帶、華南成礦帶等多是受燕山期巖漿作用的影響，提供了來自地球深部的巨量金屬元素。中生代以來形成的大型沉積盆地和熱事件，匯聚了石油天然氣能源資源，如被稱之為聚寶盆的鄂爾多斯盆地內蘊含的石油、天然氣、煤炭、鈾礦等形成、富集和改造，均與燕山運動密切相關，盆地內含煤碎屑巖與上覆巖層之間突變的沉積相和物質組分，是對“燕山運動”A幕的記錄，如北京西山盆地內龍門組與上窯坡組、遼寧北票盆地內海房溝組與北票組、山西大同盆地內云崗組與大同組、鄂爾多斯盆地內直羅組與延安組等。中國東部一系列北東向的盆地，如松遼盆地、環渤海灣盆地、四川盆地等與前面所述的大興安嶺、太行山、秦嶺和華南系列山脈，相間排列組成了北東向構造地質地貌單元，而這一構造格局的形成是發生在“燕山運動”期間。中國大陸由早期以陰山-燕山構造帶、泛鄂爾多斯盆地和秦嶺-大別山構造帶為主體的東西向構造，轉變成為了北東向的構造，地質學家一般將其稱為“東亞構造轉折”。截止2024年6月20日，在中國知網全文檢索欄輸入“燕山運動”，就可檢索到42304條對應的學術論文，輸入“燕山期”則可檢索到94298篇學術論文，這還不包括未被中國知網收取的文獻庫和未被收納的時間段內發表的論文。

20世紀末到21世紀初，由國家自然科學基金委、科技部和中國地質調查局等單位資助的一批項目，將目光鎖定在中生代地質過程的調查與研究上，其中，中國地質科學院地質力學研究所趙越研究員負責的國家自然科學基金委重點項目“燕山板內造山帶的結構、變形過程及動力學”、中國科學院地質與地球物理研究所朱日祥院士負責的國家自然科學基金委重大研究計劃“華北克拉通破壞”和中國地質科學院董樹文研究員牽頭的國家專項“深部探測技術與實驗專項”等，是這一時期發展“燕山運動”并取得重大理論突破的代表性項目。地質科學家們從構造體制轉折、深部巖漿作用與淺地表變形、地球動力學背景等多方面，認識和發展“燕山運動”的內涵，使得“燕山運動”顯示出持續的生命力，這一里程碑式的發現依然煥發熠熠光輝。任繼舜院士指出“在中國東部的歷次地質事件中，燕山構造旋回都是一次十分重要的，壓倒一切的構造運動，中國的主要大地構造單元雛形已經形成。”深刻闡明了“燕山運動”對揭示中國東部北東向構造形成的重大意義。

“燕山運動”提出的特殊意義

“燕山運動”提出的時代是國內軍閥混戰，國外列強瓜分中國的特殊時期。然而，以翁文灝等為代表的近代中國地質學家仍孜孜不倦，為了強壯衰弱的國家和民族，篳露藍縷啟山林，發展了地質理論，提出了“燕山運動”的認識，切實服務了當時社會的發展和國家建設，他們的精神是一筆寶貴的財富，具有特殊的意義。100年后的今天，國家開啟了新一輪找礦突破戰略行動和發展新質生產力的征程，地質調查者擁有安全穩定的國內環境和相對充裕的資金支持，更應該抓住歷史的機遇，向老一輩科學家們學習，不忘初心，以服務國家需求為己任，奮勇向前，開創新的歷史篇章。

主要參考文獻

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美編：許宏璽

校對：李玉鈐 伍姝雨