所谓长辛店砾石层是指北京西山山前地带，包括大灰厂、长辛店及坨里地区，呈垅岗和台地状分布的砾石层。早在20世纪早期，一些中外地质学家便对其进行过调查和研究（安特生，1923；裴文中，1930；谢家荣，1933；杨钟健，1936）。建国后，在最近45年间，对长辛店砾石层继续进行研究的有：周明镇（1953）和翟人杰（1977）。关于长辛店砾石层的地质时代，他们基本上都认为是属于老第三纪，即始新世早期或晚期，最新也不能晚于渐新世。其主要论据是长辛店附近地区发现的少量脊椎动物和无脊椎动物化石。应当提出，虽然前人对长辛店砾石层进行过一些地质调查，特别是对生物地层方面作了一些研究。但是，对长辛店砾石层形成的地质背景的系统观察却显得十分薄弱。这样，就不可能较全面地认识该砾石层的成因和地质时代。
由于长辛店砾石层对划分北京地区新生代地层，特别是对确定上新世—更新世地层界限具有十分重要意义，因此，自1992—1994年，我们也对其作了较多调查和研究。同时，联系到自1979年以来我们对北京西山新生代地质，尤其是第四纪地质进行的广泛调研（郭旭东等，1981，1991—1996），使我们对长辛店砾石层的成因和时代归属问题产生了一些新认识，现提出供大家讨论。
一、北京西山新生代地质环境
新生代期间，北京西山最突出的地质环境变化过程是多循环性的侵蚀堆积和多旋回性的地质构造运动。在这种地质背景下，发育了第三纪的5级夷平面系列；第四纪的4级河谷裂点和3级河流阶地；此外，还有5级以上的岩溶洞穴系列。多年来的研究表明，喜马拉雅期新构造运动在本区可分为5个幕（H1~H5）；西山期新构造运动可初步划分为10个构造幕（W1~W10）（郭旭东等，1995，1996）。新生代以来，北京西山区新构造运动以不均衡的垂向差异性上升运动为主，兼有掀斜运动，断裂运动和水平振荡运动。地壳运动以总体隆升背景上的脉动升降为特色。由于强烈的新构造运动的影响，使西山区及山麓地带堆积的新生代沉积物及地层产状，都不同程度上发生过变位和错位。这给准确判别新生代地层带来困难。长辛店砾石层正是分布在北京西山山前和山麓地带黄庄—高丽营断层沉降带的外侧。因而，其地层产状深受新构造运动的影响。它不但是西山区第三纪夷平面解体后的必然产物，同时，也可以说它代表北京西山山前或山麓地区一套较厚的新磨拉石建造。所以，我们在考虑长辛店砾石层地层时代时，不仅要考虑地层的岩性和结构，而且要仔细考虑整个北京西山的新生代地质环境变化。只有这样，我们才能得出比较符合实际的结论。
二、长辛店砾石层的岩性和结构
1992—1994年，我们对长辛店砾石层分别作了宏观考察和室内的微观研究。在野外宏观调查中，先后多次观察了长辛店、坨里和大灰厂等3个地区的长辛店砾石层。在长辛店地区，我们未能找到较好的地质剖面，仅在二七机车车辆厂附近观察了一些民建基坑揭露的人工剖面。在坨里地区，我们仅在公路两侧若干基岩台地上看到为数不多的松散砾石层，特别是在坨里镇北的一个基岩台面上，我们看到厚达2m的松散砾石层。在大灰厂地区，除了发现火车站东侧路堑边坡上的一个良好剖面外，我们还挖了4个探坑，仔细地观察了太平岭的长辛店砾石层。通过对上述3个地区的宏观考察，我们发现前人所称的长辛店砾石层的岩性、结构及成因还有区域性变化，其地层时代也可能不完全一致。
1.长辛店地区
据二七机车车辆厂旁民建基坑揭露的剖面看，长辛店砾石层结构松散，砾石粒径一般为5~10 cm，少数大者达20 cm，具有一定程度的分选性。砾石成分主要有安山岩、流纹岩、粗面岩、砂岩及震旦纪硅质灰岩，其次还含少量绿色板岩和石灰岩。砾石风化较深，风化产物均为黄色—红色的砂质黏土。这种现象似乎与北京西山斋堂镇中新世狼虎期夷平面上砾石层的风化产物完全相似，因此，我们推测该砾石层为中新世堆积。这是长辛店砾石层的最显著特点。
2.坨里地区
在坨里镇以东约2~3 km的公路旁，分布着若干基岩侵蚀台地。在台地上可见零星散布残余砾石。砾石成分主要是砂岩、辉绿岩和火山岩。砾石风化较轻，显示出较新鲜特点。推测这些砾石可能来源于上新世唐县期夷平面产物，因为它们不仅风化程度相似，而且砾石成分也大体相同。在坨里镇北缘的一个基岩台面上（高程110 m），我们亦发现了厚约2 m的残余砾石层。从剖面上看，该砾石层上下部砾石具有较好的排列方向，中部为具有水平层理的粗砂小砾层，弱固结。风化程度差，呈现较新鲜特点。砾石成分主要为火山岩、石英砂岩、灰岩及少量辉绿岩等，这些特征同斋堂镇大墩台上新世唐县砾石层的岩性和结构及风化程度十分相似。此外，该砾石层与北京西山潭柘寺附近管坨岭唐县砾石层的性质也是可以对比的。因而，我们认为，坨里地区前人认为的长辛店砾石层，实际上与长辛店附近的真正长辛店砾石层，并非同一成因和同期产物。坨里砾石层属于上新世唐县砾石层的组成部分，也就是说，它是唐县期夷平面的残留物。只是由于更新世早期西山山前大断裂活动的影响，才使其分布高程大大降低到如今的位置。
3.大灰厂地区
在大灰厂地区，虽然我们调查范围较广泛，但可取的地质剖面仅有火车站东侧路堑边坡一处。因此，我们便对此剖面作了重点研究。该剖面位于太平岭的山麓，代表大灰厂长辛店砾石层的下部。砾石层厚度最大为30 m，结构松散，固结程度很差，这与坨里地区砾石层结构显著不同。整个剖面中于受黄庄—高丽营大断裂活动的影响，砾石层上有明显的掀斜构造特点。若以其中夹含的3层红色砂质黏土层为例，其倾向为NE35°，倾角为18°。此外，砾石层本身也具有与红色砂质黏土层类似的倾斜层理。据观察，砾石成分主要有：紫红色火山岩（包括安山岩和流纹岩）、绿色辉绿岩、灰色辉绿岩、绿色板岩及灰白色石英砂岩，此外可见少量燧石及硅质灰岩。其中，红色火山岩约占60%~70%；绿色砂岩、板岩及辉绿岩约占10%~20%。砾石滚圆度一般都较好，有些为极圆和球状。有10%~20%的砾石风化较深，具球状风化特点。其余大部分砾石都较新鲜。结构松散，含有砂质透镜体。另外，砾石层中夹含的3层红色砂质黏土层，岩性较均匀，大多为灰色—棕红色的砂质黏土和粉砂土。
剖面表明，大灰厂长辛店砾石层底部还有厚达5~10 m的红色黏土层，它与上覆长辛店砾石层为不整合接触关系。该不整合面代表着一次较大幅度的地壳运动。值得注意的是，红色黏土岩性不均匀，含有粗砂和小砾夹层，没有胶结。这种岩性和结构与甘肃省兰州盆地朱家井一带老第三纪甘肃系胶结较好的地层有显著差别，这说明它并非老第三纪的红层，而是上新世红黏土的再堆积，其地层时代应为上新世—更新世早期。沿着红色黏土层直到太平岭顶部，我们挖了4个探坑，编号No。1~No。4.探坑揭露地表2 m以下皆为砾石层。砾石的风化程度和基本成分都与上述剖面相同，证明整个太平岭都是长辛店砾石层。其厚度最大达102 m。属唐县砾石层的再堆积，其时代应为上新世—早更新世。
三、长辛店砾石层的沉积环境和成因
无论长辛店地区或大灰厂地区，甚至坨里地区，长辛店砾石层具有如下的几个特点：
（1）砾石粒径大小都有较大相似性，即具有一定的分选性，明显区别于目前永定河和清水河上源区河谷中之所见。
（2）砾石都具有一定的滚圆度，甚至少部分还有较好的球度。
（3）砾石层中夹含砂砾透镜体，在大灰厂地区还发育有较好层理。
（4）从风化程度上看，长辛店地区该砾石层的风化似乎深些，而大灰厂地区似乎浅些。它们分别类似于中新世狼虎期和上新世唐县期夷平面上的砾石层。
（5）砾石成分中似乎以红色火山岩和绿色辉绿岩为主，其他成分为次，这种特点与作者所看到的西山若干夷平面上的砾石层也几乎相一致。
这5个特征表明，长辛店砾石层与冰碛物那种毫无分选和杂乱无章的结构特征是毫无共同之处的，因此，长辛店砾石层决非冰川成因，它只能是北京西山山前的一套冲洪积物。此外，据周明镇报道（1953），在长辛店附近该砾石层的红色黏土层内还找到淡水腹足类化石Cyclotus，Kexaratus andber-ger，Planorbina sp。1，Planorbina sp。2，Gastropoda，gen。et sp。indet。及脊椎动物龟鳖类Chelonia，gen。et sp。indet。这说明长辛店砾石层沉积期间，距山前较远的长辛店地区还有湖相或河湖相沉积成因的变化。
在大灰厂长辛店砾石层中，还包含了3层厚达2~3m的红色砂质黏土层。为了鉴别其沉积环境，我们选择了能够采样的第三层进行粒度分析研究。我们从23个样品分析结果中选出9个具有代表性的样品数据作出正态概率曲线图解，其中16，13，14，10，11及9曲线分别介于0~4之间，且曲线的曲率变化较小。其中特别是10，11及13，144条曲线分别重叠成两条曲线10~11，13~14.而曲线19，22和23所拥有的粒径大小与前者显著不同，变化在2~10之间，曲线的曲率也比较大。这说明沉积物沉积时流水搬运能力及流速是不一致的，沉积环境也是动荡不定的。除了19号样品曲线显示双峰特征外，23号和28号样品曲线基本上显示为单峰特征，说明当时的沉积环境相对地比较稳定和少有动荡变化，是一种较典型的湖滨相或河口三角洲相沉积。
综上所述，我们认为长辛店砾石层是北京西山山前地带的一种洪积物。在沉积期间，由于西山的逐渐上升和频繁断层活动的影响，有些时期曾出现有湖滨相和河口相沉积环境。因此，它也可以说是北京西山山麓地带具有巨厚沉积的一套新磨拉石建造。
四、长辛店砾石层的孢粉组合与古气候
（一）分析结果
15年来对北京西山地区的大量研究，运用孢子花粉分析方法，从生物地层角度鉴别上新世—更新世以及整个第四纪地层，都取得了预期的结果。不仅野外宏观调查与室内微观研究相互印证，而且岩性地层、磁性地层、年代地层等互为检验，互为补充，取得了良好结果，对地层划分基本上也是可以信赖的。为此我们在大灰厂长辛店砾石层中第三红色砂质黏土层中采集了23个样品，进行了孢粉分析。发现其中仅有9个样品孢粉含量丰富，其余样品孢粉含量很少甚至没有。经鉴定和统计，共得各类孢粉810粒，它们分别隶属于26个植物自然分类科、属之内。各种类型孢粉是：木本植物花粉、草本植物花粉及蕨类植物孢子。在木本植物花粉中，根据含量的多少，依次为松属（Pinus）、栎属（Quercus）、桦属（Betula）、冷杉属（Abies）、榆属（Ulmus）、云杉属（Picea）、油杉属（Keteleeria）、罗汉松属（Podocarpus）、桤木属（Alnus）、粟属（Casta nea）、胡桃属（Juglans）及山核桃属（Carya）等。灌木及草本植物花粉主要为蒿属（Artemisia）、藜科（Chenopodiaceae）、禾本科（Gram-ineae）、菊科（Compositae）及紫苑属（Aster）、麻黄属（Ephedra）、伞形科（Umbel-liferae）及茜草科（Rubiaceae）。蕨类植物孢子主要是石松属（Lycopodium及卷柏属（Selaginella），其次为水龙骨科（Polypodiacae）、膜蕨属（Hymenophyllum）及真蕨纲（Filicales）。从各类孢粉的物性，可以看出该剖面之孢粉组合具有以下一些特点。
（1）从木本、草本植物花粉和蕨类植物孢子三者的比例关系上看，均以木本植物花粉占优势，草本植物花粉次之，蕨类植物孢子最少。
（2）从各类植物孢粉在剖面垂向上的富集情况看，剖面下部孢粉含量相对比较丰富，剖面上部及底部未见孢粉。在含孢粉多的样品中，以其类型而言，针叶植物花粉居多数。
（3）从各类孢粉的母本植物现今地理分布情况看，均以温带的孢粉植物类型占优势，如松、蒿、藜及禾本科等。
（4）从孢粉的颜色及压扁情况看，颜色较浅，但与现代植物的孢粉颜色相比，明显较深，而且有一定程度的压扁。
大灰厂剖面所有样品的详细孢粉种类。
带Ⅰ，松、栎、蒿、藜、禾本科花粉优势带。该带以松为主的针叶植物花粉含量平均可占孢粉总数的70%，栎、桦、榆等阔叶植物花粉，虽数量较少，但种类较多。蒿、藜、禾本科等草本植物花粉含量次之，蕨类植物孢子最少。
带Ⅱ，松、蒿、藜等花粉多数带。该带虽仍以木本科针叶植物松花粉居优势，但比带Ⅰ减少，平均仅占孢粉总数的62%，栎、桦、榆等阔叶植物花粉明显减少或消失。草本植物花粉居次，且其中藜科花粉略有增加。蕨类植物孢子很少。
（二）古环境分析
根据孢粉组合可以划分为两个孢粉带，因此对古植被及古气候也可以初步由下而上划分为两个段。
Ⅰ段，针叶林植被段，温和略干旱气候期。该段木本针叶植物花粉最多可占孢粉总数的7%。而在木本植物中，除松外，还有少量的栎、桦、榆等阔叶植物。由于松等针叶植物都是一些适应性较强，较耐干的植物树种，表明这一时期处于温和略干的气候环境。松等针叶植物适宜于山地生长，据此也可推论，此时这些孢粉系来自西山山区的夷平面、低地和山间盆地堆积，在山间盆地中主要生长着蒿、藜、禾本科等草本植物，在丘陵及山地上主要分布着针叶林植被景观。
Ⅱ段，针叶林植被段，温和较干旱气候期。该段针叶植物数量虽然减少，但仍居多数，而栎、桦、榆等喜暖湿的木本阔叶植物种类和数量减少，有的甚至消失，因此可以作出这样的推论：阔叶植物的减少，草本植物的增加，都显示出这一时期的气温比Ⅰ段稍低，气温朝向较干冷的方向发展，表明这一时期的气候环境已不利于植物的生长和发育，所以各种植物也就不如Ⅰ段时那样繁茂。
五、地层时代归属问题的商榷
长辛店砾石层过去曾数度经中外地质学者研究，对于砾石层的时代问题，虽曾依据少量脊椎动物化石及一般地质观察，定为始新统，但迄今仍有部分科学家持有不同的意见。安特生（1923）在研究中国新生代地层时，首先将长辛店附近的砂砾层定为始新统。裴文中（1929）在长辛店砾石层中找到钝脚类（Amblypoda）等哺乳动物化石，肯定了长辛店砾石层属第三纪初期的结论。周明镇（1953）在长辛店砾石层中红色黏土夹层内找到哺乳类动物化石Tupaiodon sp。，Eudinoceras sp。及若干淡水腹足类、龟鳖类化石，从而认为长辛店砾石层应为第三纪初期，最新不能晚于渐新世后期。翟人杰（1977）报道了长辛店高佃村发现的不等门齿犀（Imequincisoria，sp。），北京高臼兽（Hy-psimylus beijingensis gen。et sp。nov。）等化石，认为长辛店砾石层时代应为晚始新世。总之，前人有关长辛店砾石层的时代，虽然各家的提法稍有不同，但是基本上都将它定为老第三纪。
正如上述，长辛店砾石层是北京西山山前一套新磨拉石建造，即气候和构造两种因素共同作用的产物。其沉积物主要来源于西山区已解体和破坏的各级夷平面上残余的砾石层。因此，全部长辛店砾石层中将无疑地包含了自早第三纪至第四纪早期的沉积物。其厚度目前肉眼能见到的最大达102 m，分布面积达30 km2.而埋藏在地下的可能更多。因此，我们认为广义的长辛店砾石层，即包含地面上和地下埋藏的两部分，它们的地层时代应包括自早第三纪至第四纪更新世。目前能见到的砾石层主要是第四纪早期沉积，但也不能排除部分晚第三纪时期的沉积。砾石层中孢粉分析资料为我们提供了可靠的佐证。
在大灰厂剖面的孢粉组合中，虽以木本针叶植物为主，但以菊科、蒿属为主的草本植物仍占一定数量，平均可占孢粉总数的21%。许多孢粉研究资料表明，菊科花粉化石，最早出现在渐新世末期或中新世早期，仅在中新世以后才逐渐增多，到上新世后才大量出现，因而可以作为新第三纪时期的标志。这种类型花粉，在华北地区一般也是大量出现在上新世至第四纪以后。在河北平原的上新世孢粉组合中，包括菊科、蒿属在内的草本植物花粉含量，一般仅占孢粉总数的20%左右，可见现研究剖面沉积物的地质时代不会早于老第三纪，晚于上新世。
以松等为主的针叶植物在大灰厂剖面中大量出现的事实和草本植物在该剖面中较多出现的情况，表明沉积时期气候比较温干，而且由下而上有季节性逐渐加强、有向干旱发展趋向。这样的气候演变特点，根据已知资料，北半球一般是在上新世早期以后才逐渐比较明显的。对照该剖面的各类植物反映的古气候，可见这一剖面沉积时期也明显具有上新世—更新世过渡期的气候特征。
早第三纪地层中常见的、喜湿热的双子叶木本植物，如山龙眼科、紫树科、桃金娘科和山矾科等，在大灰厂剖面中均未出现，可见大灰厂剖面之长辛店砾石层的地质时代不可能属早第三纪。
从大灰厂剖面的各类孢粉形态上看，与现存的孢粉形态没有太大的差别，可以认为这一砾石层也是早第三纪以后堆积的。因在大灰厂剖面中还含有少量山核桃等亚热带植物成分，花粉又与本区的第四纪孢粉组合有所不同，因此大灰厂砾石层也不可能全部属第四纪沉积。
新第三纪晚期和第四纪早期的孢粉组合区别点有：在新第三纪晚期或末期的孢粉组合中，通常仍含有一定量的枫香、枫杨、山核桃等亚热带植物成分；在第四纪早期则出现孑遗分子，而且数量很少。这类花粉组合在大灰厂剖面中出现，说明该研究剖面又多少具有一点第四纪早期的植被面貌的性质。
综上分析，我们认为大灰厂剖面长辛店砾石层无论从其岩性的比较松散情况及古植被、古气候面貌，我们认为其地质时代均不可能属老第三纪，而拟划为新第三纪之上新世（N2）为宜，但其剖面中、上部绝大部分为第四纪早更新世沉积。
六、结 论
（1）长辛店砾石层是新生代期间北京西山气候和构造两种因素长期综合作用的产物。其物源主要来自第三纪各级夷平面砾石层的再堆积。它代表北京西山山前一套受构造显著影响的新磨拉石建造。
（2）长辛店砾石层的岩性和结构有区域性变化，其中以长辛店地区的砾石层风化程度为最深，大灰厂地区次之，因而其地质时代可能不同。坨里砾石层属唐县砾石层，其成因同长辛店和大灰厂地区的砾石层不尽相同。
（3）长辛店砾石层在北京西山山前呈扇形分布，其主要成因是冲洪积；但在距山前较远地区，即洪积扇的前缘低洼地带有时则发育湖相或河湖相沉积。沉积环境在比较动荡的环境中有些时候变为稳定。
（4）孢粉植被具有明显的分带性。以松、栎和桦为主的植被群落反映当时气候属温带较干旱与温凉环境。孢粉组合的演变趋势表明北京地区自上新世的热带—亚热带气候逐渐向早更新世气候变冷的阶段过渡，为确定长辛店砾石层的时代提供了可靠依据。
（5）长辛店地区的长辛店砾石层的形成时间很可能是第三纪上新世以前。而大灰厂地区的长辛店砾石层时代可能属上新世—早更新世。坨里砾石层很可能为上新世唐县砾石层的余部。
