吕金波 彭年 张向前 刘颖华 孙彦超 王泽龙
2020年7月至2023年6月，“北京中轴线”准备申请世界文化遗产。2021年我们实施了“中轴线与北京湾：东方理想都城秩序的地理时空大背景”。北京湾构成了北京的地理特征，永定河冲洪积扇和北京凹陷构成了北京中心城区的地质背景，中轴线构成了北京的文化特征。研究三者之间的关系，就为中轴线申遗寻找地理学和地质学方面的科学依据。我们发现“泉定北京中轴线”的客观存在并进行了科学验证。
大家都知道元大都建于元代，国名取自《彖》对《易经》注释中的“大哉乾元”。郭守敬引白浮泉水入大都，奠定了元大都人工水系的基础，然而他的老师刘秉忠规划了元大都，就鲜为人知了。既然郭守敬是元代水利学家，那么他的老师就更应该重视地下冒出来的“泉”。刘秉忠按照《周礼·考工记》的“三经三纬”规划了元大都、按照后天八卦命名了城门。我们推测刘秉忠按照“风水之法，得水为上”的风水学原则、利用燕山脚下的秦城泉和平原小丘的小汤山温泉（两点确定一条直线）的数学原理、向南延伸规划了元大都的中轴线。
下面从中轴线概念的提出、中轴线下的地质背景——永定河冲洪积扇和北京凹陷、中轴线的方位、中轴线向北延伸经过小汤山温泉和秦城泉4个方面寻找古人“泉定中轴线”的依据。
古籍中没有“中轴线”的描述。1951年4月《新观察》第2卷7-8期，发表了梁思成的文章《北京——都城规划的无比杰作》，首次提出了中轴线的概念：“大略地说，凸字形的北京，北半是内城，南半是外城，故宫为内城核心，也是全城的布局重心，全城就是围绕这中心而部署的。但贯通这全部部署的是一根直线，一根长达八公里，全世界最长、也最伟大的南北中轴线穿过了全城。北京独有的壮美秩序就由这条中轴的建立而产生，前后起伏、左右对称的体形或空间的分配都是以这中轴为依据的，气魄之雄伟就在这个南北引申、一贯到底的规模”。该文章的“跋”注：“本文虽是作者答应担任下来的任务，但在实际写作进行中，却是同林徽因分工合作，有若干部分还偏劳了她，这是作者应该对读者声明的”。
中轴线下的地质背景由浅入深，分为上、下两部分：大约百米以浅为距今22000年以来沉积的砂砾石，称为“永定河冲洪积扇”；
再向下至1567米深为距今6600万年以来沉积的新生代松散沉积物，称为“北京凹陷”。
选取中轴线东侧的天坛（京热-2井）、北京站（京热-5井），选取中轴线西侧的中山公园（京热-14井、京热-20井）、自然资源部院内（京热-1井），描述中轴线下的地质背景——永定河冲洪积扇和北京凹陷。
天坛（京热-2井）
天坛公园祈年殿东，地面海拔42.56米，钻孔深度1158.06米，水温48.40℃。1970年5月26日—1971年6月12日施工。
从地表向下钻进：0.00～91.75米为第四纪晚更新世—全新世砂砾石，91.75～971.50米为三趾马时代新近纪红色砂砾石，971.50～980.30米为巨兽时代古近纪含火山岩（玄武岩）夹层的砂砾石。基岩向下钻遇2层中元古代地层：980.30～1057.30米为下马岭组页岩，1057.30～1158.06米为铁岭组白云岩。
孢粉组合分为下、上2段，反映由新近纪中新世（下段）半干旱性暖温带气候（草本少）向上新世（上段）干旱性温带气候（草本多）转化的环境变化趋势。下段埋深490.80～810.00米，为灰色、粉红色页岩，选取13块样品分析出栎、胡桃、榆、桦木、鹅耳枥、榛等属，有许多水龙骨及个别的凤尾蕨和紫萁的孢子，草本孢粉很少；
呈现以柔荑花序树木为主的落叶阔叶林。上段埋深91.75～490.80米，选取17块棕红色样品分析，以蕨类的水龙骨属（Polypodiodes）为主，另有温带落叶阔叶植物，如栎、恺木、榛、鹅耳枥、桦等花粉，还有灌木类型的杜鹃（Rhododendron）、鼠李（Rhamnus）、木犀科（Oleaceae），并出现草原类型的蒿属（Artemisia）和其它菊科、禾本科及车前科（Plantaginaceae）花粉；
呈森林草原环境，草原出现了。
北京站（京热-5井）
北京火车站东南，地面海拔42.12米，钻孔深度964.00米，水温52.40℃。1971年4月15日～1971年8月27日施工。
从地表向下钻进：0.00～122.85米为晚更新世—全新世砂砾石，122.85～689.07米为新近纪红色砂砾石，689.07～783.75米为古近纪含玄武岩夹层的砂砾石。基岩向下钻遇2层中元古代蓟县纪地层：783.75～827.64米为洪水庄组页岩，827.64～964.00米为雾迷山组硅质条带白云岩。
中山公园（京热-14井、京热-20井）
中山公园西墙内，地面海拔44.52米。1973年5月12日～1974年3月5日，在靠北的儿童游乐园开凿了深2437.00米的京热-14井，没有成功。1975年6月21日～1976年3月5日，在相对靠南约百米的“来今雨轩饭庄”内打成京热-20井，深度2600.05米，水温52.40℃。
从地表向下钻进：0.00～78.00米为晚更新世—全新世砂砾石，78.00～1111.00米为新近纪红色砂砾石，1111.00～1567.00米为古近纪含玄武岩夹层的砂砾石。基岩向下钻遇3层：1567.00～2101.50米为白垩纪地层，2101.50～2456.00米为侏罗纪地层，2456.00～2600.50米为中元古代地层。
京热-14孔孢粉组合分为埋深1150～1156米、1430～1437米、1520～1524米3段，总体以古近纪被子植物为主，裸子植物次之，蕨类植物甚少，呈亚热带气候。具体分析，始新世未见草本植物，属于喜暖稍湿气候。渐新世以森林为优势种，夹有大量以具柔荑花序为主的落叶阔叶类，掺入少量亚热带常绿植物，双子叶草本植物出现，呈现暖热稍干气候。
自然资源部（京热-1井）
自然资源部院内，地面海拔49.70米，钻孔深度1045.18米。1970年4月11日～1971年4月3日施工。
从地表向下钻进：0.00～62.61米为晚更新世-全新世砂砾石，62.61～1045.18米为新近纪红色砂砾石。
北京城坐落在永定河冲洪积扇上
中轴线下的永定河冲洪积扇和北京凹陷
永定河冲洪积扇和北京凹陷
具有中轴线的北京城建在地理学的北京平原上，也就是地质学的永定河冲洪积扇上。
永定河冲洪积扇再向下为深达1567.00米的北京凹陷（砂砾石深坑）。
中轴线向地下深62.61～122.58米，为永定河冲洪积扇的砂砾石，形成于距今22000年以来。再向下深至1111.00米为红色黏土充填的砂砾石，是人类出现之前的三趾马时期，从怀来盆地、延庆盆地经永定河山峡搬运至北京凹陷的物质。再向下深至1567.00米为灰绿色沉积物中夹有3～5层喷发的基性火山岩（玄武岩），天坛公园京热-2孔（深971.50～980.30米）的玄武岩钾氩法断代为距今6452万年前的古近纪。地质学家利用中山公园的京热-14孔建立了北京平原区古近纪前门组地层剖面、新近纪天坛组地层剖面。基岩向下划分3层：1567.00～2101.50米为白垩纪地层，2101.50～2456.00米为侏罗纪地层，2456.00～2600.50米为中元古代储水、储热地层。
关于元大都的规划，元代《析津志》有一条确定中轴线方向的记载：“世皇建都之时，问于刘太保秉忠定大内方向。秉忠以今丽正门外第三桥南一树为向以对，上制可，遂封为独树将军，赐以金牌”。记载了丽正门（现在的毛主席纪念堂附近）南第三桥南（现在的前门大街五牌楼附近）的一棵树，不能形成“两点确定一条直线”的数学原理。推测刘秉忠自北部神山（燕山）脚下的芹（秦）城泉与向南7千米的小汤山温泉连为一线，再向南延伸到“独树将军”，确立了元大都的中轴线。为了科学验证客观存在的“泉定北京中轴线”，我们进行了测量。
永定门-钟楼的中轴线方位介于116°23′+（35.18176″～22.69320″）之间。具体测量，永定门：东经116°23′35.18176″，北纬39°52′15.48609″；
景山万春亭：东经116°23′26.9″，北纬39°55′29.1″；
钟楼：东经116°23′22.69320″，北纬39°56′26.13099″。
作为直线定向用的标准方向有真子午线方向、坐标纵线方向和磁子午线方向3种方法：真子午线是以英国的格林威治天文台旧址起算的（零度经线），称为“本初子午线”，1884年6月26日国际经度会议通过，是现代科学的产物；
元大都可能参考了唐代僧一行测量的中国古代子午线。54坐标纵线是1954年，苏联帮助中国建立的坐标系统，将苏联1942年普尔科沃坐标为起算数据平差中国一等锁，建立北京坐标系，称为“54坐标系”，与元代中轴线的规划没有关系。磁子午线依据中国四大发明之一的罗盘确定，是重要的参考依据。
我们按照国际分幅1∶5万地形图的54坐标纵线与真子午线和磁子午线的关系，制作了中轴线与真子午线、54坐标纵线和磁子午线的关系图。中轴线由真子午线逆时针偏转2°24′、由54坐标纵线逆时针偏转2°00′、由磁子午线顺时针偏转3°39′。
按照真子午线与中轴线的夹角2°24′，中轴线方位向南177°36′、向北357°36′。
关于中国古代子午线的确定，在《周礼·考工记》里记载了“昼参诸日中之景（影），夜考之极星，以正朝夕”的辨方正位之法。唐代开元十二年(724年)，僧一行测量了中国古代子午线（古人利用日晷测日中之影确定），被英国人李约瑟写进了《中国科学技术史》。需要指出的是中国古代子午线与现代英国格林威治天文台旧址起算的本初子午线不是一回事，有误差。
中国古代风水学讲究“分金坐度”。我们规定中国古代子午线与现代真子午线的误差可以忽略不计，真子午线与中轴线的夹角2°24′，大体确认中轴线方位属于“子山午向、兼壬山丙向三分”，或者说，偏向壬丙方位三分。推断中轴线为中国古代子午线北偏西三分。
所以，依据古代风水学，钟楼—永定门中轴线为“子山午向、兼壬山丙向三分”方位，即现代地理学的177°36′。如果将方位反过来（加上180°），永定门—钟楼中轴线为357°36′，向北经小汤山温泉，到达与神山（属于燕山）接壤的芹（秦）城泉。燕山山脉（北京段）称军都山，军都陉通过居庸关，西接昆仑山，体现了“地脉接居庸而拔起”、“天下之山脉起于昆仑”的古代风水学思想。
中轴线与真子午线、54坐标纵线和磁子午线的关系
永定门的定点测量
景山万春亭的定点测量
钟楼的定点测量
小汤山温泉遗址的定点测量
小汤山顶（九华兮秀）测量
中轴线北延经过小汤山（少祖山）温泉和秦城泉，到达神山（祖山）。
中轴线北延经过小汤山的定点测量:现在的小汤山医院门诊楼北侧的小汤山温泉遗址：116°23′04.13115″，40°10′40.81286″，继续向北的小汤山顶：116°23′01.12629″，40°10′53.91445″。介于116°23′+（04.13115″～01.12629″）之间。
小汤山岩石为天然出露的距今15亿年前的中元古代海洋沉积的雾迷山组硅质条带白云岩，高约10米的小山峰顶有近2米高的悬壁上镌刻着“九华分秀”，并有印记“乾隆御笔”。东侧山脚下有一处汉白玉的古建遗迹，是慈禧太后沐浴温泉的浴池。
小汤山温泉历史悠久，元代《大元一统志》记载：“温泉在昌平县东南三十五里汤山脚下”。明代皇帝朱厚照诗曰：“沧海隆冬也异常，小池何自暖如汤？”提出了科学问题。清代，康熙五年（1666年）建东、西两汤池；
到乾隆新建行宫时，修浴室，并把龙王庙迁至汤山东麓，温泉附近为行宫，前宫以北又拓地为后宫，帝后常来此沐浴；
自道光、咸丰以后，久未幸临，日久荒芜；
经光绪庚子兵火的拆毁，……宫室变为废墟，器物几无一存，景象更是不堪入目。民国初年，袁世凯之子袁克定、总统徐世昌、交通总长曹汝霖等到小汤山稍事修葺，于前宫设旅馆，后宫辟公园，小汤山面貌略有改观。日本侵华后，温泉胜地日趋衰败。
1956～1958年，地质部水文地质工程地质局901队提交了《北京市昌平区小汤山矿泉水文地质勘测总结报告》。
小汤山医院门诊楼北侧，清代康熙年间设置东、西两个六角形的泉池。现代科学测量，泉口海拔高程各约37米，两泉相距8.5米。1971年，东、西两泉在夏季的日开采量为2000立方米，冬季因室内采暖也用它，日开采量超过4000立方米。1975年开凿了76.50米深的热水井，压力水头高出地表9.35米，日溢出量1000立方米，为了增大水量，利用泵取，日出水量达2600～3000立方米。超采地下热水，结果造成汤泉逐渐干涸。
1985年，北京市水文地质工程地质公司提交了《北京市小汤山地热田地下热水资源评价勘察报告》，圈定20平方千米的热田范围，得出雾迷山组储热层年可采量284万立方米，铁岭组储热层年可采量232万立方米。1998年，北京市地质工程勘察院提交《北京市小汤山地热田地热资源评价报告》，记录了1996年10月3～17日，在汤热-8（外贸干校）、汤热-9（种禽公司）、汤热-11（电信局）、汤热-16（社会福利院）、汤热-17（马坊鸭场）、汤热-28（水产养殖场）、汤热-30（农垦基地）、汤热-32（农垦基地）共8眼井的抽水试验，共抽水162460立方米，得出必须控制开采地热资源的科学论断。
水化学分析：泉水无色透明、微具硫化氢气味，水温22～50℃，以东、西两泉最高，向周围渐低。pH值一般在6.9～8.4，以7.5者居多，略偏碱性，矿化度0.303～0.471克/升。
中轴线继续北延至秦城泉的定点测量:秦城村西的汉代小桥：116°23′07.29819″，40°14′08.75021″，位于燕山（神山）山脉与平原交线的秦城泉：116°23′28.48718″，40°14′36.72084″。介于116°23′+（07.29819″～28.48718″）之间。
“芹城”是古人对现在“秦城”的书写。
北魏时期的郦道元在《水经注》中记载：“芹城水，水出北山，南径芹城……”。
隋代有“芹城”。元代《大元一统志》记载：“隋图经，昌平县有芹城”。
元代《析津志辑佚》记载：“庚子年，象房废。今养在芹城北处，有暖泉”。元至正十二年（1352年）重修显灵王庙碑文记载：“昌平东一舍许有堡曰芹城泉村，……，有关王庙存焉”，记载了芹城象房主管达鲁花赤火者集资捐款重修关帝庙。
明末清初的顾炎武在《昌平山水记》中记载：“芹城……有桥，桥下有水，出芹城北”。
清初李因笃著《芹城小志》。清光绪《昌平州志》载：“芹城水发源芹城村北神岭下，……芹城桥在村西”。
民国时期，以“芹”字谐音“秦”改称今名秦城。
现在村民口述：秦城村北为“大海粱山”，秦城泉为“秦城大海”。元代围绕秦城大海建有前、后、东、西4座象房，专门为皇家驯养大象，现在仍有象房村。秦城泉有4～5个主泉眼，水面积达到2000多平方米，主泉眼处曾有一高约2米的白云石塔，塔在水中，以水淹没塔身高度来观察水位高低，现塔无存。
秦城村的汉代小桥
水文地质学调查：20世纪60年代，泉水被向南引至7千米外的小汤山镇，供居民饮用，无意中验证了“泉定中轴线”。自20世纪70年代起，秦城泉水流量逐渐减少，至20世纪90年代逐渐断流，2000年前后，完全干涸。1985～1987年，北京市地质调查所进行1∶5万比例尺的小汤山幅区域地质调查，其中包括秦城泉区域。2021年，水文地质调查发现几场大雨过后，秦城泉口开始零星溢水。8月1日测量了流量，8月16～17日大雨过后（雨量站观测降水量109毫米），至8月18日的降雨过程中，沉寂了22年的秦城泉开始喷涌了。
北京市地质环境监测所调查记录：2021年8月1日秦城泉主泉口流量300升/秒。随后每个月测量秦城泉（含周边泉口）溢流量，9月2日，360升/秒；
10月4日，575.5升/秒；
11月5日，576.7升/秒，12月7日，543.0升/秒；
2022年1月27日，348.0升/秒，2月17日，326.0升/秒。水温14.5℃，pH值7.43，总硬度287毫克当量/升，溶解性总固体324毫克/升，硫酸盐50.3毫克/升，硝酸盐氮5.46毫克/升，氨氮0.05毫克/升，氟化物0.098毫克/升，属于HCO3-Ca·Mg型。
从燕山的神山到平原，依次经过秦城泉、小汤山温泉遗址、钟楼、鼓楼、景山、永定门、南中轴路，东经介于116°23′+（01.12629″～44.26688″）之间，位于一条罗盘方位177°36′的直线上，科学验证了“泉定北京中轴线”的客观存在，但还需文史资料的查证。
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