第四纪沉积物

第四纪沉积物

一、第四纪的时间范围

最初，人们把地壳的发展历史分为第一纪（原始纪）、第二纪和第三纪3个大阶段。1829年，法国学者J.德努瓦耶在研究巴黎盆地的地层时，把第三系上部的松散沉积物划分出来命名为第四系，其时代为第四纪。随着地质科学的发展，第一纪和第二纪因细分成若干个纪被废弃了，仅保留下第三纪和第四纪的名称，这两个时代合称为新生代。第四纪是地球发展史的最新阶段，时间范围从上新世末（距今 248万年）直到现在。第四纪分为更新世和全新世两个阶段。第四纪一词是J.德努瓦耶于1829年提出的。第四纪形成的地层称第四系，再分为更新统和全新统。更新世是1839年提出的，他把巴黎盆地含软体动物化石70％为现生种的地层称为更新世地层。全新世和近代为同义词。近代(Recent)一词是1833年由莱伊尔引进地质学中，含义是从此地球被人类所居住。全新世是1850年P.热尔韦提出的，1885年正式通过。

第四系下界的确定是一个重大的基本理论问题，至今仍有不同意见。1948年第18届国际地质大会确定，以真马、真牛、真象的出现作为划分更新世的标志。陆相地层以意大利北部维拉弗朗层，海相以意大利南部的卡拉布里层的底界作为更新世的开始。中国相当于维拉弗朗层的泥河湾层作为早更新世的标准地层。其后，应用测定了法国和非洲相当于维拉弗朗层的地层底界年龄，约为180万年。因此，许多学者认为第四纪下限应为距今180万年。1977年，国际第四纪会议建议，以意大利的弗利卡 (Vrica)剖面作为上新世与更新世的分界，其地质年龄为170万年左右。对中国黄土的研究表明，大约距今248万年黄土开始沉积，反映了气候和环境的明显变化。还有部分学者认为，第四纪下限应定在距今350～330万年。总之，第四纪下限尚未最后确定，本文暂以距今248万年作为第四纪的开始。

二、第四纪沉积物成因及工程性质

第四纪沉积物的是沉积在陆地或水盆地中的松散的矿物质颗粒或有机物质，如砾石、砂、粘土、灰泥、生物残骸等。多来源于母岩风化产物、火山喷发物、有机物、宇宙物质等。第四系的划分，普遍采用1932年第二届国际第四纪会议上提出的四分原则，即分为下更新统、中更新统、上更新统和全新统。相应的地质时代为早更新世、中更新世、晚更新世和全新世。划分第四纪地层主要依据沉积物的岩石性质和地质年龄，测定第四纪地层年龄的方法主要有放射性碳法、热释光法、钾- 氩稀释法、裂变径迹法、氨基酸法等。此外，第四纪地层中所含的哺乳动物化石、孢粉化石、微体动物化石以及沉积物的古地磁特性、氧同位素特征、古土壤标志、天文学标志等都可用于划分第四纪地层。根据这些标志，许多国家建立了本地区的第四系典型剖面。

第四纪沉积物记录了第四纪发展历史和自然环境变化，分布极广，除岩石裸露的陡峻山坡外，全球几乎到处被第四纪沉积物所覆盖。第四纪沉积物形成时间晚，大多未胶结，保存比较完整。厚度一般数十米至数百米，个别地区可超过1000米。第四纪沉积物成因类型复杂，相变剧烈。根据所造成沉积物的主要动力条件，主要有：

单一成因：一种动力，如冲积物（al）；

复合成因：两种以上动力，如洪冲积物（dlp）、冲洪积物（alp）；

成因不明：pr。

1、残积物：

残积物是由岩石风化后，未经搬运而残留于原地的土，而另一部分则被风和降水所带走。它处于岩石风化壳的上部，是风化壳中的剧风化带，向下则逐渐变为半风化的岩石。它的分布主要受地形的控制，在宽广的分水岭上，由雨水产生地表径流速度小，风化产物易于保留的地方，残积物就比较厚。在平缓的山坡上也常有残积物覆盖。

在地表或近地表条件下，由于温度、大气、水及生物等因素的影响，使地壳或岩石圈的矿物、岩石在原地发生分解和破坏的过程——风化作用。风化作用的重要特征：岩石或矿物在原地遭受分解和破坏，风化的产物仍保留在原地。根据风化作用的方式和特点，可分为以下三种类型：

1)物理风化作用

主要由气温、大气、水等因素的作用引起的矿物、岩石在原地发生机械破碎的过程。

特点：矿物、岩石的物质成分不发生变化，只是碎裂成为大小不等的碎块。

物理风化作用种类：

A.温差风化：由于温差变化，岩石在热胀冷缩过程中逐渐破碎的过程，常发生在温差

较大的干旱气候地区；

沙漠气候条件下砂岩的温差风化

左图：由于温差风化引起的层状脱落；右图：球状风化。

B.冰劈作用：充填于岩石裂隙中的水结冰体积膨胀而使岩石裂解的过程。

水结成冰时其体积可增大9.2％。冰体将对裂缝壁产生2000kg／cm2的巨大压力。

冰劈作用

C.其它物理风化作用：盐类的结晶与潮解：充填于岩石孔隙、裂隙中含盐分的溶液，

因水溶液浓度的变化，盐类出现结晶与溶解使岩石破碎的过程(类似于冰劈作用)；

层裂或卸载作用：岩石因卸载而产生向上或向外的膨胀作用，从而形成一系列平行或垂直地表的裂隙，促使岩石层层剥落和裂解的过程。

2)化学风化：

是指在水和水溶液的作用下岩石发生的化学分解过程。特点：不仅发生岩石破碎，而且岩石的物质成分也将发生变化。可分为氧化作用、碳酸化作用、溶解作用和水解等次级方式。

纪念碑被酸雨化学风化前后

A.氧化作用：矿物、岩石与大气或水中的游离氧起化学反应形成氧化物使岩石破碎的

过程，常使多价态元素从低价向高价态转变。

例如黄铁矿氧化为褐铁矿：

2FeS2﹢7O2﹢2H2O→2FeSO4﹢2H2SO4

4FeSO4﹢2H2SO4﹢O2→2Fe2 (SO4)3﹢2H2O

Fe2 (SO4) 3﹢6H2O→2Fe(OH)3﹢3H2SO4

氧化作用风化

B.碳酸化作用：是指当CO2溶解于水中时，形成CO32-和HCO31-离子，它们与矿物中的

阳离子结合形成易溶于水的碳酸盐或碳酸氢盐的过程。

如钾长石（正长石）经碳酸化作用变为高龄石：

4KA1Si3O8﹢2CO2﹢4H2O→A14(Si4O10)(OH)8﹢8SiO2﹢2K2CO3

C.水的作用

a)水的溶解作用

b)水化作用(水合作用)

CaSO4﹢2H2O→CaSO4.2H2O

(硬石膏) (石膏)

Fe2O3﹢nH2O→Fe2O3.nH2O

(赤铁矿) (褐铁矿)

c）水解作用

有些矿物遇水后改变结构，形成带ＯＨ－的新矿物

４Ｋ[A1Si3O8]+6H2O → ４Ｋ4[Si4O10](OH)8 +4KOH+8SiO2

钾长石高龄石

A14[Si4O8](OH)8+nH2O → 2Al2O3.nH2O+4SiO2+4H2O

高龄石铝土矿

3)生物风化：

由生物的生命活动引起的岩石的破坏过程，分生物物理风化作用和生物化学风化作

用。

植物根的生长对岩石进行的生物物理风化作用

在山区的峭壁、陡坡上常生长着一些大树如榕树、松、柏等。它们的根系并不都扎在泥土里，而是扎入岩石裂缝中。随着树木的成长，树根加长加粗，必然对裂缝壁产生强大压力。据测算这种压力可达100kg／cm2。久而久之，可加速岩石的破裂与崩落的进程。这种作用称为根劈作用。