1、2.2 第四纪地质,第四纪是地球发展最新阶段，它包括更新世和全新世，约180万年左右。 第四纪(Quaternary)一词是1829年法国地质学家德努尼尔(Desnyers)所创。它按当时的科学水平把地球历史分为4个时期，第四纪是地球发展最近的一个时期。 1839年莱伊尔(C.Lyell)把海相地层中含无脊椎动物化石种类达90%和陆相地层由人类活动遗迹的沉积物划归第四纪，并把第四纪分为更新世(Pleistocene)和近代(Recent)。 1869年基尔瓦斯(Gerivais)提出全新世(Holocene)一词。1881年第二届国际地质学会正式采用“第四纪”一词。由于更新世地球上发生过多次大
2、规模冰川活动，故又有“冰河期”或“冰河更新世”之称。也有的研究者鉴于第四纪是人类的出现与发展时代，建议把第四纪称为“人类纪”。,2.2.1 第四纪地质一般特性,特点： 在短暂的地质时期内发生过多次急剧的寒暖气候变化和大规模冰川活动； 哺乳动物的兴盛和新构造运动； 人类及其物质文明的形成发展； 显著的地壳运动； 广泛堆积陆相沉积物和矿产； 急剧和缓慢发生的各种灾害不断改变人类生存环境； 人类活动的范围和强度与日俱增。,(1)第四纪气候与冰川活动第四纪气候冷暖变化频繁:气候寒冷时期冰雪覆盖面积扩大，冰川作用强烈发生，称为冰期。气候温暖时期，冰川面积缩小，称为间冰期。 晚新生代冰期规模最大，地球上的
3、高、中纬度地区普遍为巨厚冰流覆盖。当时气候干燥，因而沙漠面积扩大。 中国大陆:在冰期时，海平面下降，渤海、东海、黄海均为陆地，台湾省与大陆相连，气候干燥、风沙盛行、黄土堆积作用强烈。 冰川作用规模大且频繁:根据研究，第四纪冰川作用有20次之多，而近80万年每10万年有一次冰期和间冰期。,(2)新构造运动 从新第三纪(中新世开始)以来发生的地壳运动称新构造运动，相应的时代称新构造时期。 是引起第四纪自然环境变化的一个主要因素，也引起一系列环境效应并影响地壳稳定性。 新构造运动形式:水平运动(板块运动)、垂直运动、断裂运动、火山活动和地震等。新构造运动的作用积累效应：造成大面积和大幅度地壳升降，并
4、对大气环流产生影响，对气候和环境变化有重要作用。如青藏高原由于印度板块向欧亚板块俯冲，使该区地壳从新第三纪以来加速隆升，发展成“世界屋脊”，破坏了中国西部气候的纬向分带而代之以垂直分带，成为影响中国和东亚气候与环境的重要因素。,板块构造学说 地球板块构造学说是20世纪地球科学中最伟大的成就之一。 1912年，德国气象学家魏格纳提出了大陆漂移学说。1915年，又出版了海陆的起源一书，给出了大陆漂移的证据，但未能解释大陆漂移的动力学问题，因而未得到普遍接受。 1928年，英国地质学家霍姆斯提出“地幔对流学说”，认为地幔对流有可能是大陆漂移的原动力。到了20世纪5060年代，海洋地质研究，尤其是海洋
5、钻探的开展，证实了地幔对流和海底扩张的存在，并依靠无线电测距方法测定了海底扩张和大陆漂移的速率。在此基础上，1967年出现了地球板块构造学说。,板块学说主要论点： 刚性的岩石圈分裂成六个大的地壳块体(板块)，他们在软流圈上作大规模水平运动。各板块边缘结合地带是相对活动的区域，表现为强烈的火山(岩浆)活动、地震和构造变形等。而板块内部是相对稳定区域。,1.刚性的岩石圈由巨大断裂分割成许多块体，叫(岩石圈)板块； 2.板块由于软流圈运动而运动，如传送带； 3.板块边界是地壳活动性强烈的地带，板块的相互作用，从根本上控制了各种内力地质作用以及沉积作用的进程；板块内部相对稳定； 4.四种板块边界类型：
6、(山弧)岛弧-海沟系、洋中脊、转换断层、 在大陆内部的地缝合线。前三种边界位于洋底或洋陆交接处。 5.各边界运动方式： (1)岛弧-海沟系:相向运动消减作用，属聚敛性板块边界。大洋板块发生俯冲潜没，挤压引起强烈地震和构造变形。由于俯冲板块在深部被熔融而形成岩浆，就引起岛弧(山弧)火山作用与侵入作用，以及与构造变形及岩浆活动相关的变质作用。,(2)洋中脊-离散性板块边界，岩石圈分裂和扩张，地慢物质涌出产生新的洋壳，生长作用。 (3)转换断层-沿此种边界既无板块增生，又无板块消减而是相邻板块作剪切错动。与洋脊或海沟相伴。地震和构造变形。 (4)地缝合线-特殊的消减作用边界，两个大陆之间的碰撞带。当
7、大洋板块俯冲到最后阶段，洋壳消亡，两侧大陆碰撞拼合，由于挤压在其焊接带形成高耸的山脉，并伴随着强烈的构造变形、岩浆活动以及区域变质作用。,全球板块的划分 六大板块：美洲板块、欧亚板块、非洲板块、印度洋板块、南极洲板块、太平洋板块(全为洋壳)。 在大板块内又可进一步划分次一级板块(中型板块)，再次小型板块。如华北板块、扬子板块，其间秦岭-大别山为碰撞造山带。,2.2.2 第四纪松散沉积物,第四纪新构造运动强烈、海平面和气候变化频繁，因而第四纪沉积环境极为复杂。 第四纪沉积物形成时间短，成岩作用不充分，常常成为松散、多孔、软弱的土层覆盖在前第四纪坚硬岩层之上。 第四纪沉积物是人类赖以生存的基础之一
8、。农业植根于各种松散第四纪沉积物表部发育的土壤；许多工业设施和民用建筑都以第四纪沉积物为基础；大量的地下水赋存在第四纪沉积物中；部分重要矿产和建筑材料产于第四纪沉积物中。,1、残积物,地表岩石经受风化作用发生物理破坏和化学成分改变后，残留在原地的堆积物。 残积物向下则逐渐变为半风化的半坚硬岩石，与新鲜岩石之间没有明显的界限，是渐变的过渡关系。 残积物的物质组成：主要由原岩岩屑、残余矿物及地表新生矿物组成。原岩岩屑：包括岩块、角砾和粉砂级颗粒。残余矿物：以抗风化能力强的和溶解度较小的矿物为主。具体残留情况与原岩、地表环境、矿物大小和遭受风化时间长短有关系。地表新生矿物：包括原生矿物风化过程的中间
9、产物和最终产物，一般为在地表稳定或较稳定的次生含水氧化物，主要是粘土矿物和胶体矿物。残积物的粒度成分和矿物成分主要受气候条件与母岩岩性的控制。,气候对风化作用类型及残积物的影响 例如： 干旱地区：以物理风化为主，只能使岩石破碎成粗碎屑物和砂砾，缺乏黏土矿物，这种残积物具有砾石类土的工程地质特征； 半干旱地区：岩石在遭受物理风化的基础上尚有化学风化，部分原生矿物变成次生矿物，由于雨水较少，土中含有较多的可溶盐，次生矿物以水云母组黏土矿物为主； 气候潮湿地区：残积物中可含有较多的蒙脱石组黏土矿物； 气候潮湿且炎热的地区：黏土矿物可继续分解为倍半氧化物，如三氧化二铝、三氧化二铁等。,母岩岩性对残积物
10、物质成分的影响 例如： 酸性火成岩风化形成的残积物中有多量的黏土矿物，残积物可以是黏土或粉质黏土，而当其中石英含量高时，残积物的颗粒就较粗一些，形成粉土； 中性和基性火成岩由于其中含抗风化能力低的矿物，因此残积物常常是粉质黏土。 沉积岩本身就是松软土经成岩作用后形成的，因而风化后常恢复原有松软土的特点，如黏土岩风化成黏土，细砂岩风化成细砂土，颗粒的矿物成分也与母岩相同。,残积物的结构构造 由于风化作用具有从地表往下随深度增加而减弱，近地表风化强烈，物质迁移流失多，原岩改变明显等特征，使残积物显示分层(分带)现象，各层之间呈逐渐过渡状态，无明显分界，更无沉积层理。,残积物的工程性质 残积物表部土
11、壤层孔隙率大、强度低、压缩性高，而其下部常常是夹碎石或砂粒的黏性土，或是孔隙为黏性土充填的碎石土、砂砾土，其强度较高。 残积物一般透水性较强，在一定条件下，可储存地下水。,2、坡积物,坡积物：指雨水或雪水的片流将高处的风化碎屑物冲洗，顺坡向下搬运，或由自身的重力作用，堆积在较平缓的山坡或坡脚处形成的堆积物。,1)坡积物的物质成分 以片流搬运的砂、粉砂和亚黏土为主。 通常基岩斜坡的坡积物中含有短距离搬运的角砾(甚至含有坡上老的阶地冲积砾石)，岩性与斜坡上基岩一致。 坡积物往坡下移动，使岩屑在混合过程中，角砾被磨损、风化和破碎，可再次释出重矿物。 混合移动中轻重矿物在重力与介质阻力作用下分异，轻粒
12、在上层，运动较快，重力下沉且运动较慢并滞后，结果形成轻重矿物在水平方向和垂直方向上的分异，即重矿物沉底滞后现象，使重矿物在地层基岩凹地重聚集成坡积砂矿。,2)坡积物的结构构造 水平与垂直方向上的粒度变化： 近坡部分以粗粒为主，夹细粒碎石砂土透镜体，宽度和厚度不大。 中部以亚砂土或亚黏土为主，夹少量碎石透镜体，宽度与厚度最大。 近谷底部为亚黏土，厚度不大，有时过渡为坡积-冲积层。坡积物层理与坡面倾向倾角大体一致，岩屑扁平面多顺坡向排列。 片流作用间隙期长时，坡积物表面发育古土壤层。,3)坡积物的厚度及工程性质 坡积物的厚度变化较大，在斜坡较陡的地段，厚度较薄，而在坡脚地段堆积较厚。 坡积物中一般
13、见不到层理，但有时也具有局部的不清晰的层理。 新近堆积的坡积物经常具有垂直的孔隙，结构比较疏松，一般具有较高的压缩性。 坡积形成的黄土，其湿陷性一般也比洪积或冲积形成的黄土要高得多。,3、洪积物,暴雨或冰雪消融季节，含有大量沙石高速运动的浊水流，从山地流出山口或流入主流谷地，由于河床纵剖面坡度骤降，流速锐减，又无河道约束，便分散成多股槽流；通过泛滥，槽流连接成面状洪流，两者在上述地区共同堆积的扇形堆积物称洪积物。 洪积物一般发育于干旱与半干旱地区，因为植被不发育，岩层裸露地表，易风化破碎，成为洪积土的物质来源，再加上这种地区雨量较集中，也易形成暂时性的洪流。,1)洪积物扇形岩相 (沉积相:简称
14、“相”。 沉积相是反映一定自然环境特征的沉积体，具体就是指沉积环境及在该环境中形成的沉积岩(沉积物)特征的综合。是沉积环境的物质表现，包含了岩相和古地理两方面的含义。 ) (1)扇顶相：以巨砾、砾石等粗粒沉积物为主，夹有细粒沉积透镜体，巨砾渐为后续水流细粒充填，发育急流交错层理。 (2)扇形相：为砂土夹砂砾组成。粗粒沉积物呈条状由扇顶伸入，剖面上呈各种透镜状，常与细粒沉积物交互，呈现不连续层状，称“多元结构”。 (3)滞水相：又称边缘相，主要由亚砂土、亚黏土组成，具有由粉砂与亚黏土组成的“纹泥状”薄层理。透水性差，有时夹薄层有机质沉积物。,2)洪积扇、干三角洲与洪积平原 洪积扇是干旱、半干旱区
15、洪流形成的主要堆积地貌。由洪积物组成的洪积扇形的面积从几平方公里到数十平方公里不等。洪积扇轴部常有干河床，潜水面较深，往滞水相方向潜水面逐渐升高，在扇形相与滞水相交界处，有时潜水溢出地面成泉、河或形成沼地或盐渍地。 在干旱区由于降水少、蒸发强烈，河流沿程水量不断蒸发与渗漏，使其搬运能力不断变小，在河流下游地表形成扇形砂砾堆积体，称干三角洲堆积，是干旱平原常见的地貌。 洪积平原是扇前若干洪积扇相连形成的中-大型组合形态，规模可达几十、几百甚至上千平方千米，是半干旱、干旱区重要的较好的生态环境。,3)洪积物的工程性质 洪积物作为建筑物地基，一般认为是较理想的; 离山前较近的洪积土颗粒较粗，地下水位
16、埋藏较深，具有较高的承载力，压缩性低，是工业与民用建筑物的良好地基，但其孔隙大、透水性强，因此若作为坝基将引起严重的坝下渗漏; 离山较远的地带，洪积物的颗粒较细、成分均匀、厚度较大，一般也是良好的天然地基; 上述两地段的中间地带;常因粗碎屑土与细粒黏性土的透水性不同而使地下水溢出地表形成泉或湖沼，有时因植物茂盛而形成泥炭层，因此土质较弱，承载力较低，作为建筑物地基时应慎重对待。,4、冲积物,冲积物是由河流的流水作用将碎屑物质搬运到河床中坡降平缓的地段堆积而成的，或是河流溢出河床的堆积物。它发育于河谷内及冲积平原中。 冲积物碎屑来自上游集水区、河底及河岸基岩、谷坡上的重力堆积物、坡积物、老冲积物
17、和冰碛物。 陆地上大规模砂矿床大都产于冲积物，冲积物也是平原区地下主要含水层系和工程建筑基础。,1)冲积物的类型及基本特性 根据河流冲积物的形成条件，主要分为河床相、河漫滩相、牛轭湖相及河口三角洲相。 基本共同的特性：物质磨圆度和分选性都很好；具有清楚的层理构造；具有良好的韵律性，表现在剖面上两种或两种以上沉积物交替、重复出现，例如卵石层、粗砂层 构成的组合多次重复出现；除水平层理外，冲击物中交错层理往往很发育。,牛轭湖,2)冲积物的工程性质 古河床相土的压缩性低，强度较高，是工业与民用建筑的良好地基，而现代河床堆积物的密实度较差，透水性强，若作为水工建筑物的地基则将引起坝下渗漏。饱水的砂土还
18、可能由于振动而引起液化。 河漫滩相冲积物覆盖于河床相冲积物之上形成的具有双层结构的冲积土体常被作为建筑物的地基，但应注意其中的软弱土层夹层。 牛轭湖相冲积土是压缩性很高及承载力很低的软弱土，不宜作为建筑物的天然地基。 三角洲沉积物常常是饱和的软黏土，承载力低，压缩性高，若作为建筑物地基，则应慎重对待。但在三角洲冲积物的最上层，由于经过长期的压实和干燥，形成所谓硬壳层，承载力较下面的为高，有时可用作低层建筑物的地基。,5、湖积物 湖泊沉积物可分为湖边沉积物和湖心沉积物。 湖边沉积物是湖浪冲蚀湖岸形成的碎屑物质在湖边沉积而形成的，湖边沉积物中近岸带沉积的多是粗颗粒的卵石、圆砾和砂土，远岸带沉积的则
19、是细颗粒的砂土和黏性土。湖边沉积物具有明显的斜层理构造，近岸带土的承载力高，远岸带则差些。 湖心沉积物是由河流和湖流挟带的细小悬浮颗粒到达湖心后沉积形成的，主要是黏土和淤泥，常夹有细砂、粉砂薄层，土的压缩性高，强度很低。若湖泊逐渐淤塞，表层含水量大，喜湿性植物大量生长，则可演变为沼泽，沼泽沉积物又称为沼泽土，主要由泥炭、有机质淤泥和泥砂组成。泥炭是沼泽堆积物中的主要成分，它的含水量极高，承载力极低，一般不宜作天然地基。,6、冰碛物与冰水沉积物,冰川融化，其搬运物就地堆积，未经其他外力特别是未经冰融水明显改造的沉积物，称为冰碛物。 冰碛物的基本特征有：分选差:粒级范围很宽，粒度相差悬殊，巨大的石
20、块和泥质混合在一起极不均匀，明显缺乏分选；无层理:冰碛物一般不具有层理，有时具有粗糙层理，是冰川中原生构造；磨圆差:冰碛物中的砾石磨圆度差，棱角分明；砾石表面常具有磨光面或冰川擦痕，砾石因长期受冰川压力作用而弯曲变形，这些都是冰碛物的主要特点。 冰雪融化后形成的水流可冲刷和搬运冰碛物进行再沉积，形成冰水沉积物。冰水沉积物具有一定程度分选和良好的层理。,7、海洋沉积物,浅海带：平均低潮线至200米水深，大陆架，陆棚；受较强的波浪影响,海水较为动荡。 浅海沉积碎屑物主要来自大陆，由细粒砂土、黏性土、淤泥和生物化学沉积物(硅质和石灰质)组成，水平层理和交错层理十分发育，较滨海沉积物疏松、含水量高、压
21、缩性大而强度低。,半深海带：水深200-2000米的海盆区，大陆坡； 深海带：水深2000米区域，大洋盆地。 半深海及深海沉积物成分主要是生物有机质软泥、黏土及粉细砂，成分均一，沉积比较连续，陆源物质带入甚少，而且颗粒非常微细，几乎都呈胶体性质。海洋沉积物中在海底表层沉积的砂砾层很不稳定，随着海浪不断移动变化，选择海洋平台等构筑物地基时，应慎重对待这一土层。,8、风积物,风积物是指在干旱的气候条件下，岩石的风化碎屑物被风吹扬，搬运一段距离后，在有利的条件下堆积起来的一类土。 风积物中最常见的是风成砂及风成黄土。 风成砂主要由砂、粉砂及少量黏土组成，分选性好，磨圆度一般较高，具有层理和大型交错层理。 风成黄土具有垂直节理，均匀无层理，孔隙大，具有湿陷性。,
