北京周口地质地质基础知识

第一节　第四纪地质

一、第四纪地质概况

第四纪是新生代最晚的一个纪，其下限一般认为是2．6Ma，分为更新世和全新世，更新世又可分为早、中、晚三期（表1-1）。这一时期地球上出现了人类，这是最重大的事件。北京周口店的石灰岩洞穴中发现了大约生活在四五十万年以前的北京猿人头盖骨化石及其使用的工具。

表1-1　第四纪地质年代表

第四纪时期地壳有过强烈的活动，为了与第四纪以前的地壳运动相区别，把第四纪以来发生的地壳运动称为新构造运动。地球上巨大块体大规模的水平运动、火山喷发、地震等都是地壳运动的表现。第四纪气候多变，曾出现大规模冰川活动的时期。地区新构造运动的特征，对于工程区域稳定性问题的评价是一个基本要素。

二、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，称为冰期；气候温暖时期，冰川面积缩小，称为间冰期。第四纪冰期在晚新生代冰期中规模最大，地球上的高、中纬度地区普遍被巨厚冰层覆盖。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，台湾与大陆相连，气候干燥，风沙盛行，黄土堆积作用强烈。第四纪冰川不仅规模大而且频繁。根据深海沉积物研究，第四纪冰川作用有20次之多，而近80万年来每隔10万年有一次冰期和间冰期。

三、第四纪沉积物

（一）残积物（Q ^el）

岩石经物理风化和化学风化作用后残留在原地的碎屑物称残积物或残积土，因其成层覆盖在地表，故又称残积层。残积物向上逐渐过渡为土壤层。土壤层直接分布在地表，因富含有机质颜色较深或有植物根系分布于其中。残积层向下逐渐过渡为半风化岩石和新鲜基岩。

残积物不具层理，粒度和成分受气候条件和母岩岩性控制。在干旱或寒冷地区，化学风化作用微弱而以物理风化作用为主，岩石风化产物多为棱角状的砂、砾等粗碎屑物质，其中缺少黏土矿物。在垂直剖面上，上部碎屑的粒径较小，向下部逐渐变大。半干旱地区，除物理风化作用外，尚可有化学风化作用进行，残积物中常形成黏土矿物、铁的氢氧化物与钙、镁碳酸盐和石膏等。气候潮湿地区，化学风化作用活跃，物理风化作用不发育，残积物主要由黏土矿物组成，厚度也相应增大。气候湿热地区，残积物中除黏土矿物外，铝土矿和铁的氢氧化物含量高，常为红色。

残积物成分与母岩岩性关系密切。花岗岩的残积物中常含有由长石分解形成的黏土矿物，而石英则破碎成为细砂。石灰岩的残积物往往成为红黏土。碎屑沉积岩的残积物在外观上变化不大，仅恢复其未固结前松散状态的特征。

残积物的厚度往往与地形条件有关，在陡坡和山顶部位常被侵蚀而厚度较小，平缓的斜坡和山谷低洼处因不易被侵蚀而厚度较大。

残积物表部土壤层孔隙率大、压缩性高、强度低，而其下部常常是夹碎石或砂粒的黏性土或是被黏性土充填的碎石土、砂砾土，其强度较高。

（二）坡积物（Q ^dl）

雨水或雪水将高处的风化碎屑物质洗刷而向下搬运，或由本身的重力作用，堆积在平缓的斜坡或坡脚处，成为坡积物。

坡积物的成分与高处的岩石性质往往有关。坡积物一般不具层理，有时局部可有层理。碎屑物一般呈棱角状或因经一段距离搬运而呈次棱角状。坡积物可以具有一定分选性，由于重力作用，比较粗大的碎屑物往往堆积在紧靠斜坡的位置，而细小的碎屑和黏土则分布在离斜坡稍远处。

坡积物厚度变化较大。在陡坡地段较薄，而在坡脚处较厚。

（三）洪积物（Q ^pl）

洪积物是由大雨或融雪水将山区或高地的大量碎屑物沿冲沟搬运到山前或山坡的低平地带堆积而成。洪积物在沟口往往呈扇状分布，扇顶在沟口，向山前低平地带展开，称为洪积扇。

洪积扇一般分为上、中和下三部分（图1-1），它们具有不同的工程地质特征。上部多以砾石、卵石为主要成分，其强度高、压缩性小，可作为工业、民用建筑的良好地基，但其孔隙大，透水性强不易建坝。中部以砂土为主，下部以黏性土为主，它们一般都是良好的地基，主要分布在砂土向黏性土过渡地带及黏性土分布地带，受透水性的差异及地下水埋藏浅等因素的影响，常有泉水出露，形成沼泽，沼泽地带泥炭层强度低、压缩性大。

图1-1　洪积扇沉积物

（据胡广韬等，1983年改编）

（四）冲积物（Q ^al）

河流沉积物简称为冲积物。根据形成条件和环境分为河床冲积物、河漫滩冲积物、牛轭湖冲积物和河口三角洲冲积物。它们具有一些共同的特性：因受河流长期搬运，其碎屑物的磨圆度和分选性都较好；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，冲积物中交错层理往往很发育。

因河床水流速度大，山区河流或河流上游河床冲积物大多是粗大的石块、砾石和粗砂，河流中下游或平原区河流河床沉积物逐渐变细，但厚度增大。河漫滩冲积物主要分布于河流的中下游和平原区河流。洪水期河水漫溢，河漫滩被淹没，沉积的土粒较细，为粉土、粉质黏土或黏土。河漫滩冲积物之下常为早先河床沉积的砾、砂和粉细砂。这样河漫滩沉积及下面的河床沉积一起构成了二元结构。牛轭湖是河流废弃的弯道。牛轭湖静水环境中沉积形成淤泥和泥炭层，洪水期成为溢洪区，上部被细砂或粉质黏土覆盖。河口三角洲冲积物是在河流入海、入湖处，由所搬运的大量细小碎屑物沉积而成，其面积广、厚度大，并常有淤泥质土和淤泥分布。大面积河漫滩和河口三角洲是冲积平原的主要类型，也常是人口聚集、经济较发达地区。

冲积物的工程地质特征可概括介绍如下：古河床冲积物的压缩性低、强度较高，是良好的建筑地基。现代河床冲积物密实度较差、透水性强，尤其不利于作为水工建筑物地基。河漫滩及阶地冲积物一般都是较好的地基，但要注意其中的软弱夹层以及粉细砂的振动液化问题。牛轭湖冲积物常是一些压缩性很高而承载力很低的软弱土层，不宜作为建筑物天然地基。三角洲冲积物常呈饱和状态，承载力较低。但三角洲冲积物最上层，因长期干燥比较硬实，承载力较下面高，俗称“硬壳层”，可用作低层建筑物的天然地基。

（五）湖泊沉积物（Q ^l）

湖泊是大陆上主要的沉积场所。一般来说，搬运动力由湖岸向湖心逐渐减弱。较粗的砾、砂沉积在湖岸附近，具有较好的磨圆度及明显的层理和交错层理，并形成湖滩、沙洲、沙坝及沙嘴等地形。而较细的碎屑物质被带到湖心发生沉积，湖心沉积物颗粒度小，为黏土和淤泥，常夹有粉砂、细砂薄层。

湖岸沉积物以近岸的承载力高，远岸较差。湖心沉积物一般压缩性高、强度很低。

湖泊淤塞后可变成沼泽，地表水聚集或地下水出露的洼地也会形成沼泽。沼泽沉积物主要由腐烂的植物残体、泥炭和部分黏土与细砂组成沼泽土。泥炭含水量极高、承载力低，一般不宜用作天然地基。

（六）海洋沉积物（Q ^m）

根据海底地形起伏和海水深度，由岸向海洋方向分为滨海带、浅海带、大陆斜坡和深海带。

滨海带碎屑物质具很好的磨圆和分选，一般都具有高承载力，但透水性强。

浅海位于大陆架主体上，水深下限为200m。碎屑物主要来自于大陆，有细粒砂土、黏性土及淤泥，水平层理和交错层理十分发育。浅海沉积物较滨海沉积物疏松、含水量高、压缩性大而强度低。

大陆斜坡和深海沉积以生物软泥、黏土及粉细砂为主。海洋沉积物中，水下海底表层的砂砾层稳定性差，选择它作为地基时应注意海浪作用下发生移动变化的可能。

（七）风积物（Q ^eol）

风积物是指经过风的搬运而沉积下来的堆积物。风积物主要以风积砂为主，其次为黄土。风积物成分由砂和粉粒组成，其岩性松散，一般分选性好、孔隙度高、活动性强，通常不具层理，只有在沉积条件发生变化时才产生层理和斜层理，工程性能较差。

（八）混合成因的沉积物

混合成因的沉积物保持原成因特征，常见的有残积坡积物、坡积洪积物和洪积冲积物等。