第四纪沉积物
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发布时间：2022-04-27 13:09
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时间：2023-09-21 22:53
第四纪沉积物是第四纪地质研究的基础，是众多地质信息的载体，而同时又是人类赖以生存的根基。第四纪沉积物广布于固体地球表面，它是在地球表层环境下，由各种地质营力形成的松散堆积物。第四纪沉积物不仅记录了地球表层的环境变迁和发生过的地质事件，而且为人类生存提供了重要的资源，如其表层为供植物生长的土壤，部分沉积物含重要的矿产，有些沉积物可直接作为建筑材料，沉积物中富含地下水。除沉积物外，还有火山喷发形成的火山岩，如安山岩、流纹岩等。
1. 第四纪沉积物的基本特征
第四纪形成的沉积物一般不称为岩石，而是称为 “堆积物”、 “沉积物”或 “沉积层”，以示与沉积岩的差别，其原因是大多数第四纪沉积物为松散状，而未固结成岩。由于第四纪沉积物在地球表层中形成的特殊性，它与古生代、中生代的沉积岩有着明显的不同，第四纪沉积物有以下几个方面的特征。
岩性松散 第四纪沉积物一般形成的时间距现今比较短，有的还正在形成之中，尚没有经历明显的成岩作用过程，因此绝大部分沉积物岩性松散，只有少数半固结，如溶洞中的沉积物，极少数硬结成岩，如热带的海滩岩。正由于形成后没有经历成岩的变化，因此有利于将能反映形成时古气候和古环境的信息保存下来，也易于进行取样和研究。
成因多样 第四纪时期的地球表层系统，自然环境复杂，气候多变，形成第四纪沉积物的地质营力多种多样，由此而形成了多种成因的陆相和海相沉积物。在陆地上，有由流水沉积形成的冲积物、洪积物、坡积物等，有由风力沉积形成的黄土、风成沙等，还有由冰川堆积形成的冰碛物; 在海洋中，有滨海区的砂、砾石沉积，有浅海区的泥、砂、碳酸盐沉积等，有深海区的锰结核沉积。各种成因的沉积物具有不同的岩性、岩相、结构、构造特点和物理化学性质。
岩性岩相多变 在陆地上，由于气候背景、地貌环境和形成的地质营力条件变化大，即使同一种成因的陆相第四纪沉积物，在岩性和岩相上也有很大的差异，甚至在小范围内发生快速的变化，从一种岩性相变为另一种岩性，一种成因类型相变为另一种成因类型。因此，在野外时对第四纪沉积物剖面在垂向和横向上要仔细观察、描述、测量和统计分析。第四纪海相沉积物比陆相沉积物岩性、岩相稳定。
厚度差异大 受构造运动的影响，在陆地上形成一系列的上升区(剥蚀区)和下降区(沉积区)。在剥蚀区第四纪沉积物厚度一般较小，从几十厘米到十几米，而在沉积区(山前、盆地、平原、断裂谷地)则可达几十米、一百多米或几百米，甚至上千米。在由断裂控制的上升区与下降区的过渡部位，第四纪沉积物厚度的变化常很大。在沉积连续且沉积厚度大的地区，采用钻探手段(或物探)可以获得丰富的第四纪沉积物的资料。
含有化石及古文化遗存 在部分的陆相第四纪沉积物中含有哺乳动物化石、古人类化石、石器和陶器、用火遗迹(如灰烬和炭屑)以及村舍遗址等。尤其在洞穴堆积物中特别要注意寻找上述材料。
形成多种地貌形态 在陆地上，形成第四纪沉积物的地质营力多种多样，因此由不同地质营力形成的沉积物可构成形态各异的地貌，这是野外鉴定沉积物成因类型的重要标志。如洪积物常形成扇状地貌，冲积物常构成阶梯地貌，冲湖积物常组成平原地貌。
2. 第四纪沉积物的岩性分类和命名
第四纪沉积物的岩性比较复杂，根据物质组成和形成动力特征可分为: 碎屑沉积物、化学或生物化学沉积物、生物沉积物、火山碎屑沉积物和人工堆积物。其中碎屑沉积物是陆地上分布最广、最为常见的沉积物，如在河谷、盆地、平原区都可见到，也是第四纪地质研究的重要对象。
每一类沉积物，还可进一步划分。在化学或生物化学沉积物中，根据化学成分进行分类，有碳酸盐沉积物、硫酸盐沉积物、卤化物沉积物等; 在生物沉积物中，根据含生物的类型进行划分，有珊瑚礁、牡蛎礁、贝壳滩(堤)等。人工堆积按堆积物性质命名，如回填碎石、砂土等。
在碎屑沉积物中，根据碎屑颗粒的粒径可划分为砾、砂、粉砂和粘土 4 类(表 2-3)。在每一类中，还可根据粒径做进一步的划分(表 2-3)。
表 2-3 碎屑颗粒粒度分级与 Φ 值分级关系
图 2-7 碎屑沉积物分类三角图解(据任明达等，1985)
在第四纪沉积物研究中，首先是对沉积物命名，是砾石，是砂，还是粉砂，因此第四纪碎屑沉积物的命名需要确定一个原则。在自然界，第四纪碎屑沉积物并不是由单一粒径的碎屑构成的，常常是砾石、砂、粉砂等混杂在一起，因此在第四纪碎屑沉积物命名中必须考虑沉积物中各粒径碎屑物的含量，这就是第四纪碎屑沉积物命名需遵循的一个原则。依据不同粒径的碎屑沉积物的含量，采用二元命名法或三元命名法。在砂、砾沉积物二元命名中，以砂(0. 02～2mm)、砾(＞ 2mm)为两个端员，依据它们的含量(%)进行命名(表 2-4)。三元命名以砂粒组(0. 02 ～2mm)、粉砂粒组(0. 002～0. 02mm)、粘粒组(＜0. 002mm)的含量(100%)为端员，采用三角图解命名(图2-7)，在砾石含量低于5% ～10%的细粒碎屑沉积物中常采用这种命名方法。
表 2-4 第四纪碎屑沉积物的二元命名
3. 第四纪沉积物的成因分类
第四纪沉积物的成因分类是依据其形成的地质营力所进行的划分，但陆地环境与海洋环境差别甚大，地质营力也有很大的不同，因此根据第四纪沉积物形成环境首先把沉积物划分为陆相沉积、海相沉积和海陆过渡相沉积三大体系，再依据形成的地质营力划分为成因组和成因类型(表2-5)。
表 2-5 第四纪沉积物成因分类
陆地上各种成因类型的堆积物是第四纪地质学和地貌学研究的最重要对象，其分布受气候、地形和构造背景的控制，在不同的地区具有不同的成因类型组合。如在干旱气候区，以风成堆积物、洪积物、湖泊化学沉积物组合为特征; 在构造的上升区，以重力堆积物、冰川堆积物、冻融堆积物为主; 在构造的下降区，常出现河流沉积物、湖沼沉积物的组合。因此，第四纪沉积物的组合在一定程度上可以反映自然环境变化和构造运动的特征。
4. 第四纪沉积物的研究
(1)沉积物剖面的野外观察与描述
第四纪沉积物剖面的野外观察和研究主要包括剖面测量、岩性描述、岩性分层、岩性岩相观察、剖面图绘制等。这些工作必须在野外完成，在室内可以补充和完善。
剖面测量 第四纪沉积物剖面测量包括测量沉积物的总厚度和每一岩性层的厚度。自然出露的第四纪沉积物剖面多数出露在陡坎处，如阶地的前缘、冲沟中等，沉积层一般也是水平的，因此对于这些剖面的测量相对于老地层来说比较简单。如果第四纪沉积层是倾斜的，岩性层出露在高低起伏的地形面上，剖面又长，对这种第四纪沉积剖面的测量同老地层的测量方法。如果在平坦处，可人工挖出剖面，再进行测量。有时自然出露的断面比较长，横向上岩性变化又比较大，为了准确描述和绘制剖面，可在剖面上挂 3 根或 3 根以上的皮尺，就可较准确地测量第四纪沉积物的横向变化。
剖面观察 第四纪沉积物剖面的野外详细观察非常重要，很多的环境信息和地质信息都包含在沉积物中，也是沉积物成因类型研究的基础。剖面观察主要包括沉积物的颜色、物质成分、结构、沉积构造、岩性岩相变化以及岩性分层等，并绘制剖面图。这些观察内容可以指示沉积物的形成环境。
(2)沉积物的成因类型研究
无论在野外观察，还是在室内分析，都需要确定被研究的第四纪沉积物的成因类型。确定第四纪沉积物的成因类型，就需要从分析第四纪沉积物形成影响因素入手。第四纪沉积物的形成受地质营力、地貌和环境条件的控制，因此第四纪沉积物成因类型确定的标志有沉积学标志、地貌学标志和环境标志。在第四纪沉积物成因标志研究中，主要侧重于碎屑沉积物的研究，而在碎屑沉积物中，砾石、砂、粘土在显示成因标志方面存在较大的差异，下面分别论述之。
A. 沉积学标志
沉积学标志包括沉积物的成分、结构、构造等，这些标志能指示沉积物形成时的地质营力特征和环境特征。
a. 砾石的成因标志研究
由于砾石(砾径大于 2mm)比较粗大，在野外易于宏观观察，因此砾石的沉积学成因标志研究多数在野外完成。观察的主要内容有砾石的成分、结构(大小、形态、表面特征)、构造(排列形式)等。砾石的观察要选择在重要的或具有代表性的地点、剖面或层位中进行，其方法是在新鲜的露头上划出大约 1m ×1m 的范围，再以 10cm ×10cm 的间距打网格，依次在每一个网格中取砾石观察和测量，每一个观察点需要测量 100 个砾石以上。
砾性 这里的砾性是指砾石的岩性(成分)，是砾石成因的重要标志之一，在野外要仔细研究，鉴定每一个被观察砾石的成分。在室内对野外观察结果进行统计分析，并绘制砾石成分组成饼图或直方图(图 2-8)。研究砾石层砾石成分、抗风化强弱、抗溶蚀强弱的构成，对恢复当时的地质营力和环境条件是有作用的。如冰川堆积物的砾石成分较简单，抗风化和抗溶蚀能力弱的砾石比例可以较高; 河流沉积物的砾石成分就比较复杂，而滨海形成的砾石抗风化和抗溶蚀能力强的砾石比例较高。
砾径 砾径是指砾石的大小，包括最长轴(a 轴)、次长轴(b 轴)、最短轴(c 轴)，在野外这3 个轴的长度都需要测量(单位 mm)，在室内可绘制砾石的砾径直方图(图2-9)。通常情况下，以 a 轴代表砾石的大小，也可以等球体的直径 D 表示 。砾石的大小指示形成动力的强弱，如在一条河流中，从上游到下游砾石总体上是逐渐变小的，洪积物的砾石较大，而坡积物的砾石较小。另外，不同成因的砾石层，砾石大小的均一性不同，河流、海洋、湖泊等成因的砾石，其均一性较好，而冰川、洪流、重力等成因的砾石，其均一性差。
图 2-8 广西百色第四级阶地砾石成分饼图和直方图
图 2-9 砾石砾径(a 轴)直方图
砾态 砾态包括砾石的圆度、球度、扁平度及表面特征。圆度，即磨圆度，是指砾石的棱角被磨蚀圆化的程度。在野外，圆度可以定性划分为四级或五级，四级的划分是棱角、次棱角、次圆、圆，而五级的划分是棱角、次棱角、次圆、圆、极圆。各级圆度的野外鉴定特征见表 2-6。在室内，对野外的观察数据进行统计制图(图 2-10)，分析其成因类型。按照上述的四级分类，可以计算平均圆度(P):
表 2-6 砾石圆度特征
图 2-10 砾石圆度直方图和饼图
第四纪地质学与地貌学
式中: n3、n2、n1、n0分别为圆、次圆、次棱角、棱角的测量砾石数; Σ N 为所测量砾石总数。球度，是指砾石接近球体的程度，克伦滨(W. C. Krumbein)提出一个根据砾石三轴(a、b、c)计算球度系数(ω)的公式，其值变化范围为 1～0 之间:
第四纪地质学与地貌学
扁平度是指砾石趋向扁平的程度，凯耶(Cayeux，1952)根据三轴提出了一个扁平度(K)计算公式，并分析了不同环境下碳酸盐岩砾石的扁平度(表 2-7):
第四纪地质学与地貌学
表 2-7 不同环境碳酸盐岩砾石扁平度
图 2-11 砾径和砾态在搬运过程中的变化(据 Krumbein，1959)
在野外露头上，即使成因相同的砾石其砾态也不一样，单个砾石的砾态其地质意义可能不大，但是对一个露头或多个露头的砾石进行大量统计其意义就不一样了，它能反映出一些重要的地质信息。就砾石圆度而言，流水成因的砾石圆度较高，而冰川、重力成因的圆度低。砾径、圆度和球度与搬运的距离具有相关性(图 2-11)，砾径随着搬运距离的增长而变得越来越小，圆度和球度则变得越来越高。除地质营力对砾态有影响外，砾石的岩性也是有影响的，在地质营力相同的条件下，页岩、板岩、片岩等形成的砾石扁平度高，而花岗岩、砂岩、灰岩等形成的砾石球度高。
表面特征 砾石在搬运过程中，可在砾石的表面形成磨光、擦痕、撞击痕、压坑、毛玻璃化等特征。冰川作用形成的砾石表面常留下长条状的擦痕、圆形压坑、新月形擦口等，而泥石流中的砾石碰撞产生纺锤状、点状撞痕; 沙漠或戈壁滩中的砾石表面光滑(沙漠漆)，但棱角清晰，具多凸边，有时发育毛玻璃状。
砾向 观测砾向的扁平面(ab 面)和最长轴(a 轴)的产状，其产状特征能较好地反映形成时的动力条件。在流动的介质中，砾石的扁平面具有叠瓦状排列特征，其优势倾向与流动介质(河流、洪流、冰川、海洋、湖泊)的运动方向相反(图 2-12 及图 2-13)。砾石 ab 面的倾角大小不仅可以判别运动介质的类型(图 2-13)，还可以判断运动介质的强弱，大倾角显示强的动力条件。砾石的 a 轴在河流主流区顺流排列，而在海岸、湖岸则顺岸排列。砾石ab 面和 a 轴的排列虽然在多种介质中都可出现，但在河流、海洋、湖泊和洪流介质中规律性好，而在冰川、泥石流等介质中规律性较差。
图 2-12 砾石 ab 面产状玫瑰花图和密度图(据曹伯勋等，1995)
图 2-13 几种动力环境中砾石的 ab 面及其倾角和 a 轴的排列现象(据哈巴科夫，1963; 转引自曹伯勋等，1995)
排列和充填方式 在不同的地质营力条件下，形成的砾石排列和充填方式是不同的，在图2-13 中显示了几种运动介质中砾石的排列特征。曹伯勋(1995)把砾石的排列充填方式总结为 6 种类型，并分为流动营力结构和非流动营力结构。现将不同地质营力下形成的砾石排列充填特征总结在表 2-8。
b. 砂和粘土的成因标志研究
对于粒径小于 2mm 的砂、粉砂、粘土的成因标志研究可从野外和室内两个方面进行。在野外要对出露的剖面进行仔细观察和描述，如砂的成分、结构、构造等特征，应采集各种分析样品，如粒度分析样品; 在室内，对样品进行分析，根据分析结果判断其成因类型。
成分分析 砂粒的成分在一定程度上可以反映形成时的地质营力特征。砂粒的成分虽然受物源的影响，但同样受其搬运过程中动力条件和环境条件的影响。如河流形成的砂成分常比较复杂; 海洋形成的砂成分就简单些，有时含海相化石; 风成沙可含有一些碳酸盐、硫酸盐矿物。
表 2-8 不同地质营力形成的砾石排列充填方式
粒度分析 粒度分析在研究第四纪形成的砂和粘土的成因上是常用的方法之一。在粒度分析中，可通过图解(直方图、累积曲线图、正态概率累积曲线图)和参数计算的方法进行成因分析。直方图的横坐标为 Φ 值粒径，纵坐标为各粒级的百分含量，以一定范围的粒级绘出一系列的相邻矩形，矩形的高度与每一粒级范围的百分含量成正比(图 2-14)。但要注意，粒级的范围是人为划分的，因此直方图的形态与粒级组距大小及粒级边界的选择有很大的关系。在进行不同成因类型的沉积物对比时，粒级的 Φ 值边界选择必须一致，否则没有可比性。累积曲线图的横坐标为 Φ 值粒径，从左向右，粒径变细。纵坐标为各粒径的累积百分含量。累积曲线呈 S 形。利用累积曲线图可以判断沉积物的分选性，众数越大(分析性好)(图 2-15(a)的实线)，S 形的转折部位越陡; 众数越小(图 2-15(a)的虚线)，S 形的转折部位越缓。频率曲线的偏态性，在累积曲线图上表现为 S 形的不对称性(图 2-15(b))。正偏态曲线，S 形的细粒尾端长(图 2-15(b)中虚线); 负偏态曲线，S 形的粗粒尾端长(图 2-15(b)中实线)。在累积曲线图上可以读出累积百分含量 分 别 为 5%、16%、25%、50%、75%、84%、95% 的 Φ5、Φ16、Φ25、Φ50、Φ75、Φ84、Φ95等特征值。根据这些特征值就可以计算粒度参数。正态概率累积曲线图是目前常用来分析沉积物沉积环境的粒度资料处理方法。作图的方法是: 在正态概率纸上，横坐标为 Φ 值粒径，纵坐标是概率百分数，对每一粒级的含量进行累积就形成正态概率累积曲线图(图2-16)。目前可应用计算机软件，在计算机上成图。如果标准离差(σi)等于 1，那么正态概率累积曲线为一条直线。但自然界的沉积物的粒度分布特征一般都不会符合一个简单的对数正态规律，往往由几个对数正态部分构成。由于搬运方式的不同，粒度成分可分为推移、跃移、悬移 3 类粗细不同的组分，它们各自的粒度分布都自成对数正态分布特征。因此一个样品的粒度分布特征在正态概率累积曲线图上表现为几个直线段(图 2-16)。两个线段的交点称为截点，推移组分与跃移组分线段的截点称粗截点，而跃移组分与悬移组分线段的截点称细截点。粗截点对应的 Φ 值是推移组分的下限粒径，而细截点对应的 Φ 值是悬移组分的上限粒径。大量的研究表明，河流砂多表现为二段式，而海洋砂多表现为三段式(图 2-17)。粒度参数包括平均粒径(Mz)，标准离差(σi)、偏态(Sk)和峰态(Kg)。这些参数值的计算如下:
图 2-14 直方图图解(据任明达等，1985)自下而上为从早期到晚期的粒度变化(a)加阴影的矩形高度增大，表示细粒增加;(b)粗粒减少;(c)众数向细粒级移动
图 2-15 累积曲线的 S 形与频率曲线的众数值(a)和偏态性质(b)对比(据任明达等，1985)
图 2-16 正态概率累积曲线图
图 2-17 河流、海滩和海滨风成沙丘的正态概率累积曲线(据任明达等，1985)(a)河流水平层理;(b)河流槽状斜层理;(c)海滩前滨和冲刷带;(d)海滨风成沙丘
第四纪地质学与地貌学
平均粒径反映沉积物的粗细，可以用这个参数显示沉积剖面的沉积韵律的变化。标准离差反映沉积物的分选性，该值越小，分选性越好(表2-9)。偏态表示沉积物粗细分布的对称程度，当 Sk= 0 时，为正态的频率曲线，粗细成分含量相等; 当 Sk＞ 0，属正偏态，粒度集中在粗端部分; 当Sk＜ 0，属负偏态，粒度集中在细端部分。峰态是衡量频率曲线尖峰凸起程度的参数。
表 2-9 沉积物分选性分级与 σi值的关系
沉积构造 沉积构造是判断沉积物成因的重要标志之一。沉积构造主要形成于流动的地质营力环境，但不同的地质营力形成的沉积构造特征不同(表 2-10)。另外，在第四纪沉积物中有时还保存多种成因的楔状体沉积(图 2-18)，如古冰楔、古地震楔、古龟裂、侵蚀楔等。它们也可以提供沉积物成因、古气候和古环境信息。
表 2-10 地质营力与层理类型的关系
图 2-18 第四纪沉积物中几种主要楔形体沉积图(据曹伯勋等，1995)(a)古地震楔(F1、F2、F3为小断层，A1、A2、A3为断层角砾);(b)断层崩积楔;(c)古冰楔(发育在砂砾成中);(d)古冰楔(发育在粉砂粘土层中);(e)溶蚀楔(灰岩中，填有红土);(f)冰川犁楔(据赵良政，前头示冰川运动方向);(g)泥裂(填有风成沙);(h)流水侵蚀楔，填有冲积砂砾
B. 地貌标志
固体地球表面的形貌是地质营力的剥蚀作用和沉积作用的结果，剥蚀作用在形成剥蚀地貌的同时也在一定范围内由沉积作用形成堆积地貌。因此地貌可以作为显示第四纪沉积物成因的一种标志。
直接地貌标志 直接地貌标志一般为堆积地貌，地貌成因与沉积物成因相同，只要确定了地貌成因，就可以推断其沉积物的成因。如倒石锥、坡积裙、洪积扇、阶地等分别指示了它们的堆积物形成于重力、片流、洪流、河流作用。因此，在利用地貌的直接标志确定沉积物成因时，关键是地貌成因的确定。
间接地貌标志 利用这类地貌标志判断沉积物的成因比较复杂，是通过地貌与沉积物的相关性来推断的。外力在剥蚀区形成剥蚀地貌的同时，将剥蚀下来的碎屑物质搬运到沉积区堆积，它与剥蚀地貌在形成时间上基本同时，只是所处空间位置不同，这种沉积物就是剥蚀地貌的相关沉积物。相关沉积物是剥蚀作用与沉积作用在时、空上的纽带，某些剥蚀地貌应有相关的沉积物。如在外力作用下，地形从陡峻逐渐演化到地形平缓的准平原状态，堆积物成因类型也可能从重力堆积发展到坡洪积，再演化到冲湖积(图 2-19)。因此，我们也常常用在地层中由早期湖相沉积到晚期的山麓粗碎屑堆积的相变过程来指示构造运动显著抬升、地形起伏加大的状况。
图 2-19 地貌与沉积物的相关性Ⅰ—Ⅳ为地形从早期到晚期的发育阶段
C. 环境标志
即指示第四纪沉积物形成时的一些环境条件，是陆相沉积，还是海相沉积; 是干旱环境，还是湿润环境; 是炎热的气候，还是寒冷的气候。环境标志包括物理环境标志、化学环境标志和生物环境标志。
物理环境标志 指示沉积物形成时的气温、降水、外营力类型、动力强度等物理标志。如沉积物的颜色能反映形成时的气候特征，红色表明当时气候比较炎热，而*则显示较干冷的气候; 风成沙指示干旱环境，而砖红壤显示了炎热湿润的环境; 粗碎屑沉积物表明较强的动力条件，而细碎屑沉积反映较弱动力条件。
化学环境标志 指示沉积物形成时环境条件的化学标志。如沉积物中碳酸钙含量的变化能指示当时水体咸化或淡化的情况，或指示气候的干冷或湿润; 沉积物中夹石膏层反映当时水体显著咸化; 沉积物 Fe2O3含量高指示温暖湿润气候。
生物环境标志 是指与沉积物形成有关的指示性动植物化石和遗迹化石。如沉积物中含海相化石则表明沉积物形成于海相环境，沉积物中含淡水无脊椎动物化石说明形成于陆相的淡水环境，沉积物含云杉、冷杉植物化石反映当时气候寒冷。
现将主要的第四纪沉积物成因类型的判别标志总结在表 2-11 中。
表 2-11 第四纪沉积物成因标志
