(一)地貌
地貌学及第四纪地质学是在人类长期的生产实践中发展起来的,它在国民经济的生产建设中具有重要作用。在进行水文地质和工程地质工作时,必须先研究地区的地貌条件和第四纪地质情况,这是水利及各种工程建设必不可少的基础工作之一。
地貌学是研究地球表面形态及其成因、发展和分布规律的科学。
地球表面的各种地貌组合中,规模差别很大:大者有大陆、洋盆,大陆又可分高原、山岳、丘陵、平原和盆地;小者则较小而具体,如高山、河谷、洪积扇、阶地、溶洞等。这些地貌的形态、成因、发展及其演变是各不相同的。
1.地貌的成因
大型地貌的形成,主要与地球内力地质作用有关,而一些小型地貌主要由外力地质作用塑造而成。总的来说,各种地貌的形成,都是由内力和外力地质(综合)作用的结果。这种缓慢的作用,使地貌形态按一定规律发展和演化。
各种地貌的形成,是由内力与外力地质作用对已有地质体的不断改造所致。
2.地貌成因分类
一般将地貌基本类型划分为如下五种:
(1)侵蚀-构造地貌
这种地貌的构造上升作用大于外力侵蚀切割作用,而形成一系列山地地貌。
(2)构造-剥蚀地貌
上升作用缓慢,与长期外力剥蚀作用处于平衡状态。形成一些桌状山、单面山等低山、丘陵地貌。
(3)剥蚀-堆积(或侵蚀-堆积)地貌
这种地貌以外力剥蚀或侵蚀作用为主,并形成相应的堆积地貌。剥蚀作用在古夷平面的基础上形成丘陵及由海蚀作用形成缓倾平原;侵蚀作用的产物堆积在山前形成呈带状分布的高台地等。
(4)侵蚀-溶蚀地貌
这种地貌类型以侵蚀和溶蚀作用为主,形成岩溶地貌(喀斯特地貌)。
(5)堆积地貌
这种类型的地貌形态主要是由冲积、洪积作用构成的各种堆积地貌,如漫滩、阶地、洪积扇及由堆积、洪积作用形成的山前倾斜平原。堆积地貌还包括其他堆积作用形成的特殊地貌类型,如风积平原、冰碛平原和熔岩高原等。
(二)第四纪地质
第四纪地质是历史地质学的一个分支,由于具有自己的特点已成为一门独立学科。它以第四纪期间的各种沉积物为研究对象,并通过沉积物各种特征的研究,来阐明第四纪地质作用的变化、生物界的演变、人类的发展、古气候的变化等重大问题,以恢复第四纪地质历史。
第四纪地质学的研究内容主要是研究第四纪沉积物的成因类型、第四纪地层划分和对比、拟定第四纪地质年表,以及第四纪古气候、生物演化、地壳的新构造运动现象等,并恢复它的历史和古地理环境。
水文地质和工程地质方面需要研究第四纪堆积物的岩性特征、成因类型、相对年代及第四纪地质历史的某些基本规律,这对工程的施工和工程后护理都是非常重要的。
1.第四纪堆积物的分类
第四纪堆积物与陆地地貌的演变,主要是在外力风化剥蚀与堆积作用下形成的。
第四纪堆积物的分类主要是根据其形成的地质作用、沉积环境和岩性特征等形成因素,划分若干成因类型(表1-12)。
2.主要的第四纪堆积物的特征
(1)残积物
岩石表面经物理,化学风化作用而残留在原地的碎屑物称为残积物。
残积物在形成的初期,上部的颗粒较细,下部颗粒粗大,但由于雨水或雪水的淋漓,细小碎屑被带走,形成杂乱的堆积物,没有层理、具有较大的孔隙度。残积物颗粒的粗细取决于母岩的岩性,因此,有些地区残积物是粗大的岩块,而另一些地区可能是细小的碎屑。残积物没有经过水平的位移,颗粒具有明显的棱角,但由于大的岩块受到重力作用在下坠过程中可能将周围小的岩块挤出,产生缓慢的、微小的水平位移。
残积物的成分与母岩的岩性密切相关,如花岗岩的残积物中,长石常分解成黏土矿物,石英常破碎成细砂,石灰岩的残积物则往往成为红黏土。
表1-12 第四纪堆积物成因分类
残积物的厚度取决于它的残积条件:在山丘顶部常被侵蚀而厚度较小,山谷低洼处则厚度较大,山坡上往往是粗大的岩块。由于山区原始地形变化较大和岩石风化程度不一,因而在很小的范围内,厚度的变化很大。
残积物一般透水性较强,以致残积物中一般无地下水,但当堆积在低洼地段而下伏母岩又为不透水层时,则有上层滞水出现。
(2)坡积物
高处的风化碎屑物由于雨水或雪水的搬运,或者由于本身的重力作用,堆积在斜坡或坡脚,这种堆积物称为坡积物。
坡积物的岩性成分是多种多样的,但与高处的岩性组成有直接关系。坡积物一般具有棱角,但由于经过一段距离的搬运,往往成为三角形。坡积物没有经过良好的分选作用,细小或粗大的碎块往往夹杂在一起。但由于重力作用,比较粗大的颗粒一般堆积在紧靠斜坡的部位,而细小的颗粒则分布在离开斜坡稍远的地方。
坡积物中一般见不到层理,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,结构显得比较疏松。一般具有较高的压缩性,在水中很易崩解。坡积形成的黄土,其湿陷性一般比洪积或冲积形成的黄土要高得多。
坡积层中的地下水一般属于潜水,在坡积物非常复杂的地区,有时形成上层滞水。
坡积物坡的坡度愈陡时,坡脚坡积物的范围愈大。
(3)洪积物
山区或高地上的暂时水流将大量的风化碎屑物挟带下来,堆积在前缘的平缓地带,这种堆积物称为洪积物。
洪积物具有一定的分选作用。距山区或高地近的地方,堆积物的颗粒粗大,碎块多呈三角形,离山区或高地较远的地方,堆积物的颗粒逐渐变细,颗粒形状由三角形逐渐变成亚圆形或圆形。在离山区或高地更远一些的地方,洪积物中则往往有淤泥等细颗粒土的分布。但是,由于每次暂时水流的搬运能力不等,在粗大颗粒的孔隙中往往填充了细小颗粒,而在细小颗粒层中有时会出现粗大的颗粒,粗细颗粒间没有明显的分界线。
洪积物具有比较明显的层理,但在靠山区或高地近的地方,层理紊乱,往往成为交错层理;在离山区或高地远的地方,层理逐渐清楚,一般成为水平层理或湍流层的交错层理。
洪积物中的地下水一般属于潜水,由山区或高地前缘向平原补给。由于山区或高地前缘地形高,潜水埋藏深,离山区或高地较远的地方,地形低,潜水浅,在局部低洼地段,潜水可能溢出地表。此外,如粗大颗粒的洪积物尖灭在细小颗粒的上面时,潜水也可能在粗细颗粒的交接处溢出地表。
洪积物的厚度一般是离山区或高地近的地方厚度大,远的地方厚度小。在局部范围内的变化不大。
(4)冲积物
河流在平缓地段所堆积下来的碎屑物,称为冲积物。冲积物根据其形成条件,可分为:
1)山区河谷冲积物。大部分由卵石、碎石等粗颗粒组成,分选性较差,大小不同的砾石互相交替,成为水平排列的透镜体或不规则的夹层,厚度一般不大。一般地说,山区河谷的堆积物颗粒大,承载力高,但由于河流侧向侵蚀的结果也带来了大量的细小颗粒,特别是当河流两旁有许多冲沟支岔时,这些冲沟支岔带来的细小颗粒往往和冲积的粗大颗粒交错堆积在一起,承载力也因而降低。
2)平原河谷冲积物。河流上游的冲积物一般颗粒粗大,向下游逐渐变细。冲积层一般呈条带状,具有水平层理,有时也成流水层或湍流层的交错层理。在每一个小层中,岩性的成分就比较均匀,有极良好的分选性。冲积物的颗粒形状一般为亚圆形或圆形,搬运的距离愈长,颗粒的浑圆度越好。平原河谷冲积物可分为:河床冲积物,河漫滩冲积物、牛轭湖冲积物和阶地冲积物。河床冲积物、河漫滩冲积物多为磨圆度较好的漂石,卵石、圆砾和各种砂类土,有时也有粉土、黏性土存在。在同一地段上,河漫滩冲积物的粒度一般较河床冲积物为小。在同一河漫滩上,靠河床近的冲积物的粒度比距河床远的为大。牛轭湖冲积物只有当洪水期间成为溢洪区时才能形成,此时,细砂或粉质黏土就直接覆盖在原来已形成的泥炭或淤泥层上。阶地冲积物的粒度常较河漫滩的为小,一般由粉质黏土、粉土和各种砂土所构成,有时也有卵石、圆砾的夹层。在黄土地区,阶地则往往为各个不同地质时期的黄土所分布。平原河谷冲积层中的地下水一般为潜水,由高阶地补给低阶地,再由河漫滩补给河水。平原河谷冲积物(除牛轭湖外),一般是较好的地基。粗颗粒的冲积物其承载力较高,细颗粒的稍低,但要注意冲积砂的密实度和振动液化的问题。
3)三角洲冲积物。三角洲冲积物是河流搬运的大量细小碎屑物在河流入海或入湖的地方堆积而成。一般分为水上及水下两部分:水上部分主要是河床和河漫滩冲积物,如砂、粉土、粉质黏土、黏土等,一般呈层状或透镜体。水下部分则由河流冲积物和海相或湖相的堆积物混合组成,呈倾斜的沉积层。三角洲冲积物中的地下水一般为潜水,埋藏比较浅。三角洲冲积物的厚度很大,分布面积也很广。由于三角洲冲积物的颗粒均较细,量大,土呈饱和状态,承载力较低,有的还有淤泥分布。在三角洲冲积物的最上层,经过长期的压实和干燥,形成所谓硬壳,承载力较下面的为高。
(5)湖泊堆积物
湖泊内由于机械作用、化学作用或生物作用而形成的堆积物,称为湖泊堆积物。
湖泊堆积物由于成因不同,可分为:
1)机械堆积物。自黏土至卵石,漂石均包括在内。一般夏季堆积的粒度稍大一些,如细砂等,冬季堆积的多为黏土颗粒,粉土颗粒。
2)化学堆积物。有石膏、岩盐、芒硝、硼砂以及泥灰岩、石灰岩及铁质的化合物等等。其中石膏、岩盐、芒硝、硼砂为咸水湖堆积物。
3)生物化学堆积物。湖盆中的生物死亡后所产生的有机堆积物,如硅藻土、贝壳堆积、淤泥和泥炭等。湖泊堆积物具有较好的分选作用,一般湖岸堆积物的颗粒较粗,湖心堆积物的颗粒较细。山区湖泊堆积物一般较粗;平原湖泊堆积物一般较细。湖泊堆积物的特点是具有明显均匀的很薄的水平层理。湖泊堆积物中淤泥和泥炭分布广、厚度大、承载力低。湖泊堆积物中的湖相黏土或多或少含有碳质、沥青质、石灰质、石膏质等,常具有淤泥的性质,灵敏度很高,承载力更低。但这种黏土分布广,具有水平、均匀的层理,差异性小。
(6)沼泽堆积物
在地表水聚集或地下水出露的洼地内,由植物死亡后腐烂分解的残杂物所形成的堆积物,称为沼泽堆积物。
沼泽堆积物主要为泥炭所堆积,而泥炭为有机生成物,呈黑褐或深褐色,其中还包含有部分黏土和细砂。
泥炭的性质和含水量关系很大,干燥压密的泥炭较坚硬,湿的泥炭压缩性较高。泥炭是尚未完全分解的有机物,在作为建筑物持力层时尚需考虑今后继续分解的可能性。
(7)滨海堆积物
滨海堆积物是指海洋中靠近海岸的,海水深度最深不超过20m的、经常受海潮涨落作用的狭长地带的堆积物。滨海堆积物由于经常受波浪的作用,因而化学作用和生物化学作用不易进行,主要是风化碎屑物的机械堆积作用。
滨海堆积物根据其堆积条件可分为:
1)陡岸堆积物。以粗大颗粒为主,是由陡岸悬崖上的崩塌岩块和海浪冲来的卵石,圆砾所组成。如陡岸下海水较深,则往往有淤泥和砂砾的混合堆积物。
2)海滩堆积物。堆积物一般有规律性,靠陆地边缘以卵石、圆砾、粗砂为主,往海域方向逐渐变为较细的颗粒,由砂、淤泥混砂等渐变为淤泥。
3)潟湖堆积物。一般以淤泥堆积为主,同时也有化学堆积作用。
滨海堆积物的颗粒由于海浪不断地冲蚀,滚成了圆形,分选性较好。同时由于海水动荡不已,而且常常露出水面,所以常有波痕、泥裂、交错纹、雨痕等等。
海滨堆积物的宽度与波浪及岸流的力量大小和海域的原始地形有关,其宽度最大可达数千米。在靠近河流入海处,滨海堆积物中常夹有成分不同的河流冲积物。在很陡的山地河流流入海洋时,可以携带大量的风化岩块或卵石,水流平缓的河流一般则携带大量的泥砂。这种河流堆积物往往破坏了滨海堆积物的分布规律。
(8)冰川堆积物
凡与冰川活动或与冰川融化的冰下水活动有关的堆积物,称为冰川堆积物。冰川堆积物根据其形成条件,可分为:
1)冰碛堆积物。由固体状态的冰川直接堆积,未经过水的冲刷或搬运的堆积物。
2)冰水堆积物。由冰川局部融化后的冰下水所挟带的碎屑物所堆积成的,称为冰水堆积物。
3)冰碛湖堆积物。冰川在移动时刨蚀所成的岩屑,被冰水带到冰碛湖,形成具有粗细颗粒交替沉积(夏季堆积颗粒粗,冬季细的纹泥,或称季候泥)的冰碛湖堆积物。
冰川堆积物一般没有分选性,杂乱而无层次,巨大的岩块和细小的砂,砾堆在一起,具有极大的不均匀性。
冰川在搬运过程中,岩块冻结在一起,互相间没有摩擦作用,因此冰碛堆积物中,岩块保留尖锐的棱角。冰川两侧及底部的岩块,由于和谷底或谷壁的摩擦,常常有擦痕存在。
冰川堆积物的厚度是不一致的,取决于冰川的形态与规模。一般山区冰川所堆积的厚度不大,且不是连成一片。
冰川堆积物中有时含有大量的岩屑,这些岩屑的黏结力很小,透水性弱,在开挖基坑如果造成地下水较大的水头梯度时,容易形成基坑坍塌。
(9)风力堆积物
在干燥的气候条件下,岩石的风化碎屑物被风吹扬,往往搬运一段距离,在有利的条件下堆积起来,称为风力堆积物。
风力堆积物中最常见的为风成砂及风成黄土。风成砂的来源很广,各种成因的砂,只要经过风的搬运,均可形成风成砂。风成砂也可由岩石受到吹蚀作用而直接形成。
风成黄土也是由各种成因的粉土颗粒,经过风的吹扬,搬运到比砂更远的地方堆积而成。一般不见层理,具有大孔性和垂直节理。