第四纪地貌学基础知识

第十章　第四纪基础知识

由于第四纪与人类起源的密切关系，所以对其研究就显得相当重要与严谨，其中包括第四纪的分期、成因，第四纪的沉积物，第四纪地球变化等。同时第四纪地层在矿产普查勘探、环境地质、环境地貌等方面也有很重要的意义。

第一节　第四纪与第四纪分期

一、第四纪

6 500万年前生物大灭绝后，地球进入到了新生代。新生代是地球历史的最新阶段，而第四纪是新生代的最后一个纪。关于其下限一直存在争议，支持较多的有1.8Ma和2.6Ma。虽然国际地层委员会推荐的第四纪下界年龄为1.8Ma，但是由于2.6（开始认为是2.48）Ma是黄土开始沉积的年龄，因而我国地质学家，尤其是第四纪地质学家基本都采用后者。

第四纪（Quaternary）一词是法国学者Desnyers于1829年提出的。他按当时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（Lyell）把海相地层中含无脊椎动物化石现生种类达90%和陆相地层有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规模冰川活动，故又称“冰河期”或“冰期更新世”。也有研究者鉴于第四纪是人类出现与发展的时代，建议把第四纪称为“人类纪”。

现代第四纪的概念是综合性的，第四纪是约2.6Ma以来地球发展的最新阶段。第四纪的特点是：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的冰川活动；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。第四纪是自然与人类相互作用的时代，它的过去、现在和未来变化都与人类的生存及发展息息相关。因此，第四纪研究在科学的理论和实践中有特殊重要的地位。

我国第四纪沉积物的主要类型有：陕甘宁晋的黄土堆积；青藏高原的冰川、冰水沉积；东部地区大小平原盆地中的河湖相及冰川沉积；沿海平原地区的海陆过渡相沉积，南海诸岛、台湾附近岛屿的珊瑚礁及磷灰岩沉积和鸟粪堆积。

二、第四纪分期

长期以来，人们一直在努力寻求放之四海而皆准的第四纪的标准地层，但是没有能够实现。因为第四纪的沉积物具有很强的区域性，同一时期，在不同的自然环境里和不同的地貌单元上，可以形成各不相同的地层；不同时期，在相似的自然环境里和同样的地貌单元上，可以形成彼此相似的地层。因此，不可能单纯依据岩石本身的性质来划分第四纪地层。

按照第四纪生物演变和气候变化，通常把第四纪分成4个时间尺度不等的时期：早更新世（Qp1）、中更新世（Qp2）、晚更新世（Qp3）和全新世（Qh）。相应的地层分别称为下更新统（Qp1）、中更新统（Qp2）、上更新统（Qp3）和全新统（Qh）。第四纪分期详见表10－1。我国传统上还将第四纪（系）二分为：更新世（统）（Qp）和全新世（统）（Qh）。

表10－1　中国第四纪的划分

注：据曹伯勋，1995。

按照第四纪生物演变和气候变化，第四纪按相应的地层分别称为下更新统（Qp1）、中更新统（Qp2）、上更新统（Qp3）和全新统（Qh），其时代分别与第四纪的早更新世（Qp1）、中更新世（Qp2）、晚更新世（Qp3）和全新世（Qh）各阶段相对应。本书采用大多数研究的意见，把古地磁极性布容时/松山时两极性时的分界年龄0.73Ma（距今73万年）作为中、早更新世年龄；晚更新世是以末次间冰期开始为界，其年龄约为130ka B P（或150ka B P）。全新世一般都以11ka B P或12ka B P为始期，中国目前用三分法：全新世早期（12～7.5ka B P）和全新世晚期（2.5ka B P至现在）。国际上常用七分的布列特方案，也有人将全新世四分。第四纪分期研究有利于底层划分对比，其年龄的测定除具地层学意义外，对环境研究也很重要。

第二节　第四纪沉积物及其成因

第四纪沉积物是指第四纪时期因地质作用所沉积的物质，一般呈松散状态。在第四纪连续下沉地区，其最大厚度可达1 000m。第四纪沉积物形成以后又受着各种自然因素和人类活动的作用与改造，留下了许多环境历史和环境变化的遗迹，记录着这许多自然过程。对其研究对于恢复和重建第四纪地质时期的地球发展史可提供丰富的科学史料。同时对于探索前第四纪地质历史时期地壳演化规律，阐明某些古老的地质作用和地质规律具有普遍意义，也为将来自然变动的预测和现代环境的保持、改善和利用提供宝贵线索。

第四纪沉积物是人类赖以生存的基础之一，人类生活和生产活动的主要场所是在第四纪沉积物上进行的，例如农业生产基地的规划和布局，大规模水利工程的修建，大型厂矿和城市建设，现代国防工程建设，铁路、公路和港口的建筑，地下水的寻找和利用以及某些矿产资源（砂金、金刚石、锡、盐、硼等）和建筑材料（土、砂、砾石）的开发利用等，都与这套地壳表层的松散沉积物密切相关，因此，研究第四纪沉积物对于认识和解决经济建设或军事工程实践方面的地质课题，也有着重大的理论和实际意义。

一、第四纪沉积物基本特征

第四纪形成的松散岩石一般称为“堆积物”“沉积物”或“沉积层”，如河流形成的“冲积物”或“冲积层”，洪流形成的“洪积物”或“洪积层”等。有的研究者认为对外动力搬运、分选和成层构造者才称为“堆积物”如“残积物”“重力堆积物”“地震堆积物”“人工堆积物”等。主要特征如下。

1.岩性松散

第四纪沉积物一般是形成不久或正在形成，成岩作用微弱，绝大部分岩性松散，少数半固结，绝少数硬结成岩。这一特点有利于将反应形成时的古气候、古环境信息保存下来，并易于进入沉积物内研究，采矿、施工易于进行，但也因此易于发生灾害。对第四纪沉积物露头要及时摄影、测剖面和采样。

2.成因多样

由于第四纪气候、外动力和地貌多种多样，由此而形成多种多样的大陆沉积物和海洋沉积物。各种成因的沉积物具有不同的岩性、岩相、结构、构造和物理化学性质与地震效应。因此，要求尽可能在野外对开挖出的原始剖面进行详细描述，并统计分析各种成因的堆积物。

3.岩性岩相变化快

即使同一种成因的陆相第四纪沉积物，由于形成时动力和地貌环境变化大，因此沉积物的岩性岩相变化也大。第四纪海相沉积物则远较陆相沉积物岩性、岩相稳定。

4.厚度差异大

剥蚀区第四纪陆相沉积厚度相对小，从几十厘米到十几米，堆积区（山前、盆地、平原、断裂谷地）可达几十米到几百米。沉积厚度大的、沉积连续的地区，采用钻探或物探可获得丰富的第四纪资料。

5.风化程度不同

陆相沉积物大多出露在地表，受到冷暖气候交替变化的影响，时代越老，风化越深。例如，早更新世——全风化到半风化；中更新世——半风化；晚更新世——薄的风化皮；全新世——未风化。研究地表不同时代沉积物的风化程度，对地层划分对比和工程建筑都有好处。但要注意同一时代沉积物地表和地下掩埋部分的风化程度不同。

6.含有化石及古文化遗存

有些第四纪陆相堆积物中，含有大型和小型哺乳动物化石、古人类化石、石器和陶器、用火遗迹（如灰烬和炭屑）及村舍遗迹等。

二、第四纪沉积物岩性

第四纪积物的岩性有碎屑沉积物、化学沉积物、生物沉积物、火山堆积物、人工堆积物。其中碎屑沉积物广泛分布在大陆和浅海地带，是工作中经常研究的对象，要求野外观察和室内分析相结合。

第四纪碎屑沉积物的粒级划分（表10－2）：砾石粒径＞2mm；砂粒径0.062 5～2mm；粉砂粒径0.003 9～0.062 5mm；黏土粒径＜0.003 9mm。

表10－2　碎屑粒级分类（温德华分类）与φ值关系

＊为φ＝－log2D或φ＝－（log10D/log210），（D为粒径，单位为mm）。

第四纪碎屑沉积物的命名法有二元命名法和三元命名法。砂砾沉积物二元命名法以砂（0.02～2mm）、砾（＞2mm）的含量（%）为依据（表10－3）命名，例如：根据砂和黏土的含量划分砂、亚砂土、亚黏土、黏土。三元命名以砂粒（0.02～2mm）、粉砂粒（0.002～0.02mm）、黏粒^[1]（＜0.002mm）的含量（%）为依据，按表10－4分类命名；或以砂粒、粉砂粒和黏粒100%含量为端元，制成三角图，样品按上述3个粒级含量的（%）投到三角图上的各区命名（图10－1）。

表10－3　第四纪沉积物的二元命名

注：据曹伯勋，1995。

图10－1　国际制土壤质地分类三角图

（据曹伯勋，1995）

沉积物颗粒粒径主要在0.25mm以上时，肉眼容易识别，采用二元分类法比较方便，可根据砾和砂的相对体积含量命名；当沉积物主要由细颗粒（粒径＜0.25mm）组成时采用黏粒、粉砂粒、砂粒相对含量（体积）的三元分类法。黏粒的相对含量是三元分类法的主线：黏粒含量＞50%时称黏土，黏粒含量为10%～50%时称亚黏土，亚黏土中砂粒含量占多数时称砂质亚黏土，粉砂粒占多数时称粉质黏土、粉砂质亚黏土。在实际工作中常出现一些过渡类型和特殊类型，这时应视情况命名。如黏土中常含较多砾石，可以命名为含砾石黏土。

表10－4　中国制土壤颗粒分级及质地分类表

注：据曹伯勋，1995。

第四纪有机沉积物、化学沉积物和火山堆积物依据沉积岩石学方法命名。人工堆积物以堆积物性质命名，如回填砂石、垃圾、碎石、金属物等。地震堆积直接以地震命名。

三、第四纪沉积物成因

第四纪沉积物的成因研究对水文地质、工程建筑、砂矿和环境分析都很重要。沉积成因研究从成因标志入手，同时要考虑物质来源和沉积环境。

（一）第四纪沉积物成因标志

第四纪沉积物的形成受地质营力、地貌和环境影响，因此沉积物的成因标志有3类：沉积学标志、地貌标志和环境标志。

1.沉积学标志

沉积学标志包括第四纪沉积物的岩性、结构、构造、产状和沉积体形状等特征，这一类标志能提供沉积物形成过程的外动力类型与沉积环境方面的许多重要信息。

1）岩性

第四纪碎屑沉积物的岩性研究，除运用沉积岩石学的方法和经验之外，针对第四纪沉积物松散、成熟度低、易风化和成岩作用微弱等特点，应注意下列几方面的综合研究。

（1）砾石。对大于2mm的砾石（或角砾）应尽量在野外统计研究其砾性、砾径、砾向、砾态、表面特征和风化程度，并根据统计数据制成相应图件（图10－2），这些资料能提供许多重要的宏观沉积学与环境特征。统计工作一般选在重要的层位或重要地点进行，在大约1m2面积新鲜露头上挂10cm×10cm线网，按网格逐个以下列顺序测量每个砾石的砾向、砾径、表面特征，最后打碎砾石研究其岩性和风化程度。

图10－2　砾石特征图

（据曹伯勋，1995）
（a）砾性；（b）砾径；（c）砾向：（d）砾态；（e）古流向；（f）砾向（ab面）密度图。
（a）～（d）的纵坐标分别为砾石中不同砾性、砾径、砾向、砾态、风化程度所占百分比

①砾性：组成砂砾石岩性的单一性与复杂性、可溶性岩的数量，抗蚀岩性的比例及近源和远源岩石等。

②砾径：要测量其长轴（a轴）、中等轴（b轴）、和短轴（c轴）（三轴大小以mm为单位）。可以等球体直径D或a轴大小表示砾石大小。测量时少数巨砾可不计在内，巨砾间填充的细砾也不统计。

③砾向：包括砾石扁平面（ab面）和长轴（a轴）的产状要素（砾石组构）。砾石扁平面的叠瓦式排列是一种较普遍的现象，大多数情况下ab面的优势倾向与流动介质［河流、洪流泥石流、冰川、海（湖）浪］运动方向相反（图10－3），其倾角值则是区别不同运动介质的一个重要参数。砾石长轴在河流主流区顺流排列。

图10－3　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年补充）

④砾态：指砾石的圆度、球度和扁平度。

（a）圆度是一个常用指标，它是砾石的磨圆程度。一般野外定性分五级：棱角、次棱、次圆、圆、极圆（图10－4）。

图10－4　砾石的圆度定性分级特征

（据曹伯勋，1995）

（b）球度。按克鲁姆（Krumbein）球度为。球度变化在0～1之间。

（c）扁平度（a＋b）/c。凯越（Cayeux）计算出不同环境下碳酸盐岩砾石的扁平度，提供判别古环境的参考标志（表10－5）。一般来说，个别砾石的砾态意义可能不大，但大面积的砾石统计与计算机分析则能提供砾态变化方向趋势与动力之间联系的重要信息。砾径、圆度和球度都随搬运距离而变化，其中砾径变化较为均匀，球度和圆度离源区较近时变化较为明显，以后逐渐稳定（图10－5）。但在第四纪沉积环境中，如冰下强制水流、河床壶穴中砾石受强冲刷和灰岩砾石受到溶解，它们的砾径变小、圆度和球度提高与搬运距离关系不大，此外冰川作用使砾石趋向熨斗化，洪流作用使砾石趋向球形化，河流和海（海）浪则使砾石趋于扁平化。但砾态也受原始岩块影响。

表10－5　不同环境碳酸盐岩砾石扁平度

注：据曹伯勋，1995。

图10－5　砾石在搬运过程中的变化特征

（据Krumbein，1959）

⑤表面特征：冰川作用在砾石表面有时留下许多细长冰川擦痕及新月形擦口和圆形抗压坑，而泥石流中砾石相碰产生纺锤状撞痕，崩塌岩块上则有砸痕。

⑥风化程度：砾石风化程度定性分为三级：全风化（一触即碎）、半风化（中心未风化）和未风化。应该选择相似岩性（最好是含铁或铁质胶结）的砾石比较风化程度，也可选用含铁岩石的砾石（30个左右）锯开统计其风化皮厚度平均值与标准差作风化程度比较。

（2）砂和黏土。小于2mm砂土在野外根据其外貌和物理特性可分为砂、亚砂土、亚黏土和黏土（或含砾的各种上述土）。应采集部分标本，通过室内粒度分析对野外命名补充修正。用粒度分析资料作出正态概率、频率和累积曲线（图10－6）。

图10－6　样品粒度分布曲线图

（据曹伯勋，1995）
正态概率曲线（黑粗虚线）和粗（C.T.）、细（F.T.）切点；索引总体（a～b）、跃移总体（b～c）、悬疑总体（c～d）。
点线为频率曲线，段线为累积曲线，长方柱为粒级直方图

①粒度特征：第四纪沉积物一般搬运距离短，成熟低，分选差，其正态概率曲线多种多样。据希斯（Sheas，1974）对1 100个粒度分析资料指出正态概率曲线有4φ、3φ、0φ三个切点，他认为曲线斜率和切点是受母岩物质的粒度分布及物质经受长期磨损效应的方式所控制。可以3φ（粒径d＝0.125mm，细砂的下限）为分界，正态概率曲线第一个切点所对应粒径小于3φ且砂砾含量大于50%的称粗粒型，有粗一段型、粗二段型和粗三段型；第一切点大于3φ且以粉砂黏土为主的称细粒型，有细一段型、细二段型；此外还有多段型（图10－7）。粗三段型是河流成因，粗二段型是河流、洪湖、风力或海浪成因，细一段型和细二段型一般为片流成因，多段型成因比较复杂。

图10－7　第四纪沉积物的几种主要正态概率曲线图

（⑤1据原成都地质学院，1980；①～④、⑤2据谢又予资料，1985）
①粗一段型；②细一段型；③1、③2粗二段型；④细二段型；⑤1、⑤2粗三段型；⑥多段型

根据正态概率曲线用福克和沃德方法从图上计算出的粒度参数，在沉积物成因和形成环境中有一定价值：

以上各式中φx称百分位数，是概率在x%处所对应的粒径（φ值），如φ50指概率50%所对应的粒径φ值大小。标准差（σI）反应沉积物分选程度（表10－6）。峰态（KG）变化在0.67～3（或大于3）之间，数值越大反映其频率曲线的中央峰越窄。偏态（SK）有正偏（偏粗）、正常、负偏（偏细），反应频率曲线峰的形态。利用上述4个粒度参数的两两相关性可以帮助区别不同成因与环境堆积物（图10－8），有时还利用CM图和罗辛概率曲线区别如泥石流和冰川堆积物等。

表10－6　σI分类及其分选性

注：据福克和沃德，1957。

图10－8　两类14个样品的σI与KG相关图

A.洞穴琥珀成因；B.沟谷和片流成因

频率正态曲线形态及其峰值粒径（φ值）大小和累积曲线形态都可以用于沉积物成因分析。

②颗粒表面电子显微镜扫描特征：利用电子显微镜对用强酸处理过的石英砂（有时用石榴石、锆石）扫描，可以提供一系列动力作用的微观特征，如海浪作用“V”形坑、风力吹蚀圆形洼、冰川作用擦痕和锐脊形态等。

2）沉积结构

沉积物结构（或组构）有大、中、小不同尺度特征。大尺度结构指沉积物变形变位和接触关系；中尺度砾石和砂的排列特征；小尺度则指镜下沉积颗粒的排列和颗粒间的关系等。本节讲的是中尺度结构，由于第四纪沉积物松散，难以采集结构、构造标本，故野外研究尤为重要。第四纪沉积物结构分流动介质和非流动介质类型，每一类型中又可分为定向结构和非定向结构。

（1）流动营力结构：

①定向结构。

叠瓦式排列［图10－9（a）］，即前述砾石向砾的扁平面（ab面）逆指上游的叠瓦式排列，不再赘述。

②非定向结构。

离散式［图10－9（b）］，砾石扁平面在砂土中无优势方位，ab面倾角大小不一，属急流快速堆积。(www.xing528.com)

弥散式［图10－9（c）］，无数细小角砾弥散分布在砂土中，如片流沉积物。

充填式［图10－9（d）］，巨砾间充填无数后续水流的细砾，多见于洪流和河流堆积物中。

（2）非流动营力结构：

①定向结构。

冰楔式［图10－9（e）］，砾石排列在楔状体两壁或a轴直插在楔体沉积物种，为永久冻土中古冰楔沉积物受冻融作用挤压形成。

多边形式［图10－9（f）］，平面上砾石排列成多边形或环形，为永久冻土区因冻融作用的上升与水平挤压作用形成。多边形结构有时与冰楔结构一致。

②非定向结构。

架堆式［图10－9（g）］，重力崩塌的岩块以点接触，彼此重叠不规则堆积，多空隙或部分空隙为细粒充填。

层间式（假层理）［图10－9（h）］，残积物的上部细土被风或水吹走后，露出的粗粒再风化成细粒，部分难分化粗角砾夹存在细粒间形成的结构。

图10－9　第四纪沉积物中主要结构图

（据曹伯勋，1995）
（a）叠瓦式；（b）离散式；（c）弥散式；（d）充填式；（e）冰楔式；（f）多边形式；（g）架堆式；（h）层间式

3）沉积构造

（1）层理。各种动力环境下形成的原生层理如图10－10所示。测量统计斜层理的二维或三维产状要素，可以获得古流向资料。

（2）楔状体。第四纪沉积物中保存有多种原因形成的楔状体沉积，如古冰楔、古泥裂、地震楔、重力楔、侵蚀楔、溶蚀楔等，它们可以提供沉积物成因、古气候和古环境信息（图10－11）。

图10－10　第四纪沉积物的不同成因层理图

（据曹伯勋，1995）
（a）沙丘沙纹层理；（b）周期性洪流的砂砾斜层理与水平砂土层理；（c）大河流砂砾的斜层理；（d）三角洲砂层斜层理；（e）滨海砂缓倾斜层理；（f）辫状河的砂、砾槽状层理；（g）波状层理；（h）粉细砂与黏土交互平行层理（g、h多见于河漫滩相和湖相）；（i）粒序层（上部有混入物，下部无混入物）

图10－11　第四纪沉积物中几种主要楔状体沉积图

（据曹伯勋，1995）
（a）古地震楔（F1、F2、F3为小断层）；（b）断层崩积楔（A1、A2、A3为断层角砾）；（c）古冰楔（发育在砂砾层中）；（d）古冰楔（发育在粉砂黏土层中）；（e）溶蚀楔（灰岩中，填有红土）；（f）冰川犁楔（箭头示冰川运动方向，楔体前方有小褶曲、断层）；（g）泥裂（中填风成沙）；（h）流水侵蚀楔，中填冲积砂砾；（a）、（b）图中黑色透镜体为泥炭，可供14C测定年龄

（3）结核。是第四纪沉积物常见的构造，多为次生，如黄土中的钙质结核。按结核与层的关系分别有顺层结核、穿层结核、含层结核和他形结核等（图10－12）。前两种反映地下水沿层间或垂直裂隙流动而沉淀碳酸钙，含层结核则是碳酸钙溶液不均匀浸泡沉积物的结果，他形结核则是土层中饱和的碳酸钙水溶液凝结而成。钙质结核的化学成分和矿物成分及其结晶特征有一定的环境研究价值。结核的中心或空心或偶含化石。

（4）网纹构造。又称蠕虫构造，是中国南方亚热带第四纪红土中的一种普遍次生构造。其特征是白色黏土条穿插于红土中，条带长从不足1cm到十几厘米，横径为1～2cm，呈无定向或陡倾斜排列，剖面上游大小疏密变化。

图10－12　几种钙质结核的产状物

（据曹伯勋，1995）
（a）顺层结核；（b）穿层结核；（c）含层结核；（d）它形结核（产于红土中）

网纹红土（蠕虫状红土）是亚热带湿热气候（间冰期）条件下强氧化的湿热化作用形成的，其成因初步确定为风成、水成或风、水综合作用的多成因说，其母岩一般早于网纹形成。

乔彦松等（2003）认为南方网纹红土主要来自近源的长江干河谷，次要来自北方的风尘堆积，邵家骥（1999）认为主要来自西北，由风力搬运至本区堆积，属风源物质经流水改造后形成的，具风坡积、坡冲积、冲积、洪冲积、洪积、湖积、湖冲积相等。网纹红土粒度的研究表明：网纹层至少有部分为风成或风积，部分区域的网纹红土则显示为水成。胡雪峰（1993）按粒度特征将网纹红土分为：①粒度均匀而细小，不含大于2mm的砾石，大于63mm的细砂粒的平均含量很低，10～50mm粒组明显富集，红土石英颗粒粒度频率分布曲线与北方黄土和下蜀黄土有很好的可比性，具风成特性，如宣城和九江的网纹红土；②各粒级组分在层次间变化明显，10～50mm粒组富集不明显，表现出明显的冲、洪积相特征，如泰和、赣州的网纹红土，粗颗粒含量较高。乔彦松等（2003）对安徽宣城剖面的研究同时发现了风尘和河流沉积的粒度证据：网纹红土中、上部粒度曲线具双峰的特点，是典型风尘沉积所具有的特征；中下部的粗颗粒主要由次棱角状至次圆状的、粒径分布于50～300μm的石英颗粒组成，粒度曲线具多峰的特点，是河流沉积的特征。

2.地貌标志

地质营力在剥蚀的同时在其附近又形成堆积物，地貌学在某种意义上，就是研究地表的剥蚀和堆积关系的科学。所以剥蚀和堆积地貌是第四纪沉积物成因研究的一种特有标志。

1）直接地貌标志

根据堆积地貌的形态可以判别堆积物的成因，如洪积扇、河流阶地分别指示其组成物属于洪流成因和河流成因。但若堆积地貌破坏严重，则要先恢复其形态特征。

2）间接地貌标志

利用剥蚀地貌推断其相关沉积物的成因和时代。相关沉积物是指外力作用在剥蚀区塑造剥蚀地貌的同时，将破坏下来的岩屑搬运到相邻地区堆积，这种堆积物就是剥蚀区地貌的相关沉积物。相关沉积一词指出地貌与堆积物的时、空联系，两者成因相关，同时形成。在很小范围内，如沟口冲出锥是冲沟的相关沉积物；较大范围内，谷口冰碛、冰水沉积物是山地冰川剥蚀地形相关沉积物。广而言之，平原（或盆地）堆积物是山地剥蚀地形的相关沉积物。在后一种情况下判定相关沉积物，必须研究平原区地下松散沉积物成分与剥蚀（物源）区基岩的联系，以及松散沉积物粒度垂向上从粗→细的韵律性变化所反映的山地从陡峻强烈切割到逐渐夷平的过程（图10－13）。

图10－13　相关沉积分析图示

（据曹伯勋，1995）
Ⅰ、Ⅱ代表山区剥蚀地形（如古冰川地形、夷平面等）形成两个阶段。Ⅰ′、Ⅱ′代表山前（或盆地）别与Ⅰ和Ⅱ时代相同、成因有关的相关沉积物（呈从粗→细粒度变化，反映山地的夷平过程）

3.环境标志

环境标志有物理、化学和生物3类环境标志。

1）物理环境标志

包括对沉积形成有重要影响的气温、降水、外动力作用类型、强度及其方向、古地磁环境参数等。

2）化学环境标志

指与沉积物有关的水体、大气、土壤和地下水等的化学成分与区域地球化学性质。

3）生物环境标志

指与沉积物形成有关的指示性动植物化石和遗迹。

对上述各类沉积物成因标志进行综合分析，并根据实际情况有所侧重，是研究第四纪沉积物成因的基本要求。

（二）第四纪沉积成因类型

一种地质营力可以出现不同的气候带或地貌单元。以河流为例，按气候带有寒带、温带、干旱带、亚热带和热带河流；按大型地貌单元有山地河流和平原河流；按形态单元则有曲流河、辫状河等。

沉积物成因类型分析是以研究某一地质营力在不同环境所形成的沉积物的共同特征为主，并以这种共同特征指导区域和单元形态的沉积物成因研究。但应注意地质过程的复杂性，如温带平原曲流河所形成的冲积物，被视为河流沉积物的典型，而其亚型则多种多样。

第四纪沉积物成因类型分析是第四纪地质研究工作中的一项重要的基本工作，贯穿在野外到室内工作的全过程，其分析步骤如图10－14所示。

第四纪沉积物成因类型与岩相两者含义既有联系又有区别。岩相是具有相同岩石学和古生物学特征的岩石单位，与较长地质时期（一般大于1Ma）内地质作用平均总和的沉积环境相对应，其结论用于矿产的价值比用于环境的价值大，第四纪沉积物成因类型研究是以2.4Ma以来的动力、地貌、古气候、古环境和灾害形成的沉积物为主要研究对象，其解析程度可以达到10ka、1ka、100a甚至1a，其结论除用于第四纪矿产和水文、工程地质外，还可用于环境与灾害研究和变化预测。两者的共同点在于方法学上有若干相似之处，如都以现代沉积物为参照。张可迁（1993）在分析第四纪沉积物的沉积相和成因类型时，指出：沉积物的成因类型与岩相不是补充或相互补充的关系，而是从属关系；成因类型和相是两个不同的系统，服从于不同的规律，两者的分布范围是交叉的。

图10－14　沉积物成因类型

（据曹伯勋，1995）

最早提出成因分类和“成因类型”这一术语的是巴甫洛夫（1888）。一般采用成因分类，但成因分类的原则至今尚无统一定论，有的学者分得比较笼统，只有一个等级，十几种类型；有的学者将系统分得比较复杂，如向尼古拉耶夫（1946）、桑采尔（1948）、雅克甫列夫（1954）。以上分类体系存在的不足是：①划分成因等级的原则不明确，有时有自相矛盾之处；②某些成因等级运用了不恰当的分类指标，因而破坏了第四纪沉积物分类的公正性；③引用了某些尚无统一概念的术语，使成因类型更加混乱。

划分第四纪沉积物成因类型的原则是根据沉积物形成的主要动力条件，凡以一种地质营力为主形成的沉积物划分为单一沉积物成因类型，如河流冲积层、湖积层、洪积层等；以两种地质营力为主形成的沉积物为混合成因类型，如冲洪积层（洪积为主）、洪冲积层（冲积为主）等。不应划分出多于两种以上的地质营力的混合类型，以免增加成因类型的模糊性。普遍常见的成因类型是残积物、坡积物、洪积物、冲积物、湖积物及它们组成的有关混合类型。

根据沉积物的成因一般将沉积物划分为残积物、重力堆积物、坡积物、洪积物、冲积物、湖泊沉积物、沼泽沉积物、海洋沉积物、地下水沉积物、冰川沉积物、风成沉积物、生物沉积物、人工堆积物等类型，火山碎屑沉积物是一种特殊的成因类型。每一种成因类型可根据不同的情况划分为不同亚类，如湖泊沉积物根据湖水的矿化度可划分为淡水湖沉积物与咸水湖沉积物。不同的成因类型间还有一些中间类型或过渡类型，如三角洲沉积物是一种冲积湖泊沉积物或冲积海洋沉积物，冰水沉积物是一种冰川河流沉积物等。

本书所推荐的分类如表10－7所示，首先按大陆、海洋和过渡环境分出三大类沉积物系统。陆地沉积物系统按地质营力的类同和沉积物在剖面上的组合又分若干沉积物成因组。在成因组之下按地质营力的个别特征分为若干沉积物成因类型。成因类型按岩性结构特征或亚环境中营力特点又可分为亚类。

在不同气候带和不同的新构造单元，外力作用的组合不同（图10－15），因而有不同的沉积物成因类型组合。上升区发育重力堆积、冰川堆积；断块山前发育大规模洪积物；下降区湖相河流相很厚。因此沉积物成因类型组合可以反映古气候带变化与新构造运动的状况。

表10－7　第四纪沉积物成因分类

注：据曹伯勋，1995。

图10－15　不同气候带的外营力组合

（据尼古拉耶夫，1957，修改）

第三节　第四纪地球环境变化

引起第四纪地球环境变化的主要动因是气候变化和新构造运动，而人类活动加剧了对现在和未来环境的影响。不同时间与强度尺度的气候变化和地壳新构造运动导致地表各地物理要素［气温、降水、蒸发、地形（包括海湖面）及其高度、外动力、沉积作用、地应力、重力、地下流体和地磁要素等］、化学要素（大气、地表水、地下水、土壤水和沉积物化学成分等）和生态要素（动植物种类、生物产量等）发生不同程度的相应变化，使地表物理、化学和生态环境的相对平衡受到破坏与再造，从而使地表自然环境不断改变，并不同程度地引发渐进的和急剧的自然灾害。

人类在第四纪形成演化过程中经历过多次相对极端的严寒和高温（或干冷与暖温）的环境互变，并通过自身的改变（如身高、四肢长度和脑量变化等）和适应环境的能力，承受过多次环境转换带来的冲击，才发展成今天的人类。现代人类社会今后要保持与生存环境和谐并持续发展，必须了解过去，尤其是第四纪自然环境变化的历史规律与古环境和现代自然环境的特点，并对未来自然环境的演化趋势进行预测研究。现代环境在自然力和人类活动加剧的负面影响叠加作用下，未来的发展趋势及其可能发生潜在的超级灾害已成为全球关心的重大问题。

一、第四纪气候变化

第四纪气候研究，除对第四纪矿产、地层划分对比、水文及工程地质等有应用价值外，它还负有探索未来气候与环境变化的重要任务。在今后百年以内，全球最重大的环境问题是地球的气候变化，而未来气候变化对人类、生物界和许多经济部门，将产生十分深远的影响。研究未来气候变化，往往要涉及第四纪甚至上新世气候变化的历史，它能给未来气候变化的研究，提供最有价值的参考信息。

气候是自然环境形成发展的主要动因之一。气候是在太阳辐射、大气环流和下垫层（山岳、平原、海洋）的相互影响下形成的长期天气状况的综合。此外，现代人类活动造成的大气污染对现代和未来气候变化有重要的影响。太阳辐射传热给地球是气候变化的主因。大气环流把水和热输送到地球不同的部分（见图7－2），两者都随纬度和高度不同而变化。下垫层性质不同使同一纬度带的气候类型也不相同。季风使水、热分布和气候的地区差异更为明显。

现代地球气候在上述自然因素影响下呈现纬度、高度与区域地带性和多种气候类型（见图7－2，表10－8）。全球南北极圈内是寒带，南北回归线之间为热带，寒带与热带之间是温带。通常把寒带与温带之间的过渡带称为亚寒带，温带和热带之间的过渡带称亚热带。由于影响气候的因素具多样性，因此各纬向气候带并不完全与纬度平行。山地海拔5 000m以上的气候为相当于寒带极地气候的高山气候，以下依次相当于亚寒带、温带、亚热带气候，其下部基带气候取决于山地所在的纬度气候带。北半球欧亚大陆和北美大陆东部季风区与西部气候有显著的差异。上述现代地球气候格局是研究第四纪气候变化的参照系统。在地球历史上，引起太阳辐射、大气环流结构和下垫层性质改变的因素多次出现，都曾导致出现过不同的气候格局。第四纪、现在和未来的气候格局变化对人类的影响最大（图10－16）。

图10－16　地球气候变化的时间级序图

（据曹伯勋，1995）

表10－8　现代地球自然带与主要气候类型

续表10－8

注：据曹伯勋，1995。

地球气候变化是由不同原因引起的不同时间尺度变化叠加的复杂变化系统。据多学科研究，它包括1Ga～1a时间尺度变化，其中1Ga～10Ma的气候变化记录保存在前第四纪地层中，如元古宙、古生代冰期，主要属于地史学研究范围。1Ma～1ka级的最近气候变化历史主要记录在第四纪沉积物和相关地貌中，属于第四纪研究范围。最近102a级以下的气候变化历史主要保存在历史记载、物候和仪器记录档案中，是气候学研究的主要对象。不同时间尺度的气候变化研究可以相互补充与验证。

第四纪气候变化的基本特征是冰川性冷暖交替及与其相关的干湿交替变化。其中10Ma—10ka级的气候变化在高纬高山区表现为冰期与间冰期交替，冰流周期性规模不等的扩大与缩小；在广大的中低纬区则主要表现为受高纬冰期和间冰期气候影响的干（冷）湿（暖）气候交替变化。这一时间尺度气候变化的环境效应十分明显，主要是引起全球性大规模气候带的纬向（南北）与垂向（上、下）往返移动和宽窄变化、气温和降水大幅度增减、海平面大幅度升降、动植物群的极向和赤向迁移（或山地上下迁移）与改组，以及沉积物和地貌形态的明显转变等。上述各种变化中除海平面变化外，其他的变化都从高纬（或高山）往赤道（或山下）方向趋于变小，且也存在地区差异。103—102a级的气候变化主要表现为较小规模的冰川进退与气温和降水量的变化，其环境效应主要反映在气候的干冷与暖湿交替、较小幅度的海平面升降、植物演替、动物迁移、土壤类型变化、地下水面升降等。10a级以下的气候变化对气温、降水量、冰雪线与林线位置、冻土边界和地下水位等的变化有重要影响，由此引发的重力与旱涝风雪灾害频率与强度变化对工农业生产有重要影响。气候变化的方式既有周期性的长期渐进的变化，也有短期的急剧变化。寒暖（或干湿）气候互变的阶段和短期急剧的变化对生物界产生的环境冲击最大，这在全球或区域相对立的气候类型频繁交替变化的气候敏感带尤为明显。

二、新构造运动

新构造运动指新近纪（中新世开始）以来发生的地壳运动，相应的时代称新构造时期。新构造运动有水平运动（板块运动）、垂直运动、断裂活动、火山活动和地震等。新构造运动是引起第四纪自然环境变化的另一个主要因素，这一内力作用也引起一系列环境效应并影响地壳的稳定性。新构造运动的时间尺度为10Ma～s。10—0.1Ma级的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，可以改变部分下垫层性质，并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，使该区地壳从新近纪以来加速隆升，发展成世界屋脊（称为世界第三级），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。10—1ka级新构造运动造成较小地区和幅度的地壳升降、活动断层和水系变化等。但是小区域频繁而强烈的垂直运动或水平运动，对该区地壳稳定性影响很大。102a级以下的新构造运动除活动断层外，还表现为地应力、地形变、地倾斜、地下流体与气体、地电、地热变化、构造性地面沉降、地裂缝、火山活动和地震等［地震活动以秒（s）计］，这些（尤其为活动断层、地震和火山活动）是影响区域和局部地壳稳定性及激发地灾的重要原因。地震危害仅次于洪灾。一般来说，短时间尺度（尤其是50ka B P以来）地壳运动是在该区长时间尺度地壳运动的基础上发展而来的，所以评价地区地壳稳定性后者是前者的背景，前者对大型地上、地下工程和地质灾害有直接影响。非构造性地壳活动，如冰盖区消冰后地壳的均衡补偿上升，岩溶引起的地陷；人为活动如水库蓄水诱发地震，抽水和地下施工引起地面沉降等，虽成因与新构造运动不同，但对工程的危害相当显著（图10－17）。

图10－17　不同成因和时间尺度的地壳运动

（据曹伯勋，1995）
（a）对全球和大区域环境有重要影响的地壳运动：1.板块活动；2.新近纪以来大陆上升及叠加其上的次级升降运动；2′.大陆冰盖区消冰后的地壳平衡补偿上升；3.大型走滑断层（或深大断裂）。（b）对区域或局部地壳稳定有重要影响的地壳活动：4.不同规模的活动时间尺度的活动断裂（包括发震断层）；5.古地震与现代地震；6.古火山活动和现代火山活动；7.自然和人为地陷（或地面沉降）；8.近代构造性或人为地裂缝；（b）类是由（a）类引起的。Ⅰ.历史和现代地壳运动，危害性最大；Ⅱ.全新世地壳活动，危害性大；Ⅲ.晚更新世（尤其50ka B P以来）地壳活动，有危害性；Ⅳ.晚更新世以前的新构造运动，是评价前三类危害性的背景

三、人类活动影响

人类社会在短短的3ka内，从原始社会发展到农业社会、工业社会，在取得重大物质文明成就的同时，也逐渐形成对环境的压力，尤其是在1760年前后的工业革命以来，由于经济发展、人口增加和人为活动加剧，在地球各圈已出现了严重问题：

大气圈——空气污染，酸雨，臭氧层出现空洞、CO2等温室效应气体增加使全球气候变暖，不时出现旱、涝和风雪灾害，尤以洪灾损失最大。

水圈——淡水资源匮乏，江河湖海水质污染严重，海平面有所上升，地下水面不断下降。

生物圈——毁林和物种消失的趋势在发展，人口不断高速增长，生态环境恶化。

岩石圈——能源（石油、煤、天然气）日益消耗减少，人为激发的地灾不断，荒漠化和草原退化趋势在发展，水土流失严重，土地资源不断丧失。

人为活动造成的地球各圈层恶化趋势，既在一定程度上干扰和破坏了自然变化的过程，又对人类社会构成环境、生态、资源和人口压力。因此，研究未来全球气候与环境变化发展的趋势对于人类社会与环境的协调持续发展意义重大。

现代环境是由第四纪环境演变而来，将来的环境是现代环境在自然力和人为活动共同影响下的发展。鉴古知今，古今结合论未来是研究环境发展的重要思路。所以在全球多学科交叉的“地圈与生物圈计划（IGRP）”及其核心计划之一的“古全球变化（PAGES）计划”，要求对2ka B P、10ka B P和0.13Ma B P及第四纪乃至上新世末的古气候与古环境进行研究。把古气候历史和古环境再造研究与建立气候预测模型结合起来，探讨和预测未来全球与区域气候及环境变化趋势，是一个重要途径。南北极与青藏高原地区、深海、大湖沼、冰岩钻孔岩芯、黄土、岩溶洞穴堆积物、孢粉组合、古树、珊瑚和历史考古资料等从不同地区与角度提供了最丰富与最完全的最近地球历史时期的气候与环境变化记录，开发和利用这些自然记录、仪器记录和模拟实验相结合，可以促进与深化全球变化研究和提高预测的可信度。

思考题

一、名词解释

第四纪；第四纪沉积物；第四纪气候；新构造运动；沉积结构；沉积构造。

二、简述

1.简述第四纪沉积物的基本特征及其原因。

2.简述第四纪沉积物的旋回性及特征。

3.第四纪沉积物成因判定标志有哪些？

4.划分第四纪沉积物成因类型的原则和方法有哪些？

5.试述第四纪沉积物与地貌的相关性。

6.简述第四纪沉积物的命名原则。

7.简述第四纪沉积物的研究意义。

8.第四纪地球环境变化的动因有哪些？

【注释】

[1]黏粒的大小尚无统一方案，有＜0.001mm、＜0.002mm、＜0.005mm三种意见。黏粒不等于黏土，黏土是不同细粒的混合物。