外动力地质作用及第四纪沉积物

概述

在地表及地表附近——太阳能 → 昼夜及季节的温度变化，流动的水、大气，生物活动 → 风化破坏地表岩土、剥离原地、搬运到低处沉积下来。
外动力地质作用–能量来自地球外部，作用于地表及地表附近。
机械破环、化学分解、溶解——形成各种各样的侵蚀沉积地貌
四个阶段——风化、剥蚀、搬运和沉积
主要营力：冰川、地表流水（河流）、风（荒漠）、湖泊、地下水（岩溶）、海洋
注：第四纪–地质历史的最近的一个纪（258 万年以来）。

沉积物的结构：

主要指沉积物组成颗粒的以下 3 个性质：主要尺寸大小、尺寸大小的分布、颗粒形态（磨圆程度）

颗粒的尺寸大小
- 砾石：>2mm
- 砂：2 - 0.05（0.075）mm
- 粉砂：0.05（0.075）- 0.005mm
- 粘粒：<0.005mm
- 括号中是 土力学 中所使用的数据！
颗粒尺寸大小分布，分选性
- 粒度一致 – 分选性好，粒度不一致 – 分选性差
颗粒形态：磨圆程度，棱角鲜明的←→圆滑的；磨圆很差→好：棱角状、次棱角状、次圆状、圆状。
- 常与搬运距离有关

沉积物的构造：

沉积物颗粒的分布和排列特征。对于第四纪沉积物，主要是层理构造。
层理构造：沉积物的成分和结构成层状分布。

沉积物的成分：

沉积物组成颗粒的矿物或岩石成分，通常和粒径有关：

粗粒径——硬质岩石/矿物
细颗粒——软弱成分：粘土矿物，有机成分

以河流沉积物为例：

砾石：岩石，粒径越大，通常成分越复杂
砂、粉砂：石英颗粒为主，少量长石、白云母等——占到 90%以上，除此以外可能有锆石，磁铁矿
粘粒：粘土矿物为主

沉积物的工程性质：

力学性质（承载力，变形）
水理性质（透水性，软化性）
承载力 变形 透水性 软化性

粗粒大小强弱

细粒小大弱强

密度高 大小 ↓ ↓

密度低 小大 ↑ ↑

	承载力	变形	透水性	软化性
粗粒	大	小	强	弱
细粒	小	大	弱	强
密度高	大	小	↓	↓
密度低	小	大	↑	↑

风化作用

风化作用及其类型

在地表环境中的岩石，由于温度变化、水、大气、及生物的作用，使之发生机械破碎、化学分解，溶解等破坏作用，称为风化作用。风化作用是一种原地破坏作用。如果不在原地——那么就不再是风化作用

机械破碎作用—物理风化；

化学分解破坏—化学风化；

生物破坏作用—生物风化。

物理风化作用
- 温度变化——由于岩石空隙中水的冻结及盐类的结晶，使岩石发生破碎崩解，而又不改变其化学成份，这种过程称物理风化作用。物理风化使完整的岩石破坏成碎块及岩屑。
- 从两个方面导致岩石破坏
- 破坏岩石中矿物的粒间联结：岩石多半是非均质体，组成岩石的不同矿物各具不同的热膨胀系数。当温度变化时，不同矿物发生不同的体积胀缩，从而破坏不同矿物晶粒间的联结，使原本紧密完整的岩石内部变得松散；
- 使岩体产生裂隙：岩石是热的不良导体。在昼夜温差显著的地区，上午—内凉外热的温差，而夜里—外凉内热的状态。这种温差造成岩石内外的昼夜不均匀胀缩，在岩石中形成裂隙，使之渐渐解体。举例：李冰火烧水激法凿穿玉垒山
- 发生此种破环现象：在均匀块状构造岩石（如花岗岩）的出露地区，岩石表层常发生层状剥离现象。棱角突出的地方温度变化越快——变成球形
- 冰劈作用：水膨胀——地表岩石中的孔隙和裂隙中的水结冰时，体积比原来的水增大 1/11 左右，对岩壁产生的压力可达96MPa以上。冰劈作用在高纬度和高山区发育最甚。
化学风化作用
- 化学风化—水溶液、水中的氧及酸类对岩石的化学破坏，将原生矿物（如长石、角闪石、辉石等）变成在地表环境下较为稳定的次生矿物（如粘土矿物等）。化学风化有以下几种方式：溶解作用，氧化作用，水化作用，水解作用。
- 溶解作用：常见可溶矿物及其溶解度：岩盐(NaCl)（溶解度→360g/L）、石膏(CaSO4·2H2O)（1-2）、方解石(CaCO3)（10^-3^ -10^-2^）。当水中含有一定量的 CO2时，会大大提高对方解石的溶解能力（PH 值降低 1，溶解度提高约 10 倍）。重点是对石灰岩的溶解
- 氧化作用：低价氧化物和硫化物最易遭受氧化作用。如黄铁矿（FeS2）在水的帮助下很容易氧化成褐铁矿（Fe2O3·nH2O）
- FeS2+O2+H2O →→→ 2Fe2O3·H2O＋6H2SO4：硫酸有很强的溶蚀能力
- 水化作用：吸收一定量的水到其晶体结构中，形成新的含水矿物。如 CaSO4+ 2H2O → → → → CaSO4·2H2O：膨胀 80%
- 水解作用：在一定条件下，水与岩石的组成矿物发生作用时，矿物成分可被分解，并和水进行化学成份的交换，形成带 OH^-^的新矿物。主要的化学作用
- 如长石经水解后可形成高岭石： 4KAlSi3O8 + 6H2O → → Al4(SiO10)(OH)8+8SiO2+4KOH
- KOH 和部分 SiO2 呈溶液及胶体状态随水迁移，难溶于水的高岭土和蛋白石(SiO2·nH2O) 残留原地。
生物风化
- 生物的作用对岩石的破坏称生物风化。
- 机械破坏作用：动物（如鼠蚁等）在岩土中的活动、植物根系的穿插和剥离，使之疏松破碎。例如，“根劈作用”。
- 生物化学作用：微生物及植物根系在新陈代谢中产生的酸类，侵蚀破坏岩石。
- 化学风化及生物风化作用中的关键因素：水和温度。
  - 湿热气候条件，化学风化和化学风化作用为主，风化作用可达很深（几十米以上）。风化产物有大量粘土矿物。
  - 而在干燥和寒冷地区，则不发育化学风化作用，风化层一般很薄。风化产物以碎屑为主。

影响风化作用的主要因素

由于地理、地质条件的不同，陆地表面各处风化作用的性质、风化破坏程度和风化带深度，都会有很大差异。
气候条件 – 决定风化作用的类型和总体强度。
- 在干燥及寒冷的沙漠、高山及高纬地区，温度变化幅度大，缺乏水的活动。因而这里物理风化作用占主导地位，化学作用微弱，岩石多被破坏成碎块和碎屑，很少出现粘土矿物，风化带深度一般不超过数米。
- 而在高温多雨的湿热地区，生物繁茂，生物的新陈代谢活动旺盛，产生大量的有机酸。这样的气候有利于化学风化和生物风化作用。硅酸盐矿物被分解得较彻底，形成大量的残余粘土，风化深度可达数十米以上。
地质构造和岩石性质 – 影响不同构造部位及岩体（岩性）的风化程度。造成同一地段的风化差异。
- 主要是断裂（断层和裂隙）。因为断裂不但破环了岩石的完整性，还给地下水的活动提供了方便。所以在断裂发育的地段，风化作用强烈，作用深度也异常加大。构造破碎带在地形上往往造成低地形或沟谷。因而在野外地质工作中，有逢沟必断的说法。

岩石性质——不同的造岩矿物，由于其化学成份和力学强度的差异而影响其抗风化能力，尤其是在化学风化作用下的稳定性。

相对稳定性	造岩矿物
很稳定的	石英
较稳定的	粘土矿物、白云母、正长石、酸性斜长石
不太稳定的	角闪石、辉石
不稳定的	黑云母、橄榄石、基性斜长石

另外，方解石和白云石有一定的溶解性。
岩浆岩矿物：石英→ 长石→ 角闪石→ 辉石→ 橄榄石。抗风化能力由强到弱
岩性：酸性岩 →→ 中性岩→→ 基性岩→ → 超基性岩：成分：石英、正长石、角闪石、斜长石、辉石、橄榄石。抗风化能力由强到弱
沉积岩矿物：碎屑(石英等)、白云石和方解石、黏土矿物，抗风化能力：由强到弱，不容易发生化学风化，沉积岩抗风化能力总体比岩浆岩好，虽然强度较低
由于抗风化能力的差异，不同岩石相互接触或互层的地方会出现差异风化现象。
差异风化：白云岩中的岩墙，遭受严重风化，剥蚀后形成凹槽地貌。白云岩虽有微弱的溶蚀性，但在北方较干旱的气候条件下，未见溶蚀现象。出露的白云岩非常新鲜。

人的活动对风化作用的影响：
- 直接的作用：人的各种生产建设活动，直接造成地表及地表附近岩土的改造，及自然过程的改变。如耕种和放牧活动、筑坝、采矿、抽取地下水等。
- 间接的影响：人类活动改变岩石圈、大气圈和水圈的特性，从而影响地质作用的自然过程。如大量 SO2排放造成酸雨、温室效应对全球气候的影响等。

风化作用的产物：风化带和残积物

风化作用使地表附近的岩石发生化学破坏和机械破碎，矿物成份和完整性发生不同程度的改变，形成与原岩性质不同的风化带。另外，侵蚀和生物作用，可能使得最表层失去部分组分、或混入外来成分，形成残积物和土壤。
在垂直剖面上，从地表向下，依次为：土壤（可能缺失）、残积物（可能缺失）、风化带（可能缺失）、新鲜岩石
《岩土工程勘查规范》GB50021-2001（2009 年版）划分出 4 种风化程度的岩石：全风化、强风化、中等风化和微风化。

风化程度	特征描述	波速比 Kv	风化系数 Kf
残积土	组织结构全部破坏，已风化成土状，锹镐易挖掘，干钻易钻进，具可塑性。	<0.2	̶
全风化	结构基本破坏，但尚可辨认，有残余结构强度，可用镐挖，干钻可钻进。	0.2 ~0.4	̶
强风化	结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙很发育，岩体破碎，用镐可挖，干钻不易钻进。	0.4 ~ 0.6	˂ 0.4
中等风化	结构部分破坏，沿节理面有次生矿物，风化裂隙发育，岩体被切割成岩块。用镐难挖，岩芯钻方可钻进。	0.6 ~ 0.8	0.4 ~ 0.8
微风化	结构基本未变，仅节理面有渲染或略有变色，有少量风化裂隙。	0.8 ~ 0.9	0.8 ~ 0.9
未风化	岩质新鲜，偶见风化痕迹	0.9 ~1.0	0.9 ~1.0

水利水电也有一个规范，不太一样
残积物是残留在原地未被搬运的那一部分原岩遭受风化侵蚀后的产物，（而另一部分则被带走）。残积物与风化层通常很难截然划分开。残积物的特征 (成分、厚度)，主要受气候条件（风化类型）、母岩类型和地形等因素影响。
气候条件：

湿热气候条件，化学风化强烈，有条件形成较厚的残积物（可达几十米）和风化带（可达几十米以上）。残积物以粘土矿物为主；干冷气候条件，物理风化为主，化学作用弱，风化带和残积层都薄，风化产物中粗颗粒为主：

粗细不等 – 分选差

棱角显著 – 无磨圆

没有层次 – 无层理
母岩类型：在强烈化学风化条件下，不同母岩的风化产物不同。例如，两种典型的风化残积物:
- 南方石灰岩、白云岩、玄武岩及红层发育地区，形成残积红土和红粘土。
- 南方花岗岩地区，形成残积砂砾质粘土。
地形：平缓的山坡上，剥蚀作用弱，风化产物易于保留，形成较厚的残积物。陡坡缓坡区别
残积物的工程地质性质：
- 残积物的力学性质与其成分和含水量状态有关（以粘土质成分为主者）；
- 残积物常常具有一定的结构性，因而其强度比同样孔隙比的其他沉积物要大。所以对残积物力学性质的评价使用原状土和扰动土会有很大的差别，应注意采用原位测试手段；
- 另外，受岩体构造差异的影响，残积物空间均质性较差。

冰川的地质作用

冰川类型：大陆冰川、山岳冰川（山地冰川）

刨蚀 作用——类似木工的刨子

地貌：冰斗、角峰、刃脊、U 型谷、悬谷

冰斗：冰川侵蚀形成的簸萁状洼地，具三面陡壁。
刃脊：冰斗扩大、山峰后退，相邻冰斗间形成陡峭山脊。
角峰：刃脊交会的山峰。
U 型谷：冰川流动过程刨蚀冰床形成的剖面为 U 形的谷地。
悬谷：主冰川侵蚀深、支冰川侵蚀浅，在支冰川与主冰川交汇处，支冰川呈悬挂下坠的瀑布状。

冰川沉积物：结构特征：无分选、无磨圆、无层理

地表流水（河流）的地质作用

冰川融水、山坡片流、地下水 → 河流
上游→下游→海洋：侵蚀、搬运、沉积，地貌、沉积物
河流是塑造陆地地形的最重要的营力（因素）。

1 坡面流水的地质作用和坡积物

坡面雨雪水流，冲刷剥蚀高坡处岩石风化产物，使之顺斜坡向下移动，堆积在较平缓的山坡上或坡脚 – 坡积物。

坡积物的成分、结构和构造

成分：干旱寒冷地区，则几乎全是碎屑；湿热地区坡积物中含细粒成分(粘土矿物)会多些；其岩矿成分通常单一；
结构：通常颗粒大小悬殊、粗细混杂,粗碎屑棱角鲜明，结构疏松；
构造：通常不发育层理。

坡积物的工程地质性质

疏松，承载力低、压缩性高(尤其是新近堆积的坡积物)。
不均匀，厚度变化大，作为地基–不均匀沉降问题。
另外，新近沉积的疏松坡积物的边坡常处于临界稳定状态，不合理削坡易引发滑坡。

河流地质作用换冲积物

山区和平原区，地质条件差异很大：

山区：地层为岩石，河谷纵向坡度大，水流速度快；
平原：地层为松散沉积物，河谷纵向坡度小，水流速度慢。
以上差异，造成山区和平原区河流的流动性质、侵蚀沉积作用及河谷形态的明显差异。

上游山区河段：

基岩地层不均匀，侵蚀作用主要受岩体中薄弱带（断裂带，软弱岩带，深风化带）控制。
水流速度最大在谷底，水流携带沙卵石在谷底运移，同时侵蚀谷底。河流以向下的侵蚀作用为主。
河谷在平面上形态较直，在剖面上而窄而深，呈‘V’形。

丹霞地貌

红色砂砾岩，产状平缓，竖向裂隙，河流侵蚀形成特殊形态山体：方山（平顶、陡身）、丹岩赤壁、峡谷峭壁、石塔石林等地貌景观和造型各异的奇峰和形象岩块。

河流山区上游段：河床窄，流速快。

沉积物：大漂石、砂卵石为主。磨圆较差、形态不甚规则。从上游向中下游，卵石越来越小，磨圆越来越好。
河流中上游卵石的成分，通常非常复杂多样。

山前洪积扇

洪积扇沉积物：

沟口扇根部以砂砾石为主，向扇缘变细、出现粉细砂及泥质层。

中下游河段

地层松散，相对均匀，水流速度慢 → 水流本身的动态控制侵蚀和沉积作用。
侵蚀作用以侧向为主。侵蚀和沉积在河流的不同部位发生，在凹岸冲蚀、在凸岸堆积。
河谷浅而宽阔，平面上蜿蜒弯曲而行。
河曲发展——>河道迁移
河流中下游河谷，除河床外，通常发育河漫滩（常位于河曲的凸岸）心滩等地貌。
正常流量时，河水仅在河床中流动。只在洪水期中，河水才溢出河床，泛滥于河床之外宽广的河漫滩之上。
牛轭湖的形成

三十年河东、四十年河西

河流下游冲积物：

结构和成分：越向下游，随着流速的逐渐减小，沉积物粒径也逐渐减小：砾、砂、粉砂、粘土。其中砂和粉砂颗粒的成分以石英为主，少量长石、白云母、磁铁矿等。
二元结构：由于河床的侧向迁移，位置较高的河漫滩沉积通常叠加于较低的河床沉积之上，形成下粗（砂砾石或粗砂）上细（粉砂和泥质）的“二元结构”。
牛轭湖沉积：以泥质为主，并含较厚的淤泥、泥炭土。

河流的发育阶段，河流的垂向侵蚀

如果以侵蚀能力来描述河流的活力，可以将河流的发育阶段分为青年期、中年期和老年期三个阶段。
青年期 – 纵坡降大，向下的侵蚀作用强烈。如山区河流。
中年期 – 随着侵蚀和搬运，纵坡降变缓，侵蚀作用减弱；
老年期 – 河流纵坡降更缓，河流不再有侵蚀能力，沉积作用为主。如平原区河流。
河流的上游、中游和下游基本与此三阶段相对应。

侵蚀基准面和平衡剖面

河流的侵蚀沉积作用的“目的”：在高处剥蚀，将剥蚀的物质搬运到低处，并减少河床的高度及坡度，使之接近海平面（入海河流）。
河流流动侵蚀的动力来自河床与海平面的地势差，因此海平面是河流侵蚀的底界，称为侵蚀基准面。
如果不考虑地壳运动，这个侵蚀的过程是个收敛的过程。最后将达到一个很缓的河道纵向剖面–在这个剖面上，河流的侵蚀、搬运和沉积作用达到平衡。这个剖面称为平衡剖面。老年期河流，即接近此平衡剖面。

地壳升降与河流地质作用

地壳升降运动影响河流地质作用过程。
地壳上升(或者海平面下降)，河流获得了新的势能，向下侵蚀加强，原来的河床和河漫滩处于洪水之上，留下阶梯状平台 – 河流阶地。
地壳上升 → 河流更生，返老还童。
快速的地壳上升，还会造成老年河曲的快速深切，形成深切的河曲。
曾经的夷平面

人类活动对河流地质作用的影响

耕种和破环森林植被，使地表侵蚀加剧，河流携带泥沙增多；洪水增多。
修建水坝，改变流域的地质作用进程。上游泥沙淤积增加，下游侵蚀增强。
例：三门峡水库的淤积

风（荒漠）的地质作用

在南北纬中纬度地区，荒漠地区

荒漠的成因：

自然气候原因，降水小
植被减少←→降雨减少，恶性循环 – 荒漠化。
风蚀地貌：风吹动地表的土石，较大的颗粒在地面附近跳动或挪动，微小的颗粒升向高空，带向远方。在地表附近跳动的砂石对地表岩土产生侵蚀，形成各种风蚀地貌。

雅丹地貌：地貌学中的“雅丹”指风砂侵蚀出的宽浅沟槽及其间的边壁较陡的鳍形垄脊，现在也通常作为风蚀地貌的总称。

蘑菇石：由于跳跃的砂颗粒主要集中在地表附近（2 米高度以下），风砂的侵蚀作用在地表附近较强。有些孤立的岩石被侵蚀成载地表上宽下窄的形态，形如蘑菇。

风成沉积：戈壁砾漠→沙漠→黄土

风积地貌：在荒漠区的边缘，由于风速降低，被风搬运的部分碎屑物质沉积下来，形成沙丘。

通过在迎风面侵蚀和搬运、并在背风面堆积，沙丘以每年几米到几十米的速度移动。当沙丘两翼的移动速度超过中央的移动速度时，就形成平面形态如月牙的新月形沙丘。其高度通常几米到十几米，最高可达三四十米。

荒漠下游风成沉积物—黄土：

黄土的特性：以粉砂为主，通常无层理。老黄土（ Q1、Q2 ）为风成，部分新黄土（Q3、Q4）为次生黄土，具有湿陷性。
土力学会学

岩溶地质作用

岩溶是水（地下水为主）对可溶性岩石的侵蚀作用，形成的地貌称为岩溶地貌或喀斯特（Karst）地貌。

岩溶发育的条件：

岩石具有可溶性。中国碳酸盐岩基岩分布面积约为 36%；
岩体具有透水性。断裂构造的存在有利于岩溶的发育；
地下水具有溶蚀能力。当水中含有 CO2 时，其溶蚀能力会大大增强。
- CaCO3+H2O+CO2↔ Ca+++(HCO3)¯2
地下水具有流动性。使得溶蚀作用不断更新进行。

中国碳酸盐岩分布面积极广

岩溶地貌 – 溶沟和石芽（石芽：溶沟之间突起的脊、柱）

在石灰岩中断裂发育较多的地段、地下水流动性较强的层位（浅部），溶蚀作用剧烈。形成各种地表和地下岩溶地貌。

溶蚀漏斗：地表呈漏斗形的封闭洼地，底部通常有垂直裂隙或落水洞与地下河相通。

落水洞：岩溶地区地表水流向地下的竖直通道，由流水沿垂直裂隙溶蚀并伴随坍塌作用形成。

溶洞：洞穴沉积物：钟乳石、石笋、石柱，洞穴角砾岩

钟乳石、石笋、石柱：溶洞中经常发育从洞顶向下生长的钟乳石、从洞底向上生长的石笋，钟乳石和石笋生长相接后，可形成溶洞顶底之间连贯完整的石柱。

海洋地质作用

自学

全球海洋地理概貌

面积 71%
体积——地面以上陆地 14 倍
海水平均可覆盖地球表面 2400 米

海洋大地构造和地貌的分区

三个大区——大洋、大陆边缘和海岸带

分区依据：大地构造性质、地形特征和地质作用特征

海洋地貌的主题格局受内动力地质作用控制

大洋

大洋盆地：占有大约 45%

深海盆地：可能有一亿多年的堆积物

海山：由海底岩浆喷出堆积而成

海底平顶山

无震海岭：

洋底高原：也称海台

深海丘陵：

大洋中脊：连续的——绵延几万公里——大都 2~3km，高出

转换断层

大陆边缘

大陆架、大陆坡、大陆坡脚（大陆隆）；海沟、火山弧和弧后盆地，陆缘弧和弧后盆地。
有三种类型的大陆边缘：根据大陆边缘地壳活动性强弱——分为三类
- 被动大陆边缘
  - 大陆隆

活动大陆边缘
- 基本结构——陆架——陆坡——海沟：海沟的存在彻底改变了大陆边缘的性质，产生了频繁的地震和火山活动
陆架——陆坡——海沟型活动边缘——典型特点
转换断层大陆边缘
大陆架
- 大陆架是大陆的一部分
- 大陆架地形和构造特征
  - 坡度低于 1 度，平均 0.07 度。总体地形非常平坦，大约 60%的地形剖面上有 20m 左右的隆起地形。分布有沉没的河谷、阶梯、潮道、沙坝、浅滩等等。
大陆坡
海底峡谷
大陆隆（大陆坡脚）
海沟——深；主要分布于太平洋带
岛弧——与海沟伴生
边缘海盆——弧后盆地——具有洋壳