第七章中国黄土与气候、环境.doc

第七章 中国黄土与气候、环境 中国黄土高原是世界上独特的自然景观，中国黄土记录了丰富的气候、环境信息。黄土高原地区在早更新世，甚至在上新世晚期，由于季风作用加强，中国北方开始接受粉尘堆积，形成红粘土和午城黄土。红粘土中发育了数十层、上百层成壤层与钙质结核层，反映出了气候波动。午城黄土中古土壤密集，黄土层较薄，反映当时气温相对较高，降水较多。更新世中期，西北地区的干旱导致沙漠、戈壁扩展。黄土高原的粉尘堆积加强，黄土层加厚，并发育了两层粉沙质黄土层，但总体上是黄土层与古土壤层都比较发育。晚更新世，西北地区沙漠、戈壁进一步扩大，黄土堆积达到最广泛的范围。反映出中国北方气候更加干旱。全新世，在黄土高原堆积了厚约1米的黄土，其中发育了一层黑垆土，代表了8千年前一次湿润的气候环境。 第一节 中国黄土地层 中国黄土高原的主体位于晋、陕、甘三省，其分布面积大致在4.4105km2以上（图7-1，刘东生等，1965）。根据野外调查，陇西一带的黄土厚度最大，超过300m；而关中地区完整的黄土剖面亦达150m左右。总的说来，黄土的厚度与粒度组成均从黄土高原的西北往东南减小、变细，这是风成沉积物的典型特征。 图7-1 中国黄土分布图 完整的黄土剖面下伏第三纪红色粘土堆积，这套堆积以前命名为三趾马红土，现在以红粘土称之（刘东生等，1985）。在沉积完整的地区，黄土与粘土为整合接触，连续过渡。但在整个黄土高原，由于地貌演变的影响，完整的黄土剖面只见于部分黄土塬区，这些塬区地表较为平整开阔，自西向东从白草塬，董志塬，川川塬，吉县塬等形成一条宽而长的黄土堆积带。根据最近几年的调查，在洛川、西峰、宝鸡、蓝田、渭南、陕县、灵台、旬邑、镇远等地均见有完整的黄土剖面，但研究工作做得最多的集中于洛川、西峰、宝鸡、蓝田、渭南等剖面。 传统的中国黄土地层划分是采用刘东生先生的命名午城黄土、离石黄土、马兰黄土。这种划分方法在野外容易操作，一直为国内外地质工作者采用。直到现在午城黄土、离石黄土、马兰黄土的地层命名仍在应用。因此，本教材在介绍中国黄土地层划分时依然介绍午城黄土、离石黄土、马兰黄土的地层命名。 中国黄土地层目前有“黄土-古土壤序列L0L43，S1S42” 比较精确的划分，并且计算出了每层黄土或古土壤年龄。按照第四纪地层划分方案，早更新世黄土为L8至黄土底界；中更新世黄土为L8S0底；晚更新世黄土为S1、L1；全新世黄土为黑垆土S0及其上黄土L0。教材也将介绍黄土-古土壤序列。 一、 午城黄土、离石黄土、马兰黄土 刘东生先生将中国黄土分为午城黄土、离石黄土、马兰黄土。 午城黄土的标准地点在山西隰县午城柳树沟，位于一砾石层之上，未见午城黄土直接与上新世三趾马红土层接触。颜色较红，结构致密而坚实、块状、质地均匀、大孔隙少，粘粒含量较高、含具块状致密结构的石灰质块状或板状结核，其间夹有红棕色褐色埋藏土壤层。 在午城黄土中曾发现中国长鼻三趾马（Hipparion （Proboscidpparion） Sinensis）、三趾马一新种（Hipparion SP. nov）、中国貉（Nyctereutes sinensis）、短脚野兔（Hyppolagus brachypus）、李氏野猪（Suslydekkeri）等动物化石。同时还出现了较多的杉（Quercus）、胡桃（Jugiaus）、松（Piuus）等木本植物花粉。 离石黄土以山西离石县陈家崖为典型分布地区。离石黄土分布面积很广，厚度也大，它构成黄土高原的主要基础，为塬、梁、峁黄土地形骨架。在午城柳树沟可见离石黄土直接覆盖在早更新统午城黄土之上，它的顶部被晚更新世的马兰黄土所覆盖或直接裸露在地表。离石黄土一般厚约100米左右。离石黄土分为上、下两部分。 离石黄土下部色较红，土质较硬，其中含十余层古土壤层和钙质结核，（S5-L15）古土壤层的厚度均较薄，间距小，地形上常呈缓坡，所含钙质结核排列很密，上部的具同心圆结构，下部渐变为致密块状。其中国发现含有丁氏鼢鼠（Myospalax tingi）、赵氏鼢鼠（Myospalax chaoya seui）、裴氏转角羊（Sprrocerus Peii）、午城马（Bquus wuchemgensis）、肿骨大角鹿（Megaloceros pachyosteus）等化石。 离石黄土上部色较浅，土质较松软，垂直节理发育，其中含有56层埋藏古土壤层（L2-S5），均较厚，间距较大，地形上多成陡壁，所含钙质结核的形态式样繁多，排列稀疏、具同心圆结构。所含化石以方氏鼢鼠（Myocpalax foutauieri）为多。 马兰黄土的标准地点在北京西北丰沙东站以西23公里的斋堂村北的山坡上。马兰黄土与离石黄土之间岩性区别明显，马兰黄土呈淡灰黄色，较疏松，柱状节理发育，无层理，易产生陷穴和天然桥。马兰黄土中的化石一般石化程度较浅，散布于黄土中而不被石灰质结核包围；而离石黄土中的化石不但石化程度较深，且常产于石灰质结核内。马兰黄土所含化石除有较多的鸵鸟蛋（Struthilithus）碎片外，并含有方氏鼢鼠。根据午城剖面的孢粉分析资料，发现由离石黄土上部开始至马兰黄土中含有大量蒿属、禾本科、藜科。木本植物有松（Pinus）、冷杉（Abies）、鹅耳枥（Carpinus）、桑（Morus）、榛（Corylus）、柳（Salix）等出现，同时还有一些蕨类和苔藓的孢子。可见当时的植被中有较多的木本成分。 与黄土古土壤序列对比及磁性地层划分图7-2 午城黄土、离石黄土、马兰黄土 全新世黄土马兰黄土顶部残留的黑垆土上有时有沙丘沉积，个别地区则上覆有黄土，这层黄土应系全新世产物。黄土高原上黑垆土的无机C14年龄为距今约80001000年；陕西陇东一带塬面黄土的表层含有新石器，这说明有全新世的黄土堆积；陕西歧山也发现有全新世黄土，其下伏的彩陶文化层的有机碳的C14年龄为距今51200年。新疆天山黄山中蜗牛化石无机碳的C14年龄为距今为5250200年。 午城黄土、离石黄土、马兰黄土与黄土古土壤序列的对比以及磁性地层划分见图7-2 二、 洛川黄土剖面 洛川剖面为中国黄土的标准剖面之一，该剖面黄土厚约135m，出露的红粘土厚约15m（刘东生等，1985）。在洛川黄土剖面中，有两类颜色、结构区别很大的地层单元，一为黄土层，另一为古土壤层。黄土层一般为灰黄色，质地较均一，无明显结构；古土壤则为红色，有明显土壤结构和土壤发生层次。在地层研究中，习惯上以L代表黄土层，以S代表古土壤层。洛川剖面的上部地层清晰可分，共划分出15个古土壤层（从上到下分别以S0S14表示）；其下部则由于古土壤层与黄土层二者之间的界线不明显，早期的划分只分出6个组分，分别以WL-1、WL-2和WL-3A和WS-1、WS-2、WS-3表示。WL组合以黄土层为主，夹薄层分散的古土壤，WS组合则以古土壤层为主，有薄层黄土分散夹在古土壤层之间。洛川剖面被分成4个岩石地层单位。从黄土堆积底界到L15底部为午城黄土，从L15底到S5顶为离石黄土下部，从S5顶到L1底部为离石黄土上部，L1为马兰黄土。马兰黄土上覆全新世古土壤S0。 图7-3 洛川、西峰、宝鸡、蓝田、渭南黄土剖面对比 1.古土壤；2.黄土；3.红粘土；4.洪积物； 洛川黄土剖面顶部的全新世古土壤（S0），厚约0.8m，其下是马兰黄土（L1），厚约8m。S1L15为离石黄土，厚约74m，其中，L9和L15粒明显偏粗，分别称为第一粉砂层和第二粉砂层，S5是发育最好的古土壤，由三层古土壤叠覆而成总厚度近5m，是野外重要的标志层。从S15L33为午城黄土，由于该阶段气候变化频繁，形成薄层古土壤和黄土层紧密叠覆。午城黄土以下为红粘土。根据古地磁的测量结果，黄土与红粘土的界线位于高斯正向极性时与松山反向极性时的界线附近（Heller Liu,1982），因此，黄土堆积的底界年龄推定为2.42.5 Ma B. P.。洛川剖面的地层结构很有代表性。通过对西峰（Liu et al.，1987）、宝鸡（丁仲礼和刘东生，1989）、渭南（丁仲礼和刘东生，1989）、蓝田（岳乐平，1989）等剖面的观察，发现这几个地区黄土地层结构基本相同。但关中地区的黄土剖面有其优点，这主要表现在两个方面1）午城黄土中的古土壤较为清晰，可以对这组地层进一步划分；2）由于关中地区位置靠南，冰期时气候状况比其它地区更为温湿，故一些厚度较大的黄土层中夹一层或多层弱发育的古土壤，从而可对这些黄土层细分。根据野外观察，在午城黄土中共划分出18层古土壤（分别以S15S32表示）和18层黄土（分别以L16L33表示）（丁仲礼和刘东生，1989）。有的研究人员将午城黄土划分出29层古土壤（分别以S15S43表示）（岳乐平，1989） 通过对洛川、西峰、宝鸡、蓝田、渭南等地区代表性黄土剖面的对比后发现（图7-3），任何一个别要的黄土和古土壤单元，至少可以在三个和三个以上的剖面间进行对比（丁仲礼和刘东生，1989）。由此表明中国黄土的连续性和完整性，从而为第四纪时期古气候变迁历史的重建提供了宝贵的材料。 三、宝鸡剖面 四、蓝田黄土剖面 段家坡黄土剖面位于陕西省蓝田县县城西北约40km的段家村北，约东经109.2，北纬34.2。剖面南依秦岭北临灞河，位于白鹿塬北坡，与著名的蓝田陈家窝化石产出地隔灞河相望。段家坡黄土剖面地层发育完整，出露清楚。黄土厚132m，下部出露有蓝田组、灞河组地层（岳乐平，1989）。该剖面系蓝田水家嘴新生代地层剖面的上部黄土部分。是一个很有研究价值的良好的黄土天然露头剖面。段家坡剖面代表了黄河中游黄土区、东南部塬区特征。图7-4为蓝田段家坡黄土剖面图。 全新世黄土-古土壤 共厚2m L0 淡灰黄色黄土，疏松，多孔隙，具团粒、团块结构，富含植物根。厚1m S0 黑垆土，黑褐色，疏松，具团粒、团块结构，底部具少量CaCO3结核。厚1m 晚更新世黄土-古土壤 共厚7.5m L1 淡黄褐色黄土，成壤作用明显，略显褐色，具团块结构，裂隙发育，其间白色碳酸钙充填。黄土中夹2层淡棕灰色古土壤 厚5 m S1 红褐色古土壤，由三层组成（S1S1，S1S2，S1S3）色调鲜艳，土壤结构明显，具棱块、棱柱构造。隙壁间白色碳酸钙充填上部色红，下部色黄，底部具CaCO3结核层。 厚2.5m 中更新世黄土-古土壤 共厚37 m L2 褐黄色黄土，疏松，多孔隙。质地均匀，典型的风成黄土。 厚4 m S2 红褐色古土壤，土壤粘化层团粒结构明显，该层由两层古土壤复合而成（S2S1，S2S2），其间夹一层钙质结核，底部具CaCO3结核层。厚3 m L3 褐黄色黄土，具不明显的土壤化现象。 厚2.5m S3 红褐色古土壤，土壤结构明显，底部具CaCO3结核层。厚2.0m L4 褐黄色黄土，粒状结构，疏松，具大孔隙，质地均匀。厚3.5m S4 红褐色古土壤，具粒状、棱柱状结构，底部具CaCO3结核层。厚2m L5 褐黄色黄土，粒状结构，胶结好，较硬。 厚4m S5 鲜红褐色古土壤，由三层古土壤复合而成（S5S1，S5L1，S5S2，S5L2，S5S3）。古土壤发育极好，具棱块，棱柱状构造，节理表面具铁锰质胶膜，虫孔常见，土壤粘化现象明显。三层古土壤底部均有CaCO3结核层 厚5m L6 黄褐色黄土，胶结较硬，粒状结构，微显团粒结构。 厚4m S6 红褐色古土壤，由两层古土壤组成（S6S1，S6S2）。两层之间有0.3m厚的弱风化黄土。 厚3m L7 黄褐色黄土，粒状结构，胶结较好，具黑斑。厚1.5m S7 红褐色黄古土壤，底部具CaCO3结构层。厚1.5m L8 黄褐色黄土，粒状结构，质地均一，胶结较硬，具黑斑。厚1.4m 早更新世黄土-古土壤 共厚86.5m S8 红褐色古土壤，具棱柱状结构，具褐红色铁锰质胶膜，成壤作用较强，底部具CaCO3结核层。厚3m L9 浅黄色黄土，颗粒相对较粗，为第一粉砂层，其间夹两层色调较淡的淡红褐色古土壤（L9S1，L9S2）。黄土中零散分布大量CaCO3结核。厚7.9m S9 红褐色古土壤，底部具CaCO3结核层。厚1.3m L10 黄褐色黄土，较硬，具团粒结构，含CaCO3斑点结核。厚0.7m S10 红褐色古土壤，由两层古土壤组成（S10S1，S10S2），中部、底部具结核层。厚2m L11 黄褐色黄土较硬，具团粒结构，含CaCO3斑点结构。厚1m S11 红褐色古土壤，具团块结构，底部具CaCO3结核层。厚1.4m L12 黄褐色黄土，具团块结构，较坚硬。厚0.9m S12 红褐色古土壤，由两层古土壤组成（S12、S12），中部具明显土壤团块结构，淋滤CaCO3薄膜，中部、底部具CaCO3 结核层。厚3m L13 黄褐色黄土，较疏松，具大孔隙，含CaCO3 小颗粒。厚1.5m S13 红褐色古土壤，具团块状结构，底部具CaCO3结核层。厚1.5m L14 黄褐色黄土，粒状结构，较疏松，含CaCO3小颗粒。厚1.4m S14 红褐色古土壤，底部具CaCO3 结核层。厚1.5m L15 浅黄色黄土，色调极淡，颗粒相对较粗，具大孔隙，较疏松为第二粉砂层，其间含大量零星散布的大CaCO3结核（10-20cm），并且含两层弱风化粘化层。厚2.3m S15 红褐色古土壤，具团块状结构，底部具CaCO3结核层。厚2m L16 红褐色古土壤，较坚硬，孔隙少，含零星结核。厚2.4m S16 红褐色古土壤，土壤结构不明显。厚0.8m L17 红褐色古土壤，底部具CaCO3结核层。厚0.5m S17 红褐色古土壤，底部具 CaCO3结核层。厚1.2m L18 黄褐色黄土，致密，坚硬。厚1.0m S18 红褐色古土壤，底部具CaCO3结核层。厚0.8m L19 黄褐色黄土，含较多CaCO3小结核。厚0.8m S19 红褐色古土壤，底部具CaCO3结核层。厚1m L20 黄褐色黄土，较硬，具黑色斑点。厚0.5m S20 红色褐色古土壤。厚1m L21 黄褐色黄土，较硬，致密，孔隙不明显。厚0.9m S21 红褐色古土壤，底部具CaCO3结核层。厚0.6m L22 黄褐色黄土，较硬，具黑色斑点。厚0.5m S22 红褐色古土壤，底部具 CaCO3结核层。厚1.0m L23 黄褐色黄土。厚0.5m S23 红褐色古土壤，底部少量 CaCO3结核。厚0.6m L24 黄褐色黄土。厚0.3m S24 红褐色古土壤，底部少量 CaCO3结核。厚0.6m L25 黄褐色黄土。厚0.3m S25 红褐色古土壤，底部少量CaCO3结核。厚1.6m L26 黄褐色黄土。厚0.6m S26 红褐色古土壤，底部具 CaCO3结核层，呈板状。厚0.9m L27 黄褐色黄土。厚1m S27 红褐色古土壤，底部具CaCO3结核层，为0.5m厚钙板。厚1m L28 黄褐色黄土，具黑色斑点，较疏松。厚2m S28 红褐色古土壤，底部具 CaCO3结核，为0.3m厚钙板。厚1.2m L29 黄褐色黄土，具黑色斑点。厚1m S29 红褐色古土壤，底部具 CaCO3结核层，厚层钙板。厚0.6m L30 黄褐色黄土，含钙质结核。厚0.5m S30 红褐色古土壤，底部见少量CaCO3结核。厚1.3m L31 黄褐色黄土。厚0.6m S31 红褐色古土壤，底部见少量CaCO3结核。厚1.3m L32 黄褐色黄土。厚0.5m S32 红褐色古土壤，具团粒结构。厚0.8m L33 黄褐色黄土。厚0.3m S33 红褐色古土壤，具团粒结构。厚0.8m L34 黄褐色黄土，较疏松，具黑色斑点。厚2.5m S34 红褐色古土壤。厚1m L35 黄褐色黄土。厚0.2m S35 红褐色古土壤。厚0.8m L36 黄褐色黄土。厚1.5m 图7-4 蓝田段家坡黄土剖面 S36 红褐色古土壤，底部具 CaCO3结核层。厚1.5m L37黄褐色黄土。厚0.5m S37 红褐色古土壤。厚1m L38 黄褐色黄土。厚1.5m S38 红褐色古土壤，色调深，具明显棱块、棱柱构造与团粒结构，节理表现具紫褐色铁锰质薄膜。粘化现象明显，底部具 CaCO3 结核层。厚1.5m L39 黄褐色黄土。厚0.5m S39 红褐色古土壤，底部具 CaCO3结核层。厚1.1m L40 黄褐色黄土。厚0.6m S40 红褐色古土壤，底部具钙质结核层。厚1.4m L41 黄褐色黄土。厚1.2m S41 红褐色古土壤，色淡。厚1.1m L42 黄褐色黄土。厚0.7m S42 红褐色古土壤，色淡。厚1m L43 黄褐色黄土。厚2.7m S43 红褐色古土壤，底部具 CaCO3 结核层。厚1.6m 红粘土-黄土过渡层。厚2.2m N2 红色粘土，下部含较多的钙质结核。厚60m 蓝田段家坡剖古土壤层的土壤成熟度高，土壤层发育。剖面含43层古土壤（二级单位有50层古土壤）。丁仲礼在研究了宝鸡剖面时将黄土古土壤序列划分为L1L34与S1S34，其他同事也有不同的划分。作者与丁仲礼、朱日祥、吴汉宁等一起在野外进行了讨论，认为是对古土壤的划分标准认识不同造成的。黄土剖面上的古地磁界线（如奥尔都维亚带位置）可能位于不同的地层序号，但在野外辨别是相同层位。在黄土研究中应当注意不同研究者的黄土序列号。 段家坡黄土包括了布容正极性带和松山负极性带。图7-5为段家坡磁性地层测量结果。从图7-3可以看出段家坡黄土剖面，布容正极性时与松山负极性时的界限（B/M）位于第8层黄土中部（L8）。该剖面B/M界限深度为46m。 松山反向极性时黄土中记录了贾拉米洛正极性亚时（J），奥尔都维正极性亚时（O）和留尼旺正极性亚时（R）。 J亚带处于剖面第一、二粉砂层之间，S11、L12、S12的位置。 在第一粉砂层上部发现有正极性样品，作者将其确认为是一个正极性“亚带”。 O亚带位于剖面99105m的位置，包含S28S32之间的6m厚的地层。 R亚带在段家坡黄土剖面被首次发现。分别由上、下两部分组成。两者之间距离约5m。年龄分别是2.012.04Ma、2.122.14Ma。记录留尼旺正极性亚带的地层上部距离记录O亚带地层底部约7m。经历0.14Ma，下部留尼旺亚带与M/G界限距离约15m，经历约0.30Ma。用沉积速度计算，它恰是留尼旺亚时应当发生的位置。 松山负极性带与高斯正极性带的界际（M/G）位于黄土剖面与红粘土剖面之间L43中部。对于S43有人将其划归红粘土地层。如此，黄土与红粘土界线恰是M/G界线。 图7-5 段家坡磁性地层测量结果 第二节 季风与中国黄土 第三节 中国黄土的气候环境记录 一、 黄土磁化率气候记录 黄土古土壤序列中，黄土与古土壤有着明显不同的磁化率。可以利用磁化率辨别黄土层与古土壤层。即使是一些肉眼不易辨认的弱古土壤层，也可以利用磁化率差异辨别出来。因此，磁化率可以成为划分黄土地层的重要方法。由于磁化率曲线既可以用于精确的地层划分与对比，又可以作为指示气候代用指标，因此可以用来建立磁化率地层学。 黄土与古土壤的磁化率值大小取决于其中磁铁矿、磁赤铁矿、赤铁矿的丰度。古土壤的磁化率值大于黄土的磁化率值正是由于古土壤中的磁性颗粒丰度大于黄土的。关于黄土磁化率的物理意义，作者的观点是在黄土成壤过程中，由于淋溶与土壤化作用，促成了铁磁性颗粒的富集，形成大量极细微颗粒（＜1μm）。土壤中的磁性颗粒丰度增加，特别是极细小磁性颗粒的增加，造成了较高的古土壤磁化率值。古土壤高磁化率值指示了潮湿气候，而黄土的低磁化率值指示了干冷的气候。黄土磁化率值具有反映气候环境的意义。图7-6是西峰剖面磁化率曲线。 缺图 图7-6 西峰剖面磁化率曲线 二、 黄土粒度曲线与气候记录 当气候干旱寒冷时，沙漠戈壁扩张，强劲的冬季风将粉尘物质带的更远，黄土高原接受的粉尘颗粒更粗一些。当气候温暖湿润时，冬季风减弱，黄土高原接受的粉尘颗粒较细。因此，黄土剖面颗粒的变化反映了气候环境变化，黄土粒度变化曲线可以视为气候变化代用指标。图7-7 是宝鸡剖面粒度变化曲线（丁仲礼）。 80年代末期，丁仲礼等根据黄土-古土壤序列的空间对比，将2.5Ma来的气候变化划分为37个大的旋回和110个次级气候阶段（丁仲礼和刘东生，1989，1990）；与此同时，Kukla和An（1989）根据洛川、西峰两个黄土剖面磁化率的变化，认为2.5Ma以来，至少有44个类似于全新世间冰期气候事件。郭正堂等（1994）对渭南黄土剖面作仔细观察后，认为黄土-古土壤地层记录了112个成壤和沉积事件，它们各自反映了不同的气候环境。 最近，Ding等（1994）在对宝鸡剖面做详细的粒度分析以后，根据理论计算得到的地球轨道变化曲线，建立了宝鸡剖面的“地球轨道时间标尺”，并对每一个黄土层和古土壤层的顶、底年龄做了估算（表7-1）。以此为基础，对次一级的气候变化事件做了更细的划分，并估算了它们发生的年代。 图7-6 宝鸡剖面粒度变化曲线（丁仲礼） 表7-1 宝鸡黄土剖面的地球轨道时间标尺及气候事件划分 第四节 黄土的湿陷性质 黄土遇水湿陷是黄土区施工最重要的工程地质问题，孙建中认为，黄土湿陷有两个条件是必不可少的，而且要同时具备 第一个，也是第一位的条件多孔性，疏松的结构。 第二个，也是第二位的条件不抗水的粒间联结。 没有多孔性，黄土就与一般粘性土一样，只能压缩和膨胀而不会湿陷。如果黄土粒间联结完全是抗水的，纵然结构十分疏松，富于孔隙，也不会发生湿陷。因此，我们认为要从这两个方面去找湿陷的原因。 一、 黄土孔隙 首先分析与黄土疏松有关的黄土孔隙问题。可以大体把黄土中的孔隙分为宏观与微观两大类，宏观者指肉眼可见者，大约可以以0.5mm作为分界，大于此者为宏观孔穴，小于此者称微观孔隙。 宏观孔穴 1．黄土洞穴，主要指与地面落水洞相连结的巨大洞穴，有的呈竖井状，高可达1020m。有的为水平洞穴可达数米至10m。它主要是地表水沿张开性的黄土裂陷下涌，形成地下水流，冲刷潜蚀的产物。 2．黄土地裂缝与解理，近年发现黄土中往往有大型的地裂缝，有的可以张开数米，深一、二十米，暴雨时水流灌入产生塌陷，造成灾害，研究表明，它们大多与构造作用有关（孙广忠，1984；王景明，1984）有的本身就是活断层，在人工抽水诱发之下加强活动的结果，如西安的地裂缝体系。过去把黄土的垂直解理大多解释为成岩收缩的结果。但现在看来它们应主要为构造成因，与区域地应力的作用有关。 3．放射状孔穴，这是一种呈放射状或星状的孔穴，因其形成奇特而引人注目。于是有了不同的成因解释。有的认为是脱水干缩而成（刘东生等，1964），有的认为是冰冻后，冰晶溶化残留而成（唐克丽，1982），有的认为是可溶盐晶簇被溶蚀的残留空洞（雷祥义，1987），我们基本同意前一种说法，即脱水干缩而成。我们曾观察了许多黄土中的空心钙质结核，其中的空洞常呈放射状，富含CaCO3并饱水的一部分黄土，在表面因水分蒸发而形成石灰质硬壳后，内部逐渐失水而干缩遂形成空心结核，因收缩时物质向外表附着，而在中部形成放射状空洞。黄土中的放射状空洞虽没有钙质硬壳。但只要周围黄土比较干燥，强度较高，中间较湿的黄土干缩时就会向四周靠拢而形成放射状孔穴。 4．鼠洞，主要在黄土地层的上部，直径510cm。在黄土地层的下部鼠洞多被充填，仅能根据其中充填物的颜色与疏松程度与周围黄土不同以及其中富于鼠化石而鉴别。由于鼠洞是掏空而成，其稳定性较差，在工程上成为漏水，发生潜蚀的隐患。 5．虫孔，最常见的是蚯蚓与蚂蚁洞，它们的直径多在0.55mm之间，还有一些较大的虫洞直径可达1.52cm，它们可能是蝉、知了或甲虫（屎扒牛）形成的。 6．根孔，大多数直径在0.51mm左右，断面圆形，垂直分布，主要是草本植物根系所成，但也有大者，直径达35cm，为木本植物较大的根部穿插而成。由于植物根系形成也的方式是挤入式，因此这些孔洞的形成不增加黄土的总孔隙度。黄土颗粒被挤向四周后形成一个压密的孔壁，如果有时再加上地下水沿根孔下渗在孔壁形成钙质沉淀，使根孔变成“钙管”，则强度与稳定性大增。所以，在强大压力下，已如前述，仍能保持原状。 以上这些宏观的孔洞，看来好象与湿陷关系不大，但在工程实践，作为地基或边坡的黄土土体来说，在侵水时，与黄土的湿陷性相结合，所造成的危害往往是很大的，同时这些宏观的孔穴，往往是来水的通道，它们很自然要影响到湿陷的状况和对建筑物危害的程度。 微观孔隙 按照上述，我们将小于0.5mm的孔隙叫作微观孔隙，就其特点可分为 1．结构性孔隙（架空孔隙，支架孔隙） 这类孔隙早期在光学显微镜下已经发现。后经电子显微镜研究（高国瑞，1980）进一步证实。其特点是孔穴大于或远远大于组成黄土的骨架单元颗粒的直径。这些骨架颗粒主要是石英颗粒和一些长石颗粒。这类孔隙还可分为两类，一类是由一些单元颗粒支架而成。附着在颗粒表面的粘土矿物帮助固定这些颗粒之间的关系。另一类是由一些集粒相互搭架而成的孔隙，这类孔隙要更大一些。集粒则主要由粘土矿物粘结了许多单元颗粒而成。 2．粒间孔隙，由黄土中的石英、长石单元颗粒相互接触而形成的孔隙，这类孔隙中也可分为两类，一类是点接触式的，比较疏松。一类是面接触式或镶嵌式的，最为紧密，最为稳定。 3．胶结物孔隙，存在于黄土单元颗粒或集粒胶结物内的微小孔隙，这些胶结物主要是粘土与碳酸钙。 以上孔隙中，对湿陷来说最不稳定的是集粒支架孔隙，其次是单粒支架孔隙，再次是点接触粒间孔隙。而最稳定的是面接触粒间孔隙和胶结物孔隙。 正如过去所指出的那样，湿陷过程表现为总孔隙度的减小，以及结构孔隙与孔道，空洞之减小与粒间孔隙之相对增加（孙建中，1957）。雷祥义（1987）则证明湿陷变形主要是中孔隙（直径0.0320.008mm）造成的。也就是主要由于结构性孔隙或支架孔隙造成的。 所以黄土湿陷的第一个，也是第一位的原因是黄土具有特别疏松的结构，富有孔隙，特别是富有结构性的支架孔隙。 二、 黄土颗粒间不抗水的内部联结 黄土湿陷产生的第二个条件不抗水的内部联结。过去曾经根据以下几点推断黄土的内部联结是粘土矿物的水胶联结 1．黄土含可溶盐很少，其中最多的是CaCO3，但它是一种难溶盐。其次是CaSO4，它是中溶盐，除黄土高原西部，六盘山以西黄土中少量有之以外，其它地区黄土中很少见及。而易溶盐如NaCl，KCl等也很少见到。相反的CaCO3和CaSO4由于可溶性很小，应该是起着抗水结构的作用，在湿陷发生的初期，它们不会起极积的作用，只有在湿陷的后期才会起一些作用。 2．黄土中含有粘土是十分普遍的，迄今为止，尚未发现不含粘土的湿陷性黄土。黄土湿陷初期的膨胀现象就是粘土起作用的一种表现。 3．用盐酸处理样品除去所有可溶盐，所得湿陷试验结果与未经酸处理的样品的湿陷试验结果，规律基本相同。已经充分说明湿陷黄土的内部结构联结主要不是可溶盐联结，而是粘土矿物的水胶联结。 因此，可以得出结论，黄土湿陷的第二个，也是第二位的原因是黄土内部存在着不抗水的粘土水胶联结。 可溶盐在湿陷过程中的作用 黄土中最常见，含量最多的是碳酸钙。它是一种难溶盐。它作为胶结质的那一部分是一种抗水的联结。至少它在湿陷之初，一时不能溶解，从而起着抗湿陷的作用。一般黄土湿陷速度是很快的。在实验室条件下，12min就可达总湿陷量的50。但有个别很慢的，如30分钟达湿陷量50，840min才达90。在现场条件下，因为体积大渗透路径长，湿陷时间要长些。一般12昼夜可完成90的湿陷量。但也有个别情况下，湿陷速度很慢。如在陕西张桥一次试验，15天完成湿陷量的39.6，第64天完成97.5，94天才稳定下来（郑晏武，1982）。象这样缓慢的湿陷很可能有CaCO3胶结物的作用。 硫酸钙（CaSO4）是一种中等可溶性盐类。湿陷之初，它也一时难以溶解。所以它与CaCO3差不多，只是后者溶解的要快一些。但是大部分黄土是不含CaSO4的。对于六盘山以西含CaSO4的湿陷性黄土加强研究，相信会对CaSO4对湿陷性的影响作出评价。 易溶盐（NaCl，KCl，NaHCO3等）盐类如果在黄土中起胶结作用，的确会促进湿陷作用。前面提到黄河口地区盐渍土的湿陷性很自然地应归之于盐类的溶解作用。只要是黄土中有相当的易溶盐，它自然也会引起湿陷。然而黄土中易溶盐含量极少，大多数情况下没有。所以它的作用也就不能占主要地位。 人们用不同种类、不同电价离子、不同浓度、不同温度的溶液进行试验。得出了不少关于黄土湿陷性变化的规律。这些都是不容置疑的。然而这些结果却正好说明了黄土中粘土的水-胶联结在各种溶液中的变化规律。而不能说明黄土内部联结破坏是可溶盐被溶解的结果。这些实验结果正好验证了50年代以来关于粘土矿物与水作用后的双电层理论，胶体表面水化胶膜的理论。其中包括不同溶液、不同电性离子的交换、不同浓度和价数离子的作用等一系列规律。 随着湿度的增加，粘土矿物表面水化胶膜加厚，发生水膜的楔入作用从而产生了湿陷前之膨胀现象。但膨胀后粘土粒间联结力减弱不能抵抗负荷而发生湿陷。在湿度未达饱和时毛细力起着某些阻抗作用。湿陷后，黄土内部结构重新组合，获得了新的结构强度。由于湿度的变化黄土可以从这一湿度-强度状态“跃迁”到另一状态去，这就是湿陷。 综上所述，我们可以得出结论 1．黄土的疏松结构，多孔性，特别是其中的结构性孔隙的存在是黄土湿陷性的首要空间条件，是湿陷性的第一个层次的原因。 2．黄土中不抗水的粒间联结，是湿陷性的第二重要条件，第二个层次的原因。 3．黄土中不抗水的联结主要是粘土的水-胶联结，可溶盐的存在及溶液中离子的种类和浓度都会给湿陷造成影响。 第七章 思考题 1. 中国黄土地层划分方案。（岩石地层划分、磁性地层划分） 2. 为什么中国不同区域的黄土-古土壤序列既具有可对比性又有发育程度的差异。 3. 黄土磁化率曲线气候代用指标的含义及黄土磁化率物理意义。 4. 黄土粒度曲线气候代用指标及意义。 5.东亚季风形成与黄土古土壤序列关系。 6.理解黄土湿陷的两个必不可少的条件。 101