鄭州地區(qū)鈣質(zhì)結(jié)核土分布規(guī)律研究

郭小帥 何建鋒 于新政 劉雨 孫一飛

摘 要：鈣質(zhì)結(jié)核在鄭州地區(qū)廣泛分布，其形成物質(zhì)基礎(chǔ)為沉積富含CaCO3黃土物源的粉土、粉質(zhì)黏土，形成條件為富含CO2地下水的下滲。鄭州不同地貌單元的不同地層結(jié)構(gòu)，形成四種形態(tài)各異的完整鈣質(zhì)膠結(jié)層、弱鈣質(zhì)膠結(jié)層、鈣質(zhì)結(jié)核土和零星鈣質(zhì)結(jié)核。

關(guān)鍵詞：鄭州地區(qū);鈣質(zhì)結(jié)核土;黃土物源

中圖分類號(hào)：P642.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）01-0149-03

Abstract： Calcareous Concretions Soil are widely distributed in Zhengzhou Area. The formation conditions of Calcareous Concretions are mainly silt and silty clay which are rich in CaCO3 loess material source and the infiltration of CO2-rich groundwater. There are four kinds of intact calcareous cementation beds， weak calcareous cementation beds， Calcareous Concretions Soil and Sporadic calcareous Concretions in different geomorphic units in Zhengzhou.

Keywords： Zhengzhou Area;Calcareous Concretions Soil;the loess source

鈣質(zhì)結(jié)核土作為一種地區(qū)性特殊性土，廣泛分布于黃淮沖積平原地區(qū)。筆者在鄭州地區(qū)勘察過程中，發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)結(jié)核的分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，且鈣質(zhì)結(jié)核的存在對(duì)土體工程特性亦有一定影響。

1 鈣質(zhì)結(jié)核的形成過程

鈣質(zhì)結(jié)核是土體在淋溶淀積作用下形成的，其膠結(jié)物一般為碳酸鈣。碳酸鈣是一種難溶性鹽類，必須變成重碳酸鈣Ca（HCO3）2才較易溶解于水中，CaCO3變成Ca（HCO3）2必須有豐富的CO2。因此，決定CaCO3移動(dòng)的主要有兩個(gè)因素：一是土壤水分狀況，這是CaCO3移動(dòng)的媒介;二是CO2的含量。

鈣質(zhì)結(jié)核的形成過程大致可歸納為：富含CO2的水分下滲（包括地下水的向下徑流，地表水及雨水的下滲）→黃土母質(zhì)淋溶[黃土性物質(zhì)，含CaO、CaCO3，難溶性CaCO3變成水溶性的Ca（HCO3）2]→碳酸鹽在成鈣核母質(zhì)中聚積[包括Ca（HCO3）2和CaCO3]→水分散失（包括水分以氣態(tài)形式向地表運(yùn)動(dòng)，或水分被親水性黏土礦物吸收）→CO2析出→CaCO3沉積→鈣質(zhì)結(jié)核[1]。

2 地質(zhì)時(shí)期及古氣候條件與鈣質(zhì)結(jié)核形成的關(guān)系

鈣質(zhì)結(jié)核的形成與地質(zhì)時(shí)期黃土堆積、華北地塊的升降、古氣候的變化、地下水的長(zhǎng)期作用以及土壤的淋溶淀積等因素有關(guān)。

更新世時(shí)期，在我國(guó)西北地區(qū)黃土堆積的同時(shí)，鄭州西部丘陵地區(qū)亦接受黃土堆積，而鄭州中部、東部地區(qū)由于隨華北地塊持續(xù)下沉而形成了一套內(nèi)陸河湖相沉積土，這些沉積土的物質(zhì)來源主要為西部丘陵區(qū)的黃土，受地表水流沖積影響后，其粒度比黃土成分更細(xì)小，呈黏粒狀，同時(shí)失去黃土的某些重要特征，但其中富含CaCO3的特點(diǎn)沒有改變，這為鈣質(zhì)結(jié)核的形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)（資料顯示，黃土中CaCO3含量約占10%）。

鄭州地區(qū)由于上更新世晚期和全新世氣候轉(zhuǎn)暖，植被生長(zhǎng)茂盛，積水河湖廣為分布，這些環(huán)境條件決定了土壤水分充足，而大量的生物活動(dòng)使土壤中飽含CO2。水分進(jìn)入土壤后，即穿過土體向下入滲，上層土壤中富含CO2，富含CO2的上層水

在下滲過程中至富含CaCO3的黃土母質(zhì)后，把越來越多的難溶性CaCO3變成水溶性的Ca（HCO3）2，即平衡方程[CaCO3+H2O+CO2→Ca（HCO3）2]。水在黃土母質(zhì)下滲過程中，土體中CO2含量變少，平衡方程向左進(jìn)行[CaCO3+H2O+CO2←Ca（HCO3）2]，部分Ca（HCO3）2變成CaCO3，在界面上形成暫時(shí)聚集。在年復(fù)一年周期性的土體干濕交替作用和地下水的上下運(yùn)行過程中，CaCO3就在下層日益聚集，形成塊狀或?qū)訝睢?/p>

鄭州地區(qū)鈣質(zhì)結(jié)核的形成可歸納為4個(gè)條件：①沉積了厚厚的富含CaCO3的粉土、粉質(zhì)黏土的沖、洪積物;②富含Ca（HCO3）2的淺層地下水的垂直或水平運(yùn)動(dòng);③蒸發(fā)量大于降水量或地下水徑流季節(jié)性變化形成的干濕交替的自然環(huán)境條件;④成土母質(zhì)長(zhǎng)期處于地下水的變動(dòng)范圍內(nèi)，且地下水徑流緩慢。

3 鄭州地區(qū)鈣質(zhì)結(jié)核的區(qū)域分布規(guī)律

鄭州地區(qū)地貌類型較多，自西南向東北分為黃土丘陵、山前沖洪積傾斜平原、黃河二級(jí)和一級(jí)階地、黃河沖積泛濫平原、條形垅崗?fù)莸氐鹊孛矄卧?，因此地表土體類型較復(fù)雜[2]。在各地貌單元區(qū)的Q3和Q2地層中，均有鈣質(zhì)結(jié)核土分布，且因各地貌區(qū)黃土物源土層的埋深、土層包含物、顆粒級(jí)配不同，鈣質(zhì)結(jié)核土的埋深、形態(tài)及百分含量亦不相同。

根據(jù)鄭州地區(qū)的地貌單元及勘察經(jīng)驗(yàn)，將該區(qū)鈣質(zhì)結(jié)核的形成總結(jié)為以下4個(gè)規(guī)律。

3.1 完整鈣質(zhì)膠結(jié)層

完整鈣質(zhì)膠結(jié)層的被膠結(jié)物一般為洪積的沙礫石層、充填粉?；蝠ち?，一般存在于黃河一級(jí)階地或二級(jí)階地地貌單元區(qū)（如鄭州火車站地區(qū)）。在該地貌單元，于Q2晚期普遍存在一層充填粉粒和黏粒的洪積沙礫石層，沙礫石層透水性較好，為主要含水層，而沙礫石層的上側(cè)及下側(cè)土體均為隔水粉質(zhì)黏土層（黃土物源）;形成鈣質(zhì)膠結(jié)的沙礫石層一般呈緩傾斜狀，標(biāo)高較低的一側(cè)被不透水的粉質(zhì)黏土層包圍，標(biāo)高較高的一側(cè)與地表河流水系聯(lián)通，當(dāng)與其聯(lián)通的河流水位隨季節(jié)性升降時(shí)，具有儲(chǔ)水構(gòu)造的緩傾斜沙礫石層亦季節(jié)性充水或失水。河流水位上升時(shí)，沙礫石層在充水過程中，富含CO2的地下水溶解黃土物源土層（充填的粉粒和黏粒及上下側(cè)粉質(zhì)黏土）中的CaCO3，并轉(zhuǎn)變?yōu)镃a（HCO3）2;河流水位下降時(shí)，沙礫石層在失水過程中，Ca（HCO3）2轉(zhuǎn)變?yōu)镃aCO3，并逐步富集，日積月累，最終CaCO3將沙礫石層膠結(jié)為完整的鈣質(zhì)膠結(jié)層。因此，當(dāng)沙礫石層為主要含水層且具備地下水徑流條件時(shí)，形成的鈣質(zhì)膠結(jié)一般較完整連續(xù)。完整鈣質(zhì)膠結(jié)物的形成過程如圖1所示。

3.2 弱鈣質(zhì)膠結(jié)層

弱鈣質(zhì)膠結(jié)層被膠結(jié)物一般為沖洪積充填粉粒和黏粒的粉細(xì)砂，在山前沖洪積平原地貌單元區(qū)（如三官?gòu)R附近）普遍分布，黃河沖積泛濫平原亦有少量分布。山前沖洪積平原地貌單元區(qū)在Q3下部與Q2上部地層中，普遍分布一層沖洪積的粉細(xì)砂，并充填粉粒和黏土，一般呈透鏡體狀分布。在地質(zhì)時(shí)期，粉細(xì)砂層尚未覆蓋上覆土層時(shí)，富含CO2的雨水或地表水溶解黃土物源中的CaCO3，并轉(zhuǎn)變?yōu)镃a（HCO3）2，在干濕交替條件下，粉細(xì)砂層中的Ca（HCO3）2轉(zhuǎn)化為CaCO3并逐步富集;由于粉細(xì)砂中充填的黏性土透水性差，CaCO3富集程度較低，因此粉細(xì)砂層被膠結(jié)的程度一般較低，且當(dāng)粉細(xì)砂層隨地質(zhì)時(shí)期被上覆的粉質(zhì)黏土層覆蓋后，隔斷富含CO2的地下水的來源，膠結(jié)進(jìn)程受阻。因此，充填粉粒和黏粒的粉細(xì)砂層一般呈弱膠結(jié)狀，且揭露的弱鈣質(zhì)膠結(jié)中一般充填黏性土，弱鈣質(zhì)膠結(jié)層在地質(zhì)體中一般呈透鏡體狀分布。弱鈣質(zhì)膠結(jié)層的形成過程如圖2所示。

3.3 鈣質(zhì)結(jié)核土

鈣質(zhì)結(jié)核土在黃河沖積泛濫平原地貌單元（如老鴉陳附近）和條形垅崗?fù)莸氐孛矄卧蟹植?，一般形成于Q4與Q3交界處的黏質(zhì)粉土層中。上層的Q4沖積粉細(xì)砂或粉土層透水性相對(duì)較好，富含CO2的雨水或地表水在粉細(xì)砂或粉土層（Q4al）下滲，至Q4與Q3交界處的黃土物源黏質(zhì)粉土層時(shí)，溶解CaCO3成Ca（HCO3）2，失水后，Ca（HCO3）2又轉(zhuǎn)化為CaCO3。由于CaCO3富集分布的不均勻性，因此，在富集處形成鈣質(zhì)結(jié)核百分含量較高的鈣質(zhì)結(jié)核土。鈣質(zhì)結(jié)核土的形成過程如圖3所示。

3.4 零星鈣質(zhì)結(jié)核

零星鈣質(zhì)結(jié)核在各地貌單元區(qū)Q3的粉質(zhì)黏土和黏質(zhì)粉土層中均普遍分布[3]。當(dāng)上層富含CO2的地下水下滲至粉質(zhì)黏土層（Q3）時(shí)，由于粉質(zhì)黏土透水性差，CaCO3難以富集，僅在粉粒含量相對(duì)較高處形成零星或少量的鈣質(zhì)結(jié)核。

4 結(jié)論和建議

①鄭州地區(qū)鈣質(zhì)結(jié)核的形成與地質(zhì)時(shí)期黃土堆積、華北地塊的升降、古氣候的變化、地下水的長(zhǎng)期作用及土壤的淋溶淀積等因素有關(guān)。

②鄭州地區(qū)不同地貌單元的鈣質(zhì)結(jié)核分布具有區(qū)域規(guī)律性，不同地貌單元的不同地層結(jié)構(gòu)，形成了形態(tài)各異的完整鈣質(zhì)膠結(jié)層、弱鈣質(zhì)膠結(jié)層、鈣質(zhì)結(jié)核土和零星鈣質(zhì)結(jié)核四種形態(tài)。

③鄭州地區(qū)對(duì)鈣質(zhì)結(jié)核土的物理力學(xué)性質(zhì)的研究相對(duì)較少，如密度、比重、顆分、壓縮指標(biāo)及剪切指標(biāo)等，建議加大研究力度。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹亞娟.安徽淮北平原鈣質(zhì)結(jié)核土的分布及成因研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[2]黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司.鄭州市軌道交通10號(hào)線工程火車站巖土工程勘察報(bào)告[R].鄭州：黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，2017.

[3]河南省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳.河南省建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計(jì)規(guī)范：DBJ 41/138—2014[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.