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就华北平原打井谈冰期问题 [复制链接]

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只看楼主 倒序阅读 0 发表于: 1963-04-02
第5版()
专栏:

就华北平原打井谈冰期问题
李四光
为了支援农业,摆在地质工作者面前的问题很多。其中重要的,是与农田灌溉工作有关的一些问题,即与打井、筑坝、修渠等有关的问题。这些工作,经常要和含水层或渗水层以及隔水层打交道。就华北平原这一类型的地区来说,农田灌溉工程所接触到的地层,是多种多样的。除了广泛发育的表层黄土以外,还有近代堆积,近代河流淤积,湖沼沉积,以及非黄土的风成沉积。在进行开凿较深给水井的地区,更需要考虑可能存在的冰流沉积(普通称为冰碛)、冰水沉积、冰前沉积、古代河床沉积和浅海沉积等类沉积物在当地地层中所占的地位。
全面地了解了这些类型地层的成因和分布规律,才能充分地掌握它们在水文地质方面所起的作用,才能合理地解决与它们有关的水文地质方面的工程问题。其中有两项工程对农田水利来说特别重要,那就是打井和筑坝。
在华北平原中较大河流容易泛滥的地区,近代河流沉积往往达到相当的厚度。这种沉积的渗透系数,一般都比较大。我们现在在华北平原地区所打的一万多个浅井,有不小的一部分没有穿过这种由近代河流形成的冲积层。在这种地区,地下水面在平衡状态下,一般保持着一定的深度。它随着地面的起伏也略有起伏,但幅度较小。当井水不断被抽出的时候,井周围的水位就相应地低落。如果抽水过多,地下水面就不是平面,而成为漏斗状的凹面。漏斗的最低点,与井中水位一致。从此可以看出,在这样的地区,水井的密度不能超过一定的限度。否则地下水面就要全面地下降,有些水井就会干涸。另外,也有一部分,特别是接近平原西部和北部边缘的那些水井,大部分在不同程度上打到了比近代沉积更老一些的地层。其中,有时遇到了含水层,有时遇到了隔水层,也有时遇到了这两种地层。这样,情况就复杂化了,找水的工作也就不那么简单了。
一般地说,空隙较多的砾石层、砂砾层和由粗细不等的颗粒组成的流砂和其他胶结比较松散的岩层,都属于含水层或渗水层。它们的组成矿物质,大都含粘土少。这一类成层的沉积物,都是岩石经过风化或其他侵蚀作用、又经过流水或风力或重力的搬运而形成的颗粒组成的。全部或大部分由粘土组成的沉积物,特别是由极其致密的胶状粘土性矿物粉末组成的沉积物,是典型的隔水层。在这种具有高度隔水性能的沉积物中,即使混杂着大小砂粒或石砾,它的隔水性能仍然是比较良好的。这种含有大小石砾或石块的粘土层,如果不呈层状,其中的石块杂乱无章,石块的棱角大体消失,但不像河流中的卵石那样达到浑圆的程度,它就被称为泥砾。由于泥砾既不呈层理,而组成它的颗粒的大小,又不显示由于流水作用而必然产生的分选性,它的成因,显然与普通河流沉积不同。冰川沉积,往往具有这些特点。但是,如果单靠这些特点就对沉积物的成因作出结论,那还不能算是证据确凿的。
新的比较疏松的沉积物,除了近代堆积和近代河流淤积以外,无疑都是第四纪的产物。就是说,它们开始形成的时期,离现今大约不超过一百万年,它们终了的时期,至多不超过一万年。就在第四纪这个最近的地质时代,全世界的气候,发生过巨大的变动。有时在现今位于温带的许多地区,像现今的极圈一样,全部为冰层所复盖,或部分地为冰层滋长和冰川流溢的场所。后一种情况,甚至发展到赤道下的高山地区。这种时期,一般称为冰期。又有时气候变得很热,现今位于温带的许多地区,比现今还更温暖,甚至热得像热带一样。这种时期,一般称为间冰期。关于气候这样的反复变化,虽然一百多年以来,在地球上各地发现了越来越多的证据,而在我国,过去有很长一段时间,人们否定了冰川广泛流行的遗迹。这一假定,对第四纪地质工作的各个方面,都提出了极为重要的指导意义。将近四十年以来,特别是解放以来,我国一部分地质和地理工作者,通过他们自己的热情劳动,搜集了大量的事实,进行了缜密的分析,从而大家对这一问题的看法,逐渐地、在很大的程度上,朝着肯定的方向转变。但是不同的意见和“慎重的缄默”,到现在还保持着一定的影响。
华北平原西部和北部边缘出露的泥砾和平原中通过钻探所发现的泥砾,层数各地不等,性质也不完全一致。对这些沉积物的成因,一举而作出笼统的论断,是不够严谨的。有些观察者,对同一类型但不属于同一层,或者属于同一层而出露于不同地点的泥砾,时而以这种成因来解释,时而又以那种成因来解释;甚至对同一地点出露的同一泥砾层的成因,今天认为是这样,明天又认为是那样。这并没有什么可笑,而是可贵。经过反复思考,千锤百炼,才得以奠定的成果,该是不可动摇的成果,该是前进道路上的里程碑。
如果认为华北平原中的泥砾,或其中某些部分,确实是冰川活动的产物,那么,至少必须提出三项必不可少的证据,和一项应有的但不一定处处可以得到的证据来加以验证。三项必要的验证资料包括:(一)大片冰层在山区停积和它向低处移动的遗迹;(二)冰碛,即冰川下面的沉积和它侧面及前面遗留的堆积物;(三)冰水沉积和其他冰缘沉积。这三项中的各项证据,把它们分开来单独地看,它们各自都具有不同确凿程度的验证意义。但更重要的是,把它们联系起来看,它们显示冰川在它滋长、活动和消失的过程中所起的作用。至于应有的但不是经常可以得到的证据,是在寒冷气候中生存的动植物遗体或遗迹。
现在要问,我们是否掌握了属于第一项的不可缺少的证据。不管在最近的地质时代,华北地区遭受了如何强烈的侵蚀,如果冰川曾经在这里流行,那么,在平原边缘的山区,冰流的铲刮、碾磨和刻划的痕迹,总不会全部被扫除干净。山谷冰川一定要有它发源的处所,在那里,一定有相当规模的屯冰的场所,又名冰窖。由于不断滋长的冰层成年累月地往下挖掘,以致在山顶或半山的基岩上造成相当深的基岩凹地。一般在中心基岩凹地较高的处所,又发生一些较小的圆椅状的基岩凹地。它们都是结积冰雪的场所。由那里,中心冰窖得到不断的补给。直到冰窖中屯冰过多,它就往低处流溢。这样,山谷冰川的流行就开始了。
冰川在它经过的途中,特别是在坡度较大的处所,由于它铲刮的力量较大,往往在坡下造成圆形或椭圆形的基岩凹地。这种基岩凹地的前面,冰流出口的处所,往往有一道横坎。冰流爬过这种横坎以后,一直往前流注,达到适当的地点,又会造成基岩凹地。这种在基岩中形成的一连串的凹地,称为葫芦形凹地,它们是由于山谷冰川铲刮的作用而形成的特点之一。这一类型的地貌,在北京西山是经常可以遇见的。例如怀来盆地、官厅水库以南直到三家店之间的一连串葫芦形基岩凹地等等。经过物探查明,还有一些埋没或半埋没在地下而被第四纪沉积物填充的基岩凹地。例如碧云寺和南营子分别位置在一个小型和一个较大的基岩凹地的中部。万安里和火器营,位于一个更大的基岩凹地中心。十三陵区,也是一个被泥砾填充和表面沉积物复盖的基岩凹地。已经查明了的地下葫芦形凹地,大都有相当直的流水沟穿过。这显示,它们与河流发生蛇曲所形成的局部准平原,毫无共同之处。
属于第一项的各项冰流证据,可以说没有比冰溜痕迹更为确凿,特别是在基岩面上的冰溜痕迹。当冰川中所夹的大小石块和冰层一道缓慢流动时,石块与石块之间,和带有大量石块的冰层与基岩之间,由于相对滑动面发生碾磨和研磨作用,以致发生极其光滑的研磨面。有时发生研磨的石块之间,夹着较硬的岩石颗粒,它们随着岩块的滑动,而在研磨面上滑动,刻划成深、细、长的条痕,一头粗如钉头,一头细如鼠尾。很容易理解,造成这种条痕,不但要石块与石块在一定的时候朝着一定的方向发生相对的移动,而且还要在相当大的压力下发生相对运动,否则它们不能一直保持紧密的接触。只有冰川活动,才能提供这些条件。在河水激流中,经常也发生砾石与砾石之间互相磨擦和撞击的现象。但因河水不能提供上述的条件,河流砾石面上,经常不发生那种深、长、细的定向条痕。混杂在泥流中的石块之间,彼此可能多少发生磨擦的作用。但是,泥流本身既无固结在一起的性能,又不像冰川那样提供巨大的压力。因此,石块与石块之间,不能像冰流作用那样发生长距离的定向相对滑动,也不能像冰川那样提供巨大的压力,让它们长时期保持紧密的接触。当夹在冰层底部大量的较硬的石块和基岩接触时,基岩就不可避免地受到那些石块在相当大的压力下滑动而产生铲刮和碾磨作用,以致在基岩面上发生带有大致互相平行的凸凹条带和深刻的条痕。这样发生的条带和条痕,只影响基岩面的表面,而不重复地在它的下面出现。相反,在岩块与岩块之间,由于发生过构造运动而产生的研磨面上所呈现的凸凹条带,不独严格互相平行,而且一般都不带有岩石颗粒刻划的痕迹。并且它们往往不局限于一个面,而是重复出现的。对有经验的冰川工作者来说,这种基岩面上的冰溜擦痕,是冰川流行无可争辩的证据。
近几年来,我们在北京西山许多地点,发现了大量钉头鼠尾状的冰溜擦痕块砾。其中最大最突出的一块,现在还屹立在八大处的六处下的桥边。关于基岩面的冰溜擦痕,也发现了四处。其中最典型的、给予观察者印象最深的一处,位置在龙恩寺以东的山坡上。在那里,具有极清楚的凸凹条纹、准平行的刻划痕迹和滑动颤痕的大片碾磨面上,复盖着一层粘结极其致密的灰白色粘土。它的厚度不大,粘性极强,可以把它像地毯那样卷起来而不破裂。在这层粘土以上,堆着夹有泥土的大小石块。石块面上,有时带着刻划的条痕。经过仔细的检查,肯定了这一大片碾磨面不可能是起源于构造运动,也不可能是由于泥流或石流作用产生的。它肯定了这个地区的冰川活动。由于气候的变化,达到了发生冰川这样大的程度,它不可能是局部的现象。因此,这一发现,对整个华北地区冰川工作的开展,具有极其重大的意义。
肯定了山谷冰川存在以后,在山麓或平原的边缘找到冰流输送的沉积物——冰碛,就成为无可逃避的推断。几年来,在华北平原地区,通过地面观察和钻探,发现了三至五层渗透系数较小的泥砾。泥砾之间经常存在着渗透系数较大的砂层、砂砾层、砾石层和渗透系数较小的泥土层(红土居多)。这样重叠起来的地层,在华北平原中分布相当广泛。据此,上述推断得以证实。当然,如果我们把平原中所有的泥砾都当作冰碛看待,是不够妥当的,除非像在魏公村、四王府附近等处穿过泥砾的钻孔中获得了带有冰川条痕的石砾等项确凿的证据。
应该指出,当冻结了的大量石块和泥土开始溶解时,在适当的坡度上,就很容易发生石流现象。这就说明,当冰川撤退时,冰川流行地区的环境,往往具备着发动石流的条件。事实上,有些冰碛层显示经过搅乱的状况,它可能起源于冰川再一次前进时推动的作用。但也可能是冰碛本身发生因石流的结果。可以设想,石流或泥流以及其他扇形堆积,就它们的组成形态来说,在某种程度上,与冰川泥砾相似。而在沉积形态上,却有所不同。扇形堆积都散布在山口前面,呈扇状分布,其中所夹的石块,离山口越远就越小。冰碛中大小石块的分布,却不显示这种规律。由山谷冰川所形成的底碛,也可能多少呈扇状展布。但在它的外部边缘,往往有一道或几道由泥砾构成的弧形堤或弧形丘的片段环列。更重要的特点是,这种冰碛物的底部,不是像扇形堆积那样,铺在山坡或平原上面,而是与前面已经提到的情况那样,落在基岩凹地上面。同样,石流或泥流的发生,不独需要一定的坡度,而且它本身也不可能提供足够的铲刮力量,在它底下的基岩中铲出凹地。
既然肯定了冰川的存在,那么,当冰川存在的时期,它是不断溶化和补充的。一旦冰期结束的时候,漫山遍野,大量冰层和终年积雪迅速地溶化,沿着冰川撤退的道路,急流奔泻;顺着山坡和山麓,一片潺湲,散漫溢注。这样,就会造成“洪水横流”的景象。因此,我们在有冰碛层的地区,特别是在冰碛层前缘地区,必须找出属于前述第三项的证据,即冰水沉积和其他冰缘沉积,才能完全证实它是冰川的产物。在终碛的前面,也就是泥砾初经冰水冲洗的地带,组成泥砾的成分转变的程度不大。其中保持粘土较多,砾石的磨圆度不甚显著,层理也很粗陋。但离冰碛越远,它经过流水冲击和分选的表征越为显著。其中的砾石越加浑圆,颗粒越小,而且层序井然。从表面看来,这种沉积物与河流沉积很难分辨。但河流沉积必然分布在古河床的故道,而冰川的沉积,却是大片的砾石层或砂砾层展布在冰碛层的前面。
在北京西郊,有大片微向东偏南倾斜的疏松砾石层,由来自西山方面的各种石砾组成。离山麓越近,它们越大越粗,棱角磨圆度越不显著。反之,越往东去,它们变得越圆越细,逐渐转变为粘土质砂层,最后完全变为砂层。在这一新的砾石层上面,一般、但不是处处复盖着一薄层厚度不均的黄土或浮土。根据在二十多个地点观测这层砾石的上层中两千多个石砾排列方位所获得的统计,并且和现今永定河床中石砾排列规律比较,可以看出,这层砾石,是由西山方面,沿着山坡倾泻的大片流水所带来的产物,而不是永定河从西山山麓出口以后,再转向北流而形成的河床沉积。西山方面的大片流水是怎样来的呢?显然,只有当一个冰期即将结束时,山区遍布的冰层和多年积雪大量地、相当迅速地溶化,才能产生这样漫山遍野的流水。这种情况,完全符合于上述冰前冰水沉积的一般分布规律。
在掌握了属于以上三项的确凿证据之后,我们现在可以看出,北京郊区和北京西山地区确实存在着山谷冰川的滋长、流动和消失的一整套遗迹。前面已经提到,气候的变迁发展到冰川流行的程度,不可能是局部的现象。所以,我们可以推断,在这一地区发生的冰川现象,也必然在华北平原的其他西北边缘地区和邻近的山区得到证实。根据冰川前缘沉积物分布的范围,我们可以确定冰川在第四纪时期对平原中的沉积物发生了怎样的影响,也可以确定冰川最盛行的时期它在平原中达到多么大的范围。
我们知道,在冰川流行的地区,当它开始发展的时期,在它的前面,总不免有冰水流溢、输送泥砂砾石等类物质,一旦遇到低洼地点就会沉积下来。这种冰水沉积物,在适当的条件下,不会全部被前进的冰流所铲除。因此,在冰碛层底下,有时有冰水沉积物。当冰川消溶时,大量冰层比较迅速地溶化,这样发生的流水或洪水,带着大量的砂砾、泥土,往往普遍地散布在冰流曾经达到的地方。就是说,在冰碛层上面,往往复盖着一层冰水沉积物。总起来说,在冰流曾经达到的地方,可能遗留下来两层冰水沉积和夹在它们之间的一层冰碛。那么,我们是不是可以把平原中每一套这样沉积都当作代表一次冰期呢?是的,如果这样一套沉积物的确是冰川的产物,它们就显示冰川曾经一度在那个地点一进一退的过程。但是冰川在某一地点一进一退,并不一定代表一个冰期。在一个冰期中,气候条件不会完全稳定。随着气候的小变化,冰川也必然会发生伸缩的现象。当气候大变的时候,即由严寒而变到温暖或酷暑的时候,那就是由冰期转入间冰期的时候。如果间冰期的时间很长,在冰期的时候产生的沉积物,例如冰碛或复盖在冰碛上的泥土,就不免像在今天的热带地方那样,受到“铝红土化”的影响,就是它们变红了,氧化程度加深了。这样,我们可以把冰川沉积物的性质和它们的层位关系结合起来,作为划分冰期和间冰期的依据之一。
另一种划分冰期和间冰期的有力依据,是有关的沉积物中所含有的动植物化石,例如披毛犀、猛犸象、虎耳草、阴地厥等,是生长在寒冷气候中动植物群的典型的代表。又如梅氏犀、水牛、榆属、柳属等,是生长在温暖或炎热气候中常见的动植物。过去,我们在中国北部收集了大量的第四纪动植物标本。但是,由于对产生它们的地层的层位未给予充分的注意,以致对它们生存的时代和它们在古气候学上的意义,产生了极大的混乱。今后随着我们在这一方面的工作方法的改进,对第四纪冰期和间冰期的划分,将获得新的进展。事实上,在周口店猿人洞内,在猿人层下和猿人层上,都已经发现了不是原生而是经过冲洗的泥砾。这两层泥砾或“砾石层”中,都含有寒冷气候中生长的植物孢子和花粉。而在猿人层中,却含有大量的生存在温暖乃至炎热气候中的动物的遗骸和植物的孢粉。根据这些事实,我们可以断定,在北京,也可以说在整个华北地区,至少有两个冰期和一个间冰期。
另外,根据在香山东南面和北京地区相当广大的范围内所获得的钻探资料,我们发现了三种不同的泥砾,最古老的一层呈绛红色,胶结很硬。其次较新的一层泥砾呈红褐色。还有一层更新、更松的泥砾呈黄褐色。这些事实,暗示华北的冰期可能还不止两期。只有我们付出更大量的劳动,用较严密的方法,收集更多的事实,才能对冰期和间冰期的问题作出可靠的结论。在确立了冰期和间冰期的观点以后,我们就应该选定若干地区,按这个观点,建立区域性第四纪地层的标准层序,逐层鉴定沉积物的性质和成因以及其中含有的化石,包括孢粉,看来,这是对划分冰期和间冰期在华北地区行得通、而且是比较可靠的方法。这也是系统地开展第四纪地质工作的主要途径之一,同时对掌握山间盆地和华北平原中含水层和隔水层的分布规律,也将会大有帮助。
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