第四纪地层划分对比方法

第四纪地层划分对比的原则~

实际上，第四纪地层划分对比(Quaternary stratigraphic division and correlation)就是从时间和空间上分析和研究第四纪地层的发育状况和特征，建立一个局部的、区域的、全国的、全球的地层系统(stratigraphic system)。在时间上，将第四纪地层划分为不同的时代，按照新老关系进行排序，这就是地层的划分。在空间上，进行相同时代的第四纪地层比较，分析它们的相似性和差异性，这就是第四纪地层的对比。通常情况是划分在前，对比在后。
第四纪地层的划分对比的原则有两条: 一是生物地层学的原则; 二是气候地层学的原则。生物地层学的原则是依据生物的演化规律，它由简单到复杂，从低级到高级，螺旋式地前进，在世界各地都是如此，是一个全球性的规律。在同一物种中，原始性状多的时代要早，而进步性状多者其时代就晚; 相同种，而且性状又相似的其时代也是接近的。因此，根据地层中生物化石的特点能区分地层的新老关系。
第四纪气候有一个非常重要的特征就是冷暖的波动，即冰期与间冰期的旋回，而且是频繁地发生。在统一的地球表层系统控制下，全球的气候变迁具有全球性，只是不同的地区响应的强度有所差异。根据全球性的气候旋回为标志进行第四纪地层划分对比就是气候地层学原则。

地层是过去地质历史中各种自然地理要素变化和地壳变动的记录。对它的研究和划分对比，有助于恢复第四纪地质历史，指导地下水和砂矿床勘查以及工程勘测设计。
在研究一个区域第四纪地层时，首先应根据沉积层接触关系、地貌位置高低和风化程度等，拟定区域地层形成的相对顺序。常见地层接触关系有连续接触、侵蚀接触、渐变（过渡）接触、假整合接触和不整合接触等。只有将地层形成的相对先后顺序搞清楚，才能为地层划分对比打下基础。
第四纪地层划分对比的目的是：在一定范围内，根据第四纪发生的主要事件，如气候变化、哺乳动物演化、人类及其文化发展、地貌变迁、新构造运动等方面的相似性与差异性，并配合年代学数据，对地层进行不同尺度的异时性（地层划分）和同时性（地层对比）综合分析，以确定第四纪地层的地质时代。
由于第四纪时间很短，生物和气候变化是逐渐的；沉积物以陆相为主，结构疏松；岩性岩相变化大；化石不易保存。因此，对于第四纪地层，只采用老地层的一般划分对比方法，往往不能客观、全面地反映第四纪地层的情况。还必须考虑沉积物形成时的地质作用，综合利用其他方法，如古气候法、古人类与考古法、古生物地层学法、岩石地层学法、地貌分析法、古地磁法、地层同位素年龄测定法等。当然，古气候法、古生物地层学方法和岩石地层学方法仍然是第四纪地层划分对比的基本方法。根据第四纪及第四纪地层的特点，第四纪地层划分对比的主要原则与方法有：
（一）古气候学原则与方法
第四纪全球性或大区域性气候冷暖（干湿）旋回变化既有时间先后，又有一定趋势特征，因此可以作为第四纪地层划分对比的原则。即利用在沉积剖面中多种冷暖（干湿）气候标志的交替出现来划分对比地层。
（二）古生物地层学原则与方法
第四纪哺乳动物群的成分，通常包括：第三纪残余种属、第四纪特有种属（已绝灭的）和现代种属。在第四纪的不同阶段，哺乳动物群中各种成分的比例有所不同，种属特征和组合特征也会发生变化，并将产生新种属。通常就根据哺乳动物群成分特点和一些具有断代意义的种属化石来划分对比第四纪地层。
第四纪各阶段哺乳动物群特征：
（1）早更新世：以现代种属的象、马、牛开始出现为标志，标志着第四纪开始；以更新世特有种属为主，有少数第三纪残余种属。
（2）中更新世：以更新世特有种属为主，大量出现现代种属，有极少或没有第三纪残余种属。
（3）晚更新世：以现代种属为主，有少数更新世特有种属，没有第三纪种属。
（4）全新世：全部为现生种属。
在第四纪地层中，往往难于找到一定数量并且具有鉴定价值和意义的化石，因此哺乳动物法在实际应用中较为困难。
（三）岩石地层学原则与方法
利用第四纪沉积物颜色、岩性、结构、构造、成因和风化程度的差异划分对比地层的方法，称为岩石地层学方法。这种方法是根据第四纪堆（沉）积物形成的气候与时间不同、堆积物的上述特征不同的原则来划分对比地层。其基本方法是综合研究堆积物颜色、砾石风化程度、重矿物组合所反映的风化系数、风化标志层结构构造特征，作为地层划分对比的依据。
（1）颜色 第四纪堆积物颜色受粒度、有机质、氧化物、钙质、沉积环境、古气候和时间等因素的综合影响。在同一地区，往往表现为从深红→红→红黄→黄色，具有从老到新的地层意义。但对埋藏地下未风化部分不适用。
（2）砾石风化程度 相同或相似岩性砾石风化程度（百分比）或砾石风化皮平均厚度与标准差，可作为地层划分对比的依据。
（3）重矿物组合风化系数（K）。第四纪沉积物重矿物组合特征，可以反映第四纪堆积物重矿物组合风化程度。其计算方法如下：

地貌学及第四纪地质学基础

K值越大，说明重矿物组合风化程度则越高，含这一组合的地层就越老。常见重矿物见表2-4。

表2-4 常见碎屑沉积物中重矿物抗风化能力分类表

（4）沉积物风化标志层结构构造 在第四纪地层剖面中，古土壤层类型及其厚度和间距、风化侵蚀面、网纹构造的疏密和大小等均可作为岩石地层划分依据。第四纪堆积物中的常见标志层有：古土壤、泥炭层、风化面、含（隔）水层、火山灰等。
（四）地貌学原则与方法
第四纪地壳运动的结果之一是形成各种地貌形态，特别是地壳垂直升降运动形成的各种层状地貌，可作为划分区域性第四纪地层的参考。按照不同时期内外营力差异沉积环境不同的原则，将层状地貌与其上的堆积物特征研究相结合，则可用于划分第四纪地层。可作为第四纪地层相对层序划分依据的层状地貌有：海岸阶地、湖岸阶地、河流阶地、不同高度夷平面和溶洞。
（五）古人类-考古学原则与方法
古人类演化、文化发展和人类历史所记录的变化都可以作为第四纪地层划分的原则和依据。
（六）年代学方法
主要包括物理年代学方法和放射性同位素年代学法。利用第四纪堆（沉）积物中的矿物岩石的物理性质（如磁性、发光性等）测量堆（沉）积物年龄，这就是物理年代学的方法。放射性同位素年代学法是指利用第四纪堆（沉）积物中矿物岩石和化石里含有微量放射性同位素（U、Th、K、Ra、14C等）的自行衰变计算第四纪堆（沉）积物年龄的方法。
年代学方法是目前国际上广泛应用的测量第四纪堆（沉）积物年龄的方法，它可以直接划分对比地层。
由于第四纪地质历史和堆（沉）积作用过程的复杂性，因此用单一方法对第四纪地层进行划分对比很难得出客观、正确的结果。在第四纪地层划分对比的实际工作中，必须在多角度地观察、研究第四纪堆（沉）积物和历史事件的基础上，综合运用上述原则，才能获得客观、正确的结果。

广布地球表面的第四纪地层记录了地球在这段时间的演化历史。第四纪地层的划分对比可根据各种标志或依据来进行，如沉积物的特征、生物化石特征、气候变化、地貌特征、人类遗存等等。因此，第四纪地层划分对比的方法就可以分为古生物学的方法、岩石学的方法、地貌学的方法、年代学的方法、考古学的方法、构造地质学的方法等。

1. 岩石学的方法

岩石学的方法是第四纪地层划分对比的基础，是利用第四纪沉积物的颜色、成分、结构、构造等特征进行第四纪地层的划分对比。在第四纪，由于自然环境的变化和地表营力条件的改变，导致在不同时期形成的沉积物的岩性特点不同，如沉积物粗细的变化，颜色深浅的变化等，我们可以依据这些特征进行第四纪地层的划分对比。

颜色(color)颜色是沉积物最直观的表现特征，是沉积物的成分、粒度、沉积环境和形成时气候的反映。沉积物的有机质含量高其颜色深，为黑色或灰黑色; 湖心的沉积物偏绿色、黑色或灰色(还原条件)，而湖边的沉积物偏红、棕色(氧化条件)。气候越是湿热，形成的沉积物就越红，反之，沉积物偏灰、黑灰色。沉积物颜色的深浅受三价铁含量的影响，三价铁含量越高，颜色越红。在地表的条件下，随着时间的推移，三价铁的含量是累计的，从早期到晚期，相同类型的沉积物有从红色→棕红色→黄色的变化趋势，在黄土中颜色的变化比较清晰(表10-1)。在华北地区，早更新世中期和中更新世中期是两次气候比较炎热和湿润的时期(夏季风作用比较强)，这个时期形成的沉积物比较偏红(红、深红色)，往往可以作为华北地区第四纪地层划分对比的标志。在南方，中更新世就形成了代表湿热环境的网纹红土。

表 10-1 我国不同时期黄土的颜色变化

成分(composition)在第四纪地层划分对比中主要是利用沉积物中的碎屑矿物种类和含量的变化来进行研究。碎屑矿物，根据其在地表环境下的稳定性，可分为稳定矿物、比较稳定矿物、不稳定矿物和非常不稳定矿物(表 10-2)。这些矿物在沉积物中的含量变化可以反映水动力环境和气候条件，因此也可作为第四纪地层划分对比的依据。如北京平原区的第四纪地层中碎屑矿物在不同时代有明显变化(图 10-1)。还可以用这些矿物含量的比值来进行地层的划分对比，如(稳定矿物 + 比较稳定矿物)/(不稳定矿物 + 非常不稳定矿物)，这个比值也被称为风化系数。该值越高，风化强度越大，反之就越弱。

图 10-1 北京平原区双堡头孔重矿物含量变化图(据 《北京幅和通县幅 1∶ 5 万区域地质调查报告》，1991; 修改)

表 10-2 常见碎屑矿物稳定性分类

图 10-2 不同时期冰碛中玄武岩碎屑风化皮厚度变化图(据 Cpepheu 等，1975; 转引自曹伯勋等，1995; 修改)n 为砾石个数，图中数字为平均值和标准差

结构与沉积构造(texture and structure)沉积物颗粒的大小、分选性以及形态也可作为第四纪地层划分对比的标志。比如在进行河谷阶地地层划分对比时，常可利用这一特征，对每一级阶地砾石层的砾石成分、大小、风化程度、分选性等特征进行统计，找出它们的相似性和差异性，就可以进行地层的划分及对比。有时还可以利用砾石风化皮的厚度进行第四纪地层的划分和对比(图 10-2)。

特殊的标志层(key bed)在第四纪地层中，由于当时环境的变化，可形成一些特征比较特殊的标志层。这种标志层既可以是沉积层，也可以是构造界面，如古土壤层、火山灰层、砾石层、海积层、钠盐层、石膏层、钙板层、古风化壳面、侵蚀面、平行不整合面、角度不整合面等等，如在黄土剖面中的古土壤层、午城黄土与离石黄土的侵蚀面等。

2. 古生物学的方法

古生物学的方法是最为常用的一种地层划分对比的方法，也是一种传统的方法，它是利用了生物演化的规律。尽管在第四纪地层中有很多种类的生物化石，但通常利用最多的是哺乳动物化石，因为哺乳动物是第四纪时期演化更替最快的一种动物，伴随着进步种的出现和原始种的灭绝，不同时期地层中具有不同的组合，据此可进行第四纪地层划分及对比。如我国泥河湾组、元谋组、周口店组的建立和对比，第四纪下限的确定，都充分地利用了哺乳动物的生物地层学的方法(图 10-3)。

3. 地貌学的方法

这种方法是在确定地貌形成先后次序的基础上，再进行第四纪地层的划分及对比。地貌相对先后次序的确定是根据它们之间的切割、过渡和掩埋等关系，如果地貌的先后次序确定了(图 10-4)，那么构成这些地貌的第四纪地层的先后次序也就确定下来了。这种方法在平原地区、河谷地区和盆地地区的阶地地层的划分对比，岩溶地区溶洞中的地层划分对比，以及夷平面的对比比较有效。在高海拔的山岳地区和高纬度的大陆地区，根据冰碛地貌(如终碛堤、侧碛堤)也可进行地层的划分与对比。

但在岩溶地区利用地貌学的方法进行地层划分对比时要注意洞穴形成年代与洞穴内沉积物形成年代的不同。一般情况下(地壳的上升地区)，溶洞的位置越高，年代就越早，但其洞内的沉积物不完全有这种规律。有可能会出现高位置溶洞中的沉积物时代反而晚，这是由于早期的沉积物被冲刷掉，后来再沉积形成的。在平原区利用地貌学方法进行地层划分对比时，也要注意地貌的掩埋关系: 新地貌覆盖了老地貌。如果是钻孔揭露的第四纪地层，则要根据沉积韵律的特点，如河流阶地的二元结构，洪积扇的多元结构，进行地层的对比。

图 10-3 周口店太平山东洞、西洞、上店洞、东岭子洞的地层对比(据程捷等，1996)

图 10-4 新疆库车的库车河康村北五期洪积扇的切割关系素描图

4. 年代学的方法

随着科学技术的发展和研究精度要求越来越高，在现今第四纪地层划分对比中，一般都需要年代数据。这种方法就是对第四纪地层进行测年，根据所测得的年代数据再进行第四纪地层的划分对比(图 10-5)，该方法在精度上较其他方法更高。

5. 古气候学的方法

古气候学的方法是根据第四纪地层记录到的气候波动规律而进行地层的划分与对比，如在高山地区可根据冰碛物与流水沉积物的交替，或冰川地貌和流水地貌的交替，进行第四纪地层的划分与对比(图 10-6)。在低纬度地区，如在湖相、海相、河流相或洞穴等沉积物中，可根据气候的冷暖波动进行地层的划分与对比。

图 10-5 第四纪地层划分对比的年代学方法(据曹伯勋等，1995，有修改)

图 10-6 第四纪冰期与间冰期旋回的地层(据曹伯勋等，1995)

6. 构造地质学的方法

构造地层学的方法即根据在第四纪地层中的平行不整合、角度不整合以及地层的皱褶和断裂而进行地层的划分和对比。这种方法在对新构造运动活动比较强烈的地区的第四纪地层进行划分是比较有效的，如在新疆南天山，下更新统的西域砾石层发生倾斜、皱褶和断裂，并与上新统之间形成角度不整合(图 10-7)。

7. 古人类与考古学的方法

古人类与考古学的方法主要是依据人类进化过程和人类文化发展的阶段性而进行的第四纪地层的划分和对比。在不同的时期，具有不同古人类化石和古文化特点(图 10-8)，如在早更新世早期为能人和奥都韦文化。这种方法最好有年代数据，以增加其准确性。

图 10-7 新疆库车卡普斯浪河第四纪地层接触关系及构造变形(据程捷，2007)

图 10-8 中国几个重要的古人类化石地点的对比

8. 其他方法

除了上述的方法外，目前还利用地层中的其他标志进行第四纪地层的划分，主要有地球化学的方法、同位素地球化学的方法、事件地层学的方法等。在地球化学方法中，经常利用CaCO3、氧化物的含量变化进行地层的划分与对比。在同位素地球化学的方法中，目前利用比较多的是氧同位素(沉积物、化石)和碳同位素(有机的、无机的)，它们在黄土、深海沉积物、湖相沉积物等研究中都得到应用。事件地层学的方法主要依据在第四纪发生的一些重大地质事件 进 行 第 四 纪 地 层 的 划 分 与 对 比，如 强 烈 的 火 山 爆 发、陨 石 撞 击 事 件(如 在2. 60MaB. P. 、1. 10MaB. P. 、0. 70MaB. P. )、气候剧烈变化事件(如冰筏屑沉积事件)。

在对一个地区第四纪地层进行划分对比时，常常不是采用一种方法，而是利用多种方法，综合分析和划分对比第四纪地层(图 10-9)，以期增加地层划分对比的准确性和可靠性。另一方面，地球表层系统中各因子是互相联系和相互作用的，系统中某一因子的变化都会引起其他因子的响应，因此各种因子的变化具有相关性，它们都将在地层中留下 “烙印”，所以利用多种指标综合划分对比第四纪地层亦显示了地球表层系统的统一性和协调性。

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