黄土(Loess)是干旱、半干旱地区一种特殊的黄色粉土沉积物,主要是由第四纪期间风力搬运而形成的,主要分为原生黄土和次生黄土,其颗粒成分以粉土粒级为主(含量50%),富含碳酸钙质、钙质结核,有时含硫酸岩或氯化物盐类,具肉眼可见孔隙的第四纪陆相沉积物,也含有微小棱角状的石英、方解石颗粒、长石及其他岩石碎屑组成,多呈现灰黄色,颗粒成分以粉土粒级为主,呈疏松或半固结状态,在风的作用下,黄土颗粒可能会被磨圆,导致很难辨认它的层理。
黄土主要分布于北半球的中纬度干旱或半干旱地区,
中原地区黄土主要分布于黄土高原,华北平原以及东北南部,黄土高原上黄土可能以风成因为主,其他地区则以洪水成因为主。
研究历史
从1830年到1880年对黄土的研究历史是相对简单的,1832年,地质学家Charles Lyell(
查尔斯·莱尔) 观察到
莱茵河和
密西西比州黄土悬崖上的“黄土”;莱尔注意到从
海德堡附近的
花岗石到莱茵河平原的石头上,几乎每一块岩石上都有黄土,这些黄土是一片钙质结核的黄土壤,不具有冲积的特征,因此推断出,黄土几乎不受周围岩石的影响;对于莱茵河与多瑙河流域的黄土,莱尔认为在冰河时期,多瑙河有许多大的支流,它们可能是从
阿尔卑斯山脉携带了大量冰泥,莱尔为黄土提出了起源,并断定黄土为湖泊
沉积物。
美国人庞培利(Pumpelly)和德国人
费迪南·冯·李希霍芬(Richthofen)分别于1866年及1868年来中国进行地质考察,开始了中国黄土的研究历史。
中国在1949年以前主要是对黄土的分布、成因、
地层划分等进行初步的研究;对黄土湿陷性研究的全面展开是20世纪50-60年代,由于中国国家建设的需要,这一时期进行了大量的湿陷性试验工作,取得了丰富的资料和可喜的成果,为之后中国黄土的进一步研究奠定了基础,形成了完整的湿陷性评价体系;20世纪70年代中期以后,随着科技进步,特别是扫描电镜的出现使黄土的研究由宏观走向微观,微观研究使得对黄土的认识、特别是对黄土湿陷机理的认识产生了质的飞跃;20世纪90年代以后,随着先进测试技术及
计算机技术的蓬勃发展以及交叉学科的大量产生,在黄土变形的本构关系、微结构、结构性参数定量化及非饱和土力学的理论研究方面取得了丰硕的成果。
黄土成因
黄土的形成需要4个阶段:第一是粉尘颗粒的形成;第二是粉尘颗粒的搬运;第三是粉尘沉积;第四是粉尘沉积后的改造,这就意味着黄土的形成必须具备以下4个条件,物源、搬运力、有利的堆积场所和适宜的成土环境。中国科学家经过多年研究提出,中国的黄土特别是
黄土高原地区的黄土,正是具备了适宜的物源、动力和堆积场所3个条件下形成的。
从全球来看,黄土主要分布在中纬度干旱或半干旱的大陆性气候地区,即现代的沙漠及草原地区。这是由于在干旱
荒漠区、半荒漠区,通过强大反气旋的作用,把荒漠中的大量粉砂和尘土吹送到沙漠边缘和内陆地区,经年累月,不断堆积,形成黄土。
在中欧和北美的一些地区也有黄土分布。它们被认为是在冰期大陆
冰川区的干冷反气旋,将冰水堆积物中的一些细粒物质吹送到冰川外缘地区沉积而成,称之为冰缘黄土。因此,人们又把荒漠黄土称为暖黄土,冰缘黄土称为冷黄土。
此外,有一些类似于黄土的
沉积物,称黄土状沉积物,其成因可能是原生黄土经过流水冲刷、搬运后再进行堆积而形成的。如
中原地区长江中下游平原有许多黄土状沉积物堆积在河流的二、三级阶地上,它们很可能是通过河流再沉积而成的,属于次生黄土,是南方砖瓦产业的重要材料。有一些黄土状沉积物中含有残积物、洪积物以及其他外力作用的产物,因而其堆积的过程比较复杂。
黄土类型
黄土分为原生黄土和次生黄土。
原生黄土:是原生的、成厚层连续分布,与基岩不整合接触,无层理,常含有古土壤层及钙质结核层,垂直
节理发育,如不具有层理的风成黄土,就是原生黄土。
次生黄土:原生黄土经水力和重力作用,再次搬运,重新沉积而形成的黄土,称为次生黄土,次生黄土具有层理,且含有砂粒,以至细砾,如经过再次搬运的风成黄土。
结构特性
物理特性
黄土多呈灰黄色,颗粒成分以粉土粒级为主(含量50%),黄土的颗粒组成具有高度的均一性,组成黄土的颗粒通常可以分为5级(以毫米为单位):0.25-0.1、0.1-0.05、0.05-0.01、0.01-0.005、<0.005,依次命名为粗细沙、细沙、粗粉沙、粉沙土、粘土。
矿物组成
黄土的化学成分主要是SiO₂(占50%左右),Al₂O₃(占8-15%)和CaO(占10%左右),其它较重要的有Fe2O₃(占4-5%) MgO(占2~3%)和K2O(占2%)。SiO₂,Al2O3和CaO的含量较高是由于黄土矿物成分中的
石英、
长石和
碳酸根类矿物含量高,而Fe2O₃和MgO的含量与黄土中含有带铁锰成分的不稳定矿物较多有关(如
角闪石、
辉石、
黑云母等),另外黄土富含
碳酸钙质、钙质结核,有时含
硫酸岩或
氯化物盐类,具肉眼可见孔隙的
第四纪陆相
沉积物。干燥时较坚实,能保持直立陡壁,遇水浸润后易崩解,并发生沉陷。其机械成分以
粉砂为主,其次为黏土,再次为砂粒。碎屑矿物成分以石英、长石为主,其次是云母及各种重矿物。
结构构造
黄土具有发育的孔隙和垂直
节理,它不具层理,黄土的粒度在垂直剖面上虽然有粗细变化,但这样的变化并没引起明显的层层交替的现象。
黄土普遍具有发育良好的管状孔隙,孔径大者达0.5~1cm,孔内大都填充有不同数量的
碳酸根,部分孔隙几乎全部被碳酸盐充填;黄土的孔隙度较高,一般为33%~64%。经验证明,黄土的多孔性是黄土湿陷性的基本原因。黄土中垂直节理的产生,一方面由于在重力作用下黄土内部在铅直方向上受张应力的作用,另一方面黄土中又有着众多的铅直孔隙,削弱了水平方向的合力,因而沿铅直方向易产生裂隙。在黄土区的边坡部位,经常沿
节理面发生崩塌,形成哨壁,有时甚至产生大规模的滑坡。
黄土结构中的孔隙可以分为三类:
(1)大孔隙,基本上是肉眼可见的,直径约0.5mm~1.0mm的孔道;
(2)细孔隙,是架空结构中大颗粒的粒间孔隙,肉眼看不见,可在放大镜下观察;
(3)毛细孔隙,由大颗粒与附在其表面上的小颗粒所形成的粒间孔隙,肉眼不可见。
这三种孔隙形成了黄土的高孔隙度,故黄土又称为“大孔土”。
黄土的分布
世界的黄土分布
黄土不连续的带状分布,东西延伸,连绵于南北两半球的中纬度地带;
欧洲、北美和
西伯利亚地区的黄土都分布于
第四纪大陆
冰盖的外围,而
中亚、中国和南美的黄土分布在沙漠的外围;据估计,欧洲黄土覆盖面积占7%,北美占5%,南美占10%,
亚洲占3%,大陆面积9.3%为黄土覆盖。
中国的黄土分布
中国是多黄土的国家,黄土面积达63.5万km2,约占中国陆地总面积的6.6%。主要分布在
昆仑山脉祁连山脉秦岭鲁东山区和
辽东半岛一线以北的干旱和半干旱地带,即位于北纬34°~35°以北地区,包括
东北地区,以及
山东省、
河北省、
河南省、
山西省、
陕西省、
甘肃省、
青海省、新疆等省(区),主要围绕沙漠由
西北到华北直到东北呈弧形带状展布。
陕西北部、甘肃中(东)部、
宁夏回族自治区南部和山西西部这部分地区的地势较高,故被称为
黄土高原。黄土疏松、
土层深厚、矿物质丰富,对农业生产很有利。但是黄土分布区多在半干旱地区,雨水少、植被稀疏。
在
黄河中游,黄土分布面积约4.0×105km2,形成了海拔为1000~1500m的黄土高原(loess
高原),黄土厚度多为50~80m,最厚可达250m。在
陕西省、
甘肃省一带,厚度为150~180m者常见。其分布面积和厚度均居世界之冠。
黄土地貌分类
按主导地质营力将黄土地貌分类,可分为黄土堆积地貌、黄土侵蚀地貌、黄土潜蚀地貌和黄土重力地貌,黄土堆积地貌是大量黄土堆积而成的高而平坦的地面,黄土侵蚀地貌是雨水冲刷加之风吹而形成的黄土地貌;由于地面水局部集中,沿黄土裂隙下渗,进行潜蚀作用的结果,形成了一系列黄土潜蚀地貌,黄土谷坡等物质在重力作用和流水作用的影响下,常发生移动,形成泻溜、崩塌、滑坡等重力地貌。
应用领域
建筑行业
黄土的用途很广,因土质极细又黏,可以用来做
土坯,还可以做抹墙白的材料,也有的用它来做黏结材料和砌墙体的胶泥。由于它的粘着性能强,用木板夹起空挡,中间添土,形似“干打垒”晾干后,可使墙体坚牢。湿陷性是黄土最主要的工程特性,所谓湿陷性就是黄土浸水后在外荷载或自重的作用下发生下沉的现象。
生产硅酸盐水泥
生产硅酸盐水泥的原料主要是石灰质原料和黏土质原料。石灰质原料主要提供CaO,可采用
石灰岩、凝灰岩、贝壳等,其中多用石灰岩。黏土质原料主要提供SiO2、Al2O3及少量Fe2O3,可采用黏土、黄土、
页岩、
砂岩等,其中黏土与黄土应用最广泛。
艺术行业
泥塑艺术家经常以黄土为材料,捏制泥塑;粉塑面谱,满族传统民间工艺品,用黄土泥塑成人面,施以彩绘,用彩色丝线贴胡须,仿京剧脸谱勾画。