郑州地区钙质结核土分布规律研究

郭小帅 何建锋 于新政 刘雨 孙一飞

摘 要：钙质结核在郑州地区广泛分布，其形成物质基础为沉积富含CaCO3黄土物源的粉土、粉质黏土，形成条件为富含CO2地下水的下渗。郑州不同地貌单元的不同地层结构，形成四种形态各异的完整钙质胶结层、弱钙质胶结层、钙质结核土和零星钙质结核。

关键词：郑州地区;钙质结核土;黄土物源

中图分类号：P642.1文献标识码：A文章编号：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

钙质结核土作为一种地区性特殊性土，广泛分布于黄淮冲积平原地区。笔者在郑州地区勘察过程中，发现钙质结核的分布呈现一定的规律性，且钙质结核的存在对土体工程特性亦有一定影响。

1 钙质结核的形成过程

钙质结核是土体在淋溶淀积作用下形成的，其胶结物一般为碳酸钙。碳酸钙是一种难溶性盐类，必须变成重碳酸钙Ca（HCO3）2才较易溶解于水中，CaCO3变成Ca（HCO3）2必须有丰富的CO2。因此，决定CaCO3移动的主要有两个因素：一是土壤水分状况，这是CaCO3移动的媒介;二是CO2的含量。

钙质结核的形成过程大致可归纳为：富含CO2的水分下渗（包括地下水的向下径流，地表水及雨水的下渗）→黄土母质淋溶[黄土性物质，含CaO、CaCO3，难溶性CaCO3变成水溶性的Ca（HCO3）2]→碳酸盐在成钙核母质中聚积[包括Ca（HCO3）2和CaCO3]→水分散失（包括水分以气态形式向地表运动，或水分被亲水性黏土矿物吸收）→CO2析出→CaCO3沉积→钙质结核[1]。

2 地质时期及古气候条件与钙质结核形成的关系

钙质结核的形成与地质时期黄土堆积、华北地块的升降、古气候的变化、地下水的长期作用以及土壤的淋溶淀积等因素有关。

更新世时期，在我国西北地区黄土堆积的同时，郑州西部丘陵地区亦接受黄土堆积，而郑州中部、东部地区由于随华北地块持续下沉而形成了一套内陆河湖相沉积土，这些沉积土的物质来源主要为西部丘陵区的黄土，受地表水流冲积影响后，其粒度比黄土成分更细小，呈黏粒状，同时失去黄土的某些重要特征，但其中富含CaCO3的特点没有改变，这为钙质结核的形成奠定了物质基础（資料显示，黄土中CaCO3含量约占10%）。

郑州地区由于上更新世晚期和全新世气候转暖，植被生长茂盛，积水河湖广为分布，这些环境条件决定了土壤水分充足，而大量的生物活动使土壤中饱含CO2。水分进入土壤后，即穿过土体向下入渗，上层土壤中富含CO2，富含CO2的上层水

在下渗过程中至富含CaCO3的黄土母质后，把越来越多的难溶性CaCO3变成水溶性的Ca（HCO3）2，即平衡方程[CaCO3+H2O+CO2→Ca（HCO3）2]。水在黄土母质下渗过程中，土体中CO2含量变少，平衡方程向左进行[CaCO3+H2O+CO2←Ca（HCO3）2]，部分Ca（HCO3）2变成CaCO3，在界面上形成暂时聚集。在年复一年周期性的土体干湿交替作用和地下水的上下运行过程中，CaCO3就在下层日益聚集，形成块状或层状。

郑州地区钙质结核的形成可归纳为4个条件：①沉积了厚厚的富含CaCO3的粉土、粉质黏土的冲、洪积物;②富含Ca（HCO3）2的浅层地下水的垂直或水平运动;③蒸发量大于降水量或地下水径流季节性变化形成的干湿交替的自然环境条件;④成土母质长期处于地下水的变动范围内，且地下水径流缓慢。

3 郑州地区钙质结核的区域分布规律

郑州地区地貌类型较多，自西南向东北分为黄土丘陵、山前冲洪积倾斜平原、黄河二级和一级阶地、黄河冲积泛滥平原、条形垅岗洼地等地貌单元，因此地表土体类型较复杂[2]。在各地貌单元区的Q3和Q2地层中，均有钙质结核土分布，且因各地貌区黄土物源土层的埋深、土层包含物、颗粒级配不同，钙质结核土的埋深、形态及百分含量亦不相同。

根据郑州地区的地貌单元及勘察经验，将该区钙质结核的形成总结为以下4个规律。

3.1 完整钙质胶结层

完整钙质胶结层的被胶结物一般为洪积的沙砾石层、充填粉粒或黏粒，一般存在于黄河一级阶地或二级阶地地貌单元区（如郑州火车站地区）。在该地貌单元，于Q2晚期普遍存在一层充填粉粒和黏粒的洪积沙砾石层，沙砾石层透水性较好，为主要含水层，而沙砾石层的上侧及下侧土体均为隔水粉质黏土层（黄土物源）;形成钙质胶结的沙砾石层一般呈缓倾斜状，标高较低的一侧被不透水的粉质黏土层包围，标高较高的一侧与地表河流水系联通，当与其联通的河流水位随季节性升降时，具有储水构造的缓倾斜沙砾石层亦季节性充水或失水。河流水位上升时，沙砾石层在充水过程中，富含CO2的地下水溶解黄土物源土层（充填的粉粒和黏粒及上下侧粉质黏土）中的CaCO3，并转变为Ca（HCO3）2;河流水位下降时，沙砾石层在失水过程中，Ca（HCO3）2转变为CaCO3，并逐步富集，日积月累，最终CaCO3将沙砾石层胶结为完整的钙质胶结层。因此，当沙砾石层为主要含水层且具备地下水径流条件时，形成的钙质胶结一般较完整连续。完整钙质胶结物的形成过程如图1所示。

3.2 弱钙质胶结层

弱钙质胶结层被胶结物一般为冲洪积充填粉粒和黏粒的粉细砂，在山前冲洪积平原地貌单元区（如三官庙附近）普遍分布，黄河冲积泛滥平原亦有少量分布。山前冲洪积平原地貌单元区在Q3下部与Q2上部地层中，普遍分布一层冲洪积的粉细砂，并充填粉粒和黏土，一般呈透镜体状分布。在地质时期，粉细砂层尚未覆盖上覆土层时，富含CO2的雨水或地表水溶解黄土物源中的CaCO3，并转变为Ca（HCO3）2，在干湿交替条件下，粉细砂层中的Ca（HCO3）2转化为CaCO3并逐步富集;由于粉细砂中充填的黏性土透水性差，CaCO3富集程度较低，因此粉细砂层被胶结的程度一般较低，且当粉细砂层随地质时期被上覆的粉质黏土层覆盖后，隔断富含CO2的地下水的来源，胶结进程受阻。因此，充填粉粒和黏粒的粉细砂层一般呈弱胶结状，且揭露的弱钙质胶结中一般充填黏性土，弱钙质胶结层在地质体中一般呈透镜体状分布。弱钙质胶结层的形成过程如图2所示。

3.3 钙质结核土

钙质结核土在黄河冲积泛滥平原地貌单元（如老鸦陈附近）和条形垅岗洼地地貌单元均有分布，一般形成于Q4与Q3交界处的黏质粉土层中。上层的Q4冲积粉细砂或粉土层透水性相对较好，富含CO2的雨水或地表水在粉细砂或粉土层（Q4al）下渗，至Q4与Q3交界处的黄土物源黏质粉土层时，溶解CaCO3成Ca（HCO3）2，失水后，Ca（HCO3）2又转化为CaCO3。由于CaCO3富集分布的不均匀性，因此，在富集处形成钙质结核百分含量较高的钙质结核土。钙质结核土的形成过程如图3所示。

3.4 零星钙质结核

零星鈣质结核在各地貌单元区Q3的粉质黏土和黏质粉土层中均普遍分布[3]。当上层富含CO2的地下水下渗至粉质黏土层（Q3）时，由于粉质黏土透水性差，CaCO3难以富集，仅在粉粒含量相对较高处形成零星或少量的钙质结核。

4 结论和建议

①郑州地区钙质结核的形成与地质时期黄土堆积、华北地块的升降、古气候的变化、地下水的长期作用及土壤的淋溶淀积等因素有关。

②郑州地区不同地貌单元的钙质结核分布具有区域规律性，不同地貌单元的不同地层结构，形成了形态各异的完整钙质胶结层、弱钙质胶结层、钙质结核土和零星钙质结核四种形态。

③郑州地区对钙质结核土的物理力学性质的研究相对较少，如密度、比重、颗分、压缩指标及剪切指标等，建议加大研究力度。

参考文献：

[1]曹亚娟.安徽淮北平原钙质结核土的分布及成因研究[D].合肥：合肥工业大学，2009.

[2]黄河勘测规划设计研究院有限公司.郑州市轨道交通10号线工程火车站岩土工程勘察报告[R].郑州：黄河勘测规划设计研究院有限公司，2017.

[3]河南省住房和城乡建设厅.河南省建筑地基基础勘察设计规范：DBJ 41/138—2014[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.