0 引言

黄土高原是中国文明的发源地之一，也是丝绸之路的起点。黄土高原上分布着诸多城市，随着国家对西部地区关注的增加，城市经济及人口也将得到持续增长，城市外扩是必然趋势。而新城区的科学选址及规划需要以明确工程地质条件为基础，因此开展城市周边工程地质分区研究已成为当前城镇发展工作中的关键环节。自20世纪60年代起，地矿、测绘等多部门陆续完成了原城区规划范围内的测量、环境及工程地质调查工作^[1-3]，但对城市外延区的研究成果仍较少^[4]，过去的工程地质研究程度限制了城市未来的规划发展，因此迫切需要提高城区周边的工程地质认识。

本论文依托于陕西I49E007004(耀县)幅1:5万环境地质调查项目，通过野外调查及大量地质资料收集，对研究区内地质构造分布、地貌演化过程、地层结构及黄土湿陷性等方面进行了深入研究和总结。

在此基础上，对研究区进行工程地质分区，并对各分区的场地工程特性和建设适宜性进行评价，以供未来本城市扩建及相似地质条件下的工程建设规划参考。

1 地质构造与地貌类型 1.1 地质构造

研究区地处鄂尔多斯地块与渭河断陷带交接地带，在大地构造上属中朝准地台上的鄂尔多斯台向斜东南缘渭北隆起带，受东西向渭河地堑的切割，形成了构造呈过渡性质的叠瓦式断块和北升南降的断阶。

研究区受桃曲坡向斜构造控制，整体为呈西北—东南方向倾斜的洼地，褶皱轴部为石炭及二叠纪砂页岩，两侧为寒武、奥陶纪灰岩低中山与丘陵。研究区断裂构造较为发育：在白垩纪末期至古近纪时期，区内发生2个较大的北西向断裂^[5]；在第四纪更新统早期(＞77万a)，区内发生多个北东向断裂。具体位置见图 1，断层性质简述见表 1。

1.2 地貌演化与类型

断裂构造的性质、规模、分布以及活动时限控制了黄土高原的主要地貌轮廓。前期受2条北西向断裂影响，区内自西向东被分割成3个阶梯状地垒结构；后期在北东向断裂作用下又形成地垒地堑结构；研究区在北西向和北东向构造叠加作用下，形成复杂的地垒-地堑组合。

晚中新世—上新世期间，北部地区上升而南部台塬地区下沉，同时河谷下切，同期北西向断裂受差异性升降影响，西侧地块上升而东部下降，在区内构造的合力作用下形成了现今地貌的基底；在第四纪早期，区内中低山、丘陵地区开始接受黄土沉积，低洼处逐渐堆积冲洪积物，在关中断裂以南地区形成黄土塬底部的砂卵砾石和粉土地层，赵氏河断裂继续发生垂直差异性运动，研究区西部区域持续上升；第四纪中、晚期，区内全面接受黄土沉积形成黄土高原，北部基底隆起地区形成梁峁丘陵，南部基底平坦形成黄土台塬，受河流持续下切作用，河谷呈树枝状向纵深发展，台塬局部被切割破碎向梁峁转换发展，最终形成了本区现今的地貌格局。发展过程见图 2。

综上，在地质构造与外力作用下，本区地貌可划分为：低中山区、黄土台塬区、黄土丘陵区及河谷阶地区4个类型，如图 3、4所示。

低中山区(Ⅰ)：上覆近百米厚黄土，山脉走向北东—北东东，地形陡峭，仅出现在研究区东部的药王山附近，面积较小，被河流阶地环绕，研究区内海拔630~750 m。

黄土台塬区(Ⅱ)：关庄断裂以南，地形较为平坦。在野狐坡断裂以北，与黄土丘陵区之间成斜坡接触，地形坡度5.2%~8.7%，且由西北向东南逐渐减小，塬面相对平坦，与沟谷相交处坡度为8.7%~17.6%，区内海拔850~1 130 m；在野狐坡断裂以南，塬面较为平坦，坡度0.3%~2.1%，海拔640~760 m。

黄土丘陵区(Ⅲ)：代表性地貌为黄土梁和黄土峁，二者均为流水切割所成。黄土梁是由黄土组成的长条形黄土高地，梁多呈树枝状分布，宽15~400 m，梁间与沟谷相对高差100~200 m，坡度5.2%~7.9%；黄土峁是黄土地区一种孤立的丘陵，在平面上呈圆形或椭圆形，其顶部浑圆，面积不大，坡度为5.2%~17.6%，四周坡均为凸斜形坡，坡度为17.6%~70.0%，整个峁的外形极似馒头状。受区内断裂影响，整体上以官庄断裂为界，北部地区基岩抬升强烈，形成地垒式剥蚀高原，整体略向东南倾斜，在第四纪沉积过程中遭受河流强烈分割下切，同时向纵深和南部台塬呈锯齿状侵蚀，经过多年演化逐渐形成了现在沟壑交织梁峁互化的局面。

河谷阶地区(Ⅳ)：河流的持续性下切与地壳间歇性上升的共同作用，导致河谷中出现多级由河流冲洪积物及覆盖层组成的阶地，位于主要河流沿岸及沟谷。由于河流下切强烈，多数阶地已剥蚀，仅沮河与漆水河交汇处仍保留相对平整的阶地，与其他地貌单元之间呈陡崖或陡坡接触。

2 工程地质条件 2.1 第四纪地层沉积结构

由于地质变迁、构造变动和地貌演化，研究区内地层沉积类型变化较大。第四纪以来，既有以风成堆积为主的沉积背景，部分地区也有以冲洪积为主的小沉积环境；因此，主要沉积物表现为结构单一的风成黄土地层、多层互层的冲洪积黏土砂砾地层及二者复合体。沉积环境的差异导致了现今地貌单元地层结构和沉积物特征的不同，按照沉积物的组合特征，沉积结构可以分为以下3种类型(图 5)。

1) 风成沉积型。沉积物为黄土，主要分布在黄土丘陵区及低山区，结构上由第四系风积黄土(马兰黄土、离石黄土、午城黄土)披覆在基岩(二、三叠系砂岩或奥陶系石灰岩)上，地层相对完整。

① 黄土丘陵区

马兰黄土(Q₃)，为浅灰—黄色粉土质亚黏土，由晚更新世黄土(L₁)及古土壤(S₁)组成，岩性质地均一，结构疏松，垂直裂隙、大孔隙发育，总厚度8.4~9.6 m；离石黄土(Q₂)，为浅黄色—棕黄色粉土质亚黏土，由中更新世11层黄土及棕红色古土壤组成，受地形影响，沉积不均匀，一般厚50~80 m，越靠近西北方向越厚，上部土层孔隙较多；午城黄土(Q₁)，为橙黄—黄棕色粉土质亚黏土，由早更新世黄土及2~4层古土壤层组成，密实坚硬、孔隙小，有6~8层较密集的钙质结核，受剥蚀影响，沉积不完整，厚度变化大，总厚10~20 m，仅在黄土丘陵区底部发育。二、三叠系基岩(T+P)，为中厚层砂岩和泥岩，位于区内黄土层底部，局部沿地层倾斜方向出露于沟谷底部。

② 低山区

上部为马兰及离石黄土，层序及厚度与黄土丘陵区基本一致。基底为奥陶系基岩(O)：以厚层状石灰岩和白云岩为主，夹少量薄层泥灰岩，总厚度达400 m以上。

2) 冲洪积型。以黏土、亚黏土及砂卵石为主，受地质变迁及沉积环境改变影响，形成了多层黏、亚黏土及砂砾卵石互层的沉积结构，主要分布在河谷阶地区。

阶地上部为1~3 m厚灰黄色、黄褐色亚黏土；下部由亚黏土、亚砂土、卵砾石土组成，其中：亚黏土主要为灰黄色、黄褐色；亚砂土为灰黄色、黄褐色，局部钙质胶结，单层分选性较好；卵砾石土磨圆度较好，但粒度变化大，中间填充砂土及亚黏土。河谷以冲洪积灰色、灰黄色亚黏土与亚砂土为主，中间夹有砂砾卵石层，磨圆度较好，粒度变化大，中间填充亚砂土及亚黏土。

3) 风成-冲洪积复合型。主要分布在黄土台塬区。上部为风成黄土(Q₂-Q₃)，底部为中更新统灰黄色砂卵石土和浅黄棕色亚黏土，并夹有浅棕红色细砂层，局部钙质胶结。由于沉积基底的差异，底部的沉积厚度变化较大，野狐坡断裂以北沉积基底向南略倾斜，断裂以南与文家堡等断裂之间形成了地堑-地垒结构，边界处沉积层突然增厚但层序基本一致，厚度差异性与埋深呈正相关。因底部沉积厚度及高程的差异，黄土台塬可划分为黄土高台塬及黄土低台塬。

2.2 水文地质特征

根据含水介质类型与贮水条件，区内第四纪地层主要为松散岩类孔隙水。地下水的赋存和分布规律主要受地质构造与地貌条件控制，并与河流分布密切关联。整体上以野狐坡断裂为界，西北地区地下水贫乏，东南部地下水较好。黄土丘陵区地下水水位埋深为50~90 m，地下水补给以大气降水为主，以地下径流排泄；黄土台塬区地下水水位埋深普遍为40~60 m，补给以大气降水及灌溉为主，排泄以人工开采及地下径流为主；河谷阶地地下水水位埋深较浅，河流两侧埋深约2~6 m，远离河流处埋深最大为26 m，补给以河流为主，以人工开采、地表蒸发及地下径流排泄为主。

2.3 黄土湿陷性

黄土的湿陷性是研究区内工程建设最核心的工程地质问题^[6]。湿陷性是土体在上部压力作用下受水浸湿而发生沉陷的性能，湿陷会造成地基下沉，引起上部建筑开裂、倾斜甚至破坏^[7-10]。研究区内90%以上的地区均为黄土覆盖，因此湿陷性对场地土的工程性质影响较大，故将此作为评价分区的重要参考因素。

黄土与古土壤是不同气候循环下的沉积物^[11-12]。在研究区内，根据国家《GB50021—2001岩土工程勘察规范》^[13]进行取样及试验，统计了研究区黄土分布地区钻孔不同层位黄土及古土壤的平均深度与湿陷系数(表 2)，绘制了湿陷系数与深度关系图(图 6)。

由图 6可知，湿陷结果具有一定的规律性：上覆黄土的湿陷性较下伏古土壤大，总体的湿陷性随土层埋深呈负增长；当自重湿陷系数小于0.015，即埋深约大于22 m后，土体不具有自重湿陷性；当湿陷系数小于0.015，即埋深大于24 m时，土体不具有湿陷性。

根据获得的湿陷系数计算湿陷量。考虑基础埋深1.5 m时的地基湿陷量，计算时从基础底面算起，至非湿陷性黄土层的顶面止^[14]。

由表 3、4可知，研究区湿陷量计算结果显示试验及收集样本中有4个4级湿陷、3个2级湿陷、其余均为3级湿陷。

湿陷量计算是对应土层厚度与湿陷系数的乘积，由于每一层土体的湿陷系数是一个相对稳定的范围值，因此湿陷量变化体现的即是湿陷性土层厚度的变化，而这一变化是受地质构造及地貌演化所影响的。因此，各湿陷量的大小级分布具有一定的规律性，整体上可分成两个带状变化：其一，以关庄断裂带位置为界限，整体上由西北向东南递增；其二，以药王洞断裂及赵氏河断裂所圈闭的区域为界，中部湿陷量较大而东、西两侧较小(图 7)。根据各样本所表现的性质，将研究区划分为4个区域，即：2级湿陷区、3级湿陷区、4级湿陷区及非湿陷区。

3 工程地质分区及工程适宜性评价 3.1 分区原则及依据

工程地质分区是工程地质条件差异性的主要体现^[15-16]，因此，本研究区以“区内相似，区际相异”为原则：综合考虑区内构造及地貌条件进行一级划分，将研究区分为低中山工程地质区(Ⅰ)、黄土台塬工程地质区(Ⅱ)、黄土丘陵工程地质区(Ⅲ)及河谷阶地工程地质区(Ⅳ)；其中，考虑研究区内的地层沉积结构差异，进一步将黄土台塬工程地质区划分为高(H)、低(L)台塬区。又考虑黄土湿陷性将研究区划分为非湿陷区及2、3、4级湿陷区，具体见图 8，分区简述见表 5。

3.2 分区及工程适宜性评价

1) 低中山工程地质区(Ⅰ)

该区位于研究区东侧、耀县县城以东的药王山地区，面积约6 km²。该处地貌为低中山，高程为630~750 m，山脉走向北东—北东东，基底为奥陶系灰岩，第四纪以来沉积环境单一，上部覆盖近100 m的黄土。该区地表树枝状水系发育，沟谷呈“V”字型切割，切割深度50~120 m，地形起伏大、局部坡度大于20°，可用有效场地面积较小；地层沉积结构与黄土丘陵区相近，黄土湿陷性等级为3级，湿陷性严重，因此综合考虑为不适宜建筑。

2) 黄土台塬工程地质区(Ⅱ)

① 2级湿陷高台塬亚区(Ⅱ_H-2)

该亚区位于浊峪河以西、野狐坡断裂与关庄断裂之间包括小坵镇以北的大部分区域，面积约62 km²。区内高程770~820 m，塬面平均坡度约8°~10°，相对平坦，靠近河谷处发育有较多冲沟，地下水位埋深40~60 m；该区黄土湿陷性为2级，湿陷性中等，因此，工程建设适宜性评价为适宜建筑。

② 3级湿陷高台塬亚区(Ⅱ_H-3)

该亚区包括两部分，分别为关庄断裂、野狐坡断裂、浊峪河及赵氏河所圈闭的区域，及关庄断裂、野狐坡断裂及沮河北东方向的区域。区内高程770~970 m，塬面平均坡度为8°~10°，靠近沟谷处塬面较为破碎，区内地形平坦，地下水位埋深40~60 m；该区黄土湿陷性等级为3级，湿陷性严重，需采取换填、强夯等方法进行地基处理，综合评价为处理后适宜建筑。

③ 4级湿陷高台塬亚区(Ⅱ_H-4)

该亚区以关庄断裂、野狐坡断裂、吕曲河及沮河为界，位于铜川新区的北部，区内高程770~970 m，地表相对平坦，塬面平均坡度为8°~10°，东西向宽5~7 km，南北向长5~8 km，面积约39 km²，下伏二叠及三叠系基岩，上覆第四系黄土。区内地形平坦宽阔，地下水位埋深40~60 m，但该区黄土湿陷性等级为4级，因此需采取换填、强夯等方法进行地基处理，处理后适宜建筑。

④ 2级湿陷低台塬工程地质亚区(Ⅱ_L-2)

该亚区位于浊峪河及野狐坡断裂以南地区，面积约6 km²。该区地形相对平坦，靠近河谷处发育有较多冲沟，区内地形平坦宽阔，地下水位埋深40~60 m；该区黄土湿陷性为2级，湿陷性中等，因此，工程建设适宜性评价为适宜建筑。

⑤ 3级湿陷低台塬工程地质亚区(Ⅱ_L-3)

该亚区包括2部分：一部分为野狐坡断裂以南、浊峪河及赵氏河所圈闭的坡头镇；另一部分位于野狐坡断裂以南、漆水河及沮河所圈闭区域，面积约39.3 km²。区内地形平坦，地下水位埋深40~60 m；该区黄土湿陷性等级为3级，需采取换填、强夯等方法进行地基处理，工程评价为处理后适宜建筑。

⑥ 4级湿陷低台塬工程地质亚区(Ⅱ_L-4)

该亚区以野狐坡断裂、赵氏河及沮河为界，囊括了铜川新区的大部分区域。区内地形平坦宽阔，地下水位埋深40~60 m；黄土湿陷性等级为4级，需采取换填、强夯等方法进行地基处理，处理后适宜建筑。

3) 黄土丘陵工程地质区(Ⅲ)

① 2级湿陷性黄土丘陵工程地质亚区(Ⅲ₂)

该亚区主要位于关庄断裂以北、赵氏河以西的区域，区内面积约22.7 km²。区内沟谷发育、地形破碎，地表树枝状水系发育，沟壁陡峭，沟谷呈“V”字型切割，切割深度100~200 m。梁长数千米，梁宽数百米至千余米。梁卯顶面高程820~1 130 m。梁卯下部是二叠、三叠系基岩，上覆黄土地层厚度为80~120 m。黄土湿陷性为2级，湿陷性中等，但沟壑较为发育，地形起伏大，局部坡度大于20°，可用有效场地面积较小；综合考虑工程建设适宜性评价为不适宜建筑。

② 3级湿陷性黄土丘陵工程地质亚区(Ⅲ₃)

该亚区主要分布在赵氏河以东、关庄断裂以北的部分地区。区内沟谷发育、地形破碎，地表树枝状水系发育，沟壁陡峭，沟谷呈“V”型切割，切割深度100~200 m。梁长数千米，梁宽数百米至千余米。梁卯顶面高程820~1 130 m。梁卯下部是二叠、三叠系基岩，上覆黄土地层厚度为80~120 m。该区黄土湿陷性等级为3级，湿陷性严重，同时沟壑较为发育，地形起伏大，局部坡度大于20°，可用有效场地面积较小；工程建设适宜性评价为不适宜建筑。

4) 河谷阶地区(Ⅳ)

该区包括清峪河、浊峪河、赵氏河、沮河、漆水河河谷及阶地，面积约30 km²。沮河、漆水河在区内属于最大河流，河谷较宽，为数十米到数千米，地层结构为砾石与黏土互层，平均23 m以下为砂岩。仅沮河、漆水河阶地地势相对平坦开阔，地下水水位最大埋深26 m，可用于各类城市建筑，其余诸河河谷狭小不适宜建筑，因此工程适宜性评价为部分适宜建筑。

4 结论

1) 断裂构造的性质、规模、分布以及活动时限是控制黄土高原地貌轮廓的主要因素，在地质构造与外力作用下，研究区地貌可划分为：低中山区(Ⅰ)、黄土台塬区(Ⅱ)、黄土丘陵区(Ⅲ)及河谷阶地区(Ⅳ)4种类型。

2) 研究区内的地层沉积结构可以分为风成沉积型、冲洪积型及风成-冲洪积复合型，根据底部沉积厚度及高程的差异，将黄土台塬划分为黄土高台塬及黄土低台塬。

3) 研究区内普遍存在湿陷问题，当埋深大于22 m后土体不具有自重湿陷性，埋深大于24 m后土体不具有湿陷性。湿陷量与区内构造密切相关：以关庄断裂带位置为界，整体上由西北向东南递增；以药王洞断裂及赵氏河断裂所圈闭的区域为界，中部湿陷量较大而东、西两侧较小。根据湿陷量将区内分为2、3、4级湿陷区及非湿陷区4个部分。

4) 综合考虑区内构造、地貌演化、地层沉积结构及湿陷性，将研究区分为4个工程地质区和8个工程地质亚区。其中低中山工程地质区、黄土丘陵工程地质区因地形起伏较大、沟壑多、具有一定湿陷性及可用有效场地面积较小被评价为不适宜建筑；3、4级湿陷高、低台塬亚区湿陷性较严重，但区内地形平坦宽阔，综合评价为经适当工程处理后适宜建筑；黄土台塬区2级湿陷高、低台地亚区为适宜建筑；河谷阶地区仅在沮河及漆水河阶地处平坦开阔，因此为部分适宜建筑。