魏东岚，张玉枝

(辽宁师范大学 城市与环境学院，辽宁 大连 116029)

0 引言

红色风化壳多形成于热带或亚热带年均温度16～25 ℃，年降水量>1 500mm的高温多雨环境[1]。由于沉积环境、地形、搬运介质、水动力条件等不同，以不同的搬运方式出现相应沉积物粒度分布特征不同。Folk[2]认为沉积物的粒度组合取决于源区物质和沉积环境，在不同地质背景和环境条件下形成的沉积物的粒度分布特征是不同的，沉积物上发育的风化壳会继承母岩的粒度特征。粒度分析能够作为研究全球变化的重要指标，与化学元素测定，土壤磁化率等手段结合在重建古环境中作用愈来愈突出，成为判定黄土[3-4]、河流沉积物[5]、湖泊沉积物[6-8]和海洋沉积物[9-10]等古环境和识别沉积环境的重要手段。目前已有国内外多位学者利用粒度分析作为重要辅助手段研究探讨了风化壳的物质来源，风化成因，及古气候环境的还原等。同时化学元素特征能有效指示环境信息，与环境有某种程度上的对应关系，熊志方利用化学元素的淋溶迁移推测出北戴河地区红色风化壳的风化进程并认为其发育于上新世湿热气候下[11]。南方红色风化壳风化特征分析已有大量系统性研究，但北方红色风化壳发育大多经历了不连续的风化成土过程，且分布散落广泛，成因复杂，风化壳发育与成土母岩的关系复杂不一，粒度特征结合化学元素分析有助于了解北方红色风化壳发育过程。

晚第三纪辽东半岛属于东部湿润季风区，气候温暖湿润[12]，使得该区域震旦系中统和寒武系、奥陶系的石灰岩化学风化作用强烈，出现了红土化时期，形成了厚度不均的红色风化壳[13]，发育于相同温度雨量气候条件下的不同区域的红色风化壳或红粘土，因其母岩不同、风化发育程度不同，其粒度特征和化学特征也不尽相同。辽东半岛红色风化壳的发育特征即不同于北方黄土发育，又不同于南方红色风化壳，由于复杂地形和母岩因素，风化壳发育状况又各有差异。笔者通过对辽东半岛最南端棋盘子村和龙王村的风化壳粒度分析结合化学手段探讨辽东半岛的红色风化壳发育状况、与成土母岩是否具有的均一性、推测成土的古环境特征，并与南方红色风化壳比较发育差异。

1 风化壳采集

辽东半岛侵入岩发育广泛，占全区总面积露出地表的约三分之一。沿海区域岩性以碳酸盐岩、石英岩、板岩、角闪岩、花岗岩、变质砂岩和砂岩混合岩为主[14]。大连棋盘子村和龙王村剖面位于低丘陵平缓地带，出露于地表、由石灰岩就地剥蚀、风化堆积而成的红色风化壳。

1.1 样品采集

选择好合适的采样地点，从表层土开始向下挖200cm，从175cm处开始以25cm为间隔依次向上采样并编号。

1.2 样品前处理

将样品放入200ml烧杯中，加入30%的双氧水10ml，除去有机胶结物，24h后再加10ml的30%双氧水，待烧杯中不产生气泡后加去离子水至150ml，加热至沸腾5min后冷却。加10ml的1:3盐酸，除去样品中的碳酸盐物质，加去离子水至150ml，加热至沸腾5min，冷却静置24h，消除残余钙质和游离氧化物的胶结作用。用虹吸管小心抽取上层悬浮液，向烧杯中加入蒸馏水至200ml以稀释溶液中酸的含量，静置24h以上，抽去上层悬浮液，除去可溶性盐分及过量的酸，防止对测试仪器的腐蚀。加10ml0.01N六偏磷酸钠分散，加去离子水至200ml，加热至沸腾5min，冷却上机加1min超声波测试。

运用贝克曼库尔特LS13 320激光衍射粒度分析仪进行测试，测试量程为0.02～2 000um，本研究使用样品过1mm孔筛，测试量程在0.02～1 000um内。

把土样用粉末压样机进行加压成型，放入X射线荧光光谱仪样品柜中进行检测，对样品进行定性和定量的化学分析。

2 计算方法

采用粒度分级标准：粘粒<2um，粉砂2～63um，砂粒63～1 000um。根据乌登—温特沃斯粒级标准分类，用粒级Φ=-log2d(d为颗粒直径)代替粒径。数据处理采用黄思静[15]、刘岫峰[16]的方法运用excel进行处理计算。分选系数是粒度累积曲线上25%和75%处对应的颗粒直径比值的平方根。风化指标用化学蚀变指数CIA([Al2O/(Al2O3+K2O+CaO*+Na2O]×100,CaO*为硅酸盐部分的CaO)作为化学影响辅助粒度特征分析风化过程。化学蚀变指数CIA值能较准确地定量描述岩石遭受化学风化的程度。

3 粒度特征分析

3.1 棋盘子村剖面

从表1中可以看到S1剖面以粉砂粒级为主，56.82%～93.90%，为众数粒组。砂粒级粒径在3.50%～40.68%，为次众数组；粘粒级粒径最少，最高为最上层粘粒百分数可达9.77%，剖面整体含“风尘基本粒级组”[17]10～50um比值较高，母质具有一定的风成特性。

表1 棋盘子村剖面的粒度分布参数及化学指数

图1为棋盘子村剖面粒度特征中粒级分布的三相图解，从图中可以看出S1剖面土壤样品点主要分布于粉砂—砂粒连线一端，表明风化壳发育程度较低。粒级粒径从砂粒指向粉砂，由粗变细，呈逐渐风化趋势。

从随深度变化图(图2)可以看到棋盘子村的中值粒径、粉砂、砂粒基本保持一致，都在130cm处发生明显转折粘粒组在100cm处发生明显转折。中值粒径在130cm处向上逐渐减少，向下逐渐上升，130cm处最大，发生明显转折，是异常点，风化过程中受到突然因素的影响。平均粒径随深度变化差异大，折线弯曲多，指示了运动介质的平均动能周期性变化，最上层剖面25cm深度的平均粒径突然转折变小，可能是加入了外来细粒物质。

图1 棋盘子村剖面粒度分布的三相图解

图2 棋盘子村剖面粒度参数随剖面深度的变化

粒度分布曲线(图3)除S1.1具有3峰，S1.2、S1.5具有两峰外，其余皆为单峰，且均未出现粘粒峰。除S1.2外，其他曲线峰值对应粒径范围较接近，3Φ～6Φ。S1.2CIA值也出现异常，呈突变现象，所以此处剖面的风化因素除受温度变化、大气降水、生物等风化因素外，还存在其他自然因素的作用。分选系数在1.19～1.28，频率累积曲线较陡表明粒径分选度好。

棋盘子村7个样品的CIA值在66～90.81，平均值为86.35，反映了S1剖面经历了较强烈的化学风化。

粒径散点图(图4)中，平均粒径—标准差，除S1.6外基本在一条直线上，平均粒径—偏度较为离散，标准差—尖度呈带状分布，标准差—偏度基本呈线性分布，平均粒径—尖度呈离散分布，尖度—偏度除S1.2外，基本呈线性分布。散点图的分布状况表明剖面的风化壳发育的半风化带—全风化带有外来物质加入，风化壳的发育状况不均一。

图3 棋盘子村剖面粒度频率分布曲线

Fig.3ThegranularitydistributionfrequencycurvesofQipanzi

但是S1剖面CIA的变化趋势与粒度参数随深度的变化趋势明显不一致,而剖面矿物组成没有出现异常矿物，因此排除了由于母岩不均一性导致风化壳出现异常。所以，造成S1剖面粒度参数随深度的变化趋异常的潜在因素很有可能是风化过程的微环境特征。

图4 棋盘村粒度参数散点图

3.2 龙王村剖面

龙王村风化壳剖面发育状况跟棋盘村有明显差异，特别是化学成分分析上有个别参数有较大差异，表2中特别列出了粒度分布特征发生明显变化，并增加做辅助分析的两个化学参数，以便对风化壳发育变化差异做出更合理的解释。

表2 龙王村剖面的粒度分布参数及化学指数

从表2中可以看出龙王村剖面亦是以砂粒级为主，70%～80%，各剖面含量比接近，粘粒含量平均量比S1剖面高。粘粒含量在5.44%～7.16%。

粒度组成三相图(图5)显示样品点主要分布在粉砂一角，具有明显风成特性，粘粒含量最高为最上层S2.1占7.16%<16.33%，也属于弱风化程度。

图5 龙王村剖面粒度分布的三相图解

从深度变化(图6)可以看到粘粒、粉砂、砂粒、中值粒径在80cm，100cm，130cm处均有发生明显转折，变化比S1剖面剧烈，颗粒运动不均一，风化强度不均一。

粘粒分布曲线(图7)除S2.4，S2.5有双峰特征外，其余皆为单峰，且形态不一致，S2.4和S2.1众数为6Φ～8Φ，其余在3.5Φ～5Φ，整体上峰的形态比S1剖面一致性好。S2.1和S2.4峰形相似，其余的剖面峰形相似。S2.1受外来影响较大，除S2.4外，其他5个剖面层发育具有较高一致性。S2.4和S2.5在粘粒级出现弱峰，应指示风化过程中次生粘粒矿物形态形成转化，但是出自于剖面中间层，并且剖面是坡面上的，可能会出现颗粒向下迁移的现象，因此可能没有正确反映风化壳不同深度的风化程度。从峰的整体形态来看，比S1一整形好，但连续剖面的峰形转折差异大，所以深度变化图中旋回多，风化程度强烈不一，指示了风化过程条件的不同。分选系数在1.00～1.38，分选度好，但是分选差异比S1大，分选没有S1剖面好，风化环境比S1剖面更为复杂。

图6 龙王村剖面粒度参数随剖面深度的变化

粒度散点图基本都构不成线性，离散程度较S1大，表明风化环境比S1剖面更为复杂。

金州区龙王村剖面7个样品的CIA值在70～87，平均值为81.79，属于中等化学风化，强度略低于甘井子区棋盘子村剖面。

S2剖面化学指标(表3)Fe2O3/K2O的值与深度没有相关性，说明风化壳成土母岩的不均一性，为非正常沉积环境的产物，与S2剖面粒度频率分布曲线的结论一致。金州区龙王村红色风化壳SiO2/Al2O3参数随深度的变化呈不规则变化，也指示了S2剖面非同源关系。

图7 龙王村剖面粒度频率分布曲线

Fig.7ThegranularitydistributionfrequencycurvesofLongwang

图8 龙王村粒度参数散点图

Fig.8Theparametricscatterplotoflongwang

4 与贵州红色风化壳粒度分布特征进行比较

参照冯志刚[18]对贵州岩溶区红色风化壳粒度分析，将S1，S2剖面与贵州花溪风化壳剖面进行对比分析(表3)。

表3 风化壳剖面平均粒度参数对照表

图9 花溪剖面粒度频率分布曲线

Fig.9ThegranularitydistributionfrequencycurvesofHuaxi

花溪剖面粒度分布曲线(图9)具有双峰特征，粘粒峰出现，峰形一致性高。众数在6Φ～8Φ粘粒峰众数13Φ；粘粒级粒度在9.2%～30.9%，风化程度明显高于S1、S2剖面，砂粒级含量少，最高为2.86%，远小于S1、S2坡面；S1、S2的中值粒径和平均粒径明显高于花溪剖面，风化强度弱于花溪剖面；花溪剖面峰形的一致性表现了其母岩的均一性，和风化过程对母岩的继承性，分选比S1、S2剖面好，粒度参数差异性比S1、S2剖面小。由此分析可以发现南方红色风化壳风化程度高于辽东半岛风化壳，且和母岩保持均一性，各剖层粒度参数差异小。伏捷[19]对棋盘子村和龙王村剖面的频率磁化率做过研究，发现他们的平均值分别为14.69%±1.14%，对应的湿热气候，与地处亚热带的云南昆明富铁土的频率磁化率值13.5%～14.0%相近。花溪剖面的频率磁化率平均值为28.3%，是S1和S2剖面的近2倍，风化环境更加湿热，风化作用环境更加剧烈，风化速率更快。

5 结论

(1)棋盘子村和龙王村各自粒度粒度分布曲线上峰的形态差异较大，曲线不集中，指示了剖层发育均具有不均一性。参数含量摇摆的旋回变化，反映了风化过程中季风的强弱交替变化。棋盘子村剖面CIA的变化趋势与粒度参数随深度的变化趋势明显不一致，剖面矿物组成没有异常矿物，排除了由于母岩不均一性导致风化壳出现异常。所以，风化过程的微环境特征造很有可能是成棋盘子村剖面粒度参数随深度的变化趋异常的潜在因素。龙王村剖面化学指标Fe2O3/K2O和SiO2/Al2O3参数随深度的变化呈不规则变化，说明风化壳成土母岩的强烈不均一性，为非正常沉积环境的产物，指示了龙王村剖面非同源关系，与粒度频率分布曲线的结论一致。

(2)相对照的花溪剖面位于南方属于典型的南方红色风化壳发育，发育环境相比辽东半岛高温多雨，季风环境对风化壳发育影响作用表现比辽东半岛弱，气候的条件稳定性较强具有连续性，所以风化壳发育强度高于辽东半岛，且具有均一性和对母岩的明显继承性。

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