金书晨 李永化 魏东岚 李新瑞 刘大齐

1首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100048 2辽宁师范大学地理科学学院，辽宁大连 116029

1 概述

基于此，笔者通过大量野外调查，选取中国北方辽东半岛七顶山、拉树房、滨海花园、石槽、城山头5个红色风化壳剖面和金石园红色风化壳采样点为研究对象，通过分析剖面地球化学特征和粒度特征，研究辽东半岛夷平面的发育特征，从而为认识该区红色风化壳与夷平面的关系、夷平面的性质和发育环境等提供初步依据。

2 研究区概况

辽东半岛位于辽宁省南部，是中国三大半岛之一，北部宽、南部狭窄(图 1)，除少数山峰海拔在1000m以上外，大部分地区海拔多在500m以下，山势浑圆，地势平缓(辽宁省地质矿产局，1989)。该半岛位于新华夏系第二巨型隆起带上，构造运动长期处于间歇性差异抬升状态(符文侠等，1992)，北部抬升幅度大于南部地区，导致北部海拔高于南部。辽东半岛岩溶地貌发育广泛，南部地区以喀斯特侵蚀及侵蚀剥蚀形成的低山区丘陵为主，中部和北部以受侵蚀剥蚀影响的山区为主，东南部的黄海沿岸和西部的渤海沿岸则以侵蚀剥蚀丘陵及堆积、侵蚀平原为主。

图 1 辽东半岛红色风化壳分布Fig.1 Distribution of red weathering crust in Liaodong Peninsula

研究区所发现的红色风化壳出露地点均位于复州—大连凹陷上。该区是亚洲最古老的地块之一，以太古界和下元古界地层为基底，自下而上发育有青口白系和震旦系。如 图 2 所示，在本次研究的几个剖面中，大多可见约4m厚的红色风化壳覆盖于基岩之上，其中滨海花园、七顶山剖面的基岩为震旦系碳酸盐岩，拉树房、金石园剖面的基岩为震旦系黏土岩与碳酸盐岩互层，石槽、城山头剖面基岩为震旦系石英岩、碳酸盐岩互层(郑应顺，1987；大连市计划委员会，1992)。

红色风化壳上覆地层在辽东半岛东西两岸也有所不同，半岛东部红色风化壳之上多覆盖有薄层土壤层(图 2-F)，而西部红色风化壳之上多覆盖有厚层黄土(图 2-A)。其中黄土开始沉积于中更新世早期，具有明显的坡向性分布特征，主要集中于辽东半岛西北部沿岸。这些黄土具有独特的双物源沉积过程，一部分为第四纪冰期低海平面时渤海平原出露的海底砂和冲积—洪积物，另一部分为高空西风带气流携带的亚洲内陆干旱、半干旱地区荒漠粉尘，其到达中国内陆黄土沉积东界辽东半岛后，受山地阻碍，风力减小，承载能力降低，大部分沉降于半岛的西北部山坡上(吕金福和李志民，1990；李培英等，1992)，并使得半岛西部红色风化壳多上覆厚层黄土。

图 2 辽东半岛红色风化壳样品采集Fig.2 Sample collection of red weathering crust in Liaodong Peninsula

3 材料与方法

3.1 红色风化壳分布与样品采集

红色风化壳主要出露于辽东半岛东西两岸，西部共发现红色风化壳剖面3个，包括七顶山剖面、拉树房剖面、滨海花园剖面，东部有石槽、城山头2个红色风化壳剖面和金石园红色风化壳采样点。本次研究共采集红色风化壳样品57个，基岩样品4个，具体采样位置及剖面信息见 图 1 和图 2。

七顶山剖面位于大连市金州区七顶山乡东部，经纬度为 121°41′02″E， 39°16′10″N，海拔约50m(图 1)。该剖面厚度约为7m，底部可见基岩，红色风化壳厚度约4m，上覆黄土层厚1.5m左右(图 2-A)。红色风化壳呈胶结或半胶结状态，无明显颜色分层，样品按照20cm等间距连续采集20个，编号QDS-1～QDS-20。该剖面取基岩样品1个。

滨海花园剖面位于大连市长兴岛，经纬度为 121°27′17″E， 39°37′04″N，海拔约15m(图 1)。该剖面厚度约为0.9m，底部可见基岩，红色风化壳厚度约0.75m，上覆土壤层厚0.2m(图 2-B)。红色风化壳整体特征与七顶山剖面相似，未见明显颜色分层。样品按照25cm等间距采集2个，编号BHHY-1和BHHY-2，并取基岩样品1个。

拉树房剖面位于大连市甘井子区拉树房村，经纬度为 121°36′32″E， 39°03′50″N，海拔约40m(图 1)。该剖面厚度约为4.1m，底部可见基岩，红色风化壳厚度约3.3m，上覆坡积层厚0.8m(图 2-C)。红色风化壳呈胶结或半胶结状态，无明显颜色分层，按照20cm等间距连续采集14个样品，编号LSF-1～LSF-14。取基岩样品1个。

城山头剖面位于大连市开发区大李家滨海海蚀崖上部，经纬度为 122°04′41″E， 39°10′55″N(图 1)。该剖面红色风化壳厚度约为2.2m，未见明显分层，底部距高潮面约1.5m，下伏基岩为灰岩(图 2-D)。共采集红色风化壳样品4个，编号CST-1～CST-4。

金石园风化壳样本取自大连市开发区金石园景区，经纬度为 122°01′08″E， 39°05′07″N，海拔约20m(图 1)。原本基岩上覆盖的红色风化壳已被人为剥去，仅在基岩内部空隙处取红色风化壳样品4个，编号JSY-1～JSY-4(图 2-E)。

石槽剖面位于大连市金州区石槽村西侧，经纬度为 122°02′53″E， 39°07′48″N，海拔约20m(图 1)。该剖面厚度约4.5m，底部可见基岩，红色风化壳的厚度约为4m，上覆土壤层厚0.2m(图 2-F)。红色风化壳呈胶结或半胶结状态，未见明显分层，按照25cm等间距连续采集13个样品，编号SC-1～SC-13，并取基岩样品1个。

3.2 实验方法

粒度分析和化学元素分析在辽宁师范大学实验中心进行。粒度分析采用美国库尔特有限责任公司生产的贝克曼LS13-320型激光衍射粒度测试仪，测试范围为0.02～2000μm，测试样品的重复测试误差小于3%。常量元素分析采用日本理学公司生产的ZSX PrinmusⅡ型X射线荧光光谱仪完成，误差为1%～2%。

粒度分析样品前处理过程如下： (1)样品自然风干后通过2mm孔径的筛子，称取0.25g过筛后的风化壳样品放入100mL烧杯中，加入浓度为30%的H2O2，待样品反应完全后，放在电热板上加热去除剩余H2O2；(2)加入体积比为1：3的HCl，液体体积为10mL，待样品反应完全后，在电热板上加热去除剩余HCl；(3)加入100mL蒸馏水，静置24 h，抽取烧杯上层的悬浊液，反复几次，直至溶液接近中性为止；(4)加入0.02mol/L的六偏磷酸钠10mL作为分散剂，然后倒入60mL蒸馏水，加热沸腾5min，冷却后，用粒度测试仪震荡1min后测试。

化学元素分析样品前处理过程如下： (1)样品自然风干后通过2mm孔径的筛子，放入已编号的烧杯中；(2)将过筛后的样品放入温度设置为100℃的烘箱中烘干，之后放入SM-1型研磨机中研磨约30is；(3)将研磨后的样品均匀放入聚乙烯环中，用BP-1型压样机压制成型；(4)将压制好的样品按照编号依次放入仪器中，进行化学元素测量。

4 测试结果与分析

4.1 地球化学特征

4.1.1 常量元素分布特征

从表1可以看出，辽东半岛红色风化壳主要化学成分均为SiO2、Al2O3、Fe2O3，三者之和占80%以上。各红色风化壳剖面自基岩至风化前锋处均表现为SiO2含量先骤然增加，至剖面上部逐渐减少，而Al2O3和Fe2O3含量逐渐增加，呈现出脱硅富铝铁化的趋势，推测SiO2在剖面顶部的减少与风化过程中产生H4SiO4淋失及剖面氧化硅的淋溶有关(Martini and Chesworth，1992)。与基岩相比，作为碳酸盐岩主要成分的CaO在拉树房、石槽、七顶山、滨海花园红色风化壳中均表现为重度亏损，这符合碳酸盐岩风化壳发育过程中CaO大量流失的特征(王世杰等，2002)。K2O和Na2O自基岩至风化前锋处呈现富集状态，说明辽东半岛红色风化壳风化前锋处淋溶作用较弱。MgO除在七顶山剖面呈现亏损状态外，其他剖面均为富集状态。可以看出，常量元素自基岩至半风化带均出现显著突变，这主要与方解石在风化过程中的快速淋失有关，且这一现象普遍存在于碳酸盐岩风化壳剖面中，与结晶岩类风化壳(王世杰等，2002)有明显区别。

4.1.2 地球化学指标变化特征

从 表 1 可以看出，七顶山剖面CIA介于83.19～86.89之间，平均值为85.38；拉树房剖面CIA介于75.50～88.31之间，平均值为84.13；石槽剖面CIA介于77.33～87.43之间，平均值为82.47；城山头剖面CIA介于67.18～82.11之间，平均值为72.00；滨海花园剖面CIA介于70.70～72.81之间，平均值为71.75；金石园采样点CIA介于80.22～82.57之间，平均值为81.22。不同范围的CIA值所表示的气候环境意义不同：当CIA介于65～85之间时，表明气候温暖、湿润，风化作用为中等化学风化；当CIA介于85～100之间时，风化作用为高度化学风化，气候条件近似亚热带地区(魏东岚等，2018)。研究区内各剖面CIA值基本接近，介于71.75～85.38之间，表明辽东半岛红色风化壳形成于温暖、湿润的气候条件下(曹家欣等，1994；熊志方和龚一鸣，2006；魏东岚等，2018)。而在拉树房剖面距顶部1m处CIA显著降低，可能与该剖面遭受剥蚀或发育过程中的气候波动有关。总体来看，CIA在各剖面均表现为自基岩向上逐渐增大趋势，符合红色风化壳自下而上发育程度逐渐增强的特点。

同样，S/A、S/F、S/R也是评估化学风化程度的重要参数，可用来说明红色风化壳脱硅富铝铁化的程度，其值越小表明脱硅富铝铁程度越高。研究区各剖面S/A、S/F、S/R均表现为自下而上逐渐减小的趋势，说明脱硅富铝铁化程度自下而上逐渐增强，呈正向风化序列。

总之，各地球化学指标表明辽东半岛红色风化壳是下伏基岩原地风化的产物，形成于温暖、湿润的气候条件下，具有正向风化序列。

4.2 粒度特征

研究区红色风化壳粒度特征见表 1。笔者采用的粒级分类标准为： 黏粒(0～2μm)、粉砂(2～63μm)、砂粒(63～2000μm)。其中，七顶山剖面黏粒含量介于6.88%～10.54%之间，平均值为8.83%；粉砂含量介于18.27%～36.88%之间，平均值为28.35%；粉黏比介于2.66～3.72之间，平均值为3.18。拉树房剖面黏粒含量介于2.20%～3.90%之间，平均值为2.97%；粉砂含量介于43.10%～75.20%之间，平均值为59.40%；粉黏比介于15.50～29.77之间，平均值为20.31。石槽剖面黏粒含量介于5.79%～20.71%之间，平均值为13.26%；粉砂含量介于37.55%～76.79%之间，平均值为58.28%；粉黏比介于2.93～6.67之间，平均值为4.83。黏粒被认为是风化壳经强烈物理、化学风化作用后形成的新生矿物，其含量高低可以在一定程度上反映风化壳的风化强度大小(Duclouxetal.， 2002)。由于粉砂一般为未遭彻底风化的原生矿物，黏粒主要为风化作用产生的新生矿物，因此通常用粉黏比表征风化程度，粉黏比越小表明风化壳风化程度越高(李德文等，2002)。崔之久等(2001a)的研究表明，中国湘桂黔滇藏红色岩溶风化壳黏粒含量非常高，部分可达90%以上，而研究区红色风化壳黏粒含量平均值介于2.97%～13.26%之间，粉黏比平均值介于3.18～20.31之间，黏粒含量明显低于南方岩溶区红色风化壳，而粉黏比明显高于南方岩溶红色风化壳。因此，粒度特征表明研究区红色风化壳风化强度低于南方岩溶区。

5 讨论

5.1 红色风化壳与夷平面

韦启蹯等(1983)研究表明，形成1m厚的风化壳需要600多米厚的碳酸盐岩。笔者将利用拉树房剖面基岩制备的酸不溶物质量与基岩质量进行比较，发现基岩减少比率达到91.4%，即100g基岩最终只有8.6g能够形成风化壳，表明研究区红色风化壳的形成同样需要溶解巨厚基岩。而这种母岩物质大量流失的风化过程，必然伴随长时间的夷平作用和岩溶作用，最终使地貌向准平原方向发展，地势逐渐平缓，形成夷平面。

南方岩溶山区普遍存在严重的失土现象，即使在茂密的原始森林中也不可能发育厚层连续的风化壳(李德文等，1999)，而辽东半岛七顶山、拉树房、石槽剖面红色风化壳厚度多在4m左右，表明其形成于地表起伏不大、垂向岩溶作用较弱的条件下，这样的发育条件只能存在于接近侵蚀基准面的夷平面上。

5.2 夷平面的性质及发育阶段

辽东半岛红色风化壳为新近纪时形成(蒋伟等，2018)，CIA平均值为82.70、ba平均值为0.39、S/A平均值为4.86、黏粒平均值为8.31%，与南方岩溶区红色风化壳地球化学特征及粒度特征(王世杰等，1999；崔之久等，2001a)相比呈现出明显的盐基淋溶率低、富铝化程度低、黏化作用弱的特点。这可能与南北方气候条件差异有关，因为辽东半岛地处北纬39°，与南方相比纬度偏高，造成两者现代气候条件相差较大，其中南方为亚热带季风气候，辽东半岛为海洋性暖温带季风气候。按照将今论古的研究思想，并与辽东半岛红色风化壳同期发育的湘桂黔滇藏红色岩溶风化壳地球化学特征、粒度特征(崔之久等，2001a；李德文等，2002)进行对比，认为辽东半岛新近纪水热条件较南方偏差，导致其风化壳的盐基淋溶率低、黏化作用弱。而黏化作用与富铝化作用在土壤发育过程中通常是同步进行的(崔之久等，2001a)，因此其与形究区风化壳呈现出富铝化程度低的特点相吻合。

图 3 红色风化壳发育阶段示意图Fig.3 Schematic diagram of development stage of red weathering crust

李德文等(2002)对南方岩溶区红色风化壳发育模式的研究表明，岩溶区红色风化壳的发育为二阶段模式： 夷平—成壳期(灰土化过程)和切割—红化期(红土化过程)。本区红色风化壳为古风化壳的残留，尚未发现灰色风化壳(图 3-A)，这一方面说明灰色风化壳已全部抬升至现今侵蚀基准面之上且不再具备风化壳发育的条件，另一方面说明本区风化壳早已进入红土化阶段，在这一阶段由于风化壳逐渐远离侵蚀基准面，导致淋溶作用逐渐增强，这与地球化学特征所反映的正向风化序列相吻合。

南方地区因纬度较低，气候湿热，红色风化壳仍能继续形成，主体仍为灰色风化壳(图3-B)。而研究区灰色风化壳早已抬升至侵蚀基准面之上进入红土化阶段，且不再有灰色风化壳发育，表明其夷平面属古夷平面。

综上所述，辽东半岛因纬度偏高，较南方地区偏冷，使得本区红色风化壳具有与南方红色风化壳不同的发育特点，呈现出盐基淋溶率低、富铝化程度低、黏化作用弱的特点。研究区内灰色风化壳已全部抬升至现今侵蚀基准面之上进入到红土化阶段，其夷平面属古夷平面。

5.3 夷平面的结构与演化过程

李德文等(2000)、崔之久等(2001b)将南方地区岩溶地貌演化最终阶段所形成的以厚层风化壳为特征的夷平面称为岩溶(双层)夷平面。根据覆盖型岩溶进行分类，辽东半岛东西两侧红色风化壳覆盖型岩溶均属未裸露型(图 2)。西部红色风化壳上部冲刷面并未直接暴露于大气下，而是被黄土所覆盖，形成覆盖型岩溶—红色风化壳—黄土的结构，但黄土并非夷平面的组成部分，故不能将其当作夷平面结构，因此辽东半岛西部夷平面结构也由两部分组成，上部是埋藏于黄土下的风化壳，下部是覆盖型岩溶。研究区东部夷平面具有与南方夷平面相同的结构。

图 4 辽东半岛夷平面演化过程Fig.4 Evolution of planation surface in Liaodong Peninsula

结合前人对南方岩溶区夷平面的研究成果(李德文等，1999，2000；崔之久等，2001a，2001b)及野外详细观察，认为辽东半岛古夷平面发育主要经历4个阶段的变化(图 4)。第1阶段，岩溶作用在古侵蚀基准面之上的整个岩体内进行，岩体出现破裂，垂向岩溶作用加强，地貌起伏逐渐增大；第2阶段，地貌起伏达到最大，这一阶段岩溶作用开始在古侵蚀基准面之下的岩体内进行，覆盖型岩溶、灰色风化壳开始发育；第3阶段，岩溶双层夷平面基本形成，进入岩溶地貌发育的晚期，地面接近古侵蚀基准面，仅留下部分塔峰，在新构造运动的作用下部分灰色风化壳抬升至侵蚀基准之上，垂向淋溶作用增强，进入红土化阶段，形成与南方夷平面相同的剖面结构；第4阶段，研究区第四纪气候转冷，岩溶作用减弱，灰色风化壳的发育近乎停止，而新构造运动一直呈现缓慢抬升状态，原本位于古侵蚀基准面之下的灰色风化壳全部抬升于现代侵蚀基准面之上形成红色风化壳。

5.4 对新构造运动、海平面变化的指示意义

厚层红色风化壳主要发育于湿热气候条件下排水良好、构造缓慢抬升的地段，因为当构造强烈隆升时，风化壳易被剥蚀，难以保留(冯志刚和王世杰，2003)。研究区目前所发现的七顶山、拉树房、石槽剖面红色风化壳厚度多在4m左右，且未发现处于还原状态的灰色风化壳，表明辽东半岛新近纪的构造抬升速率和风化前锋的位移速率相近，处于缓慢抬升状态。

野外实地观测发现，城山头红色风化壳剖面位于距高潮位1.5m的位置，残积物性质比较松散且抗侵蚀能力弱，新近纪形成的红色风化壳能够保存至今，表明其未曾经历过强烈的海蚀作用，据此可以将其作为判断新近纪时海平面未曾超过现今海平面1.5m的标志(蒋伟等，2018)。

6 结论

1)根据辽东半岛红色风化壳主量元素、地球化学指标和粒度特征，认为该风化壳是下伏基岩原地风化的产物，具有正向风化序列，形成于温暖、湿润的气候条件下，化学风化处于中等风化水平。与南方岩溶区红色风化壳相比，其具有盐基淋溶率低、富铝化程度低、黏化作用弱的特点，发育强度弱于南方岩溶区红色风化壳。

2)辽东半岛红色风化壳的发育主要经历了4个阶段的变化： (1)岩溶作用在古侵蚀基准面之上的整个岩体内进行，地貌起伏逐渐增大；(2)地貌起伏达到最大，覆盖型岩溶、灰色风化壳开始发育；(3)岩溶双层夷平面基本形成；(4)灰色风化壳的发育近乎停止，原本位于古侵蚀基准面之下的灰色风化壳在构造运动作用下全部抬升于现代侵蚀基准面之上形成红色风化壳。

3)辽东半岛夷平面属古夷平面，发育阶段为红土化阶段。半岛西部夷平面由两部分组成，上部是埋藏于黄土之下的风化壳，下部是覆盖型岩溶，而半岛东部夷平面具有与南方夷平面相同的结构。对该区夷平面的研究，有助于了解辽东半岛新近纪以来的新构造运动及海平面变化。