碳酸盐岩红色风化壳系统、结构、功能和作用

碳酸盐岩红色风化壳系统、结构、功能和作用

现代碳酸盐岩风化壳是处于地壳最表层的由碳酸盐岩风化层———土层组成的一个开放系统，由此推测古风化壳亦是如此，所以其在地质历史时期也曾长期暴露在地表接受各种风化营力的影响和作用，在太阳的光、热作用下，与地壳表层的大气圈、水圈、生物圈之间存在着广泛的物质、能量和信息的交换。这一开放系统又由具有特定功能和作用的各单元（或部分）组成，它们以一定的顺序排列组合起来，共同完成风化成土以及成土后期红土化作用，我们把这种组合关系称为风化壳的“结构”。这一系统是在开放体系的环境下，在长期的地质历史时期中，在各种风化营力影响和作用下，形成的具有自组织功能的“耗散结构”系统，所以此处的“结构”一词具有广义的涵义，而并非指地学专业上常用的岩石、土体的“结构”的概念。野外地质调查研究发现，发育良好的且保存完整的现代碳酸盐岩风化壳，自上而下具有如图6-3所示的“层状结构”。

图6-3 碳酸盐岩风化壳层状结构示意图

1.土壤层和表土层

土壤层指由受成壤作用而形成的表土层，一般0.5～1m厚；而表土层指受各种植物根系影响的表层（包括土壤层），厚度更深一些。根据对人烟稀少的岩溶区调查研究表明，在人类大量繁衍生息人口数量剧烈增加以前，广大的岩溶区（尤其是热带和亚热带地区）都曾繁茂地生长着许多森林和植被，仅据现今的统计，它们的凋落物数量都相当可观（表6-2）。这些植物的凋落物对富集某些成土元素（如Si、Al、Fe等）有相当大作用（表6-3），植物的根系也对岩层产生根劈等机械破坏作用。植物的残余物、腐殖质分解也能产生大量的有机酸和CO2（任美锷等，1983）。在大气层中，一般只含0.03%的CO2，而在植物覆盖层中有近1%的CO2。这样，就使渗入水中含有大量的有机酸和碳酸，有利于溶蚀作用。研究表明，表土层和土壤层中由于大量微生物的繁衍、植被覆盖层生物化学作用等原因，能制造出大量的CO2，它是地下水中碳酸的主要来源，土壤层中所含CO2的数量可以达到空气中的十几倍甚至百倍。此外，表土层也能滞留和截留水分，对风化壳的形成和保护也起到很重要的作用。

表6-2 中国各自然带森林凋落物数量

表6-3 茂兰喀斯特森林自然保护区红粘土上植物灰分化学组分（wB/%）

野外调查表明，碳酸盐岩红色风化壳主要形成于岩溶谷地、槽谷、缓坡等平坦地形之上。这是由于这种地形条件，有利于地表径流的汇聚和入渗，水中携带着Si、Al、Fe等元素及凝胶物质，由植物凋落物中聚积的成土组分，以及散落于地表的粉尘以及微细粒粘土等胶状物质，渗入到岩土界面上，极有利于土的形成。同时，这种地形条件也是地下水富集地带，地下水循环-交替条件良好，促进了碳酸盐岩岩体的溶蚀-交代作用和成土作用。

2.红色粘土层

这是紧接着土壤层和表土层的上部粘土层，其厚度随风化壳土层总厚度而变化。一般3～5m。此层以土的棕红色、棕黄色或红色而得名。土体中发育较大裂隙，裂隙面上有红色铁锰质被膜，且常常有近水平分布的砖红色铁质条带。土的含水量较低，处于硬塑—可塑状态。显然，红色粘土层处于强氧化带，致使铁矿物以Fe3+价铁的形式出现，使土层带有明显的红色。

3.黄色粘土层

土体呈黄色、姜黄色，厚3～6m不等，有时含有红棕色小斑块，具碎屑及蠕虫状构造，微裂隙极发育，有时土体中也会含有较多的黑色铁锰斑点、结核及夹层，这些都是岩土过渡带的特点。此带土体天然含水量大，一般70%～80%，土体呈可塑或软塑状态，此带处于弱氧化带。

4.杂色层纹状粘土层

纹层由紫色、暗棕色、红色、纯白色、褐黄色等粘土层组成，具色带及晕圈构造，此层厚度0.2～0.3m，纹层随下部基岩而起伏。土体天然含水量最大，一般均可达90%～100%，呈软塑状态。此层厚度变化较大，在凹下的溶沟、溶槽底部厚度大，在凸起的岩面上厚度变薄。杂色粘土层暴露于空气中时，褪色较快，说明此带处于还原带。杂色粘土层是碳酸盐岩转换为土层的转换带。

随着岩土界面上新的土层生成，伴随着表层土被剥蚀搬运，下部土层则向上层土转化。在转化过程中，土层将发生一系列变化，除了上述的氧化—还原环境、土层的含水量及状态发生变化之外，土层的pH值还会产生由下部偏碱性变成至上部的酸性环境，土的物理性质和化学、矿物成分也发生了变化。其中变化最明显的是土的粒度成分的变化，如安顺和遵义两个红色风化壳剖面，其粉土粒组的含量由下部土层的51.3%～66.8%，减小到上部土层的29.6%～32.7%，粘粒粒组含量由下部的25.0%～35.0%，增大到上部土层的59.0%～59.4%。也就是说土粒的粒径由粗的粉粒向细的粘粒粒径转化。土层的矿物成分也相应发生了变化，界面上杂色粘土层中存在的埃洛石、水铝英石、蒙脱石、绿泥石、蛭石、蛭石/绿泥石等粘土矿物及间层粘土矿物，将向以高岭石为主的粘土矿物变化；同时，土层中的石英、蛋白石、铝矿物等含量也相应增多，也发生有些粘土矿物被铁锰氧化物和氢氧化物交代的现象。碳酸盐岩风化壳粘土层的人工淋滤试验表明，上部红色粘土层、黄色粘土层中的Si，可部分被水淋滤而搬运到岩—土界面上，从而成为部分成土元素的来源。

5.溶滤层

石灰岩和白云岩的溶滤层截然不同，前者为褪色的、灰白色多孔状疏松风化层，一般几厘米至十余厘米厚，向上突变为土层，向下渐变为石灰岩层；后者为松散的白色白云岩砂，完全丧失强度和结构连结，厚度较大，一般都大于0.5m，最厚可达数米至十余米，向下渐变为白云岩层，向上突变为粘土层。溶滤层一般均不水平产出，而是围绕着基岩的岩面起伏，所以厚度变化亦大。

6.基岩（白云岩或石灰岩等）

调查研究基岩的岩面起伏，也能提供红色风化壳剖面形成的许多重要信息。图6-4是贵阳市西郊水厂施工时人工开挖剖面素描图。从图中可见岩面起伏十分巨大，可达16m以上，这是由于水顺垂直层面裂隙差异溶蚀的结果。垂直溶蚀再加上侧向溶蚀，亦可形成被土包裹的岩核、岩块，它们进一步溶蚀则变成白云岩砂及不同颜色的土团块、斑块和斑点。在贵阳地区工程勘察的钻孔剖面中，经常遇到由于差异溶蚀造成上下均为土层的悬臂岩。

图6-4 贵阳市西郊水厂碳酸盐岩红色风化壳剖面素描图

石灰岩的溶蚀剖面也是如此，遵义市忠庄铺砖瓦厂曾开采十多米厚的红色风化壳当作烧砖的原料，把石灰岩上的风化壳土层全部挖除后，显露出顺倾斜岩层层面溶蚀的极不平坦的岩面起伏情况，岩面起伏高差亦可达十余米。所有这些起伏的溶蚀沟槽和突起的石芽是风化壳土层下溶蚀的结果。在溶蚀沟槽的底部常常有渗入地下水的潴留，土体往往呈现软塑甚至流塑的状态，这是水—岩反应的峰面。这种极不平坦的基岩表面起伏地形，也提供了碳酸盐岩风化壳存在的不可辩驳的证据。以上所述与图6-1所示俄罗斯南乌拉尔的古风化壳剖面以及贵州修文小山坝基岩底板的古岩溶地形也相似。

碳酸盐岩红色风化壳是在地壳表层开放体系条件下，在地质历史时期中形成的具有自组织功能的耗散结构系统，其功能和作用表现在组织与协调系统和几种风化营力之间的相互关系，提供风化成土的必需条件，使系统发挥其最大效应。溶蚀是首要的，它提供了水—岩、岩—土作用和反应的必要空间。溶蚀最直接的结果是使风化壳岩体孔隙度的增加，并由此造成岩体渗透性的增大。碳酸盐岩微观溶蚀的本质特征是水—岩界面上表面反应控制的选择性溶蚀，对物质成分的选择和对岩矿微结构、微构造的选择（韩宝平，1993）。石灰岩的溶蚀首先是顺泥晶基质或亮晶胶结物的溶蚀，其结果是形成粒屑状的溶滤层。白云岩砂的进一步溶滤是顺白云石菱形晶体、解理面的溶蚀，其结果是形成窗棂状孔洞。在自然条件下，微渗流状态对溶蚀特征有重大影响，孔喉和障壁前可形成长条状渗孔、在微裂顶端常形成囊状溶孔（韩宝平等，1994）。韩宝平等（1994）提供了用压汞试验方法直接测定碳酸盐岩风化壳孔隙的资料（表6-4）。由表6-4可见，新鲜岩石孔隙度数值很低，Y1和Ba1两样品的有效孔隙度仅为0.82%～0.96%，而到成土作用的溶滤层上，Y5和Ba5的有效孔隙度已达到25.58%～28.90%。由此我们可以认为，正是溶滤层及其高孔隙物性为水—岩、岩—土反应提供了有效空间和水—岩交代作用的场所，没有溶滤层就不会有土的形成。另据作者的测定，紧邻溶滤层的杂色粘土层的孔隙度已分别达到55.90%（遵义石灰岩粘土层）和62.50%（安顺白云岩砂粘土层）。溶滤层和杂色粘土层孔隙度的差别是容易理解的：一方面随着成土作用的进行，孔隙度要进一步增加；另一方面，Y5和Ba5孔隙度是汞液所能达到的有效孔隙度。而作者所测定的杂色粘土层的孔隙度是由土的直接测定的基本指标（土的含水量、密度）经理论换算而求得的间接指标，包括了封闭孔隙在内的所有孔隙。通过以上论述可知，碳酸盐岩红色风化壳土体（工程上又称为红粘土）的高孔隙度和高孔隙比特性，与红色风化壳的形成作用息息相关，这就从成因上解开了红粘土高孔隙物性之谜。

表6-4 石灰岩和大理岩风化壳压汞试验孔隙度测定的结果表

碳酸盐岩的可渗透性是水进入岩体的必需条件，实际上风化岩体孔隙度的形成就是渗透溶蚀的直接反映。渗透性可分为顺原生孔隙产生的原生渗透性和顺经溶蚀扩大的溶孔、溶隙和洞穴产生的次生渗透性。岩溶含水层水文地质试验所测得的参数大都属于次生渗透性的。在次生孔隙、溶蚀、洞穴中流动的水流，由于流速快、冲蚀力强，显然不能交代成土，所以与成土作用有关的主要是岩体的原生渗透性，有关这方面的资料不多。据D.I.史密斯关于碳酸盐岩岩石孔隙大小、孔隙度和渗透系数k三者之间关系的图解，变质大理岩和块状灰岩的孔隙度约为0.1%～1.0%之间，孔隙大小为0.001～0.01mm，渗透系数k为0.0001～0.01m/d之间。另外一些研究资料表明，室内测定块状灰岩的渗透系数k=7×10-7～1.0×10-4m/d（张倬元，1994），红粘土孔隙渗透系数约为n×10-5m/d，而红土裂隙的渗透系数为n×10-2～n×10m/d。实地观察表明，红色风化壳主要是顺裂隙渗水，因此可以认为，风化壳上部土层的透水性远远大于下部岩石的透水性，二者存在着数量级的差别，因此才会在岩土界面上滞留着大量的入渗水，土层的含水量才具有由上至下逐渐增大的特征。据作者的计算，土层中的入渗水及其中所含各种成土物质，足以保证基岩溶蚀—交代成土所需。