遼東半島紅色風(fēng)化殼粒度分布特征淺析

魏東嵐，張玉枝

(遼寧師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116029)

0 引言

紅色風(fēng)化殼多形成于熱帶或亞熱帶年均溫度16～25 ℃，年降水量>1 500mm的高溫多雨環(huán)境[1]。由于沉積環(huán)境、地形、搬運(yùn)介質(zhì)、水動(dòng)力條件等不同，以不同的搬運(yùn)方式出現(xiàn)相應(yīng)沉積物粒度分布特征不同。Folk[2]認(rèn)為沉積物的粒度組合取決于源區(qū)物質(zhì)和沉積環(huán)境，在不同地質(zhì)背景和環(huán)境條件下形成的沉積物的粒度分布特征是不同的，沉積物上發(fā)育的風(fēng)化殼會(huì)繼承母巖的粒度特征。粒度分析能夠作為研究全球變化的重要指標(biāo)，與化學(xué)元素測定，土壤磁化率等手段結(jié)合在重建古環(huán)境中作用愈來愈突出，成為判定黃土[3-4]、河流沉積物[5]、湖泊沉積物[6-8]和海洋沉積物[9-10]等古環(huán)境和識(shí)別沉積環(huán)境的重要手段。目前已有國內(nèi)外多位學(xué)者利用粒度分析作為重要輔助手段研究探討了風(fēng)化殼的物質(zhì)來源，風(fēng)化成因，及古氣候環(huán)境的還原等。同時(shí)化學(xué)元素特征能有效指示環(huán)境信息，與環(huán)境有某種程度上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，熊志方利用化學(xué)元素的淋溶遷移推測出北戴河地區(qū)紅色風(fēng)化殼的風(fēng)化進(jìn)程并認(rèn)為其發(fā)育于上新世濕熱氣候下[11]。南方紅色風(fēng)化殼風(fēng)化特征分析已有大量系統(tǒng)性研究，但北方紅色風(fēng)化殼發(fā)育大多經(jīng)歷了不連續(xù)的風(fēng)化成土過程，且分布散落廣泛，成因復(fù)雜，風(fēng)化殼發(fā)育與成土母巖的關(guān)系復(fù)雜不一，粒度特征結(jié)合化學(xué)元素分析有助于了解北方紅色風(fēng)化殼發(fā)育過程。

晚第三紀(jì)遼東半島屬于東部濕潤季風(fēng)區(qū)，氣候溫暖濕潤[12]，使得該區(qū)域震旦系中統(tǒng)和寒武系、奧陶系的石灰?guī)r化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)烈，出現(xiàn)了紅土化時(shí)期，形成了厚度不均的紅色風(fēng)化殼[13]，發(fā)育于相同溫度雨量氣候條件下的不同區(qū)域的紅色風(fēng)化殼或紅粘土，因其母巖不同、風(fēng)化發(fā)育程度不同，其粒度特征和化學(xué)特征也不盡相同。遼東半島紅色風(fēng)化殼的發(fā)育特征即不同于北方黃土發(fā)育，又不同于南方紅色風(fēng)化殼，由于復(fù)雜地形和母巖因素，風(fēng)化殼發(fā)育狀況又各有差異。筆者通過對(duì)遼東半島最南端棋盤子村和龍王村的風(fēng)化殼粒度分析結(jié)合化學(xué)手段探討遼東半島的紅色風(fēng)化殼發(fā)育狀況、與成土母巖是否具有的均一性、推測成土的古環(huán)境特征，并與南方紅色風(fēng)化殼比較發(fā)育差異。

1 風(fēng)化殼采集

遼東半島侵入巖發(fā)育廣泛，占全區(qū)總面積露出地表的約三分之一。沿海區(qū)域巖性以碳酸鹽巖、石英巖、板巖、角閃巖、花崗巖、變質(zhì)砂巖和砂巖混合巖為主[14]。大連棋盤子村和龍王村剖面位于低丘陵平緩地帶，出露于地表、由石灰?guī)r就地剝蝕、風(fēng)化堆積而成的紅色風(fēng)化殼。

1.1 樣品采集

選擇好合適的采樣地點(diǎn)，從表層土開始向下挖200cm，從175cm處開始以25cm為間隔依次向上采樣并編號(hào)。

1.2 樣品前處理

將樣品放入200ml燒杯中，加入30%的雙氧水10ml，除去有機(jī)膠結(jié)物，24h后再加10ml的30%雙氧水，待燒杯中不產(chǎn)生氣泡后加去離子水至150ml，加熱至沸騰5min后冷卻。加10ml的1:3鹽酸，除去樣品中的碳酸鹽物質(zhì)，加去離子水至150ml，加熱至沸騰5min，冷卻靜置24h，消除殘余鈣質(zhì)和游離氧化物的膠結(jié)作用。用虹吸管小心抽取上層懸浮液，向燒杯中加入蒸餾水至200ml以稀釋溶液中酸的含量，靜置24h以上，抽去上層懸浮液，除去可溶性鹽分及過量的酸，防止對(duì)測試儀器的腐蝕。加10ml0.01N六偏磷酸鈉分散，加去離子水至200ml，加熱至沸騰5min，冷卻上機(jī)加1min超聲波測試。

運(yùn)用貝克曼庫爾特LS13 320激光衍射粒度分析儀進(jìn)行測試，測試量程為0.02～2 000um，本研究使用樣品過1mm孔篩，測試量程在0.02～1 000um內(nèi)。

把土樣用粉末壓樣機(jī)進(jìn)行加壓成型，放入X射線熒光光譜儀樣品柜中進(jìn)行檢測，對(duì)樣品進(jìn)行定性和定量的化學(xué)分析。

2 計(jì)算方法

采用粒度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：粘粒<2um，粉砂2～63um，砂粒63～1 000um。根據(jù)烏登—溫特沃斯粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分類，用粒級(jí)Φ=-log2d(d為顆粒直徑)代替粒徑。數(shù)據(jù)處理采用黃思靜[15]、劉岫峰[16]的方法運(yùn)用excel進(jìn)行處理計(jì)算。分選系數(shù)是粒度累積曲線上25%和75%處對(duì)應(yīng)的顆粒直徑比值的平方根。風(fēng)化指標(biāo)用化學(xué)蝕變指數(shù)CIA([Al2O/(Al2O3+K2O+CaO*+Na2O]×100,CaO*為硅酸鹽部分的CaO)作為化學(xué)影響輔助粒度特征分析風(fēng)化過程?；瘜W(xué)蝕變指數(shù)CIA值能較準(zhǔn)確地定量描述巖石遭受化學(xué)風(fēng)化的程度。

3 粒度特征分析

3.1 棋盤子村剖面

從表1中可以看到S1剖面以粉砂粒級(jí)為主，56.82%～93.90%，為眾數(shù)粒組。砂粒級(jí)粒徑在3.50%～40.68%，為次眾數(shù)組；粘粒級(jí)粒徑最少，最高為最上層粘粒百分?jǐn)?shù)可達(dá)9.77%，剖面整體含“風(fēng)塵基本粒級(jí)組”[17]10～50um比值較高，母質(zhì)具有一定的風(fēng)成特性。

表1 棋盤子村剖面的粒度分布參數(shù)及化學(xué)指數(shù)

圖1為棋盤子村剖面粒度特征中粒級(jí)分布的三相圖解，從圖中可以看出S1剖面土壤樣品點(diǎn)主要分布于粉砂—砂粒連線一端，表明風(fēng)化殼發(fā)育程度較低。粒級(jí)粒徑從砂粒指向粉砂，由粗變細(xì)，呈逐漸風(fēng)化趨勢。

從隨深度變化圖(圖2)可以看到棋盤子村的中值粒徑、粉砂、砂?；颈３忠恢?，都在130cm處發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折粘粒組在100cm處發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折。中值粒徑在130cm處向上逐漸減少，向下逐漸上升，130cm處最大，發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，是異常點(diǎn)，風(fēng)化過程中受到突然因素的影響。平均粒徑隨深度變化差異大，折線彎曲多，指示了運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的平均動(dòng)能周期性變化，最上層剖面25cm深度的平均粒徑突然轉(zhuǎn)折變小，可能是加入了外來細(xì)粒物質(zhì)。

圖1 棋盤子村剖面粒度分布的三相圖解

圖2 棋盤子村剖面粒度參數(shù)隨剖面深度的變化

粒度分布曲線(圖3)除S1.1具有3峰，S1.2、S1.5具有兩峰外，其余皆為單峰，且均未出現(xiàn)粘粒峰。除S1.2外，其他曲線峰值對(duì)應(yīng)粒徑范圍較接近，3Φ～6Φ。S1.2CIA值也出現(xiàn)異常，呈突變現(xiàn)象，所以此處剖面的風(fēng)化因素除受溫度變化、大氣降水、生物等風(fēng)化因素外，還存在其他自然因素的作用。分選系數(shù)在1.19～1.28，頻率累積曲線較陡表明粒徑分選度好。

棋盤子村7個(gè)樣品的CIA值在66～90.81，平均值為86.35，反映了S1剖面經(jīng)歷了較強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化。

粒徑散點(diǎn)圖(圖4)中，平均粒徑—標(biāo)準(zhǔn)差，除S1.6外基本在一條直線上，平均粒徑—偏度較為離散，標(biāo)準(zhǔn)差—尖度呈帶狀分布，標(biāo)準(zhǔn)差—偏度基本呈線性分布，平均粒徑—尖度呈離散分布，尖度—偏度除S1.2外，基本呈線性分布。散點(diǎn)圖的分布狀況表明剖面的風(fēng)化殼發(fā)育的半風(fēng)化帶—全風(fēng)化帶有外來物質(zhì)加入，風(fēng)化殼的發(fā)育狀況不均一。

圖3 棋盤子村剖面粒度頻率分布曲線

Fig.3ThegranularitydistributionfrequencycurvesofQipanzi

但是S1剖面CIA的變化趨勢與粒度參數(shù)隨深度的變化趨勢明顯不一致,而剖面礦物組成沒有出現(xiàn)異常礦物，因此排除了由于母巖不均一性導(dǎo)致風(fēng)化殼出現(xiàn)異常。所以，造成S1剖面粒度參數(shù)隨深度的變化趨異常的潛在因素很有可能是風(fēng)化過程的微環(huán)境特征。

圖4 棋盤村粒度參數(shù)散點(diǎn)圖

3.2 龍王村剖面

龍王村風(fēng)化殼剖面發(fā)育狀況跟棋盤村有明顯差異，特別是化學(xué)成分分析上有個(gè)別參數(shù)有較大差異，表2中特別列出了粒度分布特征發(fā)生明顯變化，并增加做輔助分析的兩個(gè)化學(xué)參數(shù)，以便對(duì)風(fēng)化殼發(fā)育變化差異做出更合理的解釋。

表2 龍王村剖面的粒度分布參數(shù)及化學(xué)指數(shù)

從表2中可以看出龍王村剖面亦是以砂粒級(jí)為主，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%。

粒度組成三相圖(圖5)顯示樣品點(diǎn)主要分布在粉砂一角，具有明顯風(fēng)成特性，粘粒含量最高為最上層S2.1占7.16%<16.33%，也屬于弱風(fēng)化程度。

圖5 龍王村剖面粒度分布的三相圖解

從深度變化(圖6)可以看到粘粒、粉砂、砂粒、中值粒徑在80cm，100cm，130cm處均有發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，變化比S1剖面劇烈，顆粒運(yùn)動(dòng)不均一，風(fēng)化強(qiáng)度不均一。

粘粒分布曲線(圖7)除S2.4，S2.5有雙峰特征外，其余皆為單峰，且形態(tài)不一致，S2.4和S2.1眾數(shù)為6Φ～8Φ，其余在3.5Φ～5Φ，整體上峰的形態(tài)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受外來影響較大，除S2.4外，其他5個(gè)剖面層發(fā)育具有較高一致性。S2.4和S2.5在粘粒級(jí)出現(xiàn)弱峰，應(yīng)指示風(fēng)化過程中次生粘粒礦物形態(tài)形成轉(zhuǎn)化，但是出自于剖面中間層，并且剖面是坡面上的，可能會(huì)出現(xiàn)顆粒向下遷移的現(xiàn)象，因此可能沒有正確反映風(fēng)化殼不同深度的風(fēng)化程度。從峰的整體形態(tài)來看，比S1一整形好，但連續(xù)剖面的峰形轉(zhuǎn)折差異大，所以深度變化圖中旋回多，風(fēng)化程度強(qiáng)烈不一，指示了風(fēng)化過程條件的不同。分選系數(shù)在1.00～1.38，分選度好，但是分選差異比S1大，分選沒有S1剖面好，風(fēng)化環(huán)境比S1剖面更為復(fù)雜。

圖6 龍王村剖面粒度參數(shù)隨剖面深度的變化

粒度散點(diǎn)圖基本都構(gòu)不成線性，離散程度較S1大，表明風(fēng)化環(huán)境比S1剖面更為復(fù)雜。

金州區(qū)龍王村剖面7個(gè)樣品的CIA值在70～87，平均值為81.79，屬于中等化學(xué)風(fēng)化，強(qiáng)度略低于甘井子區(qū)棋盤子村剖面。

S2剖面化學(xué)指標(biāo)(表3)Fe2O3/K2O的值與深度沒有相關(guān)性，說明風(fēng)化殼成土母巖的不均一性，為非正常沉積環(huán)境的產(chǎn)物，與S2剖面粒度頻率分布曲線的結(jié)論一致。金州區(qū)龍王村紅色風(fēng)化殼SiO2/Al2O3參數(shù)隨深度的變化呈不規(guī)則變化，也指示了S2剖面非同源關(guān)系。

圖7 龍王村剖面粒度頻率分布曲線

Fig.7ThegranularitydistributionfrequencycurvesofLongwang

圖8 龍王村粒度參數(shù)散點(diǎn)圖

Fig.8Theparametricscatterplotoflongwang

4 與貴州紅色風(fēng)化殼粒度分布特征進(jìn)行比較

參照馮志剛[18]對(duì)貴州巖溶區(qū)紅色風(fēng)化殼粒度分析，將S1，S2剖面與貴州花溪風(fēng)化殼剖面進(jìn)行對(duì)比分析(表3)。

表3 風(fēng)化殼剖面平均粒度參數(shù)對(duì)照表

圖9 花溪剖面粒度頻率分布曲線

Fig.9ThegranularitydistributionfrequencycurvesofHuaxi

花溪剖面粒度分布曲線(圖9)具有雙峰特征，粘粒峰出現(xiàn)，峰形一致性高。眾數(shù)在6Φ～8Φ粘粒峰眾數(shù)13Φ；粘粒級(jí)粒度在9.2%～30.9%，風(fēng)化程度明顯高于S1、S2剖面，砂粒級(jí)含量少，最高為2.86%，遠(yuǎn)小于S1、S2坡面；S1、S2的中值粒徑和平均粒徑明顯高于花溪剖面，風(fēng)化強(qiáng)度弱于花溪剖面；花溪剖面峰形的一致性表現(xiàn)了其母巖的均一性，和風(fēng)化過程對(duì)母巖的繼承性，分選比S1、S2剖面好，粒度參數(shù)差異性比S1、S2剖面小。由此分析可以發(fā)現(xiàn)南方紅色風(fēng)化殼風(fēng)化程度高于遼東半島風(fēng)化殼，且和母巖保持均一性，各剖層粒度參數(shù)差異小。伏捷[19]對(duì)棋盤子村和龍王村剖面的頻率磁化率做過研究，發(fā)現(xiàn)他們的平均值分別為14.69%±1.14%，對(duì)應(yīng)的濕熱氣候，與地處亞熱帶的云南昆明富鐵土的頻率磁化率值13.5%～14.0%相近。花溪剖面的頻率磁化率平均值為28.3%，是S1和S2剖面的近2倍，風(fēng)化環(huán)境更加濕熱，風(fēng)化作用環(huán)境更加劇烈，風(fēng)化速率更快。

5 結(jié)論

(1)棋盤子村和龍王村各自粒度粒度分布曲線上峰的形態(tài)差異較大，曲線不集中，指示了剖層發(fā)育均具有不均一性。參數(shù)含量搖擺的旋回變化，反映了風(fēng)化過程中季風(fēng)的強(qiáng)弱交替變化。棋盤子村剖面CIA的變化趨勢與粒度參數(shù)隨深度的變化趨勢明顯不一致，剖面礦物組成沒有異常礦物，排除了由于母巖不均一性導(dǎo)致風(fēng)化殼出現(xiàn)異常。所以，風(fēng)化過程的微環(huán)境特征造很有可能是成棋盤子村剖面粒度參數(shù)隨深度的變化趨異常的潛在因素。龍王村剖面化學(xué)指標(biāo)Fe2O3/K2O和SiO2/Al2O3參數(shù)隨深度的變化呈不規(guī)則變化，說明風(fēng)化殼成土母巖的強(qiáng)烈不均一性，為非正常沉積環(huán)境的產(chǎn)物，指示了龍王村剖面非同源關(guān)系，與粒度頻率分布曲線的結(jié)論一致。

(2)相對(duì)照的花溪剖面位于南方屬于典型的南方紅色風(fēng)化殼發(fā)育，發(fā)育環(huán)境相比遼東半島高溫多雨，季風(fēng)環(huán)境對(duì)風(fēng)化殼發(fā)育影響作用表現(xiàn)比遼東半島弱，氣候的條件穩(wěn)定性較強(qiáng)具有連續(xù)性，所以風(fēng)化殼發(fā)育強(qiáng)度高于遼東半島，且具有均一性和對(duì)母巖的明顯繼承性。

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