遼南地區(qū)紅色風(fēng)化殼粒度特征分析

白 濤，魏東嵐，李永化，田娜娜

（遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，遼寧大連116029）

引言

遼南地區(qū)位于遼東半島南部，多丘陵山地，平原低地少，前人對(duì)遼南地區(qū)的研究多集中于巖溶地形[1]和海蝕地貌[2]，對(duì)第四紀(jì)以來(lái)紅色風(fēng)化殼[3，4]的研究較少。紅色風(fēng)化殼在高溫多雨的濕熱氣候條件下發(fā)育較好，我國(guó)南方熱帶、亞熱帶地區(qū)氣候濕熱，風(fēng)化作用可全年進(jìn)行，風(fēng)化殼厚度大，但由于區(qū)域氣候條件、基巖性質(zhì)、區(qū)域構(gòu)造等方面存在差異，我國(guó)南方地區(qū)發(fā)育了不同類(lèi)型的風(fēng)化殼。目前，已有諸多學(xué)者對(duì)我國(guó)南方地區(qū)的紅色風(fēng)化殼發(fā)育特征進(jìn)行了深入研究，在恢復(fù)碳酸鹽巖風(fēng)化成土作用[5]、土壤礦物[6]和化學(xué)組成特征紅色殘積物的來(lái)源[7]、碳酸鹽鹽酸不溶物[8]、稀土元素[9]以及表生地球化學(xué)循環(huán)[10]等方面取得了大量成果，由于我國(guó)北方地區(qū)紅色風(fēng)化殼分布較少，大多被厚層黃土[11]覆蓋，僅在山東廟島群島[12]、河北北戴河[13]以及遼南地區(qū)[14]發(fā)現(xiàn)紅色風(fēng)化殼，少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了初步研究探討。

粒度特征[15]是沉積物研究的基本特征，其組成和分布主要受物源、搬運(yùn)方式、水動(dòng)力條件及地形地貌等因素影響。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者對(duì)沉積物粒度的研究作為重要參考手段，在古氣候、古環(huán)境研究中已得到廣發(fā)應(yīng)用。在巖性、氣候及地形地貌等不同條件下，紅色風(fēng)化殼形成的條件、強(qiáng)度也存在差異，因此對(duì)紅色風(fēng)化殼粒度分析，有助于了解沉積環(huán)境演化規(guī)律及古氣候變化情況。

在此基礎(chǔ)上，本文針對(duì)遼南地區(qū)的紅色風(fēng)化殼進(jìn)行初步探究。通過(guò)大量的野外勘察，選取遼南地區(qū)七頂山剖面紅色風(fēng)化殼為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，利用激光粒度分析儀對(duì)七頂山剖面樣品進(jìn)行測(cè)定，基于七頂山剖面紅色風(fēng)化殼樣品的粒度特征，對(duì)該地區(qū)紅色風(fēng)化殼的發(fā)育特征進(jìn)行探討了解，有助于系統(tǒng)認(rèn)識(shí)遼南地區(qū)的沉積環(huán)境，并為遼南地區(qū)沉積特征研究提供重要依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與樣品采集

七頂山剖面位于大連市金州區(qū)七頂山街道東（121°41′2″E，39°15′70″N），剖面海拔高度大約為50m，剖面上層分布為17m 的厚黃土層，下層分布為4m 的紅色風(fēng)化殼，紅色風(fēng)化殼覆蓋層以下為下伏基巖。在紅色風(fēng)化殼上界面到紅色風(fēng)化殼下界面之間，去除表土層，沿垂直方向從紅色風(fēng)化殼頂部向下挖一個(gè)溝槽，自下而上按固定間距（20cm）連續(xù)采集樣品，總共采集20 份紅色風(fēng)化殼樣品，并自上而下依次標(biāo)號(hào)S1～S20。七頂山剖面的采樣位置見(jiàn)圖1。

粒度測(cè)定實(shí)驗(yàn)方法。20 份樣品采用激光粒度測(cè)量法，利用激光粒度分析儀有著測(cè)定速度迅速、時(shí)間較快、自動(dòng)化較高、操作簡(jiǎn)單、測(cè)試范圍廣、誤差小等優(yōu)勢(shì)。單本文樣品在遼寧師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的地理與科學(xué)學(xué)院土壤實(shí)驗(yàn)室里完成，粒度數(shù)據(jù)由美國(guó)Beckman公司生產(chǎn)的LS3320 型激光粒度儀進(jìn)行測(cè)試。

2 粒度參數(shù)計(jì)算公式

粒度參數(shù)計(jì)算公式國(guó)際上采用烏登—溫德華粒度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，粒度級(jí)別從小到大分為三部分，其標(biāo)準(zhǔn)：粘粒小于 2μm，粉砂介于 2μm～63μm 之間，砂粒介于63μm～2000μm 之間。為了方便作圖和運(yùn)算，克魯賓改進(jìn)了烏登—溫德華粒度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，采用Φ 代表粒徑大小標(biāo)準(zhǔn)（砂粒：4 Φ～-1Φ，粉砂：9 Φ～4 Φ，粘粒：＞9 Φ）。Φ 值與粒徑d（mm）計(jì)算公式為：

3 粒度特征分析

3.1 剖面粒度組成

粒度是判斷沉積物古環(huán)境的指數(shù)之一，主要是由粘粒、粉砂和砂粒等組成，是判別風(fēng)化程度及作用，物源的主要指標(biāo)。觀(guān)察七頂山剖面粒度組成參數(shù)表（表1），可以看出該地區(qū)剖面眾數(shù)組為砂粒組，砂粒含量平均值超過(guò)60%，以砂粒組占主要部分，含量為52.77%～74.85%之間，其次是粉砂級(jí)粒度，含量為18.27%～36.88%之間，其平均值為28.35%。最后是粘粒級(jí)粒度，所占含量最少，為6.88%～10.54%之間，其平均值為8.83%。剖面主要以砂粒級(jí)粒度為主，百分比含量超過(guò)整個(gè)剖面粒組的一半，表明該地區(qū)剖面紅色風(fēng)化殼發(fā)育狀況及風(fēng)化程度較差，不易形成紅色風(fēng)化殼。

整個(gè)剖面粉砂含量變化不大，平均含量范圍介于22.11%～32.74%之間，平均值為28.45%。剖面上部S1～S6 粘粒含量介于8.16%～10.54%之間，剖面中部S7～S13 粘粒含量介于6.88%～8.94%之間，剖面中部粘粒含量較少，剖面下部S14～S20 粘粒含量介于8.12%～9.91%之間。粉砂含量與粘粒含量變化基本一致。整個(gè)剖面砂粒含量變化較大，剖面上部S1～S6 砂粒含量介于52.77%～66.93%之間，剖面中部S7～S13 砂粒含量介于64.69%～74.85%之間，剖面下部S14～S20 砂粒含量介于53.22%～65.11%之間。由數(shù)據(jù)可以看出，該剖面紅色風(fēng)化殼的發(fā)育是從上到下的，上部剖面的風(fēng)化程度較好，受到的風(fēng)化作用較強(qiáng)烈。

圖1 七頂山剖面及采樣示意圖

表1 七頂山剖面粒度組成參數(shù)表

研究表明該區(qū)域風(fēng)化殼的發(fā)育程度主要體現(xiàn)在粘粒含量的變化，紅色風(fēng)化殼的風(fēng)化程度越高，粘粒含量越多；風(fēng)化程度越低，粘粒含量越少[16]。圖2 為七頂山剖面粒度參數(shù)三相圖，從圖中可以看出，該剖面的粒度組成主要是砂粒和粉砂，主要集中聚集在粉砂—砂粒端，其中砂粒含量多，整體上超過(guò)50%，剖面中部砂粒含量超過(guò)70%，有向粗粒端集中靠攏的特點(diǎn)，說(shuō)明該剖面風(fēng)化條件較差，成熟度較低，發(fā)育程度較弱。樣品粘粒含量較少，除了S4、S6 兩個(gè)樣品超過(guò)10%，大體上都少于10%，說(shuō)明該剖面水熱條件較差，致使紅色風(fēng)化殼形成厚度薄，不利于紅色風(fēng)化殼的發(fā)育。

3.2 剖面粒度組成的深度變化

圖3 是七頂山剖面粒度組成隨剖面深度的變化而變化的趨勢(shì)。從圖中可以看出，剖面深度200cm 以上各粒度參數(shù)整體發(fā)生一次大幅度的上升下降，差異較大。而剖面深度200cm 以下各粒度參數(shù)整體發(fā)生升降變化三次。粘粒百分比含量在80cm 最大，粘粒含量隨風(fēng)化強(qiáng)度增加而增加，粘粒百分比含量在80cm 處時(shí)顯示氣候濕熱，風(fēng)化作用強(qiáng)，成壤作用強(qiáng)。粘粒百分比含量在200cm 最小，顯示氣候干冷，風(fēng)化作用弱，成壤作用弱。粉砂百分比含量的最大值、最小值與粘粒百分比含量位置相同，觀(guān)察粘粒級(jí)含量分布曲線(xiàn)和砂粒級(jí)含量分布曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)兩組曲線(xiàn)升降變化大致相同，兩組曲線(xiàn)表示負(fù)相關(guān)關(guān)系，兩粒級(jí)變化趨勢(shì)自上而下整體趨勢(shì)表現(xiàn)為增大—減小—增大。砂粒百分比含量最多，是沉積物中的眾數(shù)組，砂粒半分比含量最大值在200cm 處，該處風(fēng)力較強(qiáng)，氣候干冷，紅色風(fēng)化殼發(fā)育較差，砂粒百分比最小值在80cm 處，該處風(fēng)力較弱，氣候濕熱，有利于紅色風(fēng)化殼發(fā)育，砂粒粒級(jí)變化趨勢(shì)剖面自上而下表現(xiàn)為減小—增大—減小。各粒級(jí)百分比含量在剖面自上而下整體發(fā)生較明顯的起伏變化，但紅色風(fēng)化殼依舊表現(xiàn)出正常的演變走勢(shì)。

圖2 七頂山剖面粒度參數(shù)三相圖

圖3 七頂山剖面粒度組成深度變化圖

有研究表明風(fēng)化殼發(fā)育環(huán)境的濕熱條件受粘粒百分比含量的影響[17]。粘粒百分比含量越少，氣候條件越干冷；含量越多，氣候條件越濕熱。粉粘比的大小可以用于表示風(fēng)化殼的風(fēng)化強(qiáng)度，即粉粘比值越大，風(fēng)化殼的風(fēng)化強(qiáng)度越弱。剖面的粉粘比平均值為3.18，最大值在360cm 處，最小值在160cm 處，整體粉粘比超過(guò)了2.5，說(shuō)明剖面遭受的風(fēng)化程度較低，成壤作用較弱，紅色風(fēng)化殼發(fā)育緩慢。整體粉粘比自上而下趨勢(shì)表現(xiàn)為增大—減小—增大。粉粘比的變化趨勢(shì)表明紅色風(fēng)化殼發(fā)育下的環(huán)境條件發(fā)生變化，風(fēng)化殼在不同深度的風(fēng)化程度必然受環(huán)境條件變化的影響，因此會(huì)出現(xiàn)粉粘比波動(dòng)的差異性現(xiàn)象。

紅色風(fēng)化殼發(fā)育條件、氣候環(huán)境與粉粘比有關(guān)，粉粘比越大，七頂山剖面紅色風(fēng)化殼發(fā)育程度越低，氣候環(huán)境越干冷。據(jù)圖2 可知，由此看出，以深度200cm 為分界線(xiàn)，在深度 200cm 以上，20cm～120cm、120cm～200cm粉粘比含量皆出現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，20cm～120cm 變化幅度沒(méi)有120cm～200cm 幅度大；在深度200cm 以下，200cm～400cm 大致出現(xiàn)不斷上升趨勢(shì)。根據(jù)紅色風(fēng)化殼自上而下的不斷發(fā)育變化趨勢(shì)，表面在發(fā)育過(guò)程中整體上是由濕熱氣候逐漸變?yōu)楦衫錃夂蛟俎D(zhuǎn)變?yōu)闈駸釟夂颍詈笾饾u緩慢形成溫暖氣候的過(guò)程。在深度200cm 以下，整體粉粘比不斷增高，而在300cm～320cm 明顯低值出現(xiàn)，砂粒含量明顯增多，可能原因是當(dāng)時(shí)地下水位地質(zhì)構(gòu)造的變化。由于紅色風(fēng)化殼在發(fā)育過(guò)程中的氣候條件發(fā)生變化，紅色風(fēng)化殼在不同深度具有差異性現(xiàn)象符合風(fēng)化殼正常演變的趨勢(shì)。

3.3 七頂山剖面粒度頻率分布

圖4 是該研究地區(qū)剖面樣品的粒度分布頻率曲線(xiàn)圖。據(jù)圖4 可知，紅色風(fēng)化殼的粒度頻率曲線(xiàn)整體上大致呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，且形狀相似。風(fēng)化殼的發(fā)育與其母巖有很大的相關(guān)性，表明所有樣品具有同源性，與母巖也有很大的繼承性。該剖面樣品粒度峰大致小于4Φ，表明整體上剖面紅色風(fēng)化殼發(fā)育程度較弱。剖面上部的眾數(shù)峰大致在2.5Φ，且波峰較高尖銳，相比于剖面中下部眾數(shù)峰1Φ，砂粒含量較少，表明風(fēng)化殼在該處發(fā)育較好，氣候條件較濕潤(rùn)，風(fēng)化程度較強(qiáng)。剖面下部的眾數(shù)峰在1 Φ 處，波峰較尖銳，發(fā)育程度與剖面上部比較，表明在該處的風(fēng)化殼發(fā)育較差，風(fēng)化作用較弱。在粒度頻率分布中，出現(xiàn)小于1Φ 的粗粒峰，風(fēng)化殼與該剖面的母巖可能存在差異性，風(fēng)化殼發(fā)育過(guò)程中的顆粒大小的均勻程度較差。

4 結(jié)論

4.1 從粒度參數(shù)三相圖，粒度參數(shù)來(lái)看，七頂山剖面紅色風(fēng)化殼以砂粒級(jí)粒度含量為主，介于52.77%～74.85%之間，其平均值為62.82%，砂粒含量超過(guò)了50%以上，其次是粉砂級(jí)粒度，粘粒級(jí)粒度所占含量最少。遼南地區(qū)整體上紅色風(fēng)化殼的風(fēng)化程度較低，呈現(xiàn)波動(dòng)變化，但整體而言風(fēng)化殼成熟度不高，風(fēng)化殼顆粒比較粗，發(fā)育程度弱，不利于紅色風(fēng)化殼的形成。

圖4 七頂山剖面粒度頻率曲線(xiàn)圖

4.2 七頂山剖面的粉粘比在2.66～3.50 之間，其平均值為3.18，整體粉粘比較高，遭受的風(fēng)化程度較低，紅色風(fēng)化殼發(fā)育緩慢。該剖面紅色風(fēng)化殼的發(fā)育是從上到下的，與剖面中下部比較，剖面上部的風(fēng)化條件要優(yōu)于剖面中下部，發(fā)育規(guī)律屬于風(fēng)化殼正常演變趨勢(shì)。根據(jù)七頂山剖面粒度頻率曲線(xiàn)，遼南地區(qū)紅色風(fēng)化殼與母巖具有一定的同源性、繼承性。風(fēng)化殼發(fā)育過(guò)程中，出現(xiàn)顆粒大小的均勻程度較差。

4.3 根據(jù)七頂山剖面紅色風(fēng)化殼粒度特征，結(jié)合粉粘比與紅色風(fēng)化殼發(fā)育的氣候環(huán)境的兩者關(guān)系，分析遼南地區(qū)古氣候變化過(guò)程。初步反映出遼南地區(qū)紅色風(fēng)化殼在發(fā)育過(guò)程中整體上大致是由濕熱氣候逐漸變?yōu)楦衫錃夂蛟俎D(zhuǎn)變?yōu)闈駸釟夂?，最后逐漸緩慢形成溫暖氣候的變化過(guò)程，對(duì)研究遼南地區(qū)古氣候變化有一定的指示意義。