遼東半島夷平面發(fā)育特征初步探究*

金書晨 李永化 魏東嵐 李新瑞 劉大齊

1首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院，北京 100048 2遼寧師范大學地理科學學院，遼寧大連 116029

1 概述

基于此，筆者通過大量野外調(diào)查，選取中國北方遼東半島七頂山、拉樹房、濱?；▓@、石槽、城山頭5個紅色風化殼剖面和金石園紅色風化殼采樣點為研究對象，通過分析剖面地球化學特征和粒度特征，研究遼東半島夷平面的發(fā)育特征，從而為認識該區(qū)紅色風化殼與夷平面的關系、夷平面的性質(zhì)和發(fā)育環(huán)境等提供初步依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

遼東半島位于遼寧省南部，是中國三大半島之一，北部寬、南部狹窄(圖 1)，除少數(shù)山峰海拔在1000m以上外，大部分地區(qū)海拔多在500m以下，山勢渾圓，地勢平緩(遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989)。該半島位于新華夏系第二巨型隆起帶上，構造運動長期處于間歇性差異抬升狀態(tài)(符文俠等，1992)，北部抬升幅度大于南部地區(qū)，導致北部海拔高于南部。遼東半島巖溶地貌發(fā)育廣泛，南部地區(qū)以喀斯特侵蝕及侵蝕剝蝕形成的低山區(qū)丘陵為主，中部和北部以受侵蝕剝蝕影響的山區(qū)為主，東南部的黃海沿岸和西部的渤海沿岸則以侵蝕剝蝕丘陵及堆積、侵蝕平原為主。

圖 1 遼東半島紅色風化殼分布Fig.1 Distribution of red weathering crust in Liaodong Peninsula

研究區(qū)所發(fā)現(xiàn)的紅色風化殼出露地點均位于復州—大連凹陷上。該區(qū)是亞洲最古老的地塊之一，以太古界和下元古界地層為基底，自下而上發(fā)育有青口白系和震旦系。如 圖 2 所示，在本次研究的幾個剖面中，大多可見約4m厚的紅色風化殼覆蓋于基巖之上，其中濱?；▓@、七頂山剖面的基巖為震旦系碳酸鹽巖，拉樹房、金石園剖面的基巖為震旦系黏土巖與碳酸鹽巖互層，石槽、城山頭剖面基巖為震旦系石英巖、碳酸鹽巖互層(鄭應順，1987；大連市計劃委員會，1992)。

紅色風化殼上覆地層在遼東半島東西兩岸也有所不同，半島東部紅色風化殼之上多覆蓋有薄層土壤層(圖 2-F)，而西部紅色風化殼之上多覆蓋有厚層黃土(圖 2-A)。其中黃土開始沉積于中更新世早期，具有明顯的坡向性分布特征，主要集中于遼東半島西北部沿岸。這些黃土具有獨特的雙物源沉積過程，一部分為第四紀冰期低海平面時渤海平原出露的海底砂和沖積—洪積物，另一部分為高空西風帶氣流攜帶的亞洲內(nèi)陸干旱、半干旱地區(qū)荒漠粉塵，其到達中國內(nèi)陸黃土沉積東界遼東半島后，受山地阻礙，風力減小，承載能力降低，大部分沉降于半島的西北部山坡上(呂金福和李志民，1990；李培英等，1992)，并使得半島西部紅色風化殼多上覆厚層黃土。

圖 2 遼東半島紅色風化殼樣品采集Fig.2 Sample collection of red weathering crust in Liaodong Peninsula

3 材料與方法

3.1 紅色風化殼分布與樣品采集

紅色風化殼主要出露于遼東半島東西兩岸，西部共發(fā)現(xiàn)紅色風化殼剖面3個，包括七頂山剖面、拉樹房剖面、濱?；▓@剖面，東部有石槽、城山頭2個紅色風化殼剖面和金石園紅色風化殼采樣點。本次研究共采集紅色風化殼樣品57個，基巖樣品4個，具體采樣位置及剖面信息見 圖 1 和圖 2。

七頂山剖面位于大連市金州區(qū)七頂山鄉(xiāng)東部，經(jīng)緯度為 121°41′02″E， 39°16′10″N，海拔約50m(圖 1)。該剖面厚度約為7m，底部可見基巖，紅色風化殼厚度約4m，上覆黃土層厚1.5m左右(圖 2-A)。紅色風化殼呈膠結或半膠結狀態(tài)，無明顯顏色分層，樣品按照20cm等間距連續(xù)采集20個，編號QDS-1～QDS-20。該剖面取基巖樣品1個。

濱?；▓@剖面位于大連市長興島，經(jīng)緯度為 121°27′17″E， 39°37′04″N，海拔約15m(圖 1)。該剖面厚度約為0.9m，底部可見基巖，紅色風化殼厚度約0.75m，上覆土壤層厚0.2m(圖 2-B)。紅色風化殼整體特征與七頂山剖面相似，未見明顯顏色分層。樣品按照25cm等間距采集2個，編號BHHY-1和BHHY-2，并取基巖樣品1個。

拉樹房剖面位于大連市甘井子區(qū)拉樹房村，經(jīng)緯度為 121°36′32″E， 39°03′50″N，海拔約40m(圖 1)。該剖面厚度約為4.1m，底部可見基巖，紅色風化殼厚度約3.3m，上覆坡積層厚0.8m(圖 2-C)。紅色風化殼呈膠結或半膠結狀態(tài)，無明顯顏色分層，按照20cm等間距連續(xù)采集14個樣品，編號LSF-1～LSF-14。取基巖樣品1個。

城山頭剖面位于大連市開發(fā)區(qū)大李家濱海海蝕崖上部，經(jīng)緯度為 122°04′41″E， 39°10′55″N(圖 1)。該剖面紅色風化殼厚度約為2.2m，未見明顯分層，底部距高潮面約1.5m，下伏基巖為灰?guī)r(圖 2-D)。共采集紅色風化殼樣品4個，編號CST-1～CST-4。

金石園風化殼樣本取自大連市開發(fā)區(qū)金石園景區(qū)，經(jīng)緯度為 122°01′08″E， 39°05′07″N，海拔約20m(圖 1)。原本基巖上覆蓋的紅色風化殼已被人為剝?nèi)?，僅在基巖內(nèi)部空隙處取紅色風化殼樣品4個，編號JSY-1～JSY-4(圖 2-E)。

石槽剖面位于大連市金州區(qū)石槽村西側(cè)，經(jīng)緯度為 122°02′53″E， 39°07′48″N，海拔約20m(圖 1)。該剖面厚度約4.5m，底部可見基巖，紅色風化殼的厚度約為4m，上覆土壤層厚0.2m(圖 2-F)。紅色風化殼呈膠結或半膠結狀態(tài)，未見明顯分層，按照25cm等間距連續(xù)采集13個樣品，編號SC-1～SC-13，并取基巖樣品1個。

3.2 實驗方法

粒度分析和化學元素分析在遼寧師范大學實驗中心進行。粒度分析采用美國庫爾特有限責任公司生產(chǎn)的貝克曼LS13-320型激光衍射粒度測試儀，測試范圍為0.02～2000μm，測試樣品的重復測試誤差小于3%。常量元素分析采用日本理學公司生產(chǎn)的ZSX PrinmusⅡ型X射線熒光光譜儀完成，誤差為1%～2%。

粒度分析樣品前處理過程如下： (1)樣品自然風干后通過2mm孔徑的篩子，稱取0.25g過篩后的風化殼樣品放入100mL燒杯中，加入濃度為30%的H2O2，待樣品反應完全后，放在電熱板上加熱去除剩余H2O2；(2)加入體積比為1：3的HCl，液體體積為10mL，待樣品反應完全后，在電熱板上加熱去除剩余HCl；(3)加入100mL蒸餾水，靜置24 h，抽取燒杯上層的懸濁液，反復幾次，直至溶液接近中性為止；(4)加入0.02mol/L的六偏磷酸鈉10mL作為分散劑，然后倒入60mL蒸餾水，加熱沸騰5min，冷卻后，用粒度測試儀震蕩1min后測試。

化學元素分析樣品前處理過程如下： (1)樣品自然風干后通過2mm孔徑的篩子，放入已編號的燒杯中；(2)將過篩后的樣品放入溫度設置為100℃的烘箱中烘干，之后放入SM-1型研磨機中研磨約30is；(3)將研磨后的樣品均勻放入聚乙烯環(huán)中，用BP-1型壓樣機壓制成型；(4)將壓制好的樣品按照編號依次放入儀器中，進行化學元素測量。

4 測試結果與分析

4.1 地球化學特征

4.1.1 常量元素分布特征

從表1可以看出，遼東半島紅色風化殼主要化學成分均為SiO2、Al2O3、Fe2O3，三者之和占80%以上。各紅色風化殼剖面自基巖至風化前鋒處均表現(xiàn)為SiO2含量先驟然增加，至剖面上部逐漸減少，而Al2O3和Fe2O3含量逐漸增加，呈現(xiàn)出脫硅富鋁鐵化的趨勢，推測SiO2在剖面頂部的減少與風化過程中產(chǎn)生H4SiO4淋失及剖面氧化硅的淋溶有關(Martini and Chesworth，1992)。與基巖相比，作為碳酸鹽巖主要成分的CaO在拉樹房、石槽、七頂山、濱海花園紅色風化殼中均表現(xiàn)為重度虧損，這符合碳酸鹽巖風化殼發(fā)育過程中CaO大量流失的特征(王世杰等，2002)。K2O和Na2O自基巖至風化前鋒處呈現(xiàn)富集狀態(tài)，說明遼東半島紅色風化殼風化前鋒處淋溶作用較弱。MgO除在七頂山剖面呈現(xiàn)虧損狀態(tài)外，其他剖面均為富集狀態(tài)?？梢钥闯觯Ａ吭刈曰鶐r至半風化帶均出現(xiàn)顯著突變，這主要與方解石在風化過程中的快速淋失有關，且這一現(xiàn)象普遍存在于碳酸鹽巖風化殼剖面中，與結晶巖類風化殼(王世杰等，2002)有明顯區(qū)別。

4.1.2 地球化學指標變化特征

從 表 1 可以看出，七頂山剖面CIA介于83.19～86.89之間，平均值為85.38；拉樹房剖面CIA介于75.50～88.31之間，平均值為84.13；石槽剖面CIA介于77.33～87.43之間，平均值為82.47；城山頭剖面CIA介于67.18～82.11之間，平均值為72.00；濱?；▓@剖面CIA介于70.70～72.81之間，平均值為71.75；金石園采樣點CIA介于80.22～82.57之間，平均值為81.22。不同范圍的CIA值所表示的氣候環(huán)境意義不同：當CIA介于65～85之間時，表明氣候溫暖、濕潤，風化作用為中等化學風化；當CIA介于85～100之間時，風化作用為高度化學風化，氣候條件近似亞熱帶地區(qū)(魏東嵐等，2018)。研究區(qū)內(nèi)各剖面CIA值基本接近，介于71.75～85.38之間，表明遼東半島紅色風化殼形成于溫暖、濕潤的氣候條件下(曹家欣等，1994；熊志方和龔一鳴，2006；魏東嵐等，2018)。而在拉樹房剖面距頂部1m處CIA顯著降低，可能與該剖面遭受剝蝕或發(fā)育過程中的氣候波動有關?？傮w來看，CIA在各剖面均表現(xiàn)為自基巖向上逐漸增大趨勢，符合紅色風化殼自下而上發(fā)育程度逐漸增強的特點。

同樣，S/A、S/F、S/R也是評估化學風化程度的重要參數(shù)，可用來說明紅色風化殼脫硅富鋁鐵化的程度，其值越小表明脫硅富鋁鐵程度越高。研究區(qū)各剖面S/A、S/F、S/R均表現(xiàn)為自下而上逐漸減小的趨勢，說明脫硅富鋁鐵化程度自下而上逐漸增強，呈正向風化序列。

總之，各地球化學指標表明遼東半島紅色風化殼是下伏基巖原地風化的產(chǎn)物，形成于溫暖、濕潤的氣候條件下，具有正向風化序列。

4.2 粒度特征

研究區(qū)紅色風化殼粒度特征見表 1。筆者采用的粒級分類標準為： 黏粒(0～2μm)、粉砂(2～63μm)、砂粒(63～2000μm)。其中，七頂山剖面黏粒含量介于6.88%～10.54%之間，平均值為8.83%；粉砂含量介于18.27%～36.88%之間，平均值為28.35%；粉黏比介于2.66～3.72之間，平均值為3.18。拉樹房剖面黏粒含量介于2.20%～3.90%之間，平均值為2.97%；粉砂含量介于43.10%～75.20%之間，平均值為59.40%；粉黏比介于15.50～29.77之間，平均值為20.31。石槽剖面黏粒含量介于5.79%～20.71%之間，平均值為13.26%；粉砂含量介于37.55%～76.79%之間，平均值為58.28%；粉黏比介于2.93～6.67之間，平均值為4.83。黏粒被認為是風化殼經(jīng)強烈物理、化學風化作用后形成的新生礦物，其含量高低可以在一定程度上反映風化殼的風化強度大小(Duclouxetal.， 2002)。由于粉砂一般為未遭徹底風化的原生礦物，黏粒主要為風化作用產(chǎn)生的新生礦物，因此通常用粉黏比表征風化程度，粉黏比越小表明風化殼風化程度越高(李德文等，2002)。崔之久等(2001a)的研究表明，中國湘桂黔滇藏紅色巖溶風化殼黏粒含量非常高，部分可達90%以上，而研究區(qū)紅色風化殼黏粒含量平均值介于2.97%～13.26%之間，粉黏比平均值介于3.18～20.31之間，黏粒含量明顯低于南方巖溶區(qū)紅色風化殼，而粉黏比明顯高于南方巖溶紅色風化殼。因此，粒度特征表明研究區(qū)紅色風化殼風化強度低于南方巖溶區(qū)。

5 討論

5.1 紅色風化殼與夷平面

韋啟蹯等(1983)研究表明，形成1m厚的風化殼需要600多米厚的碳酸鹽巖。筆者將利用拉樹房剖面基巖制備的酸不溶物質(zhì)量與基巖質(zhì)量進行比較，發(fā)現(xiàn)基巖減少比率達到91.4%，即100g基巖最終只有8.6g能夠形成風化殼，表明研究區(qū)紅色風化殼的形成同樣需要溶解巨厚基巖。而這種母巖物質(zhì)大量流失的風化過程，必然伴隨長時間的夷平作用和巖溶作用，最終使地貌向準平原方向發(fā)展，地勢逐漸平緩，形成夷平面。

南方巖溶山區(qū)普遍存在嚴重的失土現(xiàn)象，即使在茂密的原始森林中也不可能發(fā)育厚層連續(xù)的風化殼(李德文等，1999)，而遼東半島七頂山、拉樹房、石槽剖面紅色風化殼厚度多在4m左右，表明其形成于地表起伏不大、垂向巖溶作用較弱的條件下，這樣的發(fā)育條件只能存在于接近侵蝕基準面的夷平面上。

5.2 夷平面的性質(zhì)及發(fā)育階段

遼東半島紅色風化殼為新近紀時形成(蔣偉等，2018)，CIA平均值為82.70、ba平均值為0.39、S/A平均值為4.86、黏粒平均值為8.31%，與南方巖溶區(qū)紅色風化殼地球化學特征及粒度特征(王世杰等，1999；崔之久等，2001a)相比呈現(xiàn)出明顯的鹽基淋溶率低、富鋁化程度低、黏化作用弱的特點。這可能與南北方氣候條件差異有關，因為遼東半島地處北緯39°，與南方相比緯度偏高，造成兩者現(xiàn)代氣候條件相差較大，其中南方為亞熱帶季風氣候，遼東半島為海洋性暖溫帶季風氣候。按照將今論古的研究思想，并與遼東半島紅色風化殼同期發(fā)育的湘桂黔滇藏紅色巖溶風化殼地球化學特征、粒度特征(崔之久等，2001a；李德文等，2002)進行對比，認為遼東半島新近紀水熱條件較南方偏差，導致其風化殼的鹽基淋溶率低、黏化作用弱。而黏化作用與富鋁化作用在土壤發(fā)育過程中通常是同步進行的(崔之久等，2001a)，因此其與形究區(qū)風化殼呈現(xiàn)出富鋁化程度低的特點相吻合。

圖 3 紅色風化殼發(fā)育階段示意圖Fig.3 Schematic diagram of development stage of red weathering crust

李德文等(2002)對南方巖溶區(qū)紅色風化殼發(fā)育模式的研究表明，巖溶區(qū)紅色風化殼的發(fā)育為二階段模式： 夷平—成殼期(灰土化過程)和切割—紅化期(紅土化過程)。本區(qū)紅色風化殼為古風化殼的殘留，尚未發(fā)現(xiàn)灰色風化殼(圖 3-A)，這一方面說明灰色風化殼已全部抬升至現(xiàn)今侵蝕基準面之上且不再具備風化殼發(fā)育的條件，另一方面說明本區(qū)風化殼早已進入紅土化階段，在這一階段由于風化殼逐漸遠離侵蝕基準面，導致淋溶作用逐漸增強，這與地球化學特征所反映的正向風化序列相吻合。

南方地區(qū)因緯度較低，氣候濕熱，紅色風化殼仍能繼續(xù)形成，主體仍為灰色風化殼(圖3-B)。而研究區(qū)灰色風化殼早已抬升至侵蝕基準面之上進入紅土化階段，且不再有灰色風化殼發(fā)育，表明其夷平面屬古夷平面。

綜上所述，遼東半島因緯度偏高，較南方地區(qū)偏冷，使得本區(qū)紅色風化殼具有與南方紅色風化殼不同的發(fā)育特點，呈現(xiàn)出鹽基淋溶率低、富鋁化程度低、黏化作用弱的特點。研究區(qū)內(nèi)灰色風化殼已全部抬升至現(xiàn)今侵蝕基準面之上進入到紅土化階段，其夷平面屬古夷平面。

5.3 夷平面的結構與演化過程

李德文等(2000)、崔之久等(2001b)將南方地區(qū)巖溶地貌演化最終階段所形成的以厚層風化殼為特征的夷平面稱為巖溶(雙層)夷平面。根據(jù)覆蓋型巖溶進行分類，遼東半島東西兩側(cè)紅色風化殼覆蓋型巖溶均屬未裸露型(圖 2)。西部紅色風化殼上部沖刷面并未直接暴露于大氣下，而是被黃土所覆蓋，形成覆蓋型巖溶—紅色風化殼—黃土的結構，但黃土并非夷平面的組成部分，故不能將其當作夷平面結構，因此遼東半島西部夷平面結構也由兩部分組成，上部是埋藏于黃土下的風化殼，下部是覆蓋型巖溶。研究區(qū)東部夷平面具有與南方夷平面相同的結構。

圖 4 遼東半島夷平面演化過程Fig.4 Evolution of planation surface in Liaodong Peninsula

結合前人對南方巖溶區(qū)夷平面的研究成果(李德文等，1999，2000；崔之久等，2001a，2001b)及野外詳細觀察，認為遼東半島古夷平面發(fā)育主要經(jīng)歷4個階段的變化(圖 4)。第1階段，巖溶作用在古侵蝕基準面之上的整個巖體內(nèi)進行，巖體出現(xiàn)破裂，垂向巖溶作用加強，地貌起伏逐漸增大；第2階段，地貌起伏達到最大，這一階段巖溶作用開始在古侵蝕基準面之下的巖體內(nèi)進行，覆蓋型巖溶、灰色風化殼開始發(fā)育；第3階段，巖溶雙層夷平面基本形成，進入巖溶地貌發(fā)育的晚期，地面接近古侵蝕基準面，僅留下部分塔峰，在新構造運動的作用下部分灰色風化殼抬升至侵蝕基準之上，垂向淋溶作用增強，進入紅土化階段，形成與南方夷平面相同的剖面結構；第4階段，研究區(qū)第四紀氣候轉(zhuǎn)冷，巖溶作用減弱，灰色風化殼的發(fā)育近乎停止，而新構造運動一直呈現(xiàn)緩慢抬升狀態(tài)，原本位于古侵蝕基準面之下的灰色風化殼全部抬升于現(xiàn)代侵蝕基準面之上形成紅色風化殼。

5.4 對新構造運動、海平面變化的指示意義

厚層紅色風化殼主要發(fā)育于濕熱氣候條件下排水良好、構造緩慢抬升的地段，因為當構造強烈隆升時，風化殼易被剝蝕，難以保留(馮志剛和王世杰，2003)。研究區(qū)目前所發(fā)現(xiàn)的七頂山、拉樹房、石槽剖面紅色風化殼厚度多在4m左右，且未發(fā)現(xiàn)處于還原狀態(tài)的灰色風化殼，表明遼東半島新近紀的構造抬升速率和風化前鋒的位移速率相近，處于緩慢抬升狀態(tài)。

野外實地觀測發(fā)現(xiàn)，城山頭紅色風化殼剖面位于距高潮位1.5m的位置，殘積物性質(zhì)比較松散且抗侵蝕能力弱，新近紀形成的紅色風化殼能夠保存至今，表明其未曾經(jīng)歷過強烈的海蝕作用，據(jù)此可以將其作為判斷新近紀時海平面未曾超過現(xiàn)今海平面1.5m的標志(蔣偉等，2018)。

6 結論

1)根據(jù)遼東半島紅色風化殼主量元素、地球化學指標和粒度特征，認為該風化殼是下伏基巖原地風化的產(chǎn)物，具有正向風化序列，形成于溫暖、濕潤的氣候條件下，化學風化處于中等風化水平。與南方巖溶區(qū)紅色風化殼相比，其具有鹽基淋溶率低、富鋁化程度低、黏化作用弱的特點，發(fā)育強度弱于南方巖溶區(qū)紅色風化殼。

2)遼東半島紅色風化殼的發(fā)育主要經(jīng)歷了4個階段的變化： (1)巖溶作用在古侵蝕基準面之上的整個巖體內(nèi)進行，地貌起伏逐漸增大；(2)地貌起伏達到最大，覆蓋型巖溶、灰色風化殼開始發(fā)育；(3)巖溶雙層夷平面基本形成；(4)灰色風化殼的發(fā)育近乎停止，原本位于古侵蝕基準面之下的灰色風化殼在構造運動作用下全部抬升于現(xiàn)代侵蝕基準面之上形成紅色風化殼。

3)遼東半島夷平面屬古夷平面，發(fā)育階段為紅土化階段。半島西部夷平面由兩部分組成，上部是埋藏于黃土之下的風化殼，下部是覆蓋型巖溶，而半島東部夷平面具有與南方夷平面相同的結構。對該區(qū)夷平面的研究，有助于了解遼東半島新近紀以來的新構造運動及海平面變化。