（地质工程专业论文）岩溶裂隙土的剖面特征及演化规律研究.pdf

论文题目：岩溶裂隙土的剖面特征及演化规律研究 专业：地质工程 硕士生：李海霞 ( 签名) 变绰霆 指导教师：赵晓光 ( 签名毖乏兰叠：垦 石辉( 签名) 摘要 岩溶区土壤资源的特征是：成土速率慢，土层薄，土壤贫瘠；土被不连续，多 被石芽所间隔；水土资源分离：坡地多、平地少。这种特征致使岩溶地区的生态环 境十分脆弱。岩溶裂隙土壤是当地农业生产的基础，也是生态环境的重要组成部分，直 接针对这种溶裂隙土壤的研究甚少。通过重庆北碚区鸡公山灰岩岩溶裂隙土壤剖面3 个， 四川华蓥山白云岩岩溶裂隙土壤剖面3 个，土壤样品5 2 个，基岩样品6 个，研究了岩溶裂 隙土壤的剖面特征和演化规律。 利用m a s t e rs i z e r 2 0 0 0 激光粒度仪对所采样品进行粒径分析，分析了土壤粘粒组、细 粉粒组、粗粉粒组、中值粒径和平均粒径沿剖面的变化情况。通过分析得出剖面特征为： 发育浅薄的白云岩剖面粘粒组和细粉粒组随剖面加深而逐渐减少：发育程度相对较深的 灰岩剖面，粘粒含量随剖面加深而增大，在某一位置达到最大值( j g a 为1 8 4 c m ， j g b 为2 8 5 c m ) ，随之粘粒含量又随剖面而减小。鸡公剖面和华蓥剖面，剖面粒度以5 5 0l am 的粗粉粒级为主体，含量分别是3 8 6 8 - 4 8 0 9 和5 3 1 2 5 9 9 9 。中值粒径和平均粒 径具有相似的变化曲线，随剖面加深，粒径整体增大。 通过矿物学分析结合化学分析，研究了粘土矿物含量、p h 值c a c 0 3 含量在剖面的变 化规律，即剖面从下向上，表征发育高级阶段的粘土矿物含量增高，如蒙脱石和伊利石。 其他粘土矿物也是从无到有：p h 值c a c 0 3 含量随剖面向上呈减小趋势。 研究认为岩溶裂隙土主要来自母岩酸不溶物质的积累，但在碳酸盐岩差异性溶蚀作 用下( 构造裂隙及水对岩石选择溶蚀的共同作用) ，不溶物质经历了向裂隙和低洼部位 退缩的过程，形成了土壤资源斑块状景观。 关键词：岩溶；裂隙土；粒度分析；西南地区 研究类型：理论研究型 t i t l e ：p r e l i m i n a r ys t u d y o fs o i lp r o f i l ef e a t u r e si nk a r s tf r a c t u r ea n di t s e v o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c m a j o r ：g e o l o g ye n g i n e e r i n g g r a d u a t e ds t u d e n t ：l ih a i x i a a d v i s o r ：z h a ox i a o g u a n g s h ih u i ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r so fk a r s t ss o i la r ef o u r ：( 1 ) s o i ll a y e ri st h i na n dt h es o i li sb a r r e n ；( 2 ) t h e s o i li sn o tc o n t i n u o u s l yd i s t r i b u t i o na n ds e p a r a t e db yt h es t o n e t e e t h ；( 3 ) w a t e ra n ds o i l r e s o u r c e sa r es e p a r a t e d ；( 4 ) s l o p p i n gf i e l di sm o r e ，t h ef l a ti sf e w t h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t i se x t r e m e l yf l a i li nk a r s t sa r e a t h es o i li nk a r s t si st h eb a s eo ft h el o c a la g r i c u l t u r e i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，6p r o f i l e sa r ec h o s e na st h eo b j e c to fs t u d y t h r e eo ft h e ma r et h ew e a t h e r i n g p r o f i l e so fl i m e s t o n ei nb e i b e ir e g i o n ，c h o n g q i n g a n o t h e rt h r e ea r et h ew e a t h e r i n gp r o f i l eo f d o l o m i t ei nh u a y i n gr e g i o n ，s i c h u a n s o i l sw e r ec o l l e c t e d5 2s a m p l e sa n d6s a m p l e so f b e 出o c k i nt h i s p a p e r ，t h ev a r i a t i o no ft h ec l a yf r a c t i o n ，t h ec o a r s es i l tf r a c t i o n ，t h ef i n es i l t f r a c t i o n ，t h es a n df r a c t i o n ，m e d i a ns i z ea n da v e r a g es i z ea l o n gt h es e c t i o nw e r ea n a l y z e d t h e c o n t e n t so fc l a yf r a c t i o na n df i n es i l tf r a c t i o nd e c r e a s e da l o n gt h ed o l o m i t ep r o f i l ew h i c h d e v e l o p e dp o o r l y f o rt h eb e t t e rd e v e l o p e dl i m e s t o n ep r o f i l e ，t h ec l a yc o n t e n ti n c r e a s e da l o n g t h ep r o f i l eu pt ot h em o s tv a l u ea to n el o c a t i o n ；t h e ni td e c r e a s e da l o n gt h ep r o f i l e f o rt h e j g a p r o f i l e ，t h el o c a t i o nw a s18 4 c m ，a n dt h e1 0 c a t i o nw a s2 8 5 c mf o rj g b t h ec o a r s es il t s w h i c hi s5 5 0l amw e r em a i nc o m p o s i t i o nf o ra l lj ga n dh yp r o f i l e ，t h e yw e r e 3 8 6 8 4 8 0 9 a n d5 3 1 2 5 9 9 9 ，r e s p e c t i v e l y t h em e a ns i z ei n c r e a s e da l o n gt h e p r o f i l ew i t hs i m i l a rt e n d e n c yt om e d i a ns i z e t h a tt h ec l a ys i z e so fs o i lw e r el e a c h e db y r a i n f a l lw a sa k e yr e a s o nt ot h a td i s t r i b u t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ec o n t e n to ft h ec l a ym i n e r a l ，t h ep h ，a n dt h ec a l c i u mc a r b o n a t ew e r e d e a l t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec l a ym i n e r a lr o s eu pw i t ht h ei n c r e a s i n go fd e p t h ，s u c ha s m o n t m o r i l l o n i t ea n di l l i t e o t h e rm i n e r a lg r a d u a l l ya p p e a r t h ec o n t e n t so ft h e p ha n d c a l c i u mc a r b o n a t eh a v et h ed e c r e a s i n gt r e n d t h i ss t u d ys h o w st h a tg r a i ns i z ec u r v e so ft h ea c i d i ci n s o l u b l em a t e r i a lf r o mp a r e n tr o c k a n do v e r l y i n gw e a t h e r i n gs o i la r ec o n s i s t e n tw i t l le a c ho t h e ra n da r eo fg r a d u a l l yc h a n g i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hi n d i c a t et h a tt h ew e a t h e r i n gs o i li n h e r i t sa n dc o m e sf r o mb e d r o c k t h e r e m a r k a b l ev o l u m ed e c r e m e n tw i l lh a p p e nd u r i n gt h ep e d o g e n e s i sp r o c e s s e si nv i r t u eo ft h e l o wc o n t e n to fi n s o l u b l er e s i d u e so fc a r b o n a t er o c k s ，s oi ti san o n - i s o m e t r i cw e a t h e r i n g p r o c e s s d u r i n gt h ep r o c e s ss o i lp a r t i c l e sc a l lb et r a n s p o r t e di n t ot h eu n d e r g r o u n ds p a c e s s o t h es o i lc a nd i s a p p e a rf r o mt h el a n ds u r f a c eb yd r o p p i n gi n t og a p sa n d o rc a v e sw i t h o u t l o n g d i s t a n c et r a n s p o r t s e q u e n t i a l l y ，s o i ll o s s w i l lo c c u rb y s h o r t d i s t a n c ed i s p l a c e m e n t w i t h o u th u m a n a c t i v i t y ，a n ds o i lw i l lb e c o m em o r eu n e v e ni nd i s t r i b u t i o no nt h el a n ds u r f a c e i nt h i sw a y ，s o m ep l a c e sb e c o m em o r ea n dm o r eb a r r e n ，a n do t h e rp l a c e sc a nr e c e i v em u c h m o r es o i lm a t e r i a la n ds o i l l a y e r sb e c o m et h i c k e ra n dt h i c k e r a tl a s t ，t h es o i l si nk a r s t s e c o s y s t e mf o r mi n t os o i lr e s o u r c ep a t c h e s k e yw o r d s ：k a r s t s f i s s u r es o i l g r a n u l a r m e t r i ca n a l y s i s s o u t h w e s ta r e a s t h e s i s ：t h e o r yr e s e a r c h 西妻错技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：多屿霭日期：, ? 0 0 6 铲- 2 乡 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：参呜襞 指导教师签名： 年月日 1 绪论 1 绪论 1 1 岩溶风化壳与岩溶系统中的土壤 岩溶区脆弱的生态环境与地表少土关系密切，这些地区土层厚度薄，土被不连续， 一经流失就会出现石漠化景观【l 】。 岩溶风化壳指在地球内外动力作用下，可溶岩经过物理作用、化学作用、生物作用， 碳酸盐岩被溶蚀后，残留的富s i 、a l 、f e 的粘土类矿物组合体。 碳酸盐岩风化成土作为一种重要的成土机制是客观存在的，因此有学者认为岩溶系 统中的土壤即碳酸盐岩风化壳全风化层，两者并没有太大悬殊【2 。】。而碳酸盐岩上覆土 类物质的来源与地貌演化阶段、地貌部位、岩层组合、生物发育等密切相关，可以是残 积型，或坡积型，或冲积型等异地堆积。因此，用一种模式来归纳碳酸盐岩上覆土层的 成因是欠客观、欠科学的，不能把碳酸盐岩成土的客观性与碳酸盐岩上覆土类物质成因 的多样性混为一谈【引。 1 2 选题依据及研究意义 第一：岩溶生态系统土壤是岩溶地区岩石、大气、水、生物等四大圈层的敏感交汇 地带，又是生态系统赖以存在的基础。岩溶区土壤资源的特征是：成土速率慢，土层 薄，土壤贫瘠；土被不连续，多被石芽所间隔；水土资源分离；坡地多、平地少。 环境的脆弱性己经成为制约当地经济发展的瓶颈，深入研究和揭示这些裂隙土壤的物质 来源也为西部大开发中，因地制宜振兴当地经济发展的战略决策提供重要的理论依据。 地球表面可溶岩的分布面积约占1 2 ，即约2 2 0 0 万k m 2 ，岩溶区不仅面积辽阔，这些 碳酸盐岩地区主要分布在东南亚、地中海沿岸和北美洲东南部和中国西南等地区。我国 西南部分布着广阔的亚热带潮湿区岩溶，以贵州为中心，包括滇东、川南、桂西、湘西、 鄂西，总面积达3 4 4 3 万k m 2 ，是世界上连片分布面积最大的岩溶区【7 j 。占国土面积的 3 5 9 3 。其中裸露岩溶石山区约9 0 7 万k m 2 ，浅覆盖岩溶区约1 1 5 3 万k m 2 ，埋藏岩溶 面积1 3 8 3 万k m 2 。岩溶县贵州有7 5 个，云南6 0 个，广西4 4 个，四川3 5 个，湘西1 1 个，鄂西8 个。脆弱的岩溶生境是当今国际地学研究热点，继“地质、气候，水文与岩 溶形成”和“岩溶作用与碳循环”之后，我国学者袁道先院士等又提出并实施“全球岩 溶生态对比”( 袁道先，2 0 0 0 ) ，其核心问题是阐明岩溶生态系统的运行规律，促进西南 西安科技大学硕士学位论文 岩溶脆弱生态治理及我国西部大开发的可持续发展。这些岩溶地区人口密集、资源丰富， 但地质环境和生态环境相当特殊，生态环境十分脆弱。岩溶环境的脆弱性表现在以下几 个方面 8 】： ( 1 ) 土壤的脆弱性岩溶区的基本物质构成是可溶岩，包括各种碳酸盐类，在喀斯 特作用过程中易淋溶流失，风化溶滤残留来的酸性不容物质通常低于1 0 ，这种特殊的 物质基础使的岩溶区土壤的形成十分缓慢。据在广西的研究，石灰岩地区形成l m 厚的 土壤需要2 5 8 5 m a 的时间。因此，岩溶区的土层很薄，而且存在明显的软硬界面，使 的土层与基岩之间的附着力很差，一遇暴雨则极易产生水土流失和块体滑移；其次，在 湿热的气候条件下，强烈的化学淋溶作用，是风化物中粘粒发生垂直下移，形成上松下 粘，造成一个不同物理性质的界面，也容易产生水土流失；另外，土壤与母岩界面是一 化学浸蚀面，当降雨渗透到岩石表面时，极易造成水土流失。大量的水土流失使土层变 薄，基岩裸露，同时土壤中的营养元素丧失殆尽，造成土地石漠化。 ( 2 ) 旱涝灾害频繁岩溶区可溶岩在长期的岩溶作用下，形成地表、地下双层空间 结构。地表、地下双层空间结构的存在使得岩溶峰丛地区往往缺乏系统的地表水文网， 而发育着地下水文网及较大的地下空间和水域，降水、地表径流则通过地下水文网而排 泄。这一特征一方面决定了岩溶地区地表水与地下水的关系十分密切、转化迅速，地下 水动态变化较大；另一方面也给岩溶区带来了旱涝叠加的特殊脆弱环境。在旱季，地下 排水网承担了江水与地表径流的排泄功能，使本来不多的地表水转入地下而难以利用； 雨季，随着降水量的增大，地下水文网不但不能承担排泄地表水的功能，而且一些落水 洞等成为汇水区的排泄口，造成大量洼地的洪涝灾害。 ( 3 ) 生物缺乏多样性由于岩溶区土壤的形成是在富钙的环境下进行的，土壤的成 分常常表现出营养元素的相对缺乏，形成一种富钙、偏碱性的石灰性土类。只有那些在 生理表现出喜钙性、耐旱性和石生性的植物种群和根茎能适应攀附岩石，在裂缝中求得 生存吸取营养的种属才能在土层薄、含钙质高、易旱的石灰土上生长发育，而且这些植 被生长十分缓慢，绝对生长量低，适生树种少、群落结构简单，因而生物多样性受限制； 再不适当的人类活动影响下，岩溶区的生物群落和小环境遭到破坏。导致生物多样性的 丢失。 ( 4 ) 水资源的脆弱性由于岩溶区特殊的地质环境形成地表、地下双层结构，地表 水与地下水的快速转化；同时，岩溶区由于很薄或没有土壤和覆盖层的存在，对地表水 的过滤作用、净化作用相当弱，而渗透却相当快速，岩溶区地下水主要以紊流和管流为 主，也限制了本身的净化能力，较高的流速对微生物生存十分有利，以及大量相互接连 的裂隙使污染物十分容易进入地下水系统。一方面是地表缺水，而地下水又深埋，造成 岩溶地区水资源的缺乏。 人类不合理的土地利用加剧了岩溶水的脆弱性，造成岩溶地下水的污染。如岩溶区 2 1 绪论 森林采伐导致地下水中c a 2 + 、c l 。离子和硝酸盐的浓度明显升高，随着森林中营养物质的 释放，导致地下水中营养物质增多造成地下水质污染；农业用地的扩张以及集约农业的 发展，导致岩溶地下水的矿化度增加，引起岩溶地下水的盐化和碱化，化肥和杀虫剂的 使用引起地下水中硝酸盐、硫酸盐浓度升高。造成岩溶地下水质恶化；工业化和城市化 产生的“三废”，引起岩溶地下水酸化以及地下中氮、磷酸盐、氯化物、硫酸盐、重金 属、有机溶剂、大肠菌等污染增加，造成对地下水的污染。 由于岩溶生态环境的特殊性，土地资源也表现出独特的特征，主要表现在以下方面： ( 1 ) 成土速率慢，土层薄，土壤贫瘠由于岩溶区形成土壤的基本物质是可溶岩， 在喀斯特作用过程中以淋溶流失，风化溶滤残留来的酸性不溶物质通常低于1 0 ，这种 特殊的物质基础使的岩溶区土壤的形成十分缓慢，造成岩溶区土层较薄，在峰丛地区土 层厚度仅仅几十厘米，只有在洼地内可达几米；同时，岩溶区土壤的形成和熟化是在富 钙的环境下进行的，营养元素相对缺乏，形成一种富钙、偏碱性的石灰性土壤。因此， 土壤贫瘠。 ( 2 ) 土被的不连续性岩溶区可溶岩差异溶蚀作用( 构造裂隙及水对岩石选择溶 蚀的共同作用) 以及岩溶地貌影响下，风化土层不易保存，使岩溶区土壤分布不均匀， 造成裸岩和土被不连续的自然特性。特别是在裸露型岩溶环境中。基岩裸露，只是在岩 溶裂隙和溶蚀低洼处有少量土壤分布。 ( 3 ) 水土资源分离的格局由于可溶性碳酸盐造壤能力很低，新生代大幅度抬升 以及岩溶作用造成的地表、地下双层结构，形成“土在楼上，水在楼下”的基本水土资 源分离的格局。 ( 4 ) 坡地多、平地少岩溶地区受新生代大幅度抬升的影响，山多坡陡、盆地平 坝较少是大多数岩溶地区的地貌特征。这使得岩溶地区土地资源中，坡地多，而平地少。 在我国南方岩溶区，坡地面积大，同时土层从峰顶到洼地呈增加趋势，一般峰顶部裸露 少土，土壤多积于溶蚀沟槽之中，峰坡土层厚度增加，但连续性差，多被石牙所间隔， 如图1 1 所示。洼地、谷地中土层较后，但面积较小。 第三：目前各位前辈的研究区域主要在贵州，如欧阳自远、王世杰、季宏兵、孙承 兴、冯志刚、刘秀明、梁风等近几年的研究。而作为西南岩溶的重要组成部分川、渝岩 溶区却鲜有研究，基于此，本研究将研究区域选在了以上两点，使西南岩溶区的研究在 地域上完整化，以便给以后的研究工作提供一点帮助。 岩溶区上覆土类物质的成因显得十分紧迫和重要。本文就是在这样的背景下，选择 了西南岩溶区两类典型剖面，一类是发育于基岩为灰岩上的岩溶裂隙土，一类是发育于 基岩为白云岩上的岩溶裂隙土。尝试利用粒度分析这一反映沉积岩( 物) 的结构组成的 研究手段，系统地探讨不同基岩上覆风化壳的粒度分布特征。 西安科技大学硕士学位论文 1 3 研究现状 a 图1 1 岩溶区土壤分布特征 1 3 1 岩溶风化壳成因的研究现状 b 在碳酸盐岩地区，由于岩溶作用发育，形成了复杂的地貌景观，正负地形分异强烈， 从分水岭到深地峡谷，呈现出峰林盆地峰林谷地峰林洼地峰丛峡谷的逐类 区带分布。风化壳剖面厚度变异大，并且分布不连续，在岩溶盆地或洼地分布最厚，一 般大于l o m ，在地形和缓的岩溶台地和丘陵垄岗的缓坡地带，一般为几十厘米至几米不 等，而在峰丛和陡坡部位，风化壳甚至缺失，基岩裸露，呈现出“石山荒漠化”的景观。 其中由于碳酸盐岩易溶蚀、酸不溶物含量极低( 一般 5 ) 、成土慢，同时在风化过程中 伴随着着巨大的体积缩小变化，原岩结构和半风化带无法保留，岩一土界面呈突变接触， 缺乏过渡层，从而丧失了探索上覆土层物质来源的重要中问环节，因此对于这些地区风 化壳的物质来源，长期以来在学术界一直存在着争议。另外，对于中国西南岩溶区而言， 由于分布面积广，其上覆的红色风化壳成为该地区重要的土类资源。这些年，由于在岩 溶山区出现的水土流失和石漠化( 王世杰，2 0 0 2 ；李瑞玲等，2 0 0 3 ) 、工程地质问题( 文江 泉和王贵清，1 9 9 5 ；廖义玲等，2 0 0 0 ) 、滑坡和泥石流等地质灾害( 符必昌等，1 9 9 8 ) 以及 想借助于红色风化壳剖面记录的环境信息来进行古环境的重建( 朱立军，1 9 9 7 ；冯金良 和崔之久，2 0 0 2 ) ，对这些地区风化壳成因和风化机理的研究成为新的热点。 对于地中海沿岸和北美洲东南部的岩溶区而言，其上覆的红色风化壳的物质来源有 五种假说： ( 1 ) 来自于下伏碳酸盐岩的酸不溶物的累积一 1 l j ； ( 2 ) 土壤的形成是通过下伏碳酸盐岩的溶解、置换、沉淀和充填等【lr 2 j ； ( 3 ) 从高地的位置通过流体介质搬运沉积在低地的碳酸盐岩的表面【l3 j ； 4 1 绪论 ( 4 ) 降落在碳酸盐岩表面的火山灰的风化【1 4 j ； ( 5 ) 从遥远地区来源的细粒风成物质的风化： 但越来越多的证据支持从非洲撒哈拉沙漠吹来的风成物质参与或主导了碳酸盐岩 上覆风化壳的形成。 相对于上述地区而言，以贵州为中心的中国西南岩溶区的研究程度相对较低，对上 覆风化壳物质来源的推断也主要是基于宏观上和地质演化的角度，从微观尺度上系统地 应用地球化学和矿物学方法进行研究也是近l o 多年以来才逐渐开展起来【1 5 1 9 】。然而对 于岩溶台地的这些红色土层，其物质来源也同样存在着不同的观点：碳酸盐岩风化过程 中残余酸不溶物的累积：碳酸盐岩被携带外来物质的风化流体溶蚀、交代、充填和沉淀 的产物，并提出等体积风化成土的观点：碳酸盐岩上覆碎屑岩的风化残余或高地碎屑岩 风化产物的搬运堆积；第四纪沉积物的风化产物。 如上所述，就目前的研究现状，中国西南岩溶区风化壳的成因问题仍然未达成共识。 1 3 2 岩溶风化壳物源指示方法论的研究现状 目前，对于风化壳的演化规律研究方面，粒度分析法、地球化学和矿物学方法是常 用的方法，另外石英氧同位素的物源示踪也逐渐被接受。以下简述在风化壳演化规律研 究方面的研究进展。 ( 1 ) 粒度分析法【2 0 j 粒度参数在古环境重建中被大家广泛采用，但是在风化壳物 源示踪方面还是新的尝试，尤其在我国。随着激光粒度分析技术的使用( 如 m a s t e r s i z e r 2 0 0 0 激光粒度分析仪) ，以其测试量程宽( o 0 2 n 卜2 0 0 0 “m ) ，粒组分级细( 最 大可分1 0 0 级) ，精确度高的优势( 测试误差 3 ) ，可以高分辨率的提取沉积物的粒 度频率分布曲线特征，既可以有效的判别风化壳母质的均一性，又可以获得各粒组的百 分含量信息。中国科学研究院地球化学研究所的王世杰及其学生冯志刚、刘秀明等利用 粒度分析技术对贵州平坝县白云岩进行了研究，得出结论：上覆红色风化壳与基岩酸不 溶物的粒度分布特征表明，红色风化壳是对基岩的继承和演化，是基岩残疾风化的结果， 这与早期地球化学和矿物学的结论是一致的。粒度分布特征是对风化壳物源示踪的有效 方法，尤其对于母质均一性原岩【2 l j 。 ( 2 ) 磁化率分析法【2 2 】沉积物的磁化率是指在人工磁场下被感应的难易程度。岩 石磁学理论认为，磁性矿物的磁化率主要与矿物种类、含量、形态及颗粒大小有关，是 对磁性矿物特征的度量。而频率磁化率( 斌) 反映磁性矿物粒度的变化，指示了样品中细 粒超顺磁颗粒的含量。对黄土一古土壤的磁学研究中，古土壤的磁化率明显高于黄土， 一般认为，成土过程中生物和化学作用生成的次生磁性矿物是导致这种结果的主要原 因，可以指示成壤作用的强弱。卢升高等( 2 0 0 0 ) 的研究表明，土壤磁化率的高低与成土 过程中产生的稳定单畴和超顺磁性颗粒呈极显著正相关，指示了风化成土作用强度，而 西安科技大学硕士学位论文 频率磁化率5 可作为土壤中的超顺磁性颗粒存在与否的临界值，土壤频率磁化率的高 低同样反映了风化成土作用的强度。在岩石风化成土过程中，形成的次生磁性矿物主要 集中在粘粒组分中。物质的磁性包括抗磁性、顺磁性和铁磁性。风化壳中的大部分物质 是抗磁性或顺磁性，铁磁性物质的含量很少，但是决定风化壳磁性特征的正是铁磁性物 质。铁磁性矿物包括强磁性的亚铁磁性矿物和弱磁性的反铁磁性矿物，前者包括磁铁矿、 磁赤铁矿和钦磁铁矿，后者包括赤铁矿、针铁矿等。 ( 3 ) p h 分析法风化壳和土壤的p h 值反映了含c 0 2 的风化溶液与矿物反应过程 中所消耗旷的强度。成熟度较低的风化壳，无论是结构态还是可交换态的盐基离子( i + 、 n 矿，c a 2 + ，m n 2 1 含量高，因此需要从风化溶液中消耗大量的矿以释放这些元素，从 而使p h 增大；成熟度高的风化壳，盐基离子含量低，消耗矿的程度也弱，同时在脱硅 富铝化阶段，不仅旷而且代换性a 1 3 + 也聚集，从而使风化溶液的酸度进一步增大，即 p h 值降低。因此风化壳溶液的p h 在剖面上的变化一定程度上也反映了风化壳的发育特 征。 ( 4 ) 矿物学分析法在风化程度较低的风化剖面，母岩中的矿物组分可以有效地 在风化壳中残留下来，这样通过基岩与风化土层矿物组成上的对比以及不同基岩上覆风 化壳的横向比较的方法来推断风化壳和下伏基岩的关系【2 3 】。另外，由于重矿物一般在表 生环境下较为稳定，所以可以通过重矿物进行物源示踪。 x 衍射分析法粉晶x 射线衍射分为定性相分析和定量相分析。这一方法是基 于x 射线的波长与结晶矿物内部质点间的距离相近，属于同一个数量级( a ) 当x 射线 进入矿物晶体后可以产生衍射。由于每一种矿物都有自己独特的化学组成和晶体结构， 其衍射图样也有其独特的特征。对这种图样进行分析计算，就可以鉴定晶体矿物的相( 每 个矿物种就是一个相) 并确定它内部原子( 或离子) 间的距离和排列方式。 目前广泛使用以计数器自动记录的x 射线衍射仪。有衍射仪记录的衍射数据，其分 辨率高，记录的时间间隔也短，衍射强度混合物中每一种物相的百分含量x i 与其衍射 强度i i 成正比，根据纪录图( 如图3 5 为石英x 射线粉晶衍射图) ，使用专门资料矿 物伦琴射线限鉴定手册或a s t m 卡片进行对比，即可查出所鉴定的矿物。 扫描电镜分析法扫描电子显微镜( s c a p _ p j n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，简写为 s e m ) ，简称为扫描电镜，是观察矿物显微结构最常用的设备，尤以研究粒度小于5l am 的具有高分散度的粘土矿物最为有效【2 4 】。主要可以用来进行固体颗粒大小、形状、粒度 的分析；固体表面形貌的分析；晶体缺陷的分析；点阵结构的分析。 粘土矿物由于颗粒极细( 一般2l am 左右) ，常呈分散状态，研究用的样品需用悬浮 法进行制备，待干燥后，置于具有超高放大倍数的电子显微镜下，在真空中使通过聚焦 系统的电子光束照射样品，可在荧光屏上现出放大数十万倍甚至百万倍的矿物图像，据 此以研究各种细分散矿物的晶形轮廓、镜面特征、连晶形态等，用此来区别矿物和它们 6 1 绪论 的形态。 石英氧同位素石英在表生环境下非常稳定常作为惰性矿物在风化壳中残余堆 积，而石英一旦形成，其保留的氧同位素组成便不再与环境发生同位素交换。同时，不 同时代和条件下形成的石英氧同位素组成不同，这样石英氧同位素的物源示踪就具有了 理论基础。不同基岩发育的风化壳，其原生石英继承了各自母岩的石英氧同位素组成， 从而可以进行沉积物的物源。 1 3 7 c s 含量分析法【2 5 】1 3 7 c s 是2 0 世纪5 0 6 0 年代原子弹爆炸产生的放射性尘 埃。降落到地表后，被土壤粘粒和有机物强烈吸附，基本不被植物吸收和淋溶流失，半 衰期为3 0 1 7 年。是研究土壤侵蚀和风化演化的良好示踪源。1 3 。7 c s 技术的基本原理是： 土壤或风化壳剖面中1 3 7 c s 含量随深度在增加而急剧减少，一般遵循指数减少规律，集 中分布在土壤表层0 - 3 0 c m 左右。因此通过测定地表1 3 7 c s 含量及其剖面分布曲线，与 保持沉降初始状态风化壳的”7 c s 含量( 即1 3 7 c s 背景值) 及其剖面分布进行比较，可以 揭示出1 37 c s 的再分配过程，从而有效地研究风化壳演化的规律。 ( 5 ) 惰性元素比值【2 6 j 在化学风化过程中，惰性元素易于进入风化残积物相中， 不易淋失，从而可以根据其元素对的比值进行物源示踪。z r 主要赋存在锆石中，是表生 环境下最抗风化的矿物之一。t i 除了以金红石、锐钛矿等独立矿物存在外，还以类质同 象的形式赋存干黑云母和角闪石中，而后者会快速风化，释放出的t i 沉淀下来。对发 育于花岗闪长岩上风化壳的微量元素研究也证实了z r t i 在剖面中保持恒定的比率，相 对于原岩的变化率 1 2 ，而不受风化程度的影响。因此z r 和t i 在风化剖面中是守恒的， z r t i 比值可以作为物源示踪的指标。此外，微量元素n b 、t a 、h f , t h 在化学风化过程 中也是不活化的，从而可以根据其比值进行风化壳的物源示踪。 在风化过程中以上元素对的比值保持恒定一般是建立在等体积风化基础上。在非等 体积风化成土过程中( 如碳酸盐岩风化成土过程) 可导致n b t i 、z r t i 比值在原岩和土 壤中产生大的变化，这也是碳酸盐岩风化残积成土作用的一个特点。但是n b t i 0 2 和 z r n b 的相关图解中均表现出良好的线性相关，从而指示了风化壳与下伏基岩的继承 关系。 有学者对下伏基岩为灰岩的红色风化壳剖面的研究结果发现烈2 0 3 t i 0 2 比值在剖面 中显示出恒定的比率，认为a l 和t i 一样也是不活化的。但是也有作者提出用a l 作守 恒元素是不可靠的，因为在特定的条件下舢显示出活动性。 ( 6 ) r e e 分布特征【2 7 j 一度认为r e e 在表生环境下是不活化的，化学风化过程不 会引起r e e 的分异。一些作者也提出尽管在风化过程中可能会局部造成r ee 的活化， 但是在风化剖面中不会出现r e e 的选择性丢失，认为淋溶作用不会明显地影响r e e 的 配分模式。从而可以根据r e e 的配分曲线特征( 与参比岩石的标准化) 进行风化壳的 物源示踪。但是大量的研究表明，r e e 在风化过程中具有一定的活动性，元素之间可以 西安科技大学硕士学位论文 产生明显的分异。尽管如此，由于对r e e 在表生环境下的地球化学行为的研究的不断 深入，在风化过程中一些可预测的元素变化行为得到证实，所以根据r e e 在风化壳剖 面的演化特征可以有效地示踪物质来源。 1 3 3 西南岩溶风化壳的研究现状 对于中国西南岩溶地区上覆红色风化壳的成因机制，已开展了一系列的研究工作。 王世杰等咫1 9 9 9 ) 通过基岩酸不溶物和上覆风化壳的地球化学和矿物学的研究，提出 了碳酸盐岩风化成土过程的两阶段演化模式的初步认识【2 8 j ：即基岩中“杂质或不溶物” 在风化作用过程中逐步堆积形成残积土阶段和残积土演化阶段，同时后一阶段的演化类 似于其余岩类的风化作用过程。整体上认为在有利的地形地貌单元，物理侵蚀作用微弱 的缓坡和丘陵垄岗台地面上，碳酸盐岩是完全可以风化成土的，而且可以发育厚层的红 色风化壳。 季宏兵( 2 0 0 0 ) 对贵州岩溶台地白云岩上覆红色风化壳的物质来源、形成地球化学过 程的初步研究，并尝试进行古环境的重建； 孙承兴( 2 0 0 2 ) 对贵州岩溶区红色风化壳物源及稀土元素地球化学的研究； 刘秀明( 2 0 0 3 ) 对贵州碳酸盐岩风化壳形成地球化学过程、对比及年代学的研究。 冯志刚【8 2 9 】等选择贵州中部平坝县3 个下伏基岩为白云岩的缺失原岩结构的红色风 化壳剖面，通过基岩酸不溶物和剖面的粒度分析，表明红色风化壳物质对下伏基岩有很 好的继承性。粒度参数随剖面深度呈规律变化，指示了标准残积风化壳的发育特征。 为n 装赴母、夺最阳芍内零 1 4 研究内容及研究方案 本文以西南地区不同基岩上发育的岩溶裂隙土作为研究对象，分别是基岩为灰岩的 鸡公剖面和 的研究手段 样的基础上 形成过程。研究的技术路线见图1 2 。 物) 的结构组成 主线，在精细采 空间分布特征和 1 绪论 1 5 工作进度安排 图1 2 技术路线 夺小，、 不干舟删 时间 工作项目 0 4 1 1 0 5 40 5 4 0 5 60 5 7 5 1 10 5 1 2 0 6 20 6 2 0 6 3 资料收集 野外考察 阑缀阌 室内实验 麟缓溺豳 数据分析 隧豳豳豳黼戳缀豳i i 凝黼嘲豳疆圈嘲阐髓 成果总结 9 西安科技大学硕士学位论文 2 岩溶裂隙土壤的成土机制及分布特征 2 1 碳酸盐岩的溶蚀机理及发育的基本条件 2 1 1 碳酸盐岩的溶蚀机理 这里以石灰岩为例来说明这一过程，一般石灰岩的溶蚀过程分为四个化学阶段【3 们。 首先，与水接触的石灰岩，在偶极水分子作用下发生溶解： c a c 0 3 c a 2 + + c 0 3 2 一( 2 1 ) 这时溶解很快，并立即达到平衡。 第二阶段是原溶解于水中的c 0 2 的反应： h 2 0 + c 0 2 害：h 2 c 0 3 导h + + h c 0 3 一( 2 2 ) 碳酸电离的h + 与( 1 ) 式的c 0 3 2 - 化合成重碳酸根： h + + c 0 3 2 一h c 0 3 一 ( 2 3 ) 这两个反应的最终反应是： c a c 0 3 + h ，o + c o ，oc a 抖+ h c o ，一( 2 4 ) 第三阶段是水中物理溶解的c 0 2 的一部分转入化学溶解，即水中部分游离的c 0 2 与水化合成为新的碳酸，这样构成一个链反应，其反应式是与( 2 ) 式相同。其结果是不断 补充矿的消耗及促进c a c 0 3 的溶解。 第四阶段是由于水中c 0 2 含量和外界( 土壤和大气) c 0 2 含量也有一个平衡关系， 水中c 0 2 减少，平衡就受到破坏，必须吸收外界c 0 2 以便使水中含量重新达到新的平衡， 这样又构成一个链反应。 可见水中c 0 2 的存在对碳酸盐岩的溶蚀起着决定性作用。一般在碳酸盐岩裸露区 c 0 2 来源于大气，而覆盖区c 0 2 主要来源于土壤。 2 1 2 碳酸盐岩发育的基本条件 前苏联学者索科洛夫曾提出岩溶发育的基本条件有四个【3 l 3 2 】：具有可溶性岩石； 具有侵蚀能力的水；岩石是透水的；水在岩石中应处于不断运动状态。作为被水 流改造的对象，可溶岩的成分与结构是控制岩溶发育的内因。可溶岩必须是有一定的透 水性，水流才能进入其内进行溶蚀。纯水对可溶岩的溶蚀能力很弱，只有当c 0 2 溶入水 中形成碳酸，或水含有其它酸类时，水才对碳酸盐内具有明显的侵蚀能力。具有一定侵 蚀能力的水如在碳酸盐岩中停滞而不交替，终将因碳酸盐溶入水中成为饱和溶液而丧失 其侵蚀性，因此，水的流动是保证岩溶发育的充要条件。 1 0 2 岩溶裂隙土壤的成土机制及分布特征 所以控制岩溶发育的各种因素，无一不是通过上述岩溶发育的基本条件而起作用 的。例如，改造作用一方面通过控制构造裂隙的发育而影响可溶岩透水性，另一方面通 过控制水的汇集于主要通路而影响地下水流动。又如，气候总体决定着一个区域的植被 与土壤，而植被土壤又是地下水中c 0 2 的主要来源。因此，植被土壤发育的湿热气候条 件下岩溶格外发育。 2 2 影响岩溶发育的因素 影响岩溶发育的因素有许多方面，这些因素与风化壳( 或裂隙土) 的关系可用下式 表示： 形= 厂( c ，0 ，m ) f ( 2 5 ) 式中w 为风化壳，c 为气候，r 为母岩，l 为地形，o 为生物，m 为人为因素，t 为 时间。一般认为气候、母岩、地形、生物和时间为影响风化壳发育的5 大因素，但实际 上风化壳在形成过程中无疑是受到地球内、外应力作用的共同影响，并表现为空间的分 布和时间的变迁。碳酸盐岩作为一种重要的风化壳，影响其发育的重要因素应为1 3 3 3 4 】： ( 1 ) 外力作用：包括气候与生物作用，它表现为物理和化学风化。 ( 2 ) 母 岩：不同的岩石在相同的外力作用下可形成不同类型的风化壳，不同的外 力作用下，同样的岩石也会形成不同的风化类型，前者是由于岩石的抗风化能力有差异， 后者是反映了岩石是风化壳形成的内在基础，外力作用等则是风化壳发育的外在条件。 ( 3 ) 地形：不同地形部位引起地表水热条件的重新分配，但并没有提供新的物质， 风化壳类型的垂向分异是地形因素的主要表现。 ( 4 ) 内力作用：主要是指新构造运动，新构造运动主要是以改变地形从而改变风化壳 的其它发育因素。 ( 5 ) 年龄因素：年龄可反映风化壳形成、发展、演变的动态过程。 以上5 种因素是相互影响的，其主次关系要从空间和时间上来考虑，对于风化壳的 地带性而言，气候是主要因素；同一地带内风化壳类型的差异，主要影响因素可能是地 形或母岩岩性；风化壳风化程度的主要影响因素可能是年龄；与地带性不相称的“异常 性”风化壳分布，其主要影响因素可能是新构造运动。 2 3 岩溶裂隙土壤的成土机制 对覆盖在碳酸盐岩之上的松散堆积物质的成因，以及松散堆积物质与碳酸盐岩之间 的关系仍存在很大的争议，随着世界不同地区碳酸盐岩上覆土层物源及成因研究的深 入，关于它们的物源及成因的认识，目前至少有如下几种观点： ( 1 ) 碳酸盐岩酸不溶 物的残余堆积；( 2 ) 碳酸盐岩上覆或附近高处碎屑岩的风化残余；( 3 ) 风成沉积物或 西安科技大学硕士学位论文 火山灰的风化残余；( 4 ) 携带外来成土物质的表生流体对碳酸盐岩溶蚀、交代、沉淀 和充填的成土方式；( 5 ) 多成因说，即上述前三者或其中两者对碳酸盐岩上覆土层物 质的形成都有贡献。在中国西南岩溶地区，多种证据有力地证明了碳酸盐岩原地风化成 土的可能性和现实性，也说明碳酸盐岩酸不溶物不仅可以残留形成上覆土层，而且还可 以保留较好的原岩结构。甚至在岩溶镶嵌地貌景观中，上覆土层对下伏不同岩性的风化 产物存在着明显的一一对应关系。碳酸盐岩风化成土作为一种重要的成土机制是客观存 在的，而碳酸盐岩上覆土壤的来源与地貌演化阶段、地貌部位、岩层组合、生物发育等 密切相关，可以是残积型、坡积型、冲积型等异地堆积。生物作用成土，在某些岩溶盆