中国南方红土研究.doc

中国南方红土的研究中国南方自秦岭-淮河以南、青藏高原以东广泛分布着晚新生代红色土状堆积物,据推测达220万平方公里。红土是在特定的自然地理和地质环境下的产物,形式主要为第四纪各种动力成因的堆积物及出露地表的各种基岩残积层,且以晚更新世以前的呈红色,故有人又称之为“红色风化壳、红壤、砖红壤层”等数种名称。有关红土的形成时代和形成环境有颇多争议,前人的研究多注重红土的各项理化性质对比及其发生学意义。红土作为中国南方典型的陆相堆积物无疑是南方第四纪环境研究的最佳信息载体1 ,与黄土一样,红土是亚热带-热带季风气候环境的产物。近十年来随着全球变化研究的深入开展,有关红土的一系列重大问题也得到了深入探讨和研究,尤其是红土的成因、发育期次、年代学、与工程地质性质研究已得到开展,虽然仍存在颇多争议和缺憾,但随着研究的深入,对于全面认识我国第四纪气候变化过程,青藏高原抬升、东亚季风演化规律以及全球变化纬度效应均具有重要的意义。一、 红土的成因研究1、前第四纪古风化壳说朱显谟2 认为我国第四纪以来红壤和砖红壤在不同时期获得的地球化学特征(即高三氧化二物和低硅) 都是由红土和基岩红色风化壳继承而来,而红土和红色风化壳约在第四纪前干热与温湿不断交替的气温条件下形成,第三纪以来华南气候逐渐凉爽,富铝化作用也逐渐变弱,华南红色风化壳系在比较干热的热带条件下形成,第四纪红色粘土则系古红色风化壳受流水侵蚀运积而成。同时也承认第四纪红色粘土上具有红色风化壳的形成,因为各种搬运形式堆积的红色粘土层中常混有一定数量的原生矿物,但整个第四纪红色粘土地层不能算作红色风化壳。2、第四纪红色风化壳说席承藩3 认为分布于长江以南的红色风化壳,主要为第四纪的形成物,这种富含铁铝氧化物的红色风化壳是热带亚热带高温高湿条件下的红色风化产物,主要经历了脱硅富铁铝风化和生物富集的作用。红色风化壳形成环境为湿润热带、亚热带高湿多雨的环境,热量均较高,年均温达1625 ,年降雨量在1500mm 以上。在这样温热多湿的条件下,进行着以脱硅富铁铝为主的化学风化过程,这一过程的实质是地球化学风化作用。总之,红色风化壳系在热带、亚热带高温多湿条件下脱硅富铁铝风化产物,坚硬岩石裸露地表后,经水热等动力作用不断形成了红色粘土,在风化成土状体的同时,亦经植物生长过程中的生物分解和积累,形成多种类型的土壤。3 、风化壳持续发展说黄镇国4 认为我国南方红色风化壳,尤其是发育在基岩上的红色风化壳在上新世或更早一些便开始发育。第四纪沉积物网纹红土系长期以来持续发育的风化壳,红色风化壳并非都是古风化壳,现代的气候地带性在红色风化壳的脱硅富铝化过程中留下深刻的烙印,红色风化壳的发育并未终止。第四纪红粘土本身是风化的产物,以其为母质发育起来的红色风化壳具明显的地带性,表明中国南方的红色风化壳既是古风化壳,又受现代气候的影响,并且以红土为标志的温暖风化期与构造宁静期相对应。南方红色风化壳剖面所反映的气候环境首先是干热气候和温湿气候的波动,网纹红土形成时的湿热气候具有普遍性。总之,华南分布最广的红色风化壳自中自新世以来历经整个第四纪,未曾中断发育,现今风化壳是古风化壳的继承。最近研究结果显示，我国南方红土可麓具有多元成因的特点。例如，安徽、江西、湖南等地第四纪红土的REE特征红土粒度组成和石英表面微形态等特征研究，发现红土母质既有风成起源的也有明显冲、洪积相成因的，红土成因具有多元性并存在空间差异，可能反映了我国南方第四纪环境的多样性和复杂性乔彦松等对安徽宣城剖面的研究中，同时发现了风尘和河流沉积的粒度证据5，石英颗粒电子扫描电镜观察发现这个剖面沉积物的成因复杂，部分为北方季风带来，部分为河流相产物，且都经过强烈的后生改造作用。其他研究也发现，第四纪网纹红土剖面磁组构特征说明黄棕色土层的原始沉积环境与风尘沉积环境是一致的，网纹层磁组构特征与风成沉积的相应特征差别显著，但与部分水成沉积的相应特征有近似之处，初步推断网纹层可能为早期的风积物经后期水流改造的产物6总体上看，我国亚热带北部，尤其是南岭以北区域的第四纪红土有较多风成成因的证据，而南岭以南的红土则主要与水动力的搬运沉积有关，反映了我国更新世冬季风粉尘传输的可能影响范围二、 红土形成年代研究在早期研究中，许多学者就从各个学科角度对我国南方红土的年代学进行不断的探索，例如，朱显谟从土壤发生学角度分析，认为红土的成土作用约需2104 a，网纹红土可能更长7刘东生等对比我国北方黄土一古土壤沉积序列认为，早更新世是我国南方红土发育时期，中更新世是南方红土最发育时期，形成网纹红土8席承藩从第四纪地层学和风化壳发育过程对比认为，第四纪红色风化壳底部砾石层的时代为Q1。，网纹红土层为Q2。，均质红土应属Q3。，其发育时间可达100万年上下9陈云运用地层地貌对比分析，认为云南元谋盆地的红土主要形成于中更新世中期、晚更新世早期和全新世最佳期从以上研究可知，尽管前期已有较多学者涉及我国南方红土年代学研究问题但是，由于我国南方红土中生物化石贫乏，并且受到早期测年技术的限制，南方红土沉积序列的绝对年代问题并未解决最近10年来，随着TL、ESR和古地磁等测年方法的运用，关于第四纪红土的年代学研究得到长足的发展，并初步建立了中国南方红土地层序列于振江等通过对安徽省沿江地区的网纹红土岩性、地球化学特征、古地磁和热释光测年等综合研究，认为其发育年龄介于04525 Ma BP之间，底界年龄与我国北方午城黄土的底界基本一致10众多学者对安徽宣城第四纪红土剖面进行了热释光、光释光年代测定、ESR年代学和古地磁测年研究以及综合对比，结果表明我国南方红土序列砾石层、网纹层和均质红土层分别形成于早更新世晚期、中更新世早期和中更新世晚期，形成年龄分别约为大于800，800-400，400-100 ka BP之间施雅风通过对江西鄱阳湖滨地带红土沉积的古地磁测量，推算出其网纹红土下伏的红色“泥砾层”年龄为8001 000 ka BP11蒋复初等对江西九江地区红土剖面的磁性地层学和热释光年龄研究表明，该剖面自下而上铁质网纹红土沉积于1 232-869 ka BP；网纹红土大约沉积于869-,-392 ka BP；红色粘土沉积于391101 ka BP12李长安等认为江西修水地区网纹红土形成于早更新世末(约09 Ma BP)至晚更新世初(约01 Ma BP)13，刘育燕对该地区红土剖面岩石磁学研究也表明，红土沉积的底界年龄可能大于078 Ma，即早于中国北方黄土的L8黄土层14顾延生对修水地区网纹红土的古地磁测试与热释光年龄分析表明，该区网纹红土形成时代为800100 ka BP15这些结果与安徽宣城和庐山地区以及余江县地区的网纹红土的研究结果一致毛龙江对浙江上山文化遗址的红土沉积研究表明，其网纹红土形成于中更新世晚期173 ka BP左右16关康年利用热释光法测定了湖北省新洲县网纹红土底部的年龄，测定结果为660 ka BP。阳逻地区网纹红土下伏砾石层为920 ka BP18黄姜依等研究南京老虎山下蜀土剖面发现网纹红土形成时代为1 000-400 ka BP19袁宝印等认为南方地区在700400 ka BP之间曾广泛形成具网纹红土的风化壳，与s。一s。气候极端湿热阶段相对应上述测年研究结果说明，我国南方网纹红土发育盛期在中更新世，其时代跨度可以从早更新世末一直延续到晚更新世初一般认为，下伏砾石层年龄大于850 ka BP，网纹红土形成于850-400 ka BP，均质红土形成于400-100 ka BP三、 红土的工程地质研究201、红粘土的土层特征研究 (1)红粘土的土质一般表现为上硬下软。 自地表向下随深度的增加，红粘土的天然含水量、孔隙比都有较大的增加，土的状态由坚硬、硬塑状态变为可塑或软塑状态，其强度也随之降低，比缩性增大。 (2)红粘土土层在垂直方向上分布变化很大。红钻土的厚度受原始地形和下伏基岩面起伏变化的控制，分布在盆地或洼地中的红粘土其厚度大体是边缘薄、中间厚。 下伏基岩有溶沟、溶槽、石芽发育时，其上覆的红粘上的厚度变化极大，咫尺之隔厚度竞相差几米甚至十多米，对建筑物地基来说，上层厚度的明显差异是十分不利的。 (3)土层中裂隙发育。由于红粘土的干湿效应明显、在地面下三四米深的范围内，红粘土层裂隙十分发育，程交错网纹状使土层的结构破坏，透水性增大、土层强度降低对浅埋基础或边坡的稳定都有较大的影响。 2、红粘土的成分和结构特征研究 红粘土中的矿物成分以高岭石和水云母为主且含量高， 同时陪伴氧化物(Al2O3，Fe2O3；)的凝胶较多，一般为2050，碎屑矿物较少，主要为石英。由于长期强烈淋滤的结果，水溶盐和有机质的含量都很低，一般小于1。红粘土中由于粘粒含量高，因此多为蜂窝状和棉絮状结构。虽孔隙较多，但因有异电连结和陪伴氧化物凝胶的胶结作用，使颗粒连结较为牢固。红土层中也常有些结核和土洞存在，对红粘土地基产生不利的影响。 3、红粘上的物理力学性质我国南方各省红粘土的物理力学性质如表一11所示。 大量试验表明，红粘土的物理力学性质具有下列特征：(1)高塑性和分散性。颗粒细而均匀，粘粒含量很高，般在5070之间，最大可达80以上，所以、 塑限、液限和塑性指数都很大，液限一般为5080有的高达1o；塑限一般为3060，有的高达90；塑性指数般为2050。属于重粘土。(2)高含水率，低密度。天然含水率般为3060，最高可达90；饱和度在85以上；密实度低，大孔隙明显，孔隙比很大， 一般都超过1.0，常为1.117有的超过20，但液性指数一放都小于0.4，多数处于坚硬或硬塑状态。(3)强度较高，压缩性较低。固结快剪值为8o-18o。,C值可达004009MPa；多属于中压缩性土或低压缩性土，压缩模量E为5一15MPa。(4)不具湿陷性，但有明显的收缩性。红粘土浸水后，多数膨胀性轻微，膨胀率小于2，但失水后收缩很强烈，原状土体收缩率可达25，扰动土可达4050。某些红粘土因收缩或膨胀强烈而属于只一种特殊上膨胀土。 4、红粘土地基评价 研究红粘土地基的上程地质持征，应着重注意以下几个问题： 1）代表性指标及含水比的研究 大量试验资料表明，红粘上的液限、塑性指数、孔隙比等几项物理指标与红粘土的力学性质存在着一定的相互关系、 当液限和孔隙比一定时其内聚力和压缩模量随天然孔隙或含水量的增大而减小；在一定的天然孔隙比或含水量的情况下则上的内聚力和压缩模量随着塑性指数、液限或塑限的增大而增大。但在饱和情况下，含水量是随着孔隙比的增大而增加的.在工业与民用建筑工程地质勘察规范(Tj2177)小采用了含水比()的概念。含水比是天然含水量与液限的比值(u=WWL)， 含水比愈大，红粘上愈软则土的强度愈小、压缩性愈高。利用含水比这一指标可粗略确定出红粘土地基的容许承载力。含水比愈大，则地基容许承载力愈低。在Tj21一77中按含水比大小划分了红粘土的容许承载力和状态，见表112、1一13。 2）不均匀性的研究 由于红粘土一班具有上硬下软、沿水平方向厚度变化大的特征， 因此在进行工程地质勘察时。必须注意土层不均匀性的研究、 并着重注意以下几个问题： (1)图层状态随深度的变化，沿深度方向土层状态常具有随深度增加而变软的现象 尤其在基岩表面低洼处、 因地下水的聚集、红粘土常呈软塑或流塑状态。 压缩性增大，承载力降低。如有上述现象时，应充分利用表层较硬土层作为地基的持力层。 (2)土层厚度随基岩面起伏的变化。红粘的厚度随下卧基岩起伏而变化、特别在下卧层有溶沟溶槽石芽的部份红粘土的厚度相差甚大常引起地基的不均匀沉陷。 （3)注意土层中的土洞对工程的影响。红粘土绝大多数分布在碳酸岩类地区受岩溶发育的影响，常在土层中产生土洞、 对场地的稳定性有较大的影响。 （4)裂隙及胀缩性的影响。红粘土常具明显的体缩持征有的地区红粘土也具有膨胀性、 浸水后体积增加15、膨胀力达1.8x105Pa。 由于反复胀缩的结果、 使裂隙增大对地基稳定和边坡稳定都有不利的影响，如果红粘土的膨胀量超过定值时，应按膨胀土考虑.四、红土研究的问题和展望红土研究深入开展以来,仍存在一些问题,有待进一步研究和探讨: (1) 红土的成因问题? 第四纪红色粘土地球化学特征是由前第四纪古风化壳继承而来还是由第四纪化学风化作用所致?红土发育期次和强度仍需进一步研究; (2)红土母质堆积时期的气候环境与红土化作用的环境信息如何提取? 即如果红土化作用贯穿第四纪全过程,如何鉴别新老风化后果,也是一个尚待解决的问题; (3) 红土的工程地质研究只是简单的部分而已，比较复杂综合的也有待去研究解决; (4) 我国南方拥有广泛的红土剖面,要解决红土研究中的一系列重大问题,必须走多学科交叉的道路,即土壤学、地质学、地理学相互渗透,联合攻关,并采用新技术和新方法,对红土进行系统的研究和对比,可望获得红土研究的重大突破。1 卢升高,董瑞斌,俞劲炎,等. 中国东部红土的磁性及其环境意义J . 地球物理学报,1999 ,42 (6) :764770. 2 朱显谟. 中国南方的红土与红色风化壳J . 第四纪研究,1993 ,1 :7584. 3 席承藩. 论华南红色风化壳J . 第四纪研究,1991 ,1 :18. 4 黄镇国,张伟强,陈俊鸿,等. 中国南方红色风化壳M . 北京:海洋出版社,1996 ,138 ,166296. 5 乔彦松，郭正堂。郝青振。等皖南风尘堆积土壤序列的磁性地层学研究及其古环境意义J科学通报。2003 48(13)：14651469 6 朱宗敏，扬文强林文姣，等安徽宣城第四纪网纹红土的磁组构特征及其意义口海洋地质与第四纪地质200626(4)：105一110 7 朱显谟江西红壤之气候问题口中国土壤学会会志19481(1)：51-56 8 刘东生，刘敏厚，吴子荣等第四纪地质问题M北京：科学出版社，1964：l一64第5期陈秀