南方风化壳形成机制与南方红土年代地层学研究

南方风化壳形成机制与南方红土年代地层学研究

1南方产品研究的研究进展南部红土是中国秦岭-淮河以南广泛分布的第四纪土壤。它包含丰富的地质、环境、气候、古石器和文化信息，其重要性可以与黄石子南方相比。第四纪以来,秦岭-淮河以南地区曾经历过较长时期的热带、亚热带气候环境,各类岩石和松散沉积物上部都发育和保存了厚度不同的红色风化壳,分布面积大于200×104km2。风化壳的发育受母质、气候、地形、水文和时间等因素的控制,这些因素的组合不同,风化壳的岩性特征具有明显差别。但它们的共同特点是缺乏古生物化石,给地层、环境和古人类演化等各领域研究带来诸多困难,使南方红土研究滞后于北方黄土。自20世纪30年代开始,经过几代科学家不断探索南方红土的成因、时代、地层、环境、旧石器文化等问题,对它们的认识已有坚实的基础和显著的提高,这个过程大致可分为3个阶段。第1阶段:20世纪30～60年代——成因研究时期。徳日进、杨钟健、裴文中、张席惿、李连捷等对广西、湖南的红土开展了深入调查研究,他们一致认为这些红土是热带、亚热带气候条件下发育的风化壳,风化母质形成时代相当于北方泥河湾期,风化过程发生于泥河湾堆积期和周口店堆积期之间的时段;而且中更新世是第四纪时期南方发育红色风化壳最盛的阶段,以后再也没有出现过类似的气候条件。与此同时,李四光研究了庐山地区网纹化的泥砾,认为它们是冰碛物经后期风化作用而成。刘东生研究中国黄土堆积时,将南方红土称为“红壤土”,认为是气候湿热时期的产物。上述研究最重要的贡献在于确定南方红土是湿热气候条件下各类岩石和松散沉积物上部发育的风化壳,这一概念现今仍是南方红土研究的基础。迄今为止还没有任何文献对此概念提出异议,换言之,研究南方红土实质是研究其风化过程及形成环境。第2阶段,20世纪70～90年代——年代地层学研究时期。许多学者在该阶段应用国际上新发展的测年技术,开展南方红土,特别是网纹红土的年代地层学研究。70年代,袁宝印等测定了海南岛老红砂中埋藏玻璃陨石的裂变径迹年龄,确定该地层时代为中更新世,并将其划归“北海组”。从90年代开始南方红土的年代地层学研究取得较快进展,黄慰文、郭士伦等对百色盆地含旧石器网纹红土中所产玻璃陨石进行年龄测定,确定该层位形成于0.73～0.81MaB.P.。蒋复初、李长安等对九江地区网纹红土开展了磁性地层学研究,确定沉积物年龄为0.9MaB.P.。吴正、曾从盛等对东南沿海风成老红砂做了深入研究,用热释光法测定其年龄大多小于0.1Ma。黄镇国等对南方红土做了全面、系统的研究和总结,建议南方红土统称为“红色风化壳”,并确定第四纪以来,南方地区经历了3个风化阶段和6个红土期,残留的红色风化壳可分布到45°N。上述研究表明,南方红土大部分年代地层研究结果与第1阶段对南方红土地层研究的基本结论相同。但应用热释光方法测定网纹红土的地质年龄大部分小于0.1Ma,与第1阶段研究结果明显不一致,使许多研究者感到困惑。第3阶段,2000年至现在——环境变化与旧石器文化研究时期。除继续深入研究南方红土的年代地层学外,许多学者开始探索提取南方红土中蕴含的环境信息,试图与黄土-古土壤序列的环境变化旋回建立对比关系。乔彦松、赵其国等对安徽宣城风尘堆积剖面开展了沉积相和磁性地层学研究,确定下蜀土之下网纹红土的原生沉积有一部分为风尘堆积,其下限地质年龄为0.85MaB.P.。胡学峰、朱宗敏、徐瑞松、王志远等通过测定网纹红土粒度、磁组构、主元素及分子化石等指标,提取南方红土中保存的环境信息,分析其古环境变化过程。尹秋珍、乔彦松、顾延生、郑琰明、王芳、朱丽东等[24,25,26,27,28,29]从不同角度探讨了网纹红土的古环境重建问题。这些成果显示出南方红土研究已进入提取并分析其环境信息的阶段,必将为我国气候、环境变化研究做出重要贡献。然而目前却遇到一些新的科学难题,解决这些科学难题是取得新进展的先决条件。这些难题中最关键也是最基本的问题有两个:1)南方红土的形成机制。虽然研究南方红土的绝大多数学者认为南方红土是风化作用形成的风化壳,但不同研究者对它们的分层、类型、各层岩性特征的形成机制及其环境意义还末形成较为一致的认识。研究中使用了繁纷复杂的术语,不同研究者赋于这些术语的涵义和概念也往往存在差异。能否从南方红土剖面中获得类似黄土-古土壤序列的环境变化信息,也有不同的意见。这些问题的解决,有赖于南方红土形成机制的深入研究。2)南方红土测年数据有效性问题。几乎所有第四纪年代测定手段都已应用于南方红土的测年工作,除裂变径迹年龄外,不少学者对其他方法测年数据的有效性存有一定的怀疑。尤其热释光方法,风化过程的铀、钍迁移机制对其测年数据具有明显的影响。应用新的测年方法并探索评估南方红土测年数据可信度的模式,是当前急需解决的问题。总之,目前南方红土已成为我国新生代地质与环境研究的新热点,近年来在南方红土地层中陆续发现旧石器文化遗址,确定它们的年龄成为当务之急。但遇到上述两个重大科学难题使其处于前进中的瓶颈阶段,一旦这些问题得到解决,南方红土研究将会迎来一个新的光辉时期。近年来笔者等在南方红土区开展了较多的野外调查和研究工作,深感上述科学问题对南方红土研究进展的阻碍,事实突显南方红土研究仍是第四纪研究有待加强的一个方面。为此,在我们野外调查与室内研究工作的基础上,研读和学习前人文献及近期其他学者的研究成果,对南方红土的形成机制和年代学问题等提出一些粗浅认识,并初步拟定了岩石地层单位划分框架。面对南方红土这样的难题,本文的不当之处在所难免,望有识者批评指正。2南方红平壤的形成机制2.1南方红色系红色风化壳作为风化壳,南方红土既可以发育在第四纪松散沉积物之上,也可发育于第四纪前的岩石表层。母质的成分及岩性对风化壳特征有明显的控制作用,从而形成各种不同的风化壳剖面。本文关心的重点是第四纪松散沉积物上发育的红色风化壳及其中蕴含的旧石器的年龄问题,所以只涉及第四纪松散沉积物之上发育的红色风化壳。南方红土分布于秦岭、淮河以南,西藏以东的地区,这里的第四纪松散沉积物主要有河流沉积、风尘堆积、滨海相海滩砂和海岸风成砂3种类型。河流相沉积广泛分布于南方地区河流两岸,其表层有的发育了风化程度较深的红色风化壳,并具有明显的网纹红土层,因而多称之为网纹红土;东南沿海地区的台地上广泛分布红色砂质沉积,它们大多为海滩砂和海岸风成砂,经后期风化,这些沉积物的上部呈红色、棕红色甚至出现网纹红土,地质调查中一般泛称这些砂质沉积为“老红砂”;长江中下游一带的风尘堆积,称为下蜀土,早期研究多将其划归晚更新世,近期的研究显示,该区的风尘堆积至少开始于0.85MaB.P.,其下部还形成了网纹红土,这一发现为追索南方红色风化壳的形成过程提供了新的证据。上述3种类型的第四纪松散沉积物都发育了红色风化壳,下面将着重讨论这3种母质上红色风化壳的形成机制。2.2红色风化壳的发育我国秦岭、淮河以南广大地区第四纪期间曾出现过长期气候湿热阶段,有利于富铝化风化壳的发育。该区河流相沉积、风尘堆积和老红砂都是高度混合的第四纪松散沉积物,化学成分基本一致。它们都形成平坦的正地形,或堆积于和缓的正地形之上。总之,南方地区第四纪松散沉积物具有发育红色风化壳的良好条件。热带、亚热带气候条件下形成的红色风化壳,其发育过程可分为如下几个阶段:1)脱钙阶段。在红色风化壳形成的初期,易溶性元素,如Cl,S,Ka,Na,Ca和Mg等形成游离的氯化物、硫化物和氧化物,并在水中形成分子溶液或胶体溶液被带走,碳酸钙也已淋失。剖面上部含铁造岩矿物在氧化过程中,低价铁变成高价铁,使其呈现红色,即所谓红化作用,这时称为红化土风化壳。2)富硅铝阶段。随着化学风化作用的进一步发展,Cl及S等易溶元素全部淋失,而难溶的Al和Si富集,这一阶段的标志性风化矿物为高岭石。剖面上部呈棕红色,称之为红壤土风化壳。3)脱硅富铝阶段。化学风化的最后阶段,硅酸盐中的SiO2遭受淋溶,Al相对富集,顶部红色粘土中形成三水铝石,干后坚硬如砖,称为砖红土风化壳。红色风化壳形成过程中,只有化学成分的不断淋失,矿物颗粒基本没有搬运和移动。红色风化壳发育的最终阶段为砖红土风化壳,它们自上而下发育如下有规律的层次:铁盘或铝土矿层;砖红土层;网纹层;高岭土层(浅色亚带);构造残积层;母质(图1a)。砖红土风化壳的顶部经历了最强烈的化学风化作用,脱硅作用使最难溶的铁或铝氧化物大量富集,形成铁盘或铝土矿层。铁盘之下为棕红色粘土层,出现特殊的标志性粘土矿物——三水铝石,即砖红土层。该层之下风化逐渐减弱,处于富硅铝阶段,标志性风化产物为高岭石。高岭土层之下为构造残积带,母质原始构造尚能辩认,但易风化矿物已高岭土化。最底部是尚来风化的原始母质。砖红土风化壳和红壤土风化壳的中、下部都发育网纹红土,一般认为它们形成的必要条件是湿热的气候、平坦的地形、频繁的地下水活动。但对网纹形成机制却有着不同的解释,有人认为网纹的形成与红色风化壳剖面中高岭土层的局部还原环境有关。在干季,地下水位较低,砖红土和高岭石层透气性良好,其中的铁元素主要以三价铁的形式存在。而在湿季,随地下水位上升,砖红土和高岭土层中裂隙或植物根系水份条件较好,形成局部的还原环境,导致三价铁被还原为二价铁,形成形态各异、色调不同的浅色团斑,亦即网纹,这种现象称为假潜育化过程。近期研究发现,网纹红土中的粘土矿物主要由高岭石、蛭石、针铁矿和赤铁矿组成,网纹形成前的土壤基质为红色;此后风化壳经历了一个气候湿润时期,即便在相对的“干季”,土壤的气候排水量也大于零,红色基质中的铁以溶液形式淋失迁移,土壤基质具面状裂隙的部位铁大量淋失,呈现白色网纹;湿润时期过后的成壤过程,在白色网纹之上叠置了偏红色或偏黄色的粘粒胶膜,从而形成红、白、黄色的斑纹。因此,网纹红土的存在说明风化壳曾经历过气候湿润时期,少雨季节土壤中也有水分淋滤。总之,网纹红土的形成过程比较复杂,但它一定经过较强的风化作用,并且与湿润气候期的脱铁作用有关。任何没有经过较强风化作用的沉积物,都不可能只在地下水作用下就能形成网纹红土。砖红土风化壳只有在热带地区地形条件适宜的情况下,经长期风化才能形成。亚热带地区经长期风化作用也能形成类似砖红土风化壳的剖面,但由于化学风化作用略逊于热带地区,因此风化壳顶部往往缺乏铁盘,棕红色粘土层中尚未出现三水铝石,但下面的网纹红土及其以下各层与砖红土风化壳相同,即所谓红壤土风化壳(图1b)。无论热带或亚热带,如果母质只经历了短期风化作用,则形成红化土风化壳,其上部开始呈现红色或棕红色,也有一定的高岭土化,其下为原始母质,属于红色风化壳的初始状态(图1c)。综上所述,南方红色风化壳由于气候、发育时间和地貌条件的差异,在剖面特征上存在明显的差异,根据其剖面岩性特征,可以分为砖红土风化壳、红壤土风化壳和红化土风化壳3种类型。由于它们形成的母质和地形条件基本相同,所以3种风化壳类型反映了气候条件和风化时间的不同。2.3南方乡土语义上的错误许多学者从沉积相、土壤学、风化壳、地层学等不同角度研究南方红土,形成了许多字意相近,内涵却完全不同的术语,难免出现误解,妨碍相互讨论。为此本文从风化作用的角度,提出以下一些建议使用的术语。红色风化壳热带、亚热带发育的呈红-棕红色调的各类风化壳。南方红土泛指南方地区各类岩石和松散沉积物上发育的红色风化壳。2砖和红红色风化壳上部含三水铝石,晒干后不可逆地变成坚硬如砖的棕红色粘土层。红色土壤红色风化壳上部已有较强脱硅富铝,但尚未出现三水铝石的棕红色粘土层。网格红砖红土层或红壤土层之下,具红、黄、白色网状斑纹的土层,它是红色风化壳中的一个层次。红色风化壳有规律的层次,城市基层可红色风化壳发育初期,上部含铁造岩矿物的二价铁转变为赤铁矿,使之呈现红色的土层。南方地区第四纪沉积物与地层研究中,经常使用的下蜀土、老红砂等术语属沉积学范畴的术语,应避免与上述风化壳术语相混。红色风化壳不管哪种类型都呈现有规律的风化层次,它们形成过程中或形成之后,经常遭受到侵蚀、搬运。被侵蚀的物质再堆积后,一般为具有红-红棕色土层,但已不具备红色风化壳有规律的层次。这些经过改造再堆积红色土类,不妨称为“红土状土”,以区别于原生红色风化壳。如果红土状土经过再次风化,仍可形成砖红土风化壳或红壤土风化壳。红土状土与原生红色风化壳不仅岩性特征不同,时代也有很大差别,需要在野外和实验室仔细辨别与研究。3红色风化壳的年龄地层学风化壳年代地层学研究有两个层次,首先是母质形成年代,其次是风化时代,南方红土年代地层学研究中同样包含这两个方面的内容。3.1红色风化壳的起源地层学3.1.1区域地质背景我国南方较老河流阶地沉积上部往往发育红色风化壳,其母质为河流沉积物。1935年德日进、杨钟健、裴文中等首先研究了广西、广东地区河流阶地上发育的红土地层,认为风化壳母质(河流沉积物)形成时代相当于北方的泥河湾层。1938年,杨钟健等调查了湖南河流阶地上具网纹红土的红色风化壳,将该地层称之为“白沙井系”,并认为它们相当于北方泥河湾期或周口店期。这个基本框架对于今天的研究仍然具有重要的指导意义。从20世纪90年代开始,许多学者相继应用新的测年手段对广东、广西、湖南、江西等地河流阶地上发育的红色风化壳开展了地层年代学研究。袁宝印等研究广西百色旧石器遗址时,调查了百色盆地的右江阶地。发现盆地新生代断裂活动复杂而强烈,右江在盆地内形成差异明显的阶地序列。有的地区最多可出现7级阶地,其中第Ⅳ级阶地的沉积物发育并保存了典型的红壤土风化壳,旧石器遗址发现于该类型风化壳的上部,同一层位还普遍发现玻璃陨石。埋藏的原生玻璃陨石成为判别第Ⅳ级阶地的重要标志,并用其裂变径迹年龄(0.73～0.81Ma)确定该阶地及旧石器遗址的时代。百色市以南约6km,乙炔气厂附近右江阶地序列比较典型(图2)。这里发育4级阶地,第Ⅳ级阶地高出河面约45m,基座阶地,基座为古近纪砂页岩。阶地沉积物经强烈风化,上部1.5m为砖红色粘土,但尚未形成三水铝石,属红壤土;下部为深度网纹化的红土,色彩鲜明,厚5～7m,含玻璃陨石;底部为砾石层,除石英岩外均已高岭土化。第Ⅲ级阶地高约40m,上部为浅棕红色粘土,向下渐变为轻度网纹化的红土,总厚约6m;下部为砾石层,其中的砂页岩砾石已风化为高岭土。第Ⅱ级阶地高约15m,顶部为淡黄色粘土、亚粘土,经风化发育黄棕色垂直淋滤条纹,以下为灰黄色亚粘土。Ⅰ级阶地高约10m,由灰黄色亚砂土组成,其下为砾石层。百色市乙炔气厂阶地序列显示,Ⅳ级阶地形成于中更新世早期,阶地越老,沉积物风化程度越深。而且只有第Ⅳ级阶地形成强烈网纹化红土,以后的阶地沉积物再也末能发育如此典型的网纹红土。这些明显的岩性特征差异在野外极易识别,从而证明德日进、杨钟健、李连捷等认为“中更新世是南方发育红色风化壳的最佳时期,以后再也末出现过类似气候条件”这一判断的正确性。在长江中下游地区,许多学者应用各种测年手段对已发育网纹红土的河流阶地沉积物进行了年代地层学研究。现有的测试结果显示,作为红色风化壳母质的河流堆积物,其年龄下限在0.7～1.2MaB.P.之间,上限大多在0.4～0.5MaB.P.。3.1.2级海成结构海成独立生长东南沿海地区广泛分布第四纪海滩砂和海岸风成砂形成的台地,组成物质以分选良好的石英砂为主。海滩砂的地貌形态平坦,所含粗大的岩石颗粒大多已风化为高岭土,但颗粒形态仍清晰可见。海岸风成砂的分选程度更高,构成的地貌形态也不如前者平坦。它们受海面升降和构造运动影响往往形成多级海成台地,其中以海南岛文昌县龙楼镇一带最为典型。该区普遍保存3级海成台地(图3),第Ⅲ级海成台地海拔35m,由滨海相细砂组成。上部3～5m为棕红色砖红土,干后坚硬如砖;下部为网纹红土,厚5～7m,其中含玻璃陨石,在同一高度,相隔3～5m即可发现一颗。可见它们是原生沉积,而且陨石降落密度很高。测定它们的裂变径迹年龄在0.53～0.76Ma之间,可以认为与百色盆地玻璃陨石年龄一致。第Ⅱ级海成台地高15m,由滨海相细砂组成,上部1～2m为桔黄色细砂,含粗砂细砾,并可发现磨圆的玻璃陨石;下部为灰黄色细砂,出露1～2m。第Ⅰ级海成台地高5～7m,由海滩细砂组成,有时上覆海岸风成砂。顶部0.5～1.0m为淡灰黄色,以下为原生的灰白色。海南文昌县龙楼镇海成台地序列中,第Ⅲ级海成台地形成于中更新世早期,发育了典型网纹红土。此后的海成台地再也未经受如此强烈的风化,其地质过程可与百色盆地相对比,也再次证实德日进、杨钟健、李连捷等早年工作判断的准确性。20世纪70年代通过对海南岛文昌地区海成台地年代地层学研究,将海南岛和广西沿海的海滩相“老红砂”划归“北海组”地层。吴正、罗从盛等对东南沿海风成老红砂进行了深入研究,大多数风成老红砂风化不深,只有上部3～5m范围内发育红化土,以下为未风化的灰白色风成砂,其热释光法年龄大多小于0.1Ma。近年来,在福建晋江市深沪湾环境地质调查中,在第Ⅲ级海成台地的网纹红土中发现旧石器,为确定旧石器地点的年代,对该区海成台地及其时代做了初步的研究。深沪镇地区海滨广泛发育3级海成台地,深沪镇金屿村台地序列较为典型(图4)。第Ⅲ级海成台地高出海面40～50m,其上覆有5～10m厚的海滩相细砂,含粗砂、细砾,以下是基岩,为具片麻构造的变质混合岩。细砂层上部1～2m为暗棕红色粘土,是发育较好的红壤土;中部5～7m为典型网纹红土,其中发现旧石器;下部渐变为灰黄色细砂,疏松,粘土含量很少。第Ⅱ级海成台地15～20m,顶部2～3m为棕红色粘土,以下为灰黄色细砂,未发育网纹红土。第Ⅰ级海成台地分布于现代海岸地区,一般高5～10m,由灰黄色细砂组成,粗砂含量较多,粘土和粉砂极少,为海滩砂层。晋江市深沪镇地区的海成台地序列反映了与海南岛文昌地区和广西百色盆地相似的地质发育历史,经历的环境变迁过程基本一致。但该区网纹红土中尚未找到玻璃陨石,确定其时代成为首要问题。最近张家富等测定了晋江地区Ⅰ～Ⅲ级海成台地上“老红砂”的光释光年龄(见图4),其中Ⅰ级台地上分布现代风成砂,年龄为0.32～3.50ka,II级台地已红化的老红砂年龄为73.8～50.0ka,Ⅲ级台地具网纹红土的老红砂年龄为77.0～32.3ka。测定结果显示Ⅲ级台地的地质年龄比Ⅱ级台地小,分析认为Ⅲ级台地经过较强风化过程,铀、钍元素相对富集,使计算获得较小年龄值,出现倒置现象,可信度极低,不能用来恢复地质发展史。此外,晋江深沪镇地区第Ⅲ级海成台地、右江盆地Ⅳ级阶地和海南岛文昌县龙楼镇的网纹红土都进行过反复的磁性地层学研究,完全为正极性。后两个地点的网纹红土中含玻璃陨石,该层位之下已进入古地磁的松山负极性时,应能测到负极性,可结果相反,只有正极性。究其原因可能是后期风化作用形成的赤铁矿的磁性掩盖了原来母质的剩余磁性,如果晋江深沪镇Ⅲ级台地下部达到松山期,也会受此影响。风化作用给剩余磁性测定带来困难,必须寻找更为合适的测年方法解决这一难题。总之,东南沿海地区海滩砂和海岸风成砂自中更新世早期以来,至少发育了3级海成台地,只有最高的第Ⅲ级海成台地发育典型网纹红土,Ⅱ级和Ⅰ级海成台地尚未发育网纹红土,说明它们与海南岛和百色盆地经历了相同的环境变化过程。3.1.3机械风化作用的沉积古地长江中下游丘陵和平原区往往分布厚20～30m的红黄色或灰黄色粘土,含腹足类化石,绝大多数为旱螺。早期研究称该层为“下蜀粘土”,时代相当于北方马兰黄土。刘东生等、安芷生等研究发现南京地区相当于马兰黄土的下蜀土之下,黄土剖面的中、下部与马兰期堆积不同,其间夹有4层红棕色埋藏土,可与近50万年来的“离石黄土”上部相对比。近年来许多学者对下蜀土成因和时代开展进一步研究,认为它们是风尘堆积,粉尘物质主要来源于长江下游宽广的河谷地区,形成时代可下推至中更新世[16,17,18,40,41,42]。安徽宣城向阳村附近,水阳江Ⅱ级阶地上保存有较典型的风尘堆积剖面(图5)。剖面可见厚度约11m,从上至下第1层为现代土壤,厚约30cm;第2～8层为桔黄色亚粘土,其中发育3层浅棕红色古土壤,尚未出现网纹化现象,总厚约4m;第9层厚6m,为网纹化的棕红色粘土;第10层为砂砾石层。对该剖面进行了系统年代学及沉积相研究,深0.4m光释光(OSL)年龄为18.0±2.5ka,古地磁极性柱显示B/M界线位于剖面深度8.4m处。粒度及土壤学研究表明风尘堆积与河流堆积的界线位于剖面9.1m的深度。根据0.4m深度OSL测年结果和B/M界线(0.78Ma)的位置,获得该时段平均沉积速率为1.05cm/ka,依此估算网纹红土顶部年龄大致0.4MaB.P.,风尘堆积下界年龄约为0.85MaB.P.,这些与杨浩等应用ESR方法研究宣城剖面年代地层学获的结果是一致的。该剖面网纹红土是风化最强烈的层段,风化时间应在0.40～0.85MaB.P.的时段。黄土高原黄土-古土壤序列研究表明S4和S5阶段是中更新世极端的暖湿时期,那么有理由推测宣城剖面经受风化作用形成网纹红土的时间与S4和S5相对应。长江中下游地区风尘堆积研究结果表明,该区至少自0.85MaB.P.以来已开始出现风尘堆积,0.4MaB.P.以前的风尘堆积中发育了网纹红土,以后的风尘堆积只发育红色古土壤,未能形成网纹红土。综上所述,发育于第四纪沉积物之上的南方红土母质主要为阶地的河流沉积、沿海地区的海滩砂和海岸风成砂以及长江中下游地区的风尘堆积。凡是发育具有网纹红土风化壳,大多数测年数据显示其母质形成的地质年龄在0.4～1.2MaB.P.。3.2结语:网红的形成时代南方红土年代地层学研究的焦点集中于测定网纹红土形成的地质年龄,目前国际上正在探索测定风化壳形成年龄的方法,尚未发展出较为成熟的手段,现在估算风化壳年龄主要依据3个方面的信息和数据:1)第四纪以来全球环境变化历史。每个气候旋回均已确定其气候特点及可信的年龄值,它们是估算风化壳年龄并对风化壳进行分期的主要依据。2)气候带的迁移过程。风化壳是气候环境的产物,不同气候带发育不同类型的风化壳,风化壳年龄的估算必须符合气候地带性分布规律。3)已有的测年数据。虽然南方红土现有测年数据的有效性有待深入分析,但在多种方法测年数据比较一致,又与气候变化历史和地带性相符,并且与地层对比关系不矛盾的情况下,是目前推断风化壳年龄惟一可用的年龄值。南方红土中具有网纹红土的风化壳岩性特征鲜明,分布广泛,确定其形成年龄可以作为估算其他各类红色风化壳年龄的参照值。面对尚无测定风化壳年龄有效方法的现实,有必要建立红色风化壳发育的地带性模式。本文讨论的红色风化壳母质均为第四纪松散沉积物,相对于固结的火成岩和沉积岩来说,它们的岩性基本相同。3种母质都形成平坦的阶地或台地,风尘堆积的保存也必须有平坦的地形条件,因此,它们的地形条件也大体一致。那么在这些母质上形成何种类型风化壳,气候和时间就是决定性因素。当一个气候湿热阶段持续时间足够长时,从海南岛向北,将依次形成与地带性气候相匹配的砖红土风化壳、红壤土风化壳和红化土风化壳。砖红土风化壳一般形成于热带,红壤土风化壳形成于亚热带,红化土风化壳形成于暖温带。如果上述地带性模式是正确的,那么某一风化时期形成的红壤土风化壳的北界也就是该风化期网纹红土的北界,此界线以北的网纹红土一定是以前的风化时期的产物。我国黄土-古土壤序列的研究表明,第四纪以来,S5～S4是我国的中更新世极端湿热期,最有利于形成具网纹红土的红色风化壳。安徽宣城向阳村风尘堆积的年代地层学研究证实该区网纹红土形成于0.4MaB.P.之前,此后再也未形成网纹红土;海南岛文昌县龙楼一带北海组剖面的研究显示形成网纹红土的时间不早于0.7MaB.P.,而在北海组地层形成网纹红土后,以后的海成台地上没有形成具网纹红土的风化壳。据此推论,南方地区在0.7～0.4MaB.P.之间曾广泛形成具网纹红土的风化壳,刚好与S5～S4气候极端湿热阶段相对应。有关学者近年来对网纹红土的形成时代进行了不断的探索,由于没有直接测定风化壳形成年龄的方法,只能通过沉积物剖面系统的年代地层学研究来推断具网纹红土风化壳的形成年代。例如,杨浩等应用ESR法测定安徽宣城风成沉积-红土系列,确定网纹红土形成年龄为730～400kaB.P.,其上均质红土形成的年龄为400～100kaB.P.;黄姜侬等研究南京老虎山下蜀土剖面,发现网纹红土形成时代为1.0～0.4MaB.P.;蒋复初等对九江长虹大道剖面的研究结果表明网纹红土上覆的下蜀土底界TL年龄为0.1Ma,而B/M界线位于网纹红土的中部,说明网纹红土发育时期为中更新世。上述研究比较一致地说明,南方具网纹红土风化壳发育最盛期在中更新世,其时代跨度可以由早更新世末一直延续到晚更新世初。这一认识基于各种测年手段比较一致的年龄数据,它们又与气候变化的阶段性相符合,所以被多数研究者所接受。现在最重要的是确定0.4MaB.P.以后网纹红土北界的位置,黄镇国等已初步确定位于两广南部。如果这个结论是正确的,那么福建地区的网纹红土推测应形成于0.4MaB.P.之前。有的学者根据现有红色风化壳形成年代的研究结果,重建了我国南方红色风化壳的发育历史。如席承藩划分了4个红土发育期:早更新世红土发育期、中更新世红土发育最盛期、晚更新世红土较弱发育期和全新世微弱红化期。朱照宇等划分为5期:N(60.0～2.5MaB.P.),Q1(2.5～1.6MaB.P.),Q1～2(1.6～0.8MaB.P.),Q2(0.8～0.1MaB.P.)和Q3～4(约0.1MaB.P.)。黄镇国等运用K-Ar法、热释光法、裂变径迹法等对红色风化壳进行了一系列测试,划分了6个红土发育期:N2,Qpl(2.1～0.8MaB.P.),Qp12(0.65～0.40MaB.P.),Qp22(0.30～0.15MaB.P.),Qp13(0.12～0.07MaB.P.)和Qp23(0.054～0.020MaB.P.)。黄镇国等还基本确定了不同时期具网纹红土的风化壳发育的北界,为南方地区第四纪环境变迁和地层划分奠定了基础。以上分期都是以第四纪气候变化为基础,所以分期大体一致,只是详细程度不同。上述研究结果表明,近年来南方红色风化壳年代学的研究已经取得了很大的进步,一批新的年龄数据为我们深入研究红色风化壳的形成历史,提供了重要的科学依据。但由于强烈化学风化过程会引起铀、钍元素相对富集,导致TL,OSL和ESR等测年技术对红土年代的测定还不够有效。红土风化过程对母质剩余磁性的掩盖作用使古地磁方法失效。因此,虽然一般认为具网纹红土的风化壳主要形成于0.4Ma之前的中更新世,但还需要更可靠的年龄数据的支持,寻找更为有效的测年手段是今后努力的方向。4南方地区中更新世红豆期岩相古地理研究的未来展望红色风化壳具有垂直分带和水平分带,前者表现为风化壳剖面上的垂直分层,这些层次同时形成,只是风化程度从上至下逐渐减弱;后者表现为风化壳的水平地带性,同一红土期,从南部的热带地区向北至暖温带地区,依次发育砖红土风化壳、红壤土风化壳和红化土风化壳,它们是同一红土期在不同气候带发育的不同类型风化壳。第四纪以来,中更新世是南方红色风化壳发育最盛期,砖红土风化壳也只发育于海南和两广南部;红壤土风化壳可分布到秦岭以南,向东至大别山地区,这里许多剖面都可以看到网纹红土;秦岭-大别山以北,只发育了红化土风化壳,表现为黄土中的古土壤层,最显著的是黄土中的S5～S4(图6)。南方红色风化壳的水平分带与黄土-古土壤序列是同一风化过程在不同气候带的具体表现,通过确定红色风化壳的水平分带的变化过程,可以恢复气候变化在不同地域的环境特征,这正是南方红土在全球变化领域的研究价值之所在。南方地区第四纪时期曾经历过若干不同的红土期,后来的红土期会在前面红土期发育的红色风化壳上继续风化,又会在新形成的沉积物上发育新的风化壳。因此,一个地区可以同时存在3种不同类型的风化壳,它们又代表了不同红土期的产物。图7显示南方地区中更新世极端湿热气候期以来红色风化壳理想发育模式。南方红土的研究涉及沉积相、地层学、风化作用、年代学、地球化学、环境变迁等诸多问题,使得迄今尚无被普遍接受的地层划分方案。由于红土中陆续发现旧石器遗存,南方地区第四纪环境变化研究也需要与北方黄土-古土壤序进行对比,系统的地层划分成为实际的需要。地层划分应以岩石地层单位为基础,它是野外调查和地质填图的主要依据。南方红土岩石地层单位划分中必须兼顾沉积相和风化作用两方面的基本特征,而风化作用是在各种沉积相地层上普遍进行的地质过程,风化壳特征成为南方第四纪沉积最为鲜明也易于野外识别的岩性特征。以风化壳类型及其岩性特征作为岩石地层单位划分的基本依据,具有可行性和实用性。地层划分中还需考虑以下几个问题。(1)南方地区第四纪沉积物主要有河流相、滨海相、风尘堆积和冰川堆积等,冰川堆积大多发育于海拔3000m以上的山地,风化作用较弱,本方案暂不纳入冰碛物。河流相、滨海相(包括海岸风成砂)、风尘堆积这3类沉积物分布地域明显不同,其上形成的风化壳的岩性特征也有一定差别,所以列为3个不同的沉积系列。(2)南方红色风化壳发育最盛期在0.65～0.40MaB.P.,该红土期具网纹红土的风化壳分布至秦岭以南和长江中下游,黄土高原和华北南部当时形成红化土风化壳,表现为黄土-古土壤序列的S5和S4(见图7)。其他时期的红色风化壳,其特征、时代、分布范围以及与北方古土壤期的对比,还有待进一步的研究。(3)南方地区早更世地层发育较少,该时期的风化壳研究工作尚不充分,还无法提出可行的岩石地层划分方案,本文暂不涉及,留待今后工作的补充。(4)岩石地层单位具有穿时性,风化作用也有穿时性特征。同一红土期,不同地区风化强度不一