辽南地区红色风化壳粒度特征分析

白 涛，魏东岚，李永化，田娜娜

（辽宁师范大学地理科学学院，辽宁大连116029）

引言

辽南地区位于辽东半岛南部，多丘陵山地，平原低地少，前人对辽南地区的研究多集中于岩溶地形[1]和海蚀地貌[2]，对第四纪以来红色风化壳[3，4]的研究较少。红色风化壳在高温多雨的湿热气候条件下发育较好，我国南方热带、亚热带地区气候湿热，风化作用可全年进行，风化壳厚度大，但由于区域气候条件、基岩性质、区域构造等方面存在差异，我国南方地区发育了不同类型的风化壳。目前，已有诸多学者对我国南方地区的红色风化壳发育特征进行了深入研究，在恢复碳酸盐岩风化成土作用[5]、土壤矿物[6]和化学组成特征红色残积物的来源[7]、碳酸盐盐酸不溶物[8]、稀土元素[9]以及表生地球化学循环[10]等方面取得了大量成果，由于我国北方地区红色风化壳分布较少，大多被厚层黄土[11]覆盖，仅在山东庙岛群岛[12]、河北北戴河[13]以及辽南地区[14]发现红色风化壳，少数学者进行了初步研究探讨。

粒度特征[15]是沉积物研究的基本特征，其组成和分布主要受物源、搬运方式、水动力条件及地形地貌等因素影响。近年来，我国学者对沉积物粒度的研究作为重要参考手段，在古气候、古环境研究中已得到广发应用。在岩性、气候及地形地貌等不同条件下，红色风化壳形成的条件、强度也存在差异，因此对红色风化壳粒度分析，有助于了解沉积环境演化规律及古气候变化情况。

在此基础上，本文针对辽南地区的红色风化壳进行初步探究。通过大量的野外勘察，选取辽南地区七顶山剖面红色风化壳为实验研究对象，利用激光粒度分析仪对七顶山剖面样品进行测定，基于七顶山剖面红色风化壳样品的粒度特征，对该地区红色风化壳的发育特征进行探讨了解，有助于系统认识辽南地区的沉积环境，并为辽南地区沉积特征研究提供重要依据。

1 数据来源与样品采集

七顶山剖面位于大连市金州区七顶山街道东（121°41′2″E，39°15′70″N），剖面海拔高度大约为50m，剖面上层分布为17m 的厚黄土层，下层分布为4m 的红色风化壳，红色风化壳覆盖层以下为下伏基岩。在红色风化壳上界面到红色风化壳下界面之间，去除表土层，沿垂直方向从红色风化壳顶部向下挖一个沟槽，自下而上按固定间距（20cm）连续采集样品，总共采集20 份红色风化壳样品，并自上而下依次标号S1～S20。七顶山剖面的采样位置见图1。

粒度测定实验方法。20 份样品采用激光粒度测量法，利用激光粒度分析仪有着测定速度迅速、时间较快、自动化较高、操作简单、测试范围广、误差小等优势。单本文样品在辽宁师范大学实验中心的地理与科学学院土壤实验室里完成，粒度数据由美国Beckman公司生产的LS3320 型激光粒度仪进行测试。

2 粒度参数计算公式

粒度参数计算公式国际上采用乌登—温德华粒度分级标准，粒度级别从小到大分为三部分，其标准：粘粒小于 2μm，粉砂介于 2μm～63μm 之间，砂粒介于63μm～2000μm 之间。为了方便作图和运算，克鲁宾改进了乌登—温德华粒度分级标准，采用Φ 代表粒径大小标准（砂粒：4 Φ～-1Φ，粉砂：9 Φ～4 Φ，粘粒：＞9 Φ）。Φ 值与粒径d（mm）计算公式为：

3 粒度特征分析

3.1 剖面粒度组成

粒度是判断沉积物古环境的指数之一，主要是由粘粒、粉砂和砂粒等组成，是判别风化程度及作用，物源的主要指标。观察七顶山剖面粒度组成参数表（表1），可以看出该地区剖面众数组为砂粒组，砂粒含量平均值超过60%，以砂粒组占主要部分，含量为52.77%～74.85%之间，其次是粉砂级粒度，含量为18.27%～36.88%之间，其平均值为28.35%。最后是粘粒级粒度，所占含量最少，为6.88%～10.54%之间，其平均值为8.83%。剖面主要以砂粒级粒度为主，百分比含量超过整个剖面粒组的一半，表明该地区剖面红色风化壳发育状况及风化程度较差，不易形成红色风化壳。

整个剖面粉砂含量变化不大，平均含量范围介于22.11%～32.74%之间，平均值为28.45%。剖面上部S1～S6 粘粒含量介于8.16%～10.54%之间，剖面中部S7～S13 粘粒含量介于6.88%～8.94%之间，剖面中部粘粒含量较少，剖面下部S14～S20 粘粒含量介于8.12%～9.91%之间。粉砂含量与粘粒含量变化基本一致。整个剖面砂粒含量变化较大，剖面上部S1～S6 砂粒含量介于52.77%～66.93%之间，剖面中部S7～S13 砂粒含量介于64.69%～74.85%之间，剖面下部S14～S20 砂粒含量介于53.22%～65.11%之间。由数据可以看出，该剖面红色风化壳的发育是从上到下的，上部剖面的风化程度较好，受到的风化作用较强烈。

图1 七顶山剖面及采样示意图

表1 七顶山剖面粒度组成参数表

研究表明该区域风化壳的发育程度主要体现在粘粒含量的变化，红色风化壳的风化程度越高，粘粒含量越多；风化程度越低，粘粒含量越少[16]。图2 为七顶山剖面粒度参数三相图，从图中可以看出，该剖面的粒度组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，整体上超过50%，剖面中部砂粒含量超过70%，有向粗粒端集中靠拢的特点，说明该剖面风化条件较差，成熟度较低，发育程度较弱。样品粘粒含量较少，除了S4、S6 两个样品超过10%，大体上都少于10%，说明该剖面水热条件较差，致使红色风化壳形成厚度薄，不利于红色风化壳的发育。

3.2 剖面粒度组成的深度变化

图3 是七顶山剖面粒度组成随剖面深度的变化而变化的趋势。从图中可以看出，剖面深度200cm 以上各粒度参数整体发生一次大幅度的上升下降，差异较大。而剖面深度200cm 以下各粒度参数整体发生升降变化三次。粘粒百分比含量在80cm 最大，粘粒含量随风化强度增加而增加，粘粒百分比含量在80cm 处时显示气候湿热，风化作用强，成壤作用强。粘粒百分比含量在200cm 最小，显示气候干冷，风化作用弱，成壤作用弱。粉砂百分比含量的最大值、最小值与粘粒百分比含量位置相同，观察粘粒级含量分布曲线和砂粒级含量分布曲线，发现两组曲线升降变化大致相同，两组曲线表示负相关关系，两粒级变化趋势自上而下整体趋势表现为增大—减小—增大。砂粒百分比含量最多，是沉积物中的众数组，砂粒半分比含量最大值在200cm 处，该处风力较强，气候干冷，红色风化壳发育较差，砂粒百分比最小值在80cm 处，该处风力较弱，气候湿热，有利于红色风化壳发育，砂粒粒级变化趋势剖面自上而下表现为减小—增大—减小。各粒级百分比含量在剖面自上而下整体发生较明显的起伏变化，但红色风化壳依旧表现出正常的演变走势。

图2 七顶山剖面粒度参数三相图

图3 七顶山剖面粒度组成深度变化图

有研究表明风化壳发育环境的湿热条件受粘粒百分比含量的影响[17]。粘粒百分比含量越少，气候条件越干冷；含量越多，气候条件越湿热。粉粘比的大小可以用于表示风化壳的风化强度，即粉粘比值越大，风化壳的风化强度越弱。剖面的粉粘比平均值为3.18，最大值在360cm 处，最小值在160cm 处，整体粉粘比超过了2.5，说明剖面遭受的风化程度较低，成壤作用较弱，红色风化壳发育缓慢。整体粉粘比自上而下趋势表现为增大—减小—增大。粉粘比的变化趋势表明红色风化壳发育下的环境条件发生变化，风化壳在不同深度的风化程度必然受环境条件变化的影响，因此会出现粉粘比波动的差异性现象。

红色风化壳发育条件、气候环境与粉粘比有关，粉粘比越大，七顶山剖面红色风化壳发育程度越低，气候环境越干冷。据图2 可知，由此看出，以深度200cm 为分界线，在深度 200cm 以上，20cm～120cm、120cm～200cm粉粘比含量皆出现先上升后下降趋势，20cm～120cm 变化幅度没有120cm～200cm 幅度大；在深度200cm 以下，200cm～400cm 大致出现不断上升趋势。根据红色风化壳自上而下的不断发育变化趋势，表面在发育过程中整体上是由湿热气候逐渐变为干冷气候再转变为湿热气候，最后逐渐缓慢形成温暖气候的过程。在深度200cm 以下，整体粉粘比不断增高，而在300cm～320cm 明显低值出现，砂粒含量明显增多，可能原因是当时地下水位地质构造的变化。由于红色风化壳在发育过程中的气候条件发生变化，红色风化壳在不同深度具有差异性现象符合风化壳正常演变的趋势。

3.3 七顶山剖面粒度频率分布

图4 是该研究地区剖面样品的粒度分布频率曲线图。据图4 可知，红色风化壳的粒度频率曲线整体上大致呈现先上升后下降趋势，且形状相似。风化壳的发育与其母岩有很大的相关性，表明所有样品具有同源性，与母岩也有很大的继承性。该剖面样品粒度峰大致小于4Φ，表明整体上剖面红色风化壳发育程度较弱。剖面上部的众数峰大致在2.5Φ，且波峰较高尖锐，相比于剖面中下部众数峰1Φ，砂粒含量较少，表明风化壳在该处发育较好，气候条件较湿润，风化程度较强。剖面下部的众数峰在1 Φ 处，波峰较尖锐，发育程度与剖面上部比较，表明在该处的风化壳发育较差，风化作用较弱。在粒度频率分布中，出现小于1Φ 的粗粒峰，风化壳与该剖面的母岩可能存在差异性，风化壳发育过程中的颗粒大小的均匀程度较差。

4 结论

4.1 从粒度参数三相图，粒度参数来看，七顶山剖面红色风化壳以砂粒级粒度含量为主，介于52.77%～74.85%之间，其平均值为62.82%，砂粒含量超过了50%以上，其次是粉砂级粒度，粘粒级粒度所占含量最少。辽南地区整体上红色风化壳的风化程度较低，呈现波动变化，但整体而言风化壳成熟度不高，风化壳颗粒比较粗，发育程度弱，不利于红色风化壳的形成。

图4 七顶山剖面粒度频率曲线图

4.2 七顶山剖面的粉粘比在2.66～3.50 之间，其平均值为3.18，整体粉粘比较高，遭受的风化程度较低，红色风化壳发育缓慢。该剖面红色风化壳的发育是从上到下的，与剖面中下部比较，剖面上部的风化条件要优于剖面中下部，发育规律属于风化壳正常演变趋势。根据七顶山剖面粒度频率曲线，辽南地区红色风化壳与母岩具有一定的同源性、继承性。风化壳发育过程中，出现颗粒大小的均匀程度较差。

4.3 根据七顶山剖面红色风化壳粒度特征，结合粉粘比与红色风化壳发育的气候环境的两者关系，分析辽南地区古气候变化过程。初步反映出辽南地区红色风化壳在发育过程中整体上大致是由湿热气候逐渐变为干冷气候再转变为湿热气候，最后逐渐缓慢形成温暖气候的变化过程，对研究辽南地区古气候变化有一定的指示意义。