丹霞地貌风化现象

丹霞山紫红色砂岩砾岩的化学风化与成土过程

曾水泉

1 概况

丹霞地貌形成的基础是紫红色砂岩砾岩，主要成岩时代在白垩纪至第三纪之间，这类岩石在我国有广泛分布，幷且在不同的水热条件下都有丹霞地貌出现，但并不是所有的紫红色砂岩砾岩都能形成丹霞地貌，说明丹霞地貌的发育主要是地质作用而不是受生物气候的制约。本文对形成典型丹霞地貌的紫红色砂岩砾岩的主要物质组成与化学风化和成土过程的关系进行探讨。

丹霞山地处湿润的中亚热带季风气候区，为亚热带常緑阔叶林一红壤生态系统所覆盖，但在陡坡峭壁为原岩裸露，因此，形成了特殊的丹霞景观，在其顶部戴上緑帽，腰部平台束上緑腰带，悬崖峭壁穿红衣裤，平缓坡麓穿緑鞋，造就了丰富的丹霞旅游资源。

根据丹霞地貌的特点和疏松物质在地表分配的一般规律，按B.E.波雷诺夫对风化殻划分的类型，丹霞山风化物主要可分为四个风化殻类型：顶部为残积型风化殻，腰部平台上为残积—坡积型风化殻；坡麓为重力堆积型风化殻；山丘谷地和河流阶地为冲积型风化殻。风化殻上层由于高等緑色植物的长期活动而形成了具有肥力的土壤。土壤和风化殻都一直朝地带性的富铝化方向发展，但在夹谷内或岩缝中堆积的风化碎屑物，由于缺乏阳光、雨水和高等緑色植物的直接作用，至今仍不能形成土壤，亦可称之为原始土壤。这一类样品分析的数据，未参与其它剖面分析数据的统计。

在丹霞山通过野外调查后，确定了13个采样点，即残积，残坡积，重力坡积和冲积型各定3样点，谷内缝中为一个样点。每个样点的剖面按发生层从母岩至表土进行分层采样，共取得40多个样品。这种布点的原则，主要是考虑不同地貌部位对母岩风化和成土过程中物质新分配的影响，一般在小区的范围内，对风化殻和土壤的物质含量的变化，主要是受地貌而不是气候的影响。

样品经过无污染外理后进行了常量和微量物质的分析，常量组成物质：颗粒组成，有机质和全量、pH值由广东省土壤所负责分析，采用常规分析方法测定；我们对微量元素的分析，是采用我国土壤环境背景值测定方法进行分析。

野外调查观察剖面的内容，以不同地貌部位的剖面各举一例列于表1。

2 丹霞山紫红色砂岩、砾岩的主要物质组成

由丹霞地貌变为今天的丹霞景观，是在坚硬层状紫红色砂岩、砾岩上经过长期的物理、化学和生物共同作用的结果，紫红色砂岩、砾岩作用过程的特点和强度与岩石的物质组成和构造及岩性有密切关系。

紫红色砂岩、砾岩，是由紫红色红细砂层与紫红色砾砂层之间不规则的重叠而成的。其主要矿物为石英，其次为长石、云母类矿物，还有褐铁矿、高岭石、方解石、白去石和金红石等，其中有的为原生矿物，有的为次生矿物，还含有一定的有机物质，后两者有另于岩浆岩的物质组成。

紫红色砂岩中组成物质颗粒粗细，是判别其成岩的物质特点和环境条件的重要标志之一，紫红色砂岩中各粒含量分析结果均值（mm%）为：

可见，紫红色砂岩中，细砂（0.25-0.05mm）占总重量的75%以上，其次为中砂（1.0-0.25mm）和粘粒（<0.001mm），没有粗砂和粗粉砂，显然它是由粘粒为主胶结起来细砂岩。

紫红色砂岩的主要化学组成，是制约其化学风化的关键，丹霞山紫红色砂岩主要化学成份分析结果的均值（%）为：

上述数据表明，在紫红色砂岩中K2O、Na2O和pH值较高；Fe2O3，TiO2和有机质含量低，说明组成紫红色砂岩的物质形成过程中，它的化学风化和淋溶作用微弱，属碱性反应的环境，生物量较低，显然是乾热环境条件的产物。

紫红色砾岩的颗粒组成中，各种大小不一的砾石约占其重量的40%-60%，除了砾石之外的粒级组成，与紫红色砂岩相似，对其分析结果的均值（mm%）为：

紫红色砾岩除了砾石外，粗砂含量增加，粘粒也有所增加，细砂和粉砂含量降低，这些变化，都与当时的环境水热条件的变化有密切的关系。

从上述数据表明，易淋溶的物质和pH值比紫红色砂岩略低，难溶的累积性物质比紫红色砂岩的含量略高，说明紫红色砾岩组成物质的形成环境比紫红色砂岩稍湿润，特别是在这些物质的搬运过程的环境更为湿润。

紫红色砂岩、砾岩成岩固化过程的主要胶结物为SiO2，而CaCO3 和Fe2O3是次要的。紫红色砂岩砾岩固化成岩后，丹霞地貌的形成，

主要受地质的和各种力和机械作用的制约，化学风化和成土过程只起次要的或微观的作用。由于丹霞山紫红色砂岩、砾岩中：CaCO3含量低，不能形成溶洞，只有层间各种机械作用形成的岩洞，以锦石岩为典型。

3 丹霞山紫红色砂岩、砾岩化学风化及其产物的组成

当紫红色砂岩砾岩出露地表时，在当地的光、热、水、二氧化碳、游离氧和生物的共同参与作用下，不断地对它进行各种方式的破坏作用，使其表面疏松块状剥落或进行化学反应而脱离母岩，风化的新产物在坡度较平缓的地方成为疏松块的堆积或残积物。风化产物在高等緑色植物的作用下，则形成了具有肥力的土壤，这里主要是研究化学风化和成土过程中，主要组成物质的变化。

丹霞山紫红色砂岩、砾岩中，主要的矿物组成为石英、长石和云母类，其次为高岭石、褐铁矿或桂酸低铁、方解石、白云石和金红石等。由于石英的Si-O2结构呈架状，它的抗风化能力很强，所以风化缓慢，长石和云母类的矿物出现在具有丰富的H2O、CO2和热量补给的环境中，它们就会发生水化和碳酸盐化的化学反应，如正长石：

2K［AlSiO3O8］+2H2O+CO2→H2Al2Si2O.H2O+K2CO3+2SiO2

正长石化学风化的结果，分离出来易溶性的K2CO3被淋失，而难溶性的高岭土和二氧化硅残留在原地。风化殻和土壤出现粘化和酸、钠、钙斜长石的化学风化也相似。

云母类矿物风化比长石类矿物复杂，因为它的组成成分比长石类矿物复杂，但它的化学风化过程的化学反应与长石类矿物相似，如黑云母：2KMg2Fe［AiSi3O10］(OH2)+6H2O+10CO2→

Al2Si4O10(OH)2+2K(HCO3)+4Mg(HCO3)2+Fe2O3.H2O+2SiO2.其中K(HCO3)和Mg(HCO3)2比K2CO3更易淋失，残留原地的除高岭土和二氧化硅外，还有褐铁矿（Fe2O3·H2O）。

方解石和白云石矿物的化学风化，在H2O和CO2参与下，以化学溶解的方式完成的，

如方解石：CaCO3+H2O+CO2→Ca(HCO3)2

白云石：MgCO3+H2O+CO2→Mg(HCO3)2