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

　　可见，这类矿物的化学风化的产物絶大部分都随水流进行迁移，在原地残留极少。

　　紫红色砂岩、砾岩中含有少量的低铁矿物， 这些矿物的化学风化，主要是进行氧化还原反应，当低铁进行气化时还可放出热量，如硅酸铁：4FeSiO2→2Fe2O3+4SiO2+214400焦尔。当高价铁矿物在缺乏游离氧和丰富的有机质的环境中，又被还原为低铁矿物，并沿土壤剖面进行移动；如硅酸铁：2Fe2O3·3H2O+2C→FeO+2CO2+3H2O和FeO+CO2→Fe2O3。

　　各种矿物的化学风化过程，大量可溶性盐基物质被淋失，残留 在原地的难溶性物质中，提高了H2O、H+、Al、Fe、Ti的含量。可见，紫红色砂岩、砾岩中矿物的化学风化过程是酸化、粘化和富铝化过程，加上土壤中含有较丰富的有机质和有机酸，所以土壤的pH值比风化殻低。

　　3.1　丹霞山母岩风化和成土过程粒级的变化

　　由于紫红色砂岩、砾岩受各种风化作用的影响，其组成物质的颗粒也发生了变化，加上成土过程的作用，其组成物质产生更大的分异。风化殻和土壤中粒含量变化的大小，是衡量石矿物风化强度的标志之一。母岩、风化殻的土壤中粒各级含量见表2。

　　风化殻和土壤粒级含量与母岩对比，所得的各粒级变化系数分别为：石块2.12和1.93；粗砂1.30和1.14；中砂同为1.22；细砂0.57和0.58；粗粉砂7.57和8.28；中粉砂2.48和2.45，细粉砂1.81和1.79；粘粒2.32和2.12。

　　显然，在风化和成土过程中，细砂含量减少极显着，而粉砂和粘粒含量显着增加，但碎屑物中粒级变化较小。因此，从粒级含量变化中，体现出风化和成土过程有明显的粘化现象。

　　3.2　丹霞山母岩风化和成土过程化学成分的变化

　　风化殻和土壤对比母岩的化学成分含量的变化，是体现其化学风化和成土过程的方向及其强度的标志之一，丹霞山紫红色砂岩、砾岩及其风化殻和土壤的全量分析结果的均值见表3。

　　为了易于看出各物质变化大小，采用元素地球化学迁移与累积的计算模式进行统计，其模式为：y×=ab-1·100和y-=1nZni=1yxi

　　 式中，yx为x 物质在各剖面中的迁移或累积率，a为土壤或风化殻的发生层，b为母岩，yx为全区土壤或风化殻中x物质的迁移或累积率（得正值为累积率，负值为迁移率）。

　　利用表3的数据对风化殻和土壤各种物质进行计算的结果，风化殻和土壤的迁移率或累积率分别为：有机质1018和1306；烧失量171和180：SiO2100和101；R2O3119和111；Fe2O3 206和198；Al2O3103和101；TiO2 221和214；MuO-54和-50；CaO-83和-85；MgO 107和100；K2O -60和-62；Na2O -75和-77；P2O5100和125；pH-36和-39。按物质迁移或累积强度可排出它们的序列，迁移序列为：CaO >Na2O >K2O >MnO>pH值，累积序列为：有机质>TiO2 >Fe2O3>烧失量>P2O3>MgO >Al2O3>SiO2。

　　可见,紫红色砂岩、砾岩在风化和成土过程物质变化的主要特点有：①有机质累积极显着，Ca、Na、K氧化物迁移强度很大，导致风化殻和土壤产生酸性反应。②TiO2和Fe2O3有明显的累积，但Al2O3累积极微弱，而SiO2稍有累积，因此，富铝化较微弱而风化殻和土壤处在脱盐基阶段较明显。

　　3.3　母岩、风化殻和土壤中微量元素含量

　　丹霞山紫红色砂岩，砾岩、风化殻和土壤中分析了11个元素，各元素均值见表4。

　　上述11个微量元素正常在风化和成土过程中，Pb和Zr两元素产生累积，其它9个元素都不同程度地产生迁移，这些元素的变化趋势，是与母岩的碱性到风化殻、土壤的酸性环境相吻合。

　　4　丹霞山不同地貌部位的风化殻和土壤中物质含量

　　在一个地区内，地面是风化殻和土壤中物质含量分异的主导条件，由于丹霞地貌的特殊性，决定瞭风化殻和土壤公布的不连续性，总的分布规律还是一致的，同样，丹霞山顶为残积物；腰部平台为残积一坡积物；坡麓为重力堆积一坡积物，谷底和河流阶地为冲积物，在不同地貌部位堆积疏松物质来源不同，其上发育的风化殻和土壤的物质含量也不相同（表5）。

　　为了便于判别不同地貌部位上风化殻和土壤中主要物质含量差异的大小，采用分异系数Ki=xi/xi表示。xii为每个地貌部位上风化殻或土壤中i物质的均值，xi为丹霞山风化殻或土壤中i物质的均值，所谓分异系数是丹霞山全区均值除以各地貌部位上的均值所得的商，当Ki大于1时，说明高于全区值，Ki低于1时，则低于全区值含量，详见表6和图1（a、b）。

　　5　小结

　　（1）由连片的紫红色砂岩、砾岩形成特殊的丹霞地貌，是以地质新构造作用为主，与外动力共同作用所致，成岩物质来源于乾热环境、碱性反应。

　　（2）丹霞地貌变为丹霞景观，是经过各种风化和成土过程，而相应地建立了相对稳定的生态系统所致，风化和成土过程处在湿热环境而形成酸性反应。

　　（3）组成红岩的物质，在常温常压的环境中曾经过一定时间的风化作用，当成岩后，再次在常温常压环境中出露。它的抗风化能力要比相邻的岩浆岩强，红岩中石英含量很高和丹霞地貌的影响，它的风化产物的堆积比较浅薄，而且并不连续，在不同地貌部位上物质含量也不同。

　　（4）丹霞山红岩的化学风化和成土过程中，易溶性物质遭到淋溶，难溶性物质产生了累积，水分和有机质含量也极显着提高，结果出现脱盐基和酸化过程，粘化作用比富铝化更显着。

　　载文：原中山大学报（自然科学）论丛［25］，1991