曾水泉

　　1　概况

　　丹霞地貌形成的基礎是紫紅色砂岩礫岩，主要成岩時代在白堊紀至第三紀之間，這類岩石在我國有廣泛分佈，并且在不同的水熱條件下都有丹霞地貌出現，但並不是所有的紫紅色砂岩礫岩都能形成丹霞地貌，説明丹霞地貌的發育主要是地質作用而不是受生物氣候的制約。本文對形成典型丹霞地貌的紫紅色砂岩礫岩的主要物質組成與化學風化和成土過程的關系進行探討。

　　丹霞山地處濕潤的中亞熱帶季風氣候區，爲亞熱帶常緑闊葉林一紅壤生態系統所覆蓋，但在陡坡峭壁爲原岩裸露，因此，形成了特殊的丹霞景觀，在其頂部戴上緑帽，腰部平臺束上緑腰帶，懸崖峭壁穿紅衣褲，平緩坡麓穿緑鞋，造就了豐富的丹霞旅遊資源。

　　根據丹霞地貌的特點和疏鬆物質在地表分配的一般規律，按B.E.波雷諾夫對風化殻劃分的類型，丹霞山風化物主要可分爲四個風化殻類型：頂部爲殘積型風化殻，腰部平臺上爲殘積—坡積型風化殻；坡麓爲重力堆積型風化殻；山丘谷地和河流階地爲冲積型風化殻。風化殻上層由於高等緑色植物的長期活動而形成了具有肥力的土壤。土壤和風化殻都一直朝地帶性的富鋁化方向發展，但在夾谷内或岩縫中堆積的風化碎屑物，由於缺乏陽光、雨水和高等緑色植物的直接作用，至今仍不能形成土壤，亦可稱之爲原始土壤。這一類樣品分析的數據，未參與其它剖面分析數據的統計。

　　在丹霞山通過野外調查後，確定了13個採樣點，即殘積，殘坡積，重力坡積和冲積型各定3樣點，谷内縫中爲一個樣點。每個樣點的剖面按發生層從母岩至表土進行分層採樣，共取得40多個樣品。這種布點的原則，主要是考慮不同地貌部位對母岩風化和成土過程中物質新分配的影響，一般在小區的範圍内，對風化殻和土壤的物質含量的變化，主要是受地貌而不是氣候的影響。

　　樣品經過無污染外理後進行了常量和微量物質的分析，常量組成物質：顆粒組成，有機質和全量、pH值由廣東省土壤所負責分析，采用常規分析方法測定；我們對微量元素的分析，是采用我國土壤環境背景值測定方法進行分析。

　　野外調查觀察剖面的内容，以不同地貌部位的剖面各舉一例列於表1。

　　2　丹霞山紫紅色砂岩、礫岩的主要物質組成

　　由丹霞地貌變爲今天的丹霞景觀，是在堅硬層狀紫紅色砂岩、礫岩上經過長期的物理、化學和生物共同作用的結果，紫紅色砂岩、礫岩作用過程的特點和强度與岩石的物質組成和搆造及岩性有密切關系。

　　紫紅色砂岩、礫岩，是由紫紅色紅細砂層與紫紅色礫砂層之間不規則的重叠而成的。其主要礦物爲石英，其次爲長石、雲母類礦物，還有褐鐵礦、高嶺石、方解石、白去石和金紅石等，其中有的爲原生礦物，有的爲次生礦物，還含有一定的有機物質，後兩者有另於岩漿岩的物質組成。

　　紫紅色砂岩中組成物質顆粒粗細，是判别其成岩的物質特點和環境條件的重要標誌之一，紫紅色砂岩中各粒含量分析結果均值（mm%）爲：

　　可見，紫紅色砂岩中，細砂（0.25-0.05mm）占總重量的75%以上，其次爲中砂（1.0-0.25mm）和粘粒（<0.001mm），没有粗砂和粗粉砂，顯然它是由粘粒爲主膠結起來細砂岩。

　　紫紅色砂岩的主要化學組成，是制約其化學風化的關鍵，丹霞山紫紅色砂岩主要化學成份分析結果的均值（%）爲：

　　上述數據表明，在紫紅色砂岩中K2O、Na2O和pH值較高；Fe2O3，TiO2和有機質含量低，説明組成紫紅色砂岩的物質形成 過程中，它的化學風化和淋溶作用微弱，屬碱性反應的環境，生物量較低，顯然是乾熱環境條件的産物。

　　紫紅色礫岩的顆粒組成中，各種大小不一的礫石約占其重量的40%-60%，除了礫石之外的粒級組成，與紫紅色砂岩相似，對其分析結果的均值（mm%）爲：

　　紫紅色礫岩除了礫石外，粗砂含量增加，粘粒也有所增加，細砂和粉砂含量降低，這些變化，都與當時的環境水熱條件的變化有密切的關系。

　　從上述數據表明，易淋溶的物質和pH值比紫紅色砂岩略低，難溶的累積性物質比紫紅色砂岩的含量略高，説明紫紅色礫岩組成物質的形成環境比紫紅色砂岩稍濕潤，特别是在這些物質的搬運過程的環境更爲濕潤。

　　紫紅色砂岩、礫岩成岩固化過程的主要膠結物爲SiO2，而CaCO3 和Fe2O3是次要的。紫紅色砂岩礫岩固化成岩後，丹霞地貌的形成，主要受地質的和各種力和機械作用的制約，化學風化和成土過程只起次要的或微觀的作用。由於丹霞山紫紅色砂岩、礫岩中：CaCO3含量低，不能形成溶洞，只有層間各種機械作用形成的岩洞，以錦石岩爲典型。

　　3　丹霞山紫紅色砂岩、礫岩化學風化及其産物的組成

　　當紫紅色砂岩礫岩出露地表時，在當地的光、熱、水、二氧化碳、游離氧和生物的共同參與作用下，不斷地對它進行各種方式的破壞作用，使其表面疏鬆塊狀剥落或進行化學反應而脱離母岩，風化的新産物在坡度較平緩的地方成爲疏鬆塊的堆積或殘積物。風化産物在高等緑色植物的作用下，則形成了具有肥力的土壤，這裏主要是研究化學風化和成土過程中，主要組成物質的變化。

　　丹霞山紫紅色砂岩、礫岩中，主要的礦物組成爲石英、長石和雲母類，其次爲高嶺石、褐鐵礦或桂酸低鐵、方解石、白雲石和金紅石等。由於石英的Si-O2結構呈架狀，它的抗風化能力很强，所以風化緩慢，長石和雲母類的礦物出現在具有豐富的H2O、CO2和熱量補給的環境中，它們就會發生水化和碳酸鹽化的化學反應，如正長石：

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

　　正長石化學風化的結果，分離出來易溶性的K2CO3被淋失，而難溶性的高嶺土和二氧化硅殘留在原地。風化殻和土壤出現粘化和酸、鈉、鈣斜長石的化學風化也相似。

　　雲母類礦物風化比長石類礦物復雜，因爲它的組成成分比長石類礦物復雜，但它的化學風化過程的化學反應與長石類礦物相似，如黑雲母：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，殘留原地的除高嶺土和二氧化硅外，還有褐鐵礦（Fe2O3·H2O）。

　　方解石和白雲石礦物的化學風化，在H2O和CO2參與下，以化學溶解的方式完成的，

　　如　方解石：CaCO3+H2O+CO2→Ca(HCO3)2

　　　白雲石：MgCO3+H2O+CO2→Mg(HCO3)2

　　可見，這類礦物的化學風化的産物絶大部分都隨水流進行遷移，在原地殘留極少。

　　紫紅色砂岩、礫岩中含有少量的低鐵礦物， 這些礦物的化學風化，主要是進行氧化還原反應，當低鐵進行氣化時還可放出熱量，如硅酸鐵：4FeSiO2→2Fe2O3+4SiO2+214400焦爾。當高價鐵礦物在缺乏游離氧和豐富的有機質的環境中，又被還原爲低鐵礦物，並沿土壤剖面進行移動；如硅酸鐵：2Fe2O3·3H2O+2C→FeO+2CO2+3H2O和FeO+CO2→Fe2O3。

　　各種礦物的化學風化過程，大量可溶性鹽基物質被淋失，殘留 在原地的難溶性物質中，提高了H2O、H+、Al、Fe、Ti的含量。可見，紫紅色砂岩、礫岩中礦物的化學風化過程是酸化、粘化和富鋁化過程，加上土壤中含有較豐富的有機質和有機酸，所以土壤的pH值比風化殻低。

　　3.1　丹霞山母岩風化和成土過程粒級的變化

　　由於紫紅色砂岩、礫岩受各種風化作用的影響，其組成物質的顆粒也發生了變化，加上成土過程的作用，其組成物質産生更大的分异。風化殻和土壤中粒含量變化的大小，是衡量石礦物風化强度的標誌之一。母岩、風化殻的土壤中粒各級含量見表2。

　　風化殻和土壤粒級含量與母岩對比，所得的各粒級變化系數分别爲：石塊2.12和1.93；粗砂1.30和1.14；中砂同爲1.22；細砂0.57和0.58；粗粉砂7.57和8.28；中粉砂2.48和2.45，細粉砂1.81和1.79；粘粒2.32和2.12。

　　顯然，在風化和成土過程中，細砂含量减少極顯著，而粉砂和粘粒含量顯著增加，但碎屑物中粒級變化較小。因此，從粒級含量變化中，體現出風化和成土過程有明顯的粘化現象。

　　3.2　丹霞山母岩風化和成土過程化學成分的變化

　　風化殻和土壤對比母岩的化學成分含量的變化，是體現其化學風化和成土過程的方向及其强度的標誌之一，丹霞山紫紅色砂岩、礫岩及其風化殻和土壤的全量分析結果的均值見表3。

　　爲了易於看出各物質變化大小，采用元素地球化學遷移與累積的計算模式進行統計，其模式爲：y×=ab-1·100和y-=1nZni=1yxi

　　 式中，yx爲x 物質在各剖面中的遷移或累積率，a爲土壤或風化殻的發生層，b爲母岩，yx爲全區土壤或風化殻中x物質的遷移或累積率（得正值爲累積率，負值爲遷移率）。

　　利用表3的數據對風化殻和土壤各種物質進行計算的結果，風化殻和土壤的遷移率或累積率分别爲：有機質1018和1306；燒失量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。按物質遷移或累積强度可排出它們的序列，遷移序列爲：CaO >Na2O >K2O >MnO>pH值，累積序列爲：有機質>TiO2 >Fe2O3>燒失量>P2O3>MgO >Al2O3>SiO2。

　　可見,紫紅色砂岩、礫岩在風化和成土過程物質變化的主要特點有：①有機質累積極顯著，Ca、Na、K氧化物遷移强度很大，導致風化殻和土壤産生酸性反應。②TiO2和Fe2O3有明顯的累積，但Al2O3累積極微弱，而SiO2稍有累積，因此，富鋁化較微弱而風化殻和土壤處在脱鹽基階段較明顯。

　　3.3　母岩、風化殻和土壤中微量元素含量

　　丹霞山紫紅色砂岩，礫岩、風化殻和土壤中分析了11個元素，各元素均值見表4。

　　上述11個微量元素正常在風化和成土過程中，Pb和Zr兩元素産生累積，其它9個元素都不同程度地産生遷移，這些元素的變化趨勢，是與母岩的碱性到風化殻、土壤的酸性環境相吻合。

　　4　丹霞山不同地貌部位的風化殻和土壤中物質含量

　　在一個地區内，地面是風化殻和土壤中物質含量分异的主導條件，由於丹霞地貌的特殊性，决定瞭風化殻和土壤公佈的不連續性，總的分佈規律還是一致的，同樣，丹霞山頂爲殘積物；腰部平臺爲殘積一坡積物；坡麓爲重力堆積一坡積物，谷底和河流階地爲冲積物，在不同地貌部位堆積疏鬆物質來源不同，其上發育的風化殻和土壤的物質含量也不相同（表5）。

　　爲了便於判别不同地貌部位上風化殻和土壤中主要物質含量差异的大小，采用分异系數Ki=xi/xi表示。xii爲每個地貌部位上風化殻或土壤中i物質的均值，xi爲丹霞山風化殻或土壤中i物質的均值，所謂分异系數是丹霞山全區均值除以各地貌部位上的均值所得的商，當Ki大於1時，説明高於全區值，Ki低於1時，則低於全區值含量，詳見表6和圖1（a、b）。

　　5　小結

　　（1）由連片的紫紅色砂岩、礫岩形成特殊的丹霞地貌，是以地質新搆造作用爲主，與外動力共同作用所致，成岩物質來源於乾熱環境、碱性反應。

　　（2）丹霞地貌變爲丹霞景觀，是經過各種風化和成土過程，而相應地建立了相對穩定的生態系統所致，風化和成土過程處在濕熱環境而形成酸性反應。

　　（3）組成紅岩的物質，在常温常壓的環境中曾經過一定時間的風化作用，當成岩後，再次在常温常壓環境中出露。它的抗風化能力要比相鄰的岩漿岩强，紅岩中石英含量很高和丹霞地貌的影響，它的風化産物的堆積比較淺薄，而且並不連續，在不同地貌部位上物質含量也不同。

　　（4）丹霞山紅岩的化學風化和成土過程中，易溶性物質遭到淋溶，難溶性物質産生了累積，水分和有機質含量也極顯著提高，結果出現脱鹽基和酸化過程，粘化作用比富鋁化更顯著。

　　載文：原中山大學報（自然科學）論叢［25］，1991