湘西岩溶区风化壳的物源石英粒度散布特征的指示文档格式.docx

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A

文章编号:

1001-6872（2009）01-0080-06

0　引　言

近10年来,中国西南岩溶区风化壳的成因、形

成机制及物质的来源等问题一直存在着争议,并形

成了碳酸盐岩风化残积说、原上覆非碳酸盐岩的风

化、风成物和/或火山灰风化、多源成因、溶蚀交代及

体积风化等不同的观点。

这种熟悉上的不合,可能

由于研究对象所处地理环境背景的不同造成,亦可

能由于研究方式的局限造成。

目前,大量的物源研

究工作主要集中在贵州岩溶地域。

研究中愈来愈多

的证据表明,在有利的地形地貌单元,碳酸盐岩是完

全能够风化残积成土的。

而地处江南丘陵向云贵高

原山地过渡的湘西岩溶区,对于其风化壳的成因,尚

未开展过系统的研究和论证。

由于与邻区贵州高原

处于不同的自然地理环境条件,因此无法对碳酸盐

岩风化成土作用是不是作为湘西岩溶区重要的土类资

源的成土机制作出准确判断。

方式上,惰性元素对

比值[2]、稀土元素配分模式[5]、矿物学[5]、全岩粒度

散布特征[4]、石英表面形态[8]、钕、锶同位素组成[9]

等指标已被应用于岩溶区风化壳的物源研究领域。

但上述指标在具体应用中也存在一些局限:

如地球化学上利用惰性元素对比值恒定的物源示踪理论,

由于碳酸盐岩风化进程中的庞大体积缩小转变,从

而使这些元素对比值从基岩到土层中产生了庞大变

化[2,10];

利用稀土元素配分曲线的示踪是基于风化

进程中这些元素不发生分异的假设,但这种前提条

件并非总能知足[11];

在利用矿物学及石英等稳固矿

物表面特征进行物源研究时,因指标受影响因素较

多,指标的多变性和非唯一性指示特征可能致使多

种指示意义;

利用全岩粒度散布特征进行示踪是基

于在风化进程中可预测的粒径转变行为,而对于深

度发育的风化壳,由于风化进程中对碎屑颗粒的强

烈改造、和次生游离氧化物的胶结作用可能致使

粒度的反向粗化,都会降低对物源的指示效果;

利用

钕、锶等同位素的物源示踪,由于不同载体矿物间可

能存在同位素组成上的不同,从而增加了对数据解

释的难度。

石英由于在地质体中散布普遍,而且在表生环

境下较为稳固,其粒度不易被风化成土作用改造而

能更好地反映原始的粒度状况,因此其粒度散布特

征能够成为恢复沉积物搬运机制、沉积环境和物质

来源的良好指标[12~14]。

鉴于此选择湘西岩溶区的

吉首市永顺县王村镇作为研究区域,通过对2条下

伏基岩为灰岩的风化剖面、和呈镶嵌景观产出的

2条碎屑岩风化壳的石英粒度散布特征的对比,以

期查明区域上碳酸盐岩风化成土作用的可能性,进

而对岩溶区风化壳的成因及物源进行研究,而且验

证石英粒度散布特征在岩溶区风化壳物源示踪的有

效性。

1　材料与方式

研究区位于湘西岩溶区的吉首市永顺县王村

镇,地貌上属于低山丘陵地带,区域上碳酸盐岩与碎

屑岩呈镶嵌景观展布,在基岩之上普遍散布着一套

厚度不一的红色风化土层（风化壳）。

于2007年7

月25日~8月3日期间进行了野外踏勘与样品采

集工作。

4条采样剖面均位于地貌特征相似的丘陵

台地面之上,以尽可能消除坡积物的影响。

其中2条

剖面（WC1,WC2）的下伏基岩为灰岩,另2条剖面

（WC3,DBK）的下伏基岩（母岩）别离为紫色砂页岩

和紫红色浅变质粉砂岩,研究区采样剖面位置见图

1。

4条剖面的剖面特征及样品收集方式见表1所

述及图1所示。

图1　采样剖面示用意

剖面;

剖面;

1.灰

岩;

2.砂页岩;

3.浅变质粉砂岩;

4.岩粉层;

5.风化壳;

6.土壤

层;

Y.基岩;

Tn.风化层样品

　Sketchmapshowingthesamplingsections

表1　研究剖面的剖面特征及采样方式

Table1　Characteristicsandsamplingmethodofresearchedsections

剖面

编号下伏基岩酸不溶物含量/%采样地址剖面特征及采样方式

WC1灰白色灰岩王村东北农贸市场周围

人工露头,剖面厚m,岩粉层-土界面清楚,深红色风化壳,缺失

原岩残余结构;

持续刻槽取样,样长20cm,共收集1件基岩、1件岩

粉和11件风化壳样品

WC2灰白色灰岩王村东约2km处公路边

持续刻槽取样,下部样长10cm,中、上部样长20

cm,共收集1件基岩、1件岩粉和14件风化壳样品

WC3紫色砂页岩王村东南约10km处丘陵陇岗天然露头,剖面厚80cm,岩-土界面持续过渡,紫红色风化壳;

距离取样,共收集1件基岩和3件风化壳样品

DBK紫红色浅变质粉砂岩王村镇大坝科村天然露头,剖面厚70cm,岩-土界面持续过渡,砖红色风化壳;

持续刻槽取样,样长10cm,共收集1件基岩和6件风化壳样品

　　利用石英单矿物粒度作为示踪指标,其应用前

提是石英应为全岩样品中的常量组分。

对WC1和

WC2剖脸部份样品的X射线衍射分析（XRD）结果

显示,WC1的下伏灰岩酸不溶物中石英含量为

35·

67%,上覆风化壳的T2,T6中石英含量别离为

37·

24%和38·

02%;

WC2的下伏灰岩酸不溶物中

石英含量为39·

84%,上覆风化壳的T2,T7中石英

含量别离为45·

82%和44·

01%。

而在砂页岩和

粉砂岩等碎屑岩风化壳中,石英本来就是一种常见

组分。

据此能够以为,利用全岩样品中石英单矿物

粒度作为研究指标是具有代表性的。

石英单矿物的分离和提纯采用焦硫酸钾熔融-

氟硅酸溶解法[15],对可能产生的次生非晶态蛋白石

采用热Na2CO3溶液溶解剔除[16]。

主要分离流程

81　第29卷　第1期冯志刚等:

石英粒度散布特征的指示为:

用30%的H2O2溶液氧化样品中的有机质→对

残渣用6mol/L的HCl溶液煮沸2h,以除去样品

的碳酸盐、铁氧化物和部份粘土→对残渣态用焦硫

酸钾在650℃熔融样品45min,去离子水浸泡熔块

至完全溶解→对残渣态用30%的氟硅酸浸泡3d→

用5%热Na2CO3溶液溶解去除可能存在的次生非

晶蛋白石→纯石英。

上述每一步骤的固液分离均采

用离心机在9000r/min转速下进行。

对于碳酸盐

岩基岩及岩粉层样品的石英提纯,先进行酸不溶物

的提取,然后对酸不溶物样品进行上述的石英提取

流程。

由于碳酸盐岩酸不溶物含量一般极低（表

1）,为了保证有足量的供试样品,别离对500g基岩

碎样（>

2mm）及岩粉用1mol/L的HCl进行快速

淋溶,以提取酸不溶物,提取方式详见王世杰等[2]。

对于2条碎屑岩风化壳的基岩样品,由于碳酸盐矿

物等酸溶组分含量较低,不需要再单独进行酸不溶

物组分的提取工作。

石英粒度分析用国产Rise-2008型激光粒度分

析仪测试,量程为0·

02μm~1200μm,用标样

GBW（E）120021控制的分析误差D50<

2%;

矿物

成份用dmax/2200型X射线衍射仪（XRD）分析;

石

英纯度查验用日产JEOL-JSM-6460/LV型扫描电

镜（SEM）与能谱仪（EDX）联用技术,和国产

CRY-2P型高温差热分析仪（DTA）进行。

以上分析

中,XRD,SEM-EDX测试在中国科学院地球化学研

究所完成,其余分析在南华大学完成。

2　结果与讨论

　石英纯度的查验

为了保证供试材料的代表性,随机抽查通过石

英分离提纯的样品WC1-T2和DBK-T1进行纯度

查验。

从样品的DTA分析曲线（图2）中能够看出,

两件样品均在570℃左右出现了强烈吸热谷,而在

其他温度范围内未出现明显热效应,对照《矿物差热

分析鉴定手册》上的标准图谱[17],能够以为两件供

试样品的DTA曲线为石英曲线。

在573℃为低温

α-石英和高温β-石英的相转变温度,升温进程中,当

达到相转变温度时,发生吸热反映。

在DTA曲线

的低温区（<

300℃）未出现热效应,说明风化壳形

成进程中可能产生的次生蛋白石被剔除,同时也指

示了石英分离和提纯进程中释放的硅酸未发生明显

沉淀。

但是,长石等一些矿物类在以上测试温度范

围内较为稳固,不产生热效应,所以从上述DTA曲

线中还无法判断样品中是不是有此类矿物的残留。

通

过SEM-EDX联用技术的进一步观察和测试显示,

两样品在镜下均呈乳白色,表面无明显溶蚀痕迹,颗

粒大多呈不规则粒状,自形程度低,且未发觉其余物

质的存在。

多个矿物颗粒的EDX微区分析结果显

示（见图3,由于视域中未发觉明显异样而未附

SEM图片）,能谱图中只出现了Si,O峰（C峰的出

现是由于样品在预处置进程中喷碳所致）,说明上述

石英分离提纯的方式是靠得住的。

另外,由于中国西

南岩溶区风化壳的脱硅富铝化程度较弱[18],因此,

即便在风化进程中形成的微量次生石英也不足以影

响利用碎屑石英的粒度散布特征对物源的指示。

可

以近似以为,通过提纯处置后的石英粒度代表了母

岩中原始的石英粒度组成。

图2　样品WC1-T2和DBK-T1的DTA曲线

　DTAcurvesofWC1-T2andDBK-T1

图3　供试样品的成份能谱曲线

　EDXspectrumoftestedsamples

　石英粒度参数的计算及结果

粒度参数采用如下的方式计算:

（1）粒度的分级标准:

参照Wilkeetal[19]对风

化沉积物的粒度分级方案,其中,粘粒<

2μm;

粉砂

2μm~63μm;

砂粒63μm~2000μm。

虽然本次

粒度分析的量程上限为1200μm,但所有样品粒度

均<

500μm,因此不影响对粒度散布的真实反映。

（2）φ值粒径:

由于十进制粒级分类是依照十进

制以降序（或升序）的顺序排列的,其分级距离太大,

各粒度不等距,不便于作图和运算,所以一般采用φ

值粒径进行分级[20],对部份粒度参数采用φ值粒径

计算。

φ与毫米表示的粒径d之间的换算关系为φ

=-log2d。

该分级标准的特点是颗粒愈大,粒级

距离愈大,反之距离愈小。

后文中粒度频率散布曲

线采用φ分级,分级距离为1/4φ。

82矿　　物　　岩　　石2009　（3）标准差、偏度及尖度:

采用黄思静[21]提供的

矩值法公式进行计算。

（4）中值粒径（D50）:

由粒度分析软件直接导出。

4条研究剖面的石英粒度散布参数见表2所

示。

　石英粒度频率散布曲线特征

从4条剖面的石英粒度频率散布曲线（图4）中

能够看出,4条剖面的石英粒度频率散布曲线虽然

均呈单峰散布,但各剖面之间无论是峰形仍是众数

值均存在明显不同。

剖面WC1和WC2呈窄峰态,

众数值别离为4·

剖面WC3和DBK呈宽

峰态,众数值别离约为5·

另外,各剖面基

岩与上覆风化壳样品的频率曲线呈现良好的对应关

系,具有较为一致的峰形和众数值。

从碎屑岩风化

剖面WC3和DBK的石英粒度频率散布曲线特征

表明,从母岩到风化壳,石英粒度散布特征是能够继

承的。

因此,灰岩与上覆风化壳剖面（WC1和

WC2）之间频率散布曲线的良好对应关系,指示了

碳酸盐岩为其上覆风化壳的风化母岩。

而各剖面之

间不同的石英粒度频率散布曲线特征,也暗示了区

域上的风化壳不具有一路的物源,各剖面是下伏基

岩风化作用的产物。

同时,剖面WC1和WC2之间

频率曲线存在的明显不同,说明两剖面的碳酸盐岩

酸不溶物源于不同的物源和沉积环境。

　石英粒度参数的指示

在沉积学研究中,标准差、偏度、尖度等粒度参

数常常利用来定量表征粒度散布特征,进而指示沉积物

的形成环境[20],因此,不同物源和沉积条件下形成

的沉积物在粒度参数散点图中将占据不同的区域。

其中,标准差表示碎屑沉积物分选程度的大小,标准

差越小,沉积物的分选性越好;

偏度表示沉积物粗细

散布的对称程度,越负偏,越以细粒级组分为主;

尖

度是频率曲线尾部展开度与中部展开度之比,是衡

表2　研究剖面的石英粒度散布参数

　Table2　Grainsizedistributionparametersofquartzfrom

studiedprofiles

样品编号深度/cm粘粒/%粉砂/%中值/μm标准差偏度尖度

WC1-Y240

WC1-T1230

WC1-T2210

WC1-T3190

WC1-T4170

WC1-T5150

WC1-T6130

WC1-T7110

WC1-T890

WC1-T970

WC1-T1050

WC1-T1130

WC1-T1210

WC2-Y260

WC2-T1250

WC2-T2240

WC2-T3230

WC2-T4220

WC2-T5200

WC2-T6180

WC2-T7160

WC2-T8140

WC2-T9120

WC2-T10100

WC2-T1180

WC2-T1260

WC2-T1340

WC2-T1420

WC2-T155

WC3-Y100

WC3-T180

WC3-T240

WC3-T310

DBK-Y80

DBK-T170

DBK-T260

DBK-T350

DBK-T440

DBK-T530

DBK-T620

注:

样品编号中Y.基岩;

Tn.风化层样品。

其中WC1,WC2,WC3和

DBK与图1所指示的剖面相同

量频率曲线尖峰凸起的程度。

对于沉积物（岩）中

石英单矿物组分而言,其粒度参数是不是能指示如全

图4　研究剖面的石英粒度频率散布曲线

　Grainsizefrequencydistributioncurvesofquartzfromstudiedprofiles

83　第29卷　第1期冯志刚等:

石英粒度散布特征的指示图5　研究剖面的石英粒度参数散点图

实心符号代表基岩;

空心符号代表风化层

　Thescatterdiagramofgrainsizeparametersofquartz

图6　研究剖面的石英颗粒中粘粒/

粉砂随深度的转变

　Thevariationofratioofclayto

siltofquartzgrainsizewith

depthfromstudiedprofiles

岩粒度参数所反映的相应沉积环境,由于缺乏这方

面的对比研究,还不得而知。

但能够肯定的是,不同

物源和沉积环境下形成的沉积物（岩）中石英粒度参

数特征一定有所不同,在此基础上发育的风化壳石

英粒度参数就会继承各自母岩中的石英粒度参数特

征,从而进行风化壳的物源指示。

研究剖面的石英粒度参数散点图（图5）显示各

剖面样品大体上散布于不同的区域,指示了其物源

和沉积环境的不同,而基岩样品又大多投影在上覆

风化壳的散布范围,显示出二者之间的同源性。

因

此,从石英粒度参数散点图也指示了WC1和WC2

剖面风化壳源于下伏灰岩的残积风化。

另外,从图5a能够看出,碳酸盐岩风化剖面的

石英粒度明显比碎屑岩风化壳的粗,而粘粒含量较

低。

与黄土高原的风成石英粒度[12]相较,WC1和

WC2剖面的石英中值粒径（20μm~40μm）远高于

前者,说明来自内陆的风尘不可能成为研究区灰岩

上覆风化壳的物源。

与其他剖面相较,WC1的石英

颗粒具有最大的正偏态和最粗的粒径,反映出碳酸

盐岩与WC3和DBK等碎屑岩的形成环境不同,可

能指示了沉积时更高的能量条件。

　石英粒度在剖面上的转变特征

剖面中粘粒含量的高低必然程度上反映了风化

壳发育程度的强弱[22]。

一般地,风化程度愈高,粘

粒含量及粘粒/粉砂比愈大。

对于风化剖面中的石

英颗粒而言,是不是也具有如此的转变趋势?

图6显

示了研究剖面的石英颗粒中粘粒/粉砂比随深度的

转变曲线,能够看出,随剖面深度的转变,WC1和

WC2的粘粒/粉砂比大体维持稳固,说明其风化壳

的成土母岩中石英粒度散布在垂向上是较为均一

的;

而WC3和DBK的粘粒/粉砂比虽然存在明显

的波动,但未呈现预期的转变趋势,可能指示母岩中

的石英颗粒在垂向上存在着必然的不同,但未影响

利用粒度频率散布曲线及粒度参数对物源的示踪。

从另一个侧面能够看出,母岩中的石英颗粒,在表生

环境下是稳固的。

3　结　语

通过对湘西岩溶区内4条风化剖面的石英粒度

散布特征的对比研究表明:

母岩风化进程中,石英粒

度散布特征是完全能够继承的。

碳酸盐岩酸不溶物

与上覆风化壳之间的石英粒度散布特征具有良好的

对应关系,指示了二者之间的成因联系,即风化壳为

碳酸盐岩风化壳,是碳酸盐岩残积风化的产物。

说

明在湘西岩溶区,在有利的地貌单元,碳酸盐岩是完

全能够风化成土的。

区域上,风化壳不具有一路的

物源,下伏基岩是其上覆风化壳的成土母岩。

另外,

也表明石英粒度散布特征是岩溶区风化壳物源示踪

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