中國南方丘陵區不同母巖型紅土成土特征研究——以贛南地區為例

熊平生

（衡陽師范學院 資源環境與旅游管理系，湖南 衡陽 421002）

紅土成土過程，是指在各種成土因素的綜合作用下，紅土發生發育的過程，包括巖石的崩解，礦物質和有機質的分解、合成，以及物質的淋失、淀積、遷移和生物循環等方面［1］。趙其國［2］認為南方紅壤的形成是脫硅富鋁化過程與生物富集過程兩種相互作用的結果，脫硅富鋁化過程是紅壤形成的基礎，而生物富集過程是現代生物富集作用影響紅壤發育的過程，這兩個過程對紅壤形成的影響是相互統一，不可分割的。黃鎮國等［3］根據南方70多處紅色風化殼的實例對比研究發現，風化強度由弱到強依次為：紫紅色砂頁巖、砂頁巖、石灰巖、第四紀紅粘土、第四紀新沉積物、花崗巖、玄武巖；磁化率大小順序為：玄武巖＞花崗巖＞第四紀紅粘土＞砂頁巖；本文將圍繞紅土剖面常量元素的含量和遷移、微量元素的含量和遷移、剖面風化特征和磁化率變化特征對贛南紅土的成土特性進行分析。

1 采樣和測試

本次剖面研究選擇人工挖掘的新鮮紅土剖面，剖面與剖面之間的距離大于或等于10km，并以20 cm間距對剖面采樣，為了進行對比，分別對第四紀紅土剖面：黃金（HJ）剖面和沙河（SH）剖面以及花崗巖型紅土剖面田村（TC）剖面各采集了21個、21個和45個樣品。

化學成分分析在南京師范大學地理科學學院完成，用荷蘭PANalytical公司生產的Minipal4熒光光譜儀完成。磁化率的實驗測試在西南大學地理科學學院第四紀實驗室完成，使用英國Bartington儀器公司的MS2型磁化率測量儀。

2 結果和討論

2.1 常量元素

2.1.1 常量元素含量

從黃金（HJ）、沙河（SH）和田村（TC）剖面樣品常量化學元素分布（見圖1）可知，除Ca波動較少外，其余各常量元素在紅土垂向上均有不同程度的波動。樣品常量化學元素以SiO2、Al2O3、Fe2O3為主，三者之和達90%以上。三個剖面硅元素含量都很高，鐵元素和鋁元素含量較低，鈣、鉀和鈉含量很少。黃金（HJ）剖面：SiO2含量分布范圍在43.99%～97.08%，平均為65.16%；Al2O3含量分布范圍為7.26%～13.53%，平均為10.33%；Fe2O3含量分布范圍在1.3%～18.098%，平均為5.51%；K2O含量分布范圍在0.42%～0.81%，平均為0.64%；CaO含量分布范圍為0.05%～0.11%，平均為0.641%。沙河（SH）剖面：SiO2含量分布范圍在62.34%～99.87%，平均為83.78%；Al2O3含量分布范圍為9.41%～19.37%，平均為13.01%；Fe2O3含量分布范圍在1.16%～6.8%，平均為2.44%；K2O含量分布范圍在0.65%～2.26%，平均為0.97%；CaO含量分布范圍為0.05%～0.06%，平均為0.05%。田村（TC）剖面：SiO2含量分布范圍在61.27%～76.25%，平均為69.04%；Al2O3含量分布范圍為17.59%～22.49%，平均為19.54%；Fe2O3含量分布范圍在3.24%～4.62%，平均為4.00%；K2O含量分布范圍在1.33%～3.66%，平均為2.62%；CaO含量分布范圍為0.06%～0.16%，平均為0.07%；Na2O含量分布范圍在0.04%～0.12%，平均為0.10%。

此外，Al2O3曲線、SiO2曲線表現出相同的變化趨勢，與Fe2O3的波動正好相反，Na、K同為堿金屬。Na2O曲線、K2O曲線的波動步調相近似，兩者與SiO2的波動步調也較為相似。CaO在三個紅土剖面波動不大，黃金（HJ）剖面和沙河（SH）剖面中部沒變化，只有在剖面頂部出現富集現象。

2.1.2 常量元素的遷移

元素絕對含量變化往往并不能真實地反映風化成土過程中元素的地球化學行為，因為在化學風化的過程中，活動性元素的淋失會直接造成樣品中穩定性元素的濃度增加（殘留富集），從而掩蓋了這一過程中元素遷移或者富集的真實面目，為了消除這種影響，往往采用某一種穩定性元素（如Ti、Al等）作為參照，計算樣品中其他元素的變化率來獲知元素的遷移與富集程度計算公式［4］：

式中Xa、Ia代表樣品中元素X和參比元素I的含量；Xb、Ib為上述元素在原始母質中的含量。如果Δ小于零，則反映元素X相對參比元素遷出；若Δ大于零，則反映元素X相對富集［5］。

圖1 贛南地區第四紀紅土剖面常量元素變化圖（A）HJ剖面（B）SH剖面（C）TC剖面Figure1.Major elements change chart of red clay section in Gannan region

本研究田村剖面為例，以Al為參照元素，經過運算（見圖2）可知，常量元素中絕大部分元素的△值小于零，表明在化學風化過程中發生了遷移淋失，其中Si、K、Ca、Na、Mg元素△＜0且｜△｜＞20%，平均遷移率分別為22.72%、39.89%、97.35%、94.94%、52.50%，說明發生了顯著的遷移，具有強活動性元素的特征。其中Na、Ca元素｜△｜為大于90%，表明這兩種元素相對于Al元素發生了大量的遷移；其次，Mg、K元素｜△｜變動范圍11.8～82.5%；Si｜△｜變動范圍為20～40%，說明整個剖面中以遷移淋失為主。Fe元素△值全部為正數，平均值為111%，相對于Al元素表現為重度富集的特征，表明Fe元素非常穩定，以淀積為主。

圖2 田村（TC）剖面紅土常量化學遷移量曲線Figure2.The major elements migration rate chart of Tiancun（TC）red clay section

田村（TC）剖面6個常量元素遷移率在剖面中的變化：最穩定的元素是Fe，活動性中等的元素是Si，較強活動性元素是Mg和K，強活動性元素Ca和Na。從K、Ca、Mg和Na的遷移程度來看，剖面由下往上活動性元素的遷移程度有逐漸增強的趨勢，其中K和Ca元素的遷移率變化大致以3.5m深度為界，剖面上段K和Ca的遷移率呈現直線增加，而剖面下段遷移率呈現波狀變化。Fe元素以3.5m深度為界，剖面上段Fe元素遷移率變化較穩定，剖面下段Fe的遷移率出現較大幅度的波動，上部富集程度比下部大。這種變化說明剖面上段的風化及淋溶作用程度要強于剖面下段，使得活動性元素大量分解、淋失，而穩定性元素Fe大量富集。活動性依次增強的Mg、K、Na和Ca元素在整個剖面中基本上均表現為淋溶遷移的特征，且剖面下段的遷移程度較剖面上段更強，波動的幅度也更大。

2.2 微量元素

2.2.1 微量元素的含量

田村（TC）紅土剖面主要微量元素含量（見圖3），剖面Cr元素平均含量為20.09ppm，變化范圍為13.7～23.6ppm；Mn元素的平均含量為977.42 ppm，變化范圍為647～1 359ppm；V元素的平均含量為58.16ppm，變化范圍為43.6～70.2ppm；Ti元素平均含量為2 718ppm，變化范圍為2 479～2 496ppm。Cr元素和Mn元素變化曲線形態相近似，V元素和Ti元素曲線形態上也有些相近似。上述幾種微量元素變化規律：由剖面下部往上總體上呈現遞增的趨勢，局部也出現波動。

圖3 田村（TC）紅土剖面微量元素含量曲線Figure3.The trace elements content curve chart of Tiancun（TC）red clay section

2.2.2 微量元素的遷移和累積

上述討論了常量元素的富集特征，以惰性的鋁作為假定不移動的元素，與此相仿，討論微量元素的富集程度，我們用活動性很低的鈦元素作為假定不移動的元素，來計算微量元素的淋溶系數t，t為負值，表示遷移率；t為正值，表示了累積率。微量元素淋溶系數計算式如下：

式中，t為淋溶系數；t1為母巖中該元素的含量，t2為在Ti含量不發生變化的情況下，風化殼中該元素的含量；t′為風化殼中該元素的含量［3］。

經過運算（見圖4）可知，田村剖面由下部往上微量元素的累積率逐漸增強，整個剖面累積率變化范圍為0.2～0.5之間，屬于中度累積。剖面V含量很低，剖面下部（＞450cm）該元素累積率小于0.2，屬于弱累積。而剖面上部（＜450cm）累積率界于0.2～0.5之間，屬于強累積。研究發現，V在氧化條件下，以可溶態的H2VO4－形式被淋失，而在還原環境下，呈V3＋呈殘余態存在，與Fe共沉淀或被粘土礦物吸附［6］。剖面Cr的累積情況跟V元素相似，以450cm為界，剖面上部屬于強累積，剖面下部屬于弱累積。研究發現，Cr的分布強烈受控于氧化還原條件，可溶性的HCrO4－可以出現在強烈氧化環境中會發生遷移［7］。剖面Mn累積率呈現波動變化，多數樣品的累積累為大于0.5，屬于強累積。研究發現，Mn是變價元素，地球化學活動性受氧化—還原條件所制約，還原環境下Mn（II）呈易溶態，含Mn礦物在風化過程中釋放出的Mn（II）經氧化轉變成Mn（IV）從溶液中沉淀出來，遷移能力就會降低［7］。

圖4 田村（TC）紅土剖面樣品的微量元素累積曲線圖Figure4.The trace elements accumulation rate chart of Tiancun（TC）red clay section

2.3 風化特征

紅色風化殼不同風化程度可以用風化系數表示，一 般 用 硅 鋁 系 數（SiO2／Al2O3）、鋁 鐵 系 數（Al2O3／Fe2O3）和鋁鐵硅系數（R2O3／SiO2）來表示，前兩者數值越小，說明風化程度越高，后者越高說明風化程度越高，此外，紅色風化殼中粘粒（＜1μm）組分含量大，反映風化作用強（黃鎮國，1996）。本研究還比較了三個紅土剖面的富鐵系數（Fe2O3／Al2O3）和殘余系數（Al2O3＋Fe2O3）／SiO2）。

由（圖5）得知，黃金（HJ）剖面硅鋁系數平均值為10.87，變化范圍為6.15～19.15；鋁鐵系數平均值為3.95，變化范圍為1.05～15.91；鋁鐵硅系數0.15，變化范圍為0.09～0.27；富鐵系數平均值為0.34，變化范圍為0.06～0.95；殘余系數平均值為0.13，變化范圍為0.07～0.34；（＜1μm）粘粒含量平均值為11.08%。沙河（SH）剖面硅鋁系數平均值為11.25，變化范圍為7.54～19.15；鋁鐵系數平均值為10.63，變化范圍為2.84～19.25；鋁鐵硅系數0.10，變化范圍為0.07～0.16；富鐵系數平均值為0.12，變化范圍為0.06～0.35；殘余系數平均值為0.10，變化范圍為0.07～0.16；（＜1μm）粘粒含量平均值為6.12%。田村（TC）剖面硅鋁系數平均值為5.96，變化范圍為4.97～6.99；鋁鐵系數平均值為9.55，變化范圍為6.69～20.20；鋁鐵硅系數0.18，變化范圍為0.15～0.22；富鐵系數平均值為0.13，變化范圍為0.11～0.13；殘余系數平均值為0.18，變化范圍為0.16～0.22；（＜1μm）粘粒含量平均值為1.88%。對照黃鎮國（1996）紅色風化殼富鋁化程度劃分標準，可以初步判斷：黃金（HJ）剖面、沙河（SH）剖面和黃金（HJ）剖面都屬于輕度富鋁化程。

圖5 贛南地區第四紀紅土剖面風化特征參量變化圖（a）HJ剖面（b）SH剖面（c）TC剖面Figure5.Weathering characteristics values of red clay section inGannan region

黃金剖面硅鋁系數（SiO2／Al2O3）曲線的變化形態和鋁鐵系數（Al2O3／Fe2O3）曲線的變化形態比較一致，但它們與鋁鐵硅系數（R2O3／SiO2）曲線變化形態大致相反。鋁鐵硅系數（R2O3／SiO2）曲線變化形態與富鐵系數曲線、殘余系數曲線和（＜1μm）粘粒含量曲線的變化形態較為一致；沙河剖面硅鋁系數曲線和鋁鐵系數曲線形態的相似性不如黃金剖面，但鋁鐵硅系數（R2O3／SiO2）曲線趨勢和硅鋁系數曲線步調相反，殘余系數曲線、鋁鐵硅系數曲線與（＜1μm）粘粒含量曲線的變化形態較為一致。田村剖面率鐵系數曲線、鋁鐵硅系數曲線、富鐵系數曲線、殘余系數曲線和（＜1μm）粘粒含量曲線的變化形態較為一致，但它們與硅鋁系數曲線步調近似相反。

2.4 磁化率特征

通過對贛南地區紅土剖面樣品質量磁化率測定，運算結果見（圖6）。黃金（HJ）剖面低頻質量磁化率平均值為166.6×10－8m3／kg，變幅范圍為115.4～211.5×10－8m3／kg；沙河（SH）剖面低頻質量磁化率平均值為162.0×10－8m3／kg，變幅范圍為100.8～246.7×10－8m3／kg；田村（TC）剖面低頻磁化率平均值為327.32×10－8m3／kg，變幅范圍為60.69～451.73×10－8m3／kg。兩個第四紀紅粘土（HJ和SH）低頻質量磁化率平均值相近似，比花崗巖紅色風化殼（TC）剖面低。

圖6 贛南地區紅土剖面低頻質量磁化率變化圖Figure 6.Low－frequency massic magnetic susceptibility of red clay section inGannan region

黃金（HJ）剖面樣品HJ－8和HJ－20層質量磁化率較高，不同層位低頻質量磁化率的關系：均質紅土土層（平均為116.3×10－8m3kg－1）＜紅壤層（128×10－8m3kg－1）＜網紋紅土層（平均為174.26×10－8m3kg－1）。沙河（SH）剖面樣品SH－5、SH－15層質量磁化率較高，不同層位低頻質量磁化率的關系：均質紅土土層（平均為120.1×10－8m3kg－1）＜網紋紅土層（平均為159.99×10－8m3kg－1）。田村紅土剖面中樣品TC－19、TC－33和TC－41層質量磁化率值較高，分 別為451.73×10－8m3kg－1、416.59×10－8m3kg－1、420.48×10－8m3kg－1。剖面上半部（0～420cm）磁化率（Xlf）平均值為341.15m3kg－1，高于剖面下半部（430～900cm）磁化率（Xlf）平均值為325.22m3kg－1。田村（TC）剖面不同紅土層位低頻質量磁化率大小關系：紅壤層（270.58×10－8m3kg－1）＜均質紅土土層（平均為284.48×10－8m3kg－1）＜網 紋 紅 土 層（平 均 為331.84×10－8m3kg－1）。

3 結 論

（1）三個紅土剖面硅元素的含量都很高，平均值都在60%以上，鐵元素和鋁元素含量較低，鈣、鉀和鈉含量很少。田村紅土剖面常量元素Si、K、Ca、Mg和Na在整個剖面中基本上均表現為淋溶遷移的特征，Si元素平均遷移量為22.72%、K元素為39.89%、Ca元素為97.35%、Na元素為94.94%、Mg元素為52.50%，由剖面下部往上表現出遷移程度有逐漸增強的趨勢。Fe元素和AI元素為富集元素，剖面上部比下部富集程度略大。這些現象皆為我國南方紅土脫硅和富鋁化過程的一般特征。剖面微量元素V、Cr和Mn累積率多數樣品位于0.2～0.5之間，屬于中度累積，并且由剖面下部往上呈現逐漸增強的趨勢。這些都說明了贛南地區紅土在當前氣候條件下仍進行著明顯的脫硅和富鋁化作用。

（2）黃金（HJ）剖面硅鋁系數平均值為10.87，鋁鐵系數平均值為3.95，鋁鐵硅系數為0.15；沙河（SH）剖面硅鋁系數平均值為11.25，鋁鐵系數平均值為10.63，鋁鐵硅系數0.10；田村（TC）剖面硅鋁系數平均值為5.96，鋁鐵系數平均值為9.55，鋁鐵硅系數0.18。由此可以判斷，三個紅土剖面屬于輕度富鋁化程度。三個紅土剖面硅鋁系數值、鋁鐵系數值由剖面底部往上呈現遞減的趨勢，而鋁鐵硅系數曲線值由底部往上呈現遞增的趨勢，說明三個剖面風化程度由底部往上呈現出越來越強的趨勢。此外，黃金（HJ）剖面、沙河（SH）剖面和田村（TC）剖面（＜1μm）的粘粒百分含量值由底部往上總體趨勢是逐漸增大，也反映了紅土剖面風化程度低由部往上增強的趨勢，三個剖面曲線變化存在鋸齒狀波動，尤其黃金剖面風化系數曲線波動的更厲害，說明風化程度也不是完全按照由底部往上正向遞增的變化。

（3）三個剖面不同紅土層低頻質量磁化率大小關系大致為：紅壤層＜均質紅土層＜網紋紅土層網位。具體來說，黃金剖面：均質紅土土層（平均為116.3×10－8m3kg－1）＜紅 壤 層（128×10－8m3kg－1）＜網 紋 紅 土 層（平 均 為174.26×10－8m3kg－1）。沙河剖面均質紅土土層（平均為120.1×10－8m3kg－1）＜網紋紅土層（平均為159.99×10－8m3kg－1）。田村（TC）剖面紅壤層（270.58×10－8m3kg－1）＜均質紅土土層（平均為284.48×10－8m3kg－1）＜網 紋 紅 土 層（平 均 為331.84×10－8m3kg－1）。第四紀紅土低頻質量磁化率平均值低于花崗巖紅土。三個剖面接近地表的樣品同時出現了相似的情況：如黃金剖面（TC－1、TC－2、TC－3、TC－4）、黃金剖面（HJ－1、HJ－2、HJ－3）和沙河剖面（SH－1、SH－2、SH－3）低頻質量磁化率值反而降低，可能與贛南地區長期高溫多雨的氣候環境有關，在這種的濕熱的氣候環境下，細顆粒包括細粒磁性礦物發生流失，從而造成低頻質量磁化率降低。

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