风化壳研究的现状与展望

风化壳是岩石圈、大气圈以及水圈、生物圈之间相互作用的界面,能够直接记录地球多圈层演化的信息.利用风化壳的地带性规律重建古环境是地貌学研究的传统内容之一.近年来,单晶矿物激光40Ar/39Ar测年技术、"双面"模式以及古地磁法等在风化壳研究中的成功应用,在理论和技术上为恢复大陆剥蚀区高分辨率的环境演变历史创造了条件.利用风化年代学、风化地层学、古地磁学和地球化学等方法对风化壳进行综合研究,不仅可以建立剥蚀区的环境演变序列,为风化期次(事件)与其他全球性构造-气候事件的对比提供了广阔的前景;而且可以用于化学风化(强度和速度)的准确量化,有利于深入理解构造-剥蚀-风化-气候之间相互作用的反馈机制和正确评估人类活动对未来气候的影响能力.     

黄土中风化壳的确定与研究

本文在黄土地层中首次确定了更新世三个时期的风化壳,并根据粘土矿物X-射线衍射、薄片观察、孢粉分析鉴定和CaCO_3淀积深度资料,对风化壳类型和形成条件进行了研究。     

辽南黄土覆盖的红色风化壳发育特征及区域对比

通过分析辽南七顶山黄土覆盖的红色风化壳地球化学特征,研究其发育特征并与湘桂黔滇青藏陕甘红色风化壳发育特征进行比较,为了解黄土覆盖的红色风化壳发育特征及不同地区红色风化壳发育特征的空间差异提供初步依据。化学元素实验表明,七顶山剖面红色风化壳主量元素平均值分布呈现如下趋势:SiO₂ > Al₂O₃ > Fe₂O₃ > K₂O > CaO > MgO > Na₂O,化学蚀变指数（CIA）介于83.19 ~ 86.89,盐基淋溶率（ba）介于0.26 ~ 0.35,铝饱和指数A/NK介于6.10 ~ 7.47,A/CNK介于3.93 ~ 4.99,S/A介于5.24 ~ 6.47,S/R介于4.53 ~ 5.50。结果表明:七顶山剖面红色风化壳呈正风化序列,是下伏基岩原地风化的产物,化学组成以SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃为主,三者之和超过86%,处于还原环境,属于脱硅脱铁富铝阶段,发育于近似亚热带的气候条件,处于高等化学风化水平。辽南在116.13 ~ 90.48 Ma B.P.至17.70 ~ 9.44 Ma B.P.时具备红色风化壳发育的气候条件,结合残存红色风化壳和石芽的情况,可以认为其开始发育于中新世中期或更早。辽南红色风化壳第四纪以前为二阶段发育过程,即夷平—成壳、切割—红化期,第四纪至今仅有切割—红化期。湘桂黔滇青藏陕甘辽红色风化壳元素组合特征高度一致,各区域红色风化壳风化强度、风化方向接近,除辽南呈现较弱的脱硅脱铁富铝趋势外,其他区域均表现为脱硅富铝铁化趋势,这暗示了黄土覆盖下的红色风化壳处于还原环境。纬度因素和经度因素对红色风化壳脱硅富铝铁化进程影响程度接近,相较于经度因素,纬度因素对红色风化壳碱金属及碱金属盐基淋溶作用影响程度更大,总体而言,在母岩影响较小的前提下,纬度控制下的气候因素是决定红色风化壳发育的主要因素。     

花岗质基岩风化壳结构特征及油气地质意义:以柴达木盆地东坪地区基岩风化壳为例

近年来,不少学者开始关注基岩油藏,但有关基岩风化壳的研究尚未有报道.以柴达木盆地东坪地区基岩风化壳为研究对象,结合东坪地区的地质资料、测井资料及地球化学资料,对花岗质基岩风化壳的结构特征及其与油气储集的关系进行了系统的研究.结果表明:(1) 建立了以Al₂O₃、CaO、Na₂O、K₂O为主要判别依据的花岗质基岩风化指数,准确的识别出古土壤层、残积层、半风化层、未风化层;(2) 根据成像测井响应特征及常规测井曲线可以很好地识别古风化壳特征;(3) 东坪地区基岩风化壳的主要储集空间有基岩溶蚀孔洞、基质矿物溶孔和基岩裂缝,共3种,为致密储层,风化壳由风化基面向上,孔隙逐渐发育,至半风化岩石中部的孔隙度较大,且以大孔隙为主,由半风化岩石到风化粘土层,孔隙的规模变小,逐渐以微孔隙为主,纵向上,孔隙度与风化程度、构造缝发育情况、埋藏深度及其和应力释放中心的距离具有相关性.风化壳的存在大大的改善了储层物性,扩展了含气面积,增加了含气层系,对花岗质基岩地层油气藏和深层油气勘探具有重要的理论价值和科学意义.      

柴达木盆地东坪地区基岩风化壳特征

柴达木盆地阿尔金山前斜坡带发现了规模分布的东坪基岩气田,其基岩风化壳的作用成为关注的问题。依据元素分析、X-射线衍射分析、岩心薄片观察,常规测井响应和成像测井响应特征,识别出东坪地区基岩风化壳发育不同结构层,且不同结构层的储集特征有很大差异。研究表明,基岩风化壳结构可划分为土壤层、完全风化层和半风化层,而半风化层又可进一步分为溶蚀带和崩解带;其中土壤层厚度0~2 m,完全风化层厚度4~15 m,溶蚀带厚度365~164 m,崩解带厚度300~1 000 m。基岩半风化层是储层发育带,其中溶蚀带储集物性好于崩解带,溶蚀带发育较多的溶蚀孔洞和溶蚀加宽的网状裂缝,孔隙度范围2%~16%;而崩解带发育弱溶蚀构造缝和节理缝,孔隙度范围2%~8%。东坪地区大规模发育基岩风化壳为柴达木盆地远离烃源岩灶的斜坡地区寻找油气提供了借鉴依据。     

南岭热带一亚热带风化壳中稀土元素赋存形式的初步研究

通过对南岭及海南岛热带－亚热带地区几十个风化壳剖面中稀土元素分布特征的研究表明，ＲＥＥ有如下五种主要赋存形式：①呈可交换状态赋存于粘土中；②富集于次生铁锰氧化物中；③呈次生稀土矿物或类似的富稀土微质点；④风化残余稀土（或含稀土）副矿物；⑤赋存于残留造岩矿物碎屑中。控制化学风化条件下ＲＥＥ淋滤、沉淀的主要因素是原岩中稀土赋存矿物的稳定性、介质环境的ｐＨ和Ｅｈ条件、ＲＥＥ的电子层结构及其化学键性质以及     

黄土醋酸淋溶实验及其碳酸盐组分的地球化学特征

选择性的化学淋溶实验 ,广泛用于沉积物的地球化学研究中。通过对比 1mol/L的盐酸和醋酸两种溶剂对黄土和古土壤的淋溶效果 ,发现 1mol/L的醋酸能选择性淋溶黄土和古土壤中碳酸盐组分 ,对硅酸盐、铁的氧化物等影响很小。在确定溶剂后 ,以 1mol/L醋酸溶液选择性淋溶了洛川剖面 4 3个黄土和古土壤样品 ,通过分析淋溶液的组成 ,得出黄土和古土壤中碳酸盐组分的平均成分 (wB)为 :MgO 1.71% ,MnO 670× 10 - 6 ,Sr 4 90× 10 - 6 。淋溶结果较好地反映了黄土-古土壤剖面的风化成壤程度 ,其中醋酸淋溶液中MnO含量能更好地反映当时的古气候信息。     

化学蚀变指数(CIA)反映湿润亚热带风化壳型土壤风化强度的适用性探讨

风化壳型土壤剖面是记录"地球关键带"长期信息的重要载体。然而,目前对大范围的风化壳-土壤原位风化过程研究较少,化学风化指标能否指示其风化强度存在争议。本研究以广东省湿润亚热带气候主导区的6个花岗岩风化壳型土壤剖面为研究对象,结合土壤的常量元素地球化学和粒度数据来描述剖面的化学风化和物理变化,探讨CIA反映湿润亚热带风化壳型土壤风化强度的适用性。结果显示：在温带地区迁移作用微弱的惰性元素Fe、Al、Ti在亚热带风化剖面上层含量相对中下层较低;随着地区降水量的增加,CIA从剖面顶部到底部数值呈增加趋势,这与风化壳剖面自上而下风化强度减弱的理想风化趋势相悖;并且发现CIA指标与气候参数,尤其是降水之间存在良好的反相关关系（R2=0.77,P < 0.01,y=-0.0065x+104.01）。通过对该异常现象的探讨,得到以下认识：在湿润亚热带地区,风化壳表层土壤具有复杂的物理、化学变化,尤其是高降水量引起的物理侵蚀使得化学活动性弱的Fe、Al、Ti氧化物、以及粘粒被地表径流带走或者下渗到更深层土壤中,使得表层土壤的CIA值偏低,不能真实反映其化学风化强度。因此,在应用CIA指标反映湿润亚热带高降水地区风化壳土壤剖面的风化强度时应当谨慎。     

论华南红色风化壳

本文论述了我国南方广泛分布的富含铁铝氧化物的红色粘土的成因、分布及其所形成的土壤,并论述了第四纪红色风化壳的时代划分问题。     

长江下游下蜀黄土化学风化的地球化学研究

根据元素含量，K2O/Na2O,K2O/CaO,Al2O3/Na2O,CIA及A－CN－K图解等指标，对长江下游地区下蜀土的化学风化作用进行了研究，下蜀土比西北黄土经历了较强的化学风化过程，Ca,Sr,Na和Mg大量迁移淋失，不仅表现为碳酸盐矿物的迅速风化，而且硅酸盐矿物如斜长石也明显风化，脱Ca,Na过程显著，而钾长石的风化很弱，脱K不明显，下蜀土与西北黄土的原始沉积物具有相似的化学组成，下蜀土较强的化学风化过程可能受长江下游地区较强的季风性气候控制。     

末次间冰期以来渭南黄土地区土壤有机碳碳库的演变

冰期-间冰期的陆地碳库变化成为最近十几年来碳循环研究的热点之一,以深海氧同位素、模型模拟和古环境证据等手段展开对不同时间尺度上不同碳库之间碳通量变化研究.土壤碳库的巨大储量导致了土壤碳库的任何微小波动都比陆地生态系统其他碳库更容易影响陆地生态系统碳循环以及大气CO₂浓度,并最终影响到全球气候变化.通过对过去4万年来黄土高原地区土壤有机碳碳库的演变研究发现,深海氧同位素第3阶段期间,土壤有机碳碳密度相对于磁化率在细节上更能够表现出气候的小波动,这一期间的土壤有机碳碳密度快速上升,在较高的水平上多次波动,可能是因为这一时期的气候环境整体上更适宜碳在黄土古土壤中的累积和保存.在末次盛冰期(LGM)时,土壤有机碳碳密度急剧下降,伴随气候的快速波动,其间有一次较大规模的反弹,持续约2 ka,最低值出现在14 ka BP和19 ka BP.对比深海氧同位素曲线,土壤有机碳碳库与其在末次盛冰期和全新世都表现出良好的一致性.而磁化率在大约15 ka BP以后就开始增加,似乎超前于土壤有机碳碳密度和深海氧同位素的增加.并且,在全新世早期到晚期土壤有机碳碳密度经历了逐渐上升继而下降的变化过程,该时段的最高值出现在大约7~5 ka BP.      

兰州市非饱和黄土水土关系与力学性质变化规律

灌溉和降雨是兰州南北两山绿化区黄土斜坡失稳的最主要诱发因素。灌溉或降雨作用下,黄土斜坡失稳的本质是水与非饱和黄土相互作用后黄土力学性质改变的结果。因此,研究非饱和黄土中水土关系及力学性质变化规律,不仅为定量评价选取参数提供依据,而且是深入分析黄土斜坡变形破坏机理的基础。本次研究在现场调查基础上,以在城关区青白石、桃树坪、九州3处黄土斜坡上采集的132组原状黄土,以及在皋兰山Ⅲ-2滑坡上采集的16组滑体和滑带扰动样的室内试验结果为基础,分析非饱和黄土水土相互作用规律及水土关系特征。试验结果显示抗剪强度及其参数变化随含水率（饱和度）不断变化是水土作用的直接结果,降雨或灌溉或其他地表水体入渗后黄土含水量（饱和度）变化是导致黄土抗剪强度变化的最主要因素。     

孔内深层强夯桩处理湿陷性黄土地基施工实践

结合工程实例,阐述了孔内深层强夯桩在处理湿陷性黄土地基中的施工过程及取得的效果。     

黄土的本质与形成模式

根据显微结构鉴定,有机质分析,颗粒分析,CaCO₃测定和野外观察、统计等资料,研究了黄土的本质和形成模式。资料表明,黄土具有土壤的各种结构,具有指示草原和森林草原土壤发生特征的CaCO₃和CaSO₄淀积成分,含有土壤的有机质;黄土的本质是土壤,是在相对冷干气候条件下发育的多种灰黄色狭义土壤,而且是在当时当地气候条件下处于稳定状态的发育成熟的古土壤;黄土形成模式是风尘经草原、森林草原和荒漠草原区的成壤作用形成土壤的模式。黄土高原是世界上土壤资源最深厚、最富集的地区,黄土的工程地质性质和水文地质性质在很大程度上取决于成壤作用的强弱。     

黄土湿陷机理研究现状及发展趋势

在回顾早期黄土湿陷机理研究成果的基础上,概述了黄土湿陷机理的发展历程,从微观结构、数理分析方法、土力学角度和建立本构模型4个方面总结了黄土湿陷机理的研究现状。通过工程实例研究提出了当前黄土湿陷机理发展中存在的问题;并对其发展趋势进行了分析。认为应以黄土微观结构研究为基础,结合先进测试仪器和分析软件,从非饱和土力学的角度出发,采用离散元分析手段,考虑溶盐因素,系统建立各种应力路径下黄土湿陷本构关系,从而完善黄土湿陷机理的研究。这对正确理解和研究黄土湿陷机理具有重大的理论意义和指导意义。     

非饱和黄土电阻率和含水率间关系试验研究

通过土壤电阻率和土壤含水率的关系,可以将高密度电法测得的土壤电阻率剖面快速转化为含水率剖面,对于土壤含水率的连续性监测具有重要意义。笔者以甘肃永靖黑方台非饱和黄土为研究对象,采用四电极法进行了室内一维电阻率试验,分析了电阻率的时间特性,提高了黄土电阻率测试的精度,建立了黑方台黄土电阻率与其含水率之间的关系。结果表明,同一干密度条件下,在黄土吸湿和脱湿过程中,黄土的含水率与电阻率呈指数关系,脱湿和吸湿过程均具有较好的相关性,在含水率不断增加的过程中,土体的电阻率逐渐减小。在不同干密度条件下,黄土的电阻率和含水率具有较好的相关性,且随着含水率的增大,电阻率值逐渐减小直至趋于稳定,随着干密度的增大,土体对水分的敏感性有所降低。     

黄土塬区包气带土壤CO2的特征及成因

本文对甘肃省灵台县秋射村黄土包气带土壤CO₂浓度及其δ¹³C、土壤含水量及细菌总数等指标进行了观测。研究结果表明黄土剖面中土壤CO₂浓度远高于大气,不同黄土-古土壤层位的浓度有所差异,但没有明显的规律性。包气带-饱水带界面附近S₁₄层位的CO₂浓度最高,达4180μmol/mol。土壤CO₂的δ¹³C主要集中在-21.31‰~-15.37‰之间,与1/[CO₂]成正相关（r=0.7411）。表明灵台秋射剖面黄土CO₂除来源于微生物分解土壤有机碳外,也与碳酸盐矿物-H₂O-CO₂化学平衡中碳酸盐沉淀的脱气作用有关。利用两端元混合法估算得到微生物降解有机碳对土壤CO₂的贡献比例为40%~78%（平均65%）,碳酸盐矿物风化/沉积过程对土壤CO₂的贡献比例为22%~60%（平均35%）,有机碳的贡献随深度递减,碳酸盐矿物沉积过程的贡献随深度递增。研究结果进一步证明黄土深层碳库内部碳库之间发生着碳的转化迁移,与大气碳库之间也存在着碳迁移。因此现代碳循环过程给黄土古气候定量重建研究提出了新的挑战与机遇,未来黄土古气候研究需重新审视黄土中物质及能量的现代迁移转化过程。

     

黄土作为西北地区填埋场覆盖层的可行性及设计厚度分析

中国西北地区气候以干旱和半干旱为主,黄土广泛分布。首先介绍了西北地区3个代表性城市近50 a的气候条件和3类黄土的粒径分布及储水能力,在此基础上利用Chen、Benson等提出的水量平衡分析方法对黄土土质覆盖层在我国西北地区应用的可行性进行了探讨,并计算分析了单一型黄土覆盖层的设计厚度。分析结果表明: 西北地区夏季高温多雨植被生长茂盛而冬季降雨较少,降水和腾发作用有较好的同步对应关系,适合土质覆盖层的应用。采用黄土作单一型土质覆盖层的设计厚度在0.54～1.92 m之间,从干旱、半干旱到半湿润气候区,设计厚度逐渐变厚,其具体设计厚度与气候条件和黄土种类密切相关;在同一气候区采用粉性黄土所需厚度最薄,而采用砂性黄土则最厚。西北地区采用黄土作填埋场终场土质覆盖层具有技术可行性和良好的经济效益,值得进一步开展工程实践和更深入的研究。     

黄土层中深基坑预应力锚索试验研究

在深基坑预应力锚索现场试验基础上,通过实测数据分析,提出在特定黄土地层中,当锚索锚固段长度设置合理时,其锚固段极限黏结强度标准值可高于现行规范推荐值。从试验锚索的不同荷载位移曲线,显现出预应力锚索在黄土地层中和其他黏性土地层中基本一致的受荷服役工况和荷载传递变化情况,试验曲线直观清晰地反映了每级张拉荷载下锚索的工作状态,并通过试验数据得到了相关拟合式。最后从试验数据反算锚索刚度并与现行规范推荐计算公式进行比较,得到一些有益结论。研究成果可以为黄土地区深基坑预应力锚索的设计、施工等提供参考。     

基于碎屑锆石的黄土高原—毛乌素交界区石峁黄土粉尘物源估算*

对于黄土高原粉尘物质的来源以及沙漠和河流对粉尘的贡献,仍未达成一致的认识。本研究以毛乌素东神木市石峁剖面为研究对象,利用碎屑锆石年龄谱,对末次冰消期以来的风成粉尘堆积和河流沉积物展开源区分析,并使用逆蒙特卡罗模型进行物源的定量计算。结果显示,粒径分布和阴极发光(CL)图像显示石峁黄土为典型风成沉积。其粗颗粒碎屑锆石(>40 μm)年龄峰值集中在190~300 Ma、300~600 Ma、1700~1900 Ma和2300~2600 Ma,年龄谱显示近源(局地基岩碎屑)、中源(黄河河沙)和远源(阿拉善地区沙漠)均有贡献; 定量计算表明,三者分别贡献71%、21%和8%的风成粗颗粒。中、近源中,黄河及其支流侵蚀基岩后搬运沉积的漫滩物质成为粉尘输移的中转站,为黄土的形成提供了主要的物源。光释光测年结果表明,石峁剖面河流沉积物及其上覆的黄土物质分别形成于倒数第2次冰消期和末次冰消期,两者之间的沉积间断可能指示了末次冰期至冰消期的侵蚀事件,导致了河滩物质暴露,从而形成了潜在的局地尘源。这些结果表明,包括黄河干支流在内的河流系统对黄土粉尘有重要的物源贡献。