碳酸盐岩红色风化壳的系统、结构、功能和作用
图6-3碳酸盐风化壳层状结构示意图
1.土壤层和表土层
土层是指成土作用形成的表土层，一般厚0.5 ~ 1m；表土是指受各种植物根系影响的表层(包括土壤层)，其厚度较深。根据对人烟稀少的喀斯特地区的调查研究，在人类大量繁衍、人口剧增之前，广大的喀斯特地区(特别是热带、亚热带地区)曾经有许多森林和植被繁盛。根据目前的统计，它们的产仔数相当可观(表6-2)。这些植物的凋落物对某些成土元素(如硅、铝、铁等)有相当大的富集作用。)(表6-3)，而植物的根系也会对岩层产生根裂等机械损伤。植物残体和腐殖质的分解也能产生大量的有机酸和CO2(任美华等，1983)。在大气中，它通常只含有0.03%的CO2，而在植物覆盖层中有将近1%的CO2。这样，渗透水中含有大量的有机酸和碳酸，有利于溶解。研究表明，由于大量微生物的繁殖和植被覆盖的生化作用，表土和土壤层中可产生大量CO2，是地下水中碳酸的主要来源，土壤层中CO2的含量可达空气中的十倍甚至百倍。此外，表层土壤还可以保持和拦截水分，对风化壳的形成和保护也有重要作用。
表6-2中国自然地带森林凋落物数量
表6-3茂兰喀斯特森林自然保护区红粘土上草木灰的化学组成(wB/%)
野外调查表明，碳酸盐岩红色风化壳主要形成于喀斯特峡谷、槽谷、缓坡等平坦地形上。这是因为这种地形条件有利于地表径流的汇聚和入渗。水中携带Si、Al、Fe等元素和凝胶物质，植物凋落物积累的成土组分，以及散落在表面的粉尘、细粘土等胶体物质渗入岩土界面，对土的形成非常有利。同时，这种地形条件也是地下水富集带，地下水循环-交替条件好，促进了碳酸盐岩岩体的溶解-交代和成土作用。
2.红色粘土层
这是紧挨着土层和表土层的上层粘土层，其厚度随风化壳土层的总厚度而变化。一般3 ~ 5m。这一层因土壤的红棕色、黄棕色或红色而得名。土壤中有较大的裂隙，裂隙表面有红色铁锰质覆盖层，常有近水平分布的砖红色铁带。土壤含水量低，呈硬塑-可塑状态。显然，红粘土层处于强氧化带，使铁矿物以Fe3+价态铁的形式出现，使土层呈现明显的红色。
3.黄色粘土层
土黄色、姜黄色，厚度3 ~ 6m，有时含红褐色斑块，具碎屑和蠕虫状结构，微裂隙极为发育。有时土壤中还含有较多的黑色铁锰斑、结核和夹层，这是岩土过渡带的特征。该带土壤天然含水量较大，一般为70% ~ 80%，土壤呈可塑或软塑状态，该带处于弱氧化带。
4.杂色粘土层
条纹由紫色、深褐色、红色、纯白色、棕黄色等粘土层组成，呈带状和晕圈状结构。该层厚度为0.2~0.3m，条痕随下部基岩起伏。土壤天然含水量最大，一般可达90% ~ 100%，呈软塑状态。该层厚度变化较大，在凹型岩溶沟、槽底部厚度较大，在凸型岩面上变薄。杂色粘土层暴露在空气中，很快褪色，说明此带处于还原带。杂色粘土层是碳酸盐岩向土壤层的过渡带。
随着岩土界面上新土层的形成，表层土壤被剥蚀搬运，下层土壤转化为上层土壤。在转化过程中，土层会发生一系列的变化。除了上述土壤层的氧化还原环境、含水量和状态外，土壤层的pH值也会由下部的碱性变为上部的酸性，土壤的物理性质、化学和矿物组成也会发生变化。其中，最明显的变化是土壤颗粒组成的变化。例如，在安顺和遵义红色风化壳剖面中，粉粒组含量从下层土壤的51.3% ~ 66.8%下降到上层土壤的29.6% ~ 32.7%，粘粒组含量从下层土壤的25.0% ~ 35.0%上升到上层土壤的59.0%。也就是说，土壤颗粒的粒径由粗粉状颗粒转化为细粘土颗粒。土壤层的矿物成分也发生了相应的变化。界面上杂色粘土层中存在的埃洛石、一水硬铝石、蒙脱石、绿泥石、蛭石、蛭石/绿泥石等粘土矿物和层间粘土矿物将转变为高岭石基粘土矿物。同时，土层中应时、蛋白石和铝矿物的含量也相应增加，部分粘土矿物被铁锰氧化物和氢氧化物所取代。碳酸盐风化壳粘土层的人工淋滤试验表明，上部红粘土层和黄粘土层中的Si可被水部分淋滤并运至岩土界面，从而成为部分成土元素的来源。
5.沥滤层
石灰石和白云石的淋溶层完全不同。前者为褪色、灰白色多孔松散风化层，通常厚几厘米至十几厘米，向上突然变为土层，向下逐渐变为石灰岩层。后者为疏松的白色白云石砂，完全失去强度和结构联系。其厚度一般大于0.5m，最厚可达数米至十几米。向下逐渐变为白云石层，向上突然变为粘土层。一般淋溶层不水平产出，而是围绕基岩起伏，因此厚度变化较大。
6.基岩(白云石或石灰岩等。)
调查和研究基岩的岩石表面起伏还可以提供许多有关红色风化壳剖面形成的重要信息。图6-4是贵阳市西郊水厂建设过程中人工开挖断面示意图。从图中可以看出，岩面起伏较大，达到16m以上，这是裂隙沿垂直面差异溶蚀的结果。垂向溶蚀与侧向溶蚀相结合，还可形成包裹在土壤中的岩芯和岩块，进一步溶蚀会使其变成白云石砂和不同颜色的土壤团块、斑块和斑点。在贵阳地区工程勘探的钻孔剖面中，由于差异溶蚀作用，经常会遇到上下有土层的悬臂岩。
图6-4贵阳市西郊水厂碳酸盐岩红色风化壳剖面示意图
石灰石溶解曲线也是如此。遵义市中庄铺砖瓦厂曾开采出厚达10余米的红色风化壳作为烧砖原料。石灰岩上的风化壳土层全部被挖出后，由于倾斜地层的溶蚀，极不平整的岩面暴露出来，岩面高差可达10余米。所有这些起伏的溶蚀凹槽和凸出的石芽，都是风化壳土层下溶蚀的结果。在溶槽底部，往往有地下水下渗的滞留，土壤往往呈现软塑甚至流塑状态，这是水岩反应的高峰。这种极不平整的基岩面地形也为碳酸盐风化壳的存在提供了无可辩驳的证据。以上也与图6-1所示的俄罗斯南乌拉尔古风化壳剖面和贵州修文小山坝基岩底板古岩溶地形相似。
碳酸盐岩红色风化壳是地质历史时期在地壳表层开放系统条件下形成的具有自组织功能的耗散结构系统。其功能和作用表现为组织协调系统与几种风化力的关系，为风化成土提供必要的条件，使系统发挥最大的作用。溶解作用是最重要的，它为水-岩、岩土相互作用和反应提供了必要的空间。溶解最直接的结果是增加了风化壳岩体的孔隙度，从而增加了岩体的渗透性。碳酸盐岩微观溶解的本质特征是受水-岩界面表面反应控制的选择性溶解、物质成分的选择和岩石矿物微观结构和显微构造的选择(韩保平，1993)。石灰岩的溶解首先是层理基质或亮晶胶结物的溶解，其结果是粒状淋滤层的形成。白云石砂的进一步淋滤是白云石的菱形晶体和解理面的溶解，其结果是形成窗口晶格孔。在自然条件下，微观渗流状态对溶解特性影响很大。孔喉和隔层前方可形成长条形渗流孔，微裂缝顶部常形成囊状溶蚀孔(韩保平，1994)。韩保平(1994)提供了用压汞试验直接测量碳酸盐风化壳孔隙度的数据(表6-4)。从表6-4可以看出，新鲜岩石的孔隙度很低，样品Y1和Ba1的有效孔隙度只有0.82% ~ 0.96%，而样品Y5和Ba5的有效孔隙度在成土淋溶层中已经达到25.58% ~ 28.90%。由此可以认为，正是淋溶层及其高孔隙度为水岩和岩土反应提供了有效的空间，为水岩置换提供了场所。没有沥滤层，就没有土壤的形成。据笔者测定，与淋滤层相邻的杂色粘土层的孔隙度分别达到了55.90%(遵义石灰岩粘土层)和62.50%(安顺白云岩砂粘土层)。淋溶层和杂色粘土层孔隙度的差异很好理解:一方面，随着成土的进展，孔隙度会进一步增大；另一方面，Y5和Ba5的孔隙率是汞溶液能够达到的有效孔隙率。作者测得的杂色粘土孔隙度是由作者直接测得的基本指标(土的含水量和密度)经理论换算得到的间接指标，包括所有孔隙包括闭孔。从以上论述可以看出，碳酸盐岩红色风化壳土(工程上也称红粘土)的高孔隙度、高孔隙比特征与红色风化壳的形成密切相关，从起源上解决了红粘土高孔隙度物理性质之谜。
表6-4压汞试验测定石灰岩和大理岩风化壳孔隙度的结果
碳酸盐岩的渗透性是水进入岩体的必要条件。事实上，风化岩体孔隙的形成是渗透溶蚀作用的直接反映。渗透率可分为原生孔隙产生的原生渗透率和溶孔、溶隙、溶蚀扩大的洞穴产生的次生渗透率。岩溶含水层水文地质试验测得的参数大多属于次生渗透。次生孔隙、溶蚀和洞穴中流动的水由于流速快、侵蚀性强，显然不能说明成土作用，所以岩体的原生渗透性主要与成土作用有关，这方面的资料不多。根据D.I. Smith关于碳酸盐岩的孔径、孔隙度和渗透系数K的关系图，变质大理岩和块状灰岩的孔隙度约为0.1% ~ 1.0%，孔径为0.001 ~ 0.01 mm，渗透系数K为0.00065438。其他研究资料表明，块状灰岩的渗透系数为7×10-7 ~ 1.0×10-4m/d(张倬元，1994)，红色粘土的孔隙渗透系数约为n× 10-5m/d。现场观测表明，红色风化壳主要沿裂隙渗透，可以认为风化壳上部土层的透水性远大于风化壳 并且两者之间存在一个数量级的差异，这也是大量的入渗水残留在岩土界面上的原因，土层含水量具有自上而下逐渐增加的特点。 据作者计算，土层中的入渗水和其中所含的各种成土物质足以保证基岩的溶解和土壤的置换。