B4 · 出版卷 9

Regolith Profile

Residual、transported cover、saprolite、soil horizons

学习目标

完成本课后，学习者应能广义定义风化壳；区分土壤层位、腐岩、半风化岩、残积滞留物和搬运覆盖层；依据材料证据记录剖面边界；解释风化前缘推进与地表侵蚀如何控制剖面厚度；计算简化剖面总量；并为钻孔或露头日志建立残积—搬运替代解释。

从野外问题开始

浅挖槽中，红色砂质黏土覆盖斑驳黏土，向下依次为保留花岗质结构的松散材料和破裂新鲜岩。石英碎屑贯穿全剖面，一条石线分隔红层和斑驳黏土。上层究竟是原地发育的土壤、来自同类花岗岩坡上的坡积物、混入旧土壤的风积沙，还是再搬运红土砾石？

深度不等于成因。直接位于基岩之上的物质可以充填侵蚀河槽，地表材料也可以保留残积组构。成壤过程还可跨越岩性或沉积边界。因此，正确日志必须先分开所见现象与成因解释。

核心过程模型

风化壳包括相对新鲜基底以上的风化岩、土壤、沉积物、硬壳和有机表层。半风化岩仍保留显著连贯岩石性质；腐岩虽发生强烈矿物改变，却保存可识别的母岩组构或体积关系；残积风化壳与母体距离足够近，能够建立可辩护母体关系；搬运风化壳则通过重力、水、风、冰或人为活动跨越了过程边界。

土壤层位描述成壤组织，不是普适地质序列。A 层可富有机质或发生淋溶，B 层可积聚黏土、铁、铝或盐，C 层可为弱蚀变母质；实际应用必须说明分类与诊断标准，字母不能替代地质描述。

设 W 为风化前缘相对材料向下推进速率，\varepsilon 为地表剥蚀速率，则厚度平衡可示意为


\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}=W-\varepsilon,

其中 D 为风化壳厚度。即使 W=\varepsilon、厚度不变，材料仍可持续进入和离开剖面。若沉积增加覆盖，还需加入埋藏项；前缘运动与质量之间则由密度和体积应变联系。

剖面由生成、转化、截切、搬运、埋藏和叠加共同组装。边界可以是渐变反应前缘、尖锐侵蚀不整合、沉积接触、成壤过渡或采样假象，一条剖面可能同时包含所有类型。

证据与测量

每个区间都应记录基质和碎屑、粒度、分选、磨圆、组构、沉积构造、原岩结构、矿物假象、硬度、塑性、孔隙、根系、斑点、结核、包膜、胶结和湿度。边界需记录深度范围、形态、尖锐度、起伏以及截切或混合证据，照片应有比例尺、方向和颜色控制。

钻屑回收和孔内混合会破坏边界，必须记录钻探方法、采样区间、回收率和污染风险。岩芯或露头更能保存结构，却仍是局部样本。地球物理只有在测得岩石物理反差并检验替代原因后，才能延伸边界。

当组构、矿物序列、耐磨颗粒组合和化学连续过渡到已知基底时，母体关系最强。仅有整体化学相似仍很弱，因为搬运物也可来自同一源。相反，组构不连续、异源砾石、底部滞留层或交错层理支持搬运，但后期风化可能将其模糊。

计算示例

考虑一个合成五段日志：

| 深度 | 主要观测 | 初步解释 | |---|---|---| | 0–0.4 m | 松散且分选良好的细沙，石英表面磨砂状 | 可能为风积覆盖 | | 0.4–1.2 m | 基质丰富砾层，混合磨圆砾石，波状尖锐底界 | 搬运滞留层或片流沉积 | | 1.2–3.8 m | 斑驳黏土，少量石英，无母岩组构 | 残积或搬运均可能 | | 3.8–9.0 m | 松散但保存长石和节理组构 | 腐岩 | | >9.0 m | 连贯破裂花岗质岩石 | 半风化至新鲜岩 |

残积—搬运决策边界可确定在 3.8 m 以下，但 1.2–3.8 m 仍不明确。模型 A 将斑驳黏土解释为组构被破坏的上部腐岩，模型 B 则认为它是沉积在被截切腐岩上的搬运黏土。可用耐磨矿物来源、基底侵蚀几何、不活动元素比值、粒度组构和横向连续性加以检验。

合成腐岩段厚 5.2 m，干体积密度 1.55 t/m³，某元素浓度 300 mg/kg，其单位面积总量为


5.2\times1.55\times10^3\times300\times10^{-6}=2.42\ \text{kg/m}^2.

该值只适用于这一段及所假定的代表性密度，不能不经支撑归一化就与薄层地表样比较。

误判与不确定性

不能强迫所有剖面符合一套理想层序，也不能用“红土剖面”代替区间描述。岩芯缺失、样品混合和含水量会移动表观接触；宽区间采样会把渐变化学前缘变成尖锐边界，生物扰动又会把尖锐沉积接触变平滑。

保存组构支持原地蚀变，但整体搬运且未解体的岩块也可保留结构；组构被破坏也不证明搬运。石线可由吹蚀、动物分选、土壤蠕动或沉积滞留形成。钙质、硅质和铁质硬壳可跨越母质边界，同时胶结残积和搬运材料。

实践调查

对给定剖面记录两遍。第一遍只允许观测词，禁止使用成因名；第二遍再赋予候选过程和置信度。绘制至少两种边界模型，并标出每个边界可能存在的深度范围。

利用密度和三种组分计算区间总量，传播边界深度、密度和浓度的不确定性。设计一条横向样带和一项最能降低残积—搬运边界不确定性的矿物或化学检验。

掌握检查

为什么土壤层位名称不是地质成因？
哪些证据使腐岩解释可辩护？
风化持续时厚度为何仍可不变？
硬壳为何能够跨越母质边界？
哪项观测最能检验示例中的模糊区间？

资料与延伸阅读

风化壳建模方法，Brantley 与 White，2009。
异常深厚风化剖面的成因，Hewawasam 等，2013。
花岗岩风化壳生成与化学风化，Vázquez 等，2016。
伊尔冈克拉通风化壳地质，Anand 与 Paine，2002。