碳酸盐岩红色风化壳中粘土矿物成因及演化 红粘土的生成条件是什么？有何物理性质？工程性质怎样？

碳酸盐岩红色风化壳是碳酸盐岩在热带、亚热带环境条件下的风化产物，在碳酸盐岩—土—水—大气—生物构成的岩溶环境系统中占有重要地位，具有突出的地球化学敏感性和生态环境脆弱性特征。贵州是中国南方碳酸盐岩红色风化壳的主要分布区，在世界热带、亚热带岩溶地区具有一定的代表性和典型特征。中国南方岩溶地区广泛分布的碳酸盐岩红色风化壳，一般厚度5～10m，最厚可达30m。其分布主要受岩溶地质和水文地质条件控制，在岩溶台地、缓丘和缓坡地带，红色风化壳剖面厚度较大，垂直分带完整；在峰丛高地及陡坡地带，红色风化壳浅薄，剖面发育不完整。发育较完整的碳酸盐岩红色风化壳剖面垂直分带特征明显，按照风化程度不同由上至下可分为表土层、全风化层和半风化层（岩土过渡带）；根据矿物组合特征相应可分为高岭石-针铁矿（赤铁矿）-三水铝石带、针铁矿（赤铁矿）-硬锰矿（软锰矿）-伊利石（蛭石）带和埃洛石-石英-水铝英石带等。高岭石和0.7nm埃洛石是碳酸盐岩红色风化壳中的主要粘土矿物，其次为伊利石、蛭石、绿泥石、绿泥石/蛭石间层矿物、水铝英石和三水铝石等。粘土矿物组合随风化成土环境和风化成土强度在红色风化壳剖面呈明显的规律性变化。绿泥石/蛭石间层矿物的发现和研究，对岩溶环境中土壤资源评价、利用和酸沉降敏感性特征等研究具有重要意义。

粘土矿物作为碳酸盐岩红色风化壳的主要矿物成分和风化成土过程的新生矿物，其形成和演化过程实质上代表了岩溶环境中碳酸盐岩的风化成土机理和演化过程。对研究区碳酸盐岩红色风化壳原状样品野外观察和室内（偏光显微镜、电子显微镜）研究发现，碳酸盐岩红色风化壳中不仅发育岩溶环境中常有的溶蚀和胶状结构，而且普遍存在交代结构，特别是在岩土过渡带（半风化层）肉眼即可见及，碳酸盐岩红色风化壳岩土过渡带土体仍保持了原岩（碳酸盐岩）的微层理特征。这一发现证实，碳酸盐岩风化成土作用不仅包括过去常讨论的溶蚀和淀积作用，也普遍存在交代作用。碳酸盐岩红色风化壳的形成是溶蚀作用、淀积作用和交代作用同时存在、相互促进和共同作用的结果。这3种风化成土作用决定了红色风化壳中粘土矿物的形成方式和演化途径。红色风化壳中粘土矿物的形成主要有3种机理，一是直接由溶蚀作用产生的溶液中沉淀，如风化成土初期的埃洛石、有序度较差的高岭石和水铝英石等；二是原生矿物被粘土矿物交代，如伊利石、高岭石等；三是粘土矿物顺序风化的产物，如蛭石、绿泥石/蛭石间层矿物、有序度较高的高岭石及三水铝石等，这种转化是与风化成土作用的演化及风化成土强度相联系的。根据碳酸盐岩红色风化壳的粘土矿物组合和微结构特征，其粘土矿物的形成和演化具有多途径和多阶段性，至少存在3个演化序列，即水铝英石→埃洛石→高岭石→三水铝石、伊利石→蛭石→绿泥石/蛭石间层矿物→绿泥石→三水铝石和伊利石→高岭石→三水铝石。高岭石和三水铝石的富集反映了碳酸盐岩红色风化壳已达到风化成土作用的最高阶段，但在碳酸盐岩红色风化壳剖面中下部或风化成土作用初期也可有少量高岭石和三水铝石的分布，这是在风化成土作用初期强烈淋溶条件下，由溶液中直接沉淀形成的高岭石和三水铝石，而不代表红色风化壳的发育程度和演化阶段。由于白云岩和石灰岩以及系列过渡类型碳酸盐岩在成分、结构和微裂隙等方面的差异，它们的风化成土机理也不尽相同，白云岩风化成土机理早期以交代作用为主，继之溶蚀作用和淀积作用占优势；而石灰岩则以溶蚀作用和淀积作用为主，相应构成不同的粘土矿物组合特征。

红土-沉积成因学说~

1984年,布申斯基在指出阿尔汉格尔斯基“胶体化学沉积说”的优点和错误后,提出了铝土矿形成的红土-沉积说。他认为铝土矿的形成是红土物质的机械再沉积及其变化的结果。
此后,这一学说逐渐为我国铝土矿研究者接受,并针对河南铝土矿的具体特点,在这一学说的基础上,提出了许多有益见解。
——李启津(1986)认为,河南铝土矿的形成是“红土—沉积—红土化”的过程。这一观点与布申斯基“红土—沉积”说的共同点在于,成矿前各种岩石均须经过红土化作用;不同点是红土化主要产物(高岭石)在海盆边缘沉积后,尚未来得及海解,便发生海退,并再次遭受红土化所形成,称之为“红土—沉积—红土化”。
——孟祥化(1979)认为,华北石炭纪铝土矿矿质来源于早古生代碳酸盐岩地层和古陆铝硅酸盐岩的风化壳,经海侵,把铁、铝质风化壳物质搬运并沉积到较低的喀斯特洼地、漏斗和潟湖洼地内,形成一系列异地的铝土质沉积微相。在上述搬运过程中风暴浊流的搬运沉积机制是巨厚铝土矿形成的重要原因。
——姬召生、陈基峰(1981)认为,河南铝土矿的物质来源为古老的硅酸盐类岩石,其成因为红土-内陆湖相沉积成因。大致过程是:古陆铝硅酸盐岩风化分解,碱性及碱土元素迁移流失,此时SiO2部分流失,部分向下淋滤与残积的铝氧化物一起形成高岭石,进一步水解为Al(OH)3,形成红土风化壳铝土矿,然后以机械悬浮体形式被搬运到湖盆中沉积下来,当风化壳演化到后期酸性阶段时,高岭石分解,形成胶体状态和溶质形式的含氢氧化铝溶液而一起沉淀形成铝土矿。
——崔亳等(1980)在研究河南铝土矿地质特征及分布规律的基础上,认为河南铝土矿的成因可归结为:主要物质来源是下伏碳酸盐岩的红土风化壳;含矿岩系属大陆边缘的准平原上的湖相沉积,成矿物质从风化剖面向湖盆迁移时,以机械碎屑搬运方式为主;迁入湖盆后,一部分在湖盆边缘形成碎屑状铝土矿,另一部分沉积后又受湖水的作用而发生分解,形成富铝质胶体溶液,再以胶体化学方式而成胶状铝土矿或微粒状铝土矿。
——陈廷臻(1985)提出河南铝土矿的形成为“多来源、多阶段和表生富集”的观点。认为成矿物质来源于基底碳酸盐岩的红土风化壳,也来自结晶古陆的铝硅酸盐岩。其成矿过程分4个阶段:基岩红土化阶段,红土化作用形成了以三水铝石、高岭石为主的矿物组合;沉积-成岩阶段,其中化学分异作用对铝土矿的形成是重要的,但不是唯一的,机械分异占有很大的比重;后生阶段及表生风化(淋滤)改造富集阶段,并认为真正优质的铝土矿工业矿体是由风化、半风化了的(次生)氧化矿石组成的。
——殷子明(1988)提出河南铝土矿成矿的“红土—沉积—改造富铝化”模式。根据铝土矿结构、构造、矿物成因、氢氧同位素组成、次生变化特征,论证了本区硬水铝石是不同阶段、多种成矿作用叠加改造的产物。其形成过程分为7个阶段,可简述为:①红土化阶段:在晚古生代温暖多雨的气候条件下,基底碳酸盐岩及其中的泥沙质夹层经历长期、强烈的风化淋滤作用,发生广泛的红土化,形成面状红土铝土矿层;②铝土矿的迁移沉积阶段:各地铝土矿中部分存在的粗糙粒序、弱韵律性、层理等沉积构造不是原地钙红土化的产物,而是异地沉积的标志,成矿物质以颗粒迁移为主,其沉积具重力流性质;③成岩阶段:还原作用导致沉积的红色铝土矿褪色,以及脱水重结晶是该阶段的主要成矿作用;④后生-热液蚀变阶段:重结晶作用和热液蚀变是这一阶段的主要成矿作用,使全部三水铝石相变为硬水铝石,热液蚀变形成后生无Ti、Fe的亮晶硬水铝石等;⑤表生-中低温地下雨水热液改造阶段;⑥风化作用阶段:淋滤水解形成浅灰色、灰白色多孔状优质富铝矿;⑦变质作用阶段(局部)。
——廖士范(1986)也持有类似的观点,他提出包括河南铝土矿在内的华北铝土矿的“陆生、水成、表生富集”观点,认为:铝土矿是风化成因的,但不完全是机械碎屑成因沉积的。首先,他从河南铝土矿的氧同位素测试结果,δ18O(SMOW)=+5‰~+10.9‰,平均+9.2‰,与国外+10.9‰相近,认为铝土矿是风化成因,矿层中的高岭石结晶度指数多数小于0.9,属结晶不完好的高岭石,也说明是风化成因的;根据矿层无水体沉积地质特征(如无层理、波痕、干裂、动物化石,很少植物化石等),认为铝土矿是在大陆气候条件下生成的残坡积钙红土层、红土层,以后被海水淹没,才形成原始铝土矿层;根据铝土矿矿石的表生富集现象,提出是多阶段多因素成矿的。至于“水成”的含义,原始铝土矿层与海水侵没的关系,“不完全是机械碎屑成因”的含义等,即铝土矿就位的机理,作者没有详细阐述。
——吴国炎等(1996)认为,河南铝土矿的成矿过程为:早古生代碳酸盐岩经长期风化侵蚀形成粘土风化壳,并在晚石炭世湿热气候的红土化过程中形成初始铝土矿;然后在各种外力作用下,以碎屑搬运方式为主在邻近的潟湖、海湾中沉积;此后经历成岩后生阶段和表生加富作用,最终形成铝土矿床。
加里东运动使本区寒武系、奥陶系碳酸盐岩岩层上升遭受剥蚀并经受长期的物理风化和化学风化,岩石中的K、Na、Ca、Mg等可溶性元素不断带走,不溶组分Al2O3、TiO2、Fe2O3、SiO2等则在粘土质沉积物中残留下来。晚石炭世开始的湿热气候,使风化壳中的粘土质沉积物进一步红土化,形成硬水铝石等铝土矿物。红土化的最后阶段,铝硅酸盐矿物被完全分解,可迁移的元素被带走,剩下铁和铝的氧化物及部分SiO2,在原地形成水铝石、褐铁矿和蛋白石的堆积。
原地堆积的水铝石及部分粘土物质碎屑在地表径流或洪水重力流的作用下,经短距离的搬运,在海退后形成的潟湖或海湾中沉积下来,形成铝土矿层。由于沉积分异作用,较细的粘土物质呈悬浮状态可以搬运至较远的湖盆中心,而粗碎屑的铝土矿物质则在滨-浅湖带沉积下来。
潟湖、海湾区形成的铝土矿沉积物在上覆沉积物和水体的压力下发生成岩作用。铁的氧化物还原为低价氧化物而形成黄铁矿、绿泥石、菱铁矿,并使铝土矿变白。水铝石发生重结晶作用,三水铝石变成一水软铝石,进而形成一水硬铝石。
后期的构造作用可以使铝土矿层抬升地表,遭受风化淋滤。黄铁矿流失,产生的硫酸水可以使高岭土等粘土矿物去硅形成次生三水铝石或硬铝石。矿石呈多孔状、蜂窝状,密度减轻,品位提高,即所谓铝土矿的次生加富现象,形成现今的优质富铝矿床。

红粘土的形成：碳酸盐岩系地区，经红土化作用形成并覆盖于基岩上的棕红、褐黄等颜色的高塑性粘土。其液限大于或等于50%，上硬下软，具明显的失水收缩性，裂隙发育，原生红粘土经再搬运，沉积后仍保留红粘土的基本特征，且液限大于45%的土称为次生红粘土。我国的红粘土以贵州、云南、广西等省区最为发育，分布广.
红粘土成土环境：红粘土的成土母质是第三纪红色粘土，并被埋藏在黄土层下。由于强烈水土流失切割，覆盖于其上的黄土层被侵蚀殆尽，红色古土壤层出露地表。红色粘土层质地粘重，吸水膨胀后水分难以下渗，加之所处地形部位坡度较大，每届降雨形成地表径流，水土流失严重，形成滑坡、泻溜和崩塌等重力侵蚀。年复一年侵蚀循环，致使土壤发育微弱，因形成与黄土母质在形态特征和理化性质上有很大差异的红粘土。

红粘土地区植被稀疏，成土作用微弱。表层仅有较薄而有机质含量低的腐蕴质层，在腐殖质组成中，胡敏酸的绝对含量和相对含量都低，多在0.02-0.098克每千克之间，胡富比多在0.4-0.5之间。红粘土的生物作用微弱，具有红色风化壳的残留特征。第三纪及第四纪红色风化壳土体结构面上往往覆有棕黑色铁锰胶膜，呈中性，或具石灰性反应。
物理性质：
矿物成分主要为高岭石，并含一定量的蒙脱石和石英颗粒等，含水率为10％左右，孔隙比为0.5～0.7，干容重为16～17 kN/m3，塑性指数为1l～16。但是随隧洞开挖其含水率不断增加，一般为15％～22％，甚至有的洞段土体含水率达到塑限，天然压缩系数a1-2=0.09-0.1 MPa-1，饱和压缩系数a1-2-0.1～0.15 MPa-1，自由膨胀率为5％～20％。从上述物理性质指标判别N2红粘土为低至中偏低压缩性、非膨胀性土。

力学及变形特性

对N2红粘土洞段取原状土样进行室内直剪、三轴剪，以及邓肯E-μ模型的变形试验，该土的抗剪强度较高，但是随含水率的增加其抗剪强度降低较明显。

工程性质：
该土种多为荒草地，植被稀疏，水土流失严重，缺水易旱。实行乔、灌、草结合，发展林、牧业生产。对宜垦为农用的要修筑梯田，或修埂筑堰，进行土地深翻，提高土壤的蓄水能力，并实行等高种植耐旱植物，增施有机肥、磷肥，实行粮－豆，粮－肥间作，养用结合，培肥地力。

1、陡坡地红粘土侵蚀严重，应恢复和保护植被；已垦殖的陡坡耕地，应退耕种植林草，控制水土流失。

2、种植绿肥，增施有机肥，秸秆还田，科学施用磷肥，可有效地改善土壤的理化性状。

3、复盐基红粘土的土体深厚，酸碱度适中，盐基饱和，矿质养分较丰富，是浙江沿海岛屿区重要土壤资源之一。利用状况有三种；一是坡耕地，种植大麦、甘薯、玉米和夏类作物。二是林地，主要分布在大、中岛屿上，栽种黑松、毛竹，以黑松为主。黑松较抗风，又耐旱、耐瘠，适应性强。目前黑松占岛屿林种的93%，但宜间套阔叶树，以防病虫危害；三是灌丛草地，处于半荒芜状态，多分布于边远小岛，而部分大、中岛屿近村庄处的山坡地亦有小面积的分布。

碳酸盐岩红色风化壳中粘土矿物成因及演化
答：红色风化壳中粘土矿物的形成主要有3种机理，一是直接由溶蚀作用产生的溶液中沉淀，如风化成土初期的埃洛石、有序度较差的高岭石和水铝英石等；二是原生矿物被粘土矿物交代，如伊利石、高岭石等；三是粘土矿物顺序风化的产物...

粘土矿物成因及演化
答：红色风化壳中粘土矿物的形成主要有3种机理：一是直接由溶蚀作用产生的溶液中沉淀，如风化成土初期的埃洛石、有序度较差的高岭石和水铝英石等；二是原生矿物被粘土矿物交代，如伊利石、高岭石等；三是粘土矿物顺序风化的产物...

红土化的产生机理
答：所以,硅酸盐岩风化后形成的粘土中,除还有一部分尚未完全分解成二氧化硅的硅酸根离子外,主要是溶解度相对较小的二氧化硅、三价铁离子、铝离子、钛离子等难溶物构成(Basu, 1965-66)。其中,由于成土过程中,含氧量较高的雨水的不断淋滤,...

红粘土的工程地质特性
答：红粘土是热带、亚热带地区碳酸盐岩类和玄武岩强烈化学风化作用的产物，在成因类型上属于残坡积粘土，是一种区域性特殊土。滇藏铁路沿线的红粘土主要分布于滇西北碳酸盐岩分布区，是上新世以来古红土化作用形成的红色风化壳。在...

风化溶蚀作用
答：因为碳酸盐岩―水溶蚀反应速度较慢，这为红色风化壳的形成提供了充裕的时间；溶蚀作用在溶滤层中形成很大的孔隙，为进一步的交代作用和形成粘土矿物提供了充分有效的空间；碳酸盐岩矿物溶解析出的某些金属阳离子（如Ca2+、Mg2+...

碳酸盐岩风化成土作用、地球化学过程及机理
答：碳酸盐岩风化成土作用的阶段性和风化壳中新生矿物的分异演化是碳酸盐岩红色风化壳分带性特征的根本原因。按照碳酸盐岩风化成土过程中新生矿物的形成演化序列，可将碳酸盐岩风化成土过程划分为粘土矿物阶段、氧化铁锰矿物阶段...

碳酸盐岩红色风化壳系统、结构、功能和作用
答：碳酸盐岩风化壳粘土层的人工淋滤试验表明,上部红色粘土层、黄色粘土层中的Si,可部分被水淋滤而搬运到岩—土界面上,从而成为部分成土元素的来源。 5.溶滤层 石灰岩和白云岩的溶滤层截然不同,前者为褪色的、灰白色多孔状疏松风化层,...

红色风化壳微结构特征
答：另外,研究还表明,有些单矿物晶体的表面,往往附着其他更细小粘土矿物,以致在原状土样的SEM观察中,发现不了这些晶体,例如:对安顺白云岩红色风化壳表层土Pnl-1号样进行了加入分散剂后的沉淀物的分析,经过这种处理其干燥样在SEM下观察,...

红色风化壳剖面特征
答：在发育较完整的红色风化壳剖面，黄色粘土层一般位于全风化层中下部，其所处风化程度和阶段低于红色粘土层，部分剖面常有红棕色小斑块或黑色铁锰质斑点分布，呈碎屑及蠕虫状土体构造，微裂隙发育，黄色粘土层天然含水量较大，...

红色风化壳结构、构造的概念
答：碳酸盐岩红色风化壳是在地壳表层开放系统中形成的具有自组织功能的耗散结构系统，从表层土到基岩具有6大“层状结构”系统：即土壤（表土）层、红色粘土层、黄色粘土层、杂色粘土层、溶滤层和基岩，各“层”都具有不可或缺...