吳富強， 江振寅， 周碩

(中國煤炭地質(zhì)總局湖北煤炭地質(zhì)局，武漢 430070)

0 引言

特殊地區(qū)地質(zhì)調(diào)查旨在聚焦國家重大需求，為社會提供符合多目標需求的基礎地質(zhì)調(diào)查成果。在中國南方紅土型風化殼覆蓋區(qū)，覆蓋層厚度、組成、結(jié)構(gòu)、新構(gòu)造運動以及下伏斷層、溶洞、基巖面貌等信息是服務經(jīng)濟建設需求的關(guān)鍵，但這些內(nèi)容在傳統(tǒng)的地質(zhì)圖上并未體現(xiàn)，風化殼被簡單化處理，信息不足，不能滿足國民經(jīng)濟建設的需要。因此，必須加強特殊地貌區(qū)——南方強風化殼1∶5萬地質(zhì)調(diào)查研究工作。在我國南方海岸帶強風化殼試點填圖工作過程中，收集和翻譯了大量國內(nèi)外文獻，研究認為，專門綜述風化殼地質(zhì)調(diào)查方面的文章較少。本文以案例的形式闡述了國內(nèi)外風化殼覆蓋區(qū)地質(zhì)調(diào)查方面的進展，從理論和實踐2方面綜述了國內(nèi)外風化殼研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)，以便更好地服務于特殊地貌區(qū)風化殼地質(zhì)調(diào)查研究。

1 風化殼研究現(xiàn)狀

風化殼研究是個古老的課題，對于風化作用和風化帶的認識最早可以追溯到19世紀，Rodgers等[1]和Belt[2]對風化進行了初步研究。近年來關(guān)于風化殼，特別是古風化殼研究的論文和專著，在數(shù)量和質(zhì)量上不斷上升，主要集中在風化殼形成環(huán)境、時代及成因等方面。在風化速率研究方面，黃來明等[3]綜述了土壤風化速率測定方法及其影響因素研究進展； 在風化地貌研究方面，Ollier[4]對風化作用、風化殼以及大量與風化作用有關(guān)的小尺度地貌景觀做了詳盡的論述，基本概括了20世紀80年代風化殼研究各個方面的進展； 在風化形成環(huán)境研究方面，黃振育等[5]綜述了水化學環(huán)境對巖石性質(zhì)影響研究現(xiàn)狀及展望； 在風化機理研究方面，崔之久等[6]綜述了20世紀90年代中期以前夷平面問題研究的整體情況，李莎等[7]綜述了生物風化作用研究進展，朱先芳等[8]綜述了化學風化研究的進展，李福春等[9]綜述了原生硅酸鹽礦物風化產(chǎn)物的研究進展，劉再華[10]綜述了巖石風化碳匯研究的最新進展和展望； 在風化殼綜述性研究方面，李德文等[11]綜述了風化殼研究的現(xiàn)狀與展望。

2 國內(nèi)外風化殼覆蓋區(qū)地質(zhì)調(diào)查進展

2.1 國內(nèi)南方紅土研究及風化殼覆蓋區(qū)地質(zhì)調(diào)查

2.1.1 國內(nèi)南方紅土研究進展

有關(guān)我國南方紅色風化殼性質(zhì)、特征、發(fā)育模式及其環(huán)境意義的認識，在20世紀90年代取得了諸多進展，在方法上，也由過去的土壤學方法為主轉(zhuǎn)向以地球化學方法為主。南方紅土研究大致可分為3個階段： 20世紀30年代至60年代的成因研究時期； 20世紀70年代至90年代的年代的層學研究時期； 2000年至今的環(huán)境變化與舊石器文化研究時期[12]。隋淑珍等[13]從磁性地層、年代地層、生物地層、氣候地層、同位素地層和旋回地層6個角度，總結(jié)了中國紅土地層的主要研究情況； 徐則民等[14]綜述了中國南方碳酸鹽巖上覆紅土形成機制研究進展； 陳秀玲等[15]從紅土成因、年代學研究及紅土與古環(huán)境演變等方面，對中國南方第四紀紅土研究進展進行了詳細論述與總結(jié)，提出目前紅土研究中存在的問題以及未來研究重點。

關(guān)于我國南方紅土的物質(zhì)來源和成因類型，存在沖積、洪積、風積和坡麓堆積風化等不同看法。一些學者認為在肯定水成說的同時，也不應排除局部地區(qū)網(wǎng)紋的冰川、生物和礫石風化成因及與新構(gòu)造運動有關(guān)[16]。普遍認為，我國南方紅土型風化殼的形成是東亞夏季風和熱帶—亞熱帶暖濕氣候環(huán)境下化學風化作用的產(chǎn)物。袁寶印等[12]按發(fā)育程度的不同，將紅色風化殼劃分為紅化土風化殼、紅壤土風化殼和磚紅土風化殼3種； 朱照宇等[17]將紅色風化殼劃分為基巖風化殼和松散沉積風化殼； 李鳳全等[18]將網(wǎng)紋紅土分為均質(zhì)和非均質(zhì)網(wǎng)紋紅土。

許多學者開始探索提取南方紅土中蘊含的環(huán)境信息，試圖與黃土-古土壤序列的環(huán)境變化旋回建立對比關(guān)系。劉彩彩等[19]系統(tǒng)地總結(jié)了近年來我國南方紅土磁性地層年代學研究方面的進展； 黃鎮(zhèn)國等[20]認為我國南方紅色風化殼從古近紀至今均有形成，且現(xiàn)今的風化殼是古風化殼的繼承； 劉東生等[21]認為，早更新世是紅土發(fā)育時期，中更新世是紅土最發(fā)育時期，形成網(wǎng)紋紅土； 席承藩[22]則認為華南富含鐵鋁氧化物的紅色風化殼是熱帶—亞熱帶高溫高濕條件下的產(chǎn)物，主要形成于第四紀； 朱照宇等[17]指出中國南方第四紀時期，幾次雜色黏土和網(wǎng)紋紅土的發(fā)育時間，與早更新世1.8～1.6 Ma BP海相第四紀底界氣候轉(zhuǎn)換事件、0.9～0.7 Ma BP“中更新世革命”的氣候周期轉(zhuǎn)型事件、0.5～0.1 Ma BP的氣候適宜期和0.07～0.01 Ma BP末次冰期—冰消期大規(guī)模海退-海進事件等地質(zhì)-氣候事件大體同時。

有關(guān)我國南方紅土環(huán)境地質(zhì)災害問題的研究有： 李萬能等[23]綜述了南方紅壤丘陵區(qū)崩崗成因機理的研究進展； 朱照宇等[17]指出廣東沿海存在著3大紅土環(huán)境問題，以及紅土的土壤退化與污染、土壤侵蝕和崩崗等土壤綜合環(huán)境災害系列。

2.1.2 國內(nèi)風化殼覆蓋區(qū)地質(zhì)調(diào)查進展

特殊地區(qū)地質(zhì)填圖工程自2014年啟動以來取得了一系列進展，在此僅重點介紹中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所喻勁松等發(fā)表的《特殊地質(zhì)地貌區(qū)填圖物化探技術(shù)應用》[24]研究成果。

廣東羅定地區(qū)為華南溫暖濕潤景觀，巖石物理風化較弱，化學風化強，元素淋失明顯，風化產(chǎn)物中難覓原生礦物碎屑及巖屑。區(qū)內(nèi)廣泛分布花崗巖類巖體，經(jīng)強烈風化作用形成巨厚紅色風化殼，給填圖工作帶來了困難。喻勁松等[24]在研究廣東羅定等4幅聯(lián)測強風化填圖時，指出目前獲得的區(qū)域地球物理、地球化學分布規(guī)律，是復雜地質(zhì)作用的客觀反映，利用計算機處理海量區(qū)域地球物理、地球化學數(shù)據(jù)，從中提取豐富的地質(zhì)信息，對區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作具有重要的參考意義。巖石地球化學判別方法是通過主量、微量、稀土元素以及同位素等的變化分布示蹤，從微觀逆向推斷宏觀地質(zhì)信息的方法，可用于解決諸如巖石成因、時代、物源、巖石類型、礦物種屬及微相等更為精細的地質(zhì)填圖問題。

在研究內(nèi)蒙古復興城等4幅聯(lián)測時，指出在隱伏地質(zhì)體探測時，采用“重磁”+“氡-汞聯(lián)合測量”的聯(lián)合勘探技術(shù)，可以有效避免重磁多解性和氡-汞氣測量易受環(huán)境干擾的缺陷，是提高探測精度、增強準確性的成熟、經(jīng)濟、快速的技術(shù)方法。此外，在活動斷層的探測方面，氡-汞聯(lián)合測量已成為地震部門用來監(jiān)測活動構(gòu)造的重要技術(shù)方法。

2.2 國外風化殼覆蓋區(qū)地質(zhì)調(diào)查進展

2.2.1 風化殼地球化學填圖

2.2.1.1 風化殼多元素地球化學數(shù)據(jù)填圖

澳大利亞中部Padbury、Bryah、Yerrida這3個元古宙盆地面積近2 000 km2，90%被風化殼覆蓋。Davy等[25]對其進行了地球化學專題研究，認為在Yerrida盆地，來自鐵鎂質(zhì)巖石的風化殼比附近覆蓋在沉積巖之上的風化殼更富含CaO、Ga、Sc和V，同時可利用MgO、Cr、Cu和Ni區(qū)分不同類型的鎂鐵質(zhì)單元。在Padbury盆地風化殼更加富含鐵質(zhì)、MnO、P2O5、As、Ba、F、Pb和Th。風化殼中K2O、Ba和Sr含量的變化與下伏基巖由花崗巖變化到沉積巖有關(guān)，大多數(shù)水系沉積物和片狀沖積物保留了下伏基巖的化學成分。因此，風化殼地球化學填圖有助于確定下伏基巖的分布情況及其礦化潛力(圖1)。

圖1 Cu，Pb，Zn，As，Sb，F(xiàn)e2O3+MnO地球化學元素標準化后評估成礦潛力[25]

2.2.1.2 風化殼氡氣地質(zhì)填圖

由于氡氣現(xiàn)場測量受季節(jié)性影響較大，為進行氡氣土壤地質(zhì)填圖，需開發(fā)一種在1 a內(nèi)任何時候都能進行野外現(xiàn)場氡氣測量和氡氣潛力填圖的方法。英國地質(zhì)調(diào)查局Talbot等[26]在不同的氡氣潛力基巖區(qū)表層采集了大量的土壤和氣體樣品，對每一個地質(zhì)單元，分別采集了有冰積物覆蓋樣品和無冰積物覆蓋樣品，土壤和土壤氣樣品采集在相同的深度(60～100 cm)。采用現(xiàn)場土壤氡氣測量、實驗室氡氣射氣分析和野外鈾伽瑪能譜分析3種方法，進行了大量的對比研究，評估了現(xiàn)場氡氣測量的有效性和時效性。3種方法的比較結(jié)果顯示，新的現(xiàn)場土壤氡氣測量能提供最有效的地球化學標志，為野外現(xiàn)場全天候氡氣土壤地質(zhì)填圖提供了可能，也為新構(gòu)造研究提供了技術(shù)手段。

2.2.1.3 風化殼Sr同位素地質(zhì)填圖

為研究地球陸地表面化學元素成因及其搬運和分散系統(tǒng)，Asahara等[27]以日本中部愛知縣為例，借助Sr同位素比率，進行了地球化學填圖和物源分析。在區(qū)分表層沉積物質(zhì)來源方面，Sr同位素比率是非常有用的示蹤劑，尤其是基巖出露較低的地區(qū)，因為沒有遭受過顯著的風化作用和搬運作用。反映水系沉積物的87Rb/86Sr-87Sr/86Sr變化圖清晰地揭示了基巖的差異(圖2)。

圖2 毗鄰后飛保町變質(zhì)巖區(qū)西部的稻川花崗巖區(qū)水系沉積物87Rb/86Sr-87Sr/86Sr變化圖[27]

日本群島大多數(shù)基巖被植被、土壤和居民區(qū)覆蓋，該次研究采集了1 219個水系沉積物樣品，在室內(nèi)進行Sr同位素分析。Sr同位素比率的區(qū)域變化顯示： 在日本西部和東南部，Sr同位素比率較高，該區(qū)沉積巖和變質(zhì)巖分布廣泛； 在日本中部，Sr同位素比率較低，該區(qū)花崗巖分布廣泛。研究表明采用Sr同位素進行地球化學填圖是非常有用的，揭示了未出露基巖的分布和表層沉積物的搬運情況。

2.2.2 風化殼地球物理調(diào)查

在深切割山區(qū)、基巖出露較差區(qū)、深風化且廣泛分布區(qū)、植被茂密覆蓋區(qū)以及難以通行的地區(qū)，傳統(tǒng)地質(zhì)填圖面臨很大挑戰(zhàn)。在此類特殊地質(zhì)地貌區(qū)進行地質(zhì)填圖，地球物理調(diào)查顯得尤為重要。

2.2.2.1 航空電磁法

2.2.2.2 航空伽馬能譜測量法

航空伽馬能譜測量能較好地反映巖石特征，但對風化殼物質(zhì)及其分布特征反映較差。de Figueiredo Iza等[29]得出在風化作用過程中，由于地球化學的重組，放射性元素會重新分配，風化殼和風化物質(zhì)具有高eTh值、低K值和低—中eU值(圖3和圖4)。然而僅依據(jù)eTh/K、eU/K的比值不足以判斷風化殼，必須與航天飛機雷達地形測繪(shuttle radar topography mission，SRTM)值和地質(zhì)特征結(jié)合起來，采用布爾和模糊數(shù)學方法，賦予不同的權(quán)值來進行判斷。實驗表明，模糊數(shù)學法對比度較高。這種方法已在巴西亞馬遜紅壤風化殼調(diào)查方面得到了廣泛的應用。

圖3 亞馬遜剖面中K、eU、eTh隨地形起伏圖[29]

圖4 亞馬遜剖面中eTh/K、eU/K隨地形起伏圖[29]

2.2.2.3 電阻率層析X射線攝影技術(shù)

Ritz等[30]采用電阻率層析X射線攝影技術(shù)，研究覆蓋在塞內(nèi)加爾東部2種基底之上幾十米厚的風化殼電阻率特征。其二維電阻率剖面揭示了花崗巖基底之上風化殼的不均一性，解釋了大量風化殼信息，即風化殼由不飽和紅土物質(zhì)組成的近地表表層土有較高的電阻率，中間包含少量水的黏土層具有較低的電阻率，花崗巖基底具有極高的電阻率，形成了典型的三明治結(jié)構(gòu)。電阻率層析X射線攝影技術(shù)方法的使用，主要取決于由物理、化學、水文地質(zhì)參數(shù)決定的風化殼電阻率的差異。不僅可以識別風化殼橫向不均勻性，還可識別垂向巖性的變化，但要與山地工程所揭露的巖性面對比驗證，且不同深度的風化殼應采用不同的電極距，測量不同深度風化殼視電阻率。研究結(jié)果表明,電阻率層析X射線攝影測量結(jié)果與野外露頭基本一致，是一種快速且經(jīng)濟可行的熱帶地區(qū)花崗巖風化殼填圖方法。

2.2.2.4 高光譜遙感地質(zhì)填圖

風化過程涉及礦物成分和結(jié)構(gòu)的變化，新鮮巖石中長石的含量及結(jié)構(gòu)是決定強風化的關(guān)鍵參數(shù)，高光譜影像可反映地貌景觀形成過程中巖性和礦物的變化及地貌和氣候參數(shù)。Riaza等[31]通過在野外和實驗室利用光譜儀測得風化巖石的光譜曲線，進而對光譜曲線加工處理，最后得出可識別巖性變化的光譜特征，與野外進行的地質(zhì)驗證吻合度高，效果好。研究表明高光譜影像可幫助厘定風化帶前鋒和不同風化程度的花崗巖，有助于評估剝蝕作用對地形的控制程度，有助于制作土壤流失和保護圖。另外，無人機高光譜遙感技術(shù)也成功地應用于特殊地貌區(qū)地質(zhì)填圖領(lǐng)域。

2.2.3 風化殼綜合地質(zhì)調(diào)查

烏干達地質(zhì)勘探程度低，風化強烈，Bahiru等[32]利用陸地衛(wèi)星TM、SRTM和潛在的數(shù)據(jù)庫(放射性測量和磁學)，對烏干達Buhweju強風化地區(qū)進行了綜合地質(zhì)填圖。應用圖像處理和增強技術(shù)改進各種航空航天數(shù)據(jù)的質(zhì)量，如放射性合成圖像的融合和增強處理。與多光譜遙感數(shù)據(jù)和陸地衛(wèi)星數(shù)字高程模型結(jié)合，可較好地識別巖性，依據(jù)類似的放射性測量信號，可厘定和圈出各種基底巖石單元。航空電磁數(shù)據(jù)揭示了研究區(qū)有價值的巖性與磁異常的關(guān)系，厘定了NNE向和NNW向構(gòu)造體系，圈定了找礦靶區(qū)。研究指出，航空電磁與地質(zhì)背景中的地層、礦物、地球化學、鉆探、地貌景觀的有機結(jié)合，在揭示風化殼結(jié)構(gòu)方面將成為有力的工具，這對風化殼占主導的地區(qū)開展找礦勘查有著重大影響。

2.2.4 土壤地質(zhì)填圖

以往地質(zhì)圖很少表達土壤的內(nèi)容，然而這些信息對了解第四紀地質(zhì)和地貌形成過程非常有用。Costantini等[33]以意大利中部蒙塔娜拉第四紀古土壤為例(該區(qū)更新世土壤參數(shù)來源于常規(guī)土壤調(diào)查、專題調(diào)查及研究成壤作用的分析數(shù)據(jù))，研究出一套利用土壤調(diào)查和古土壤研究成果資料來生成第四紀覆蓋層詳細地質(zhì)圖的方法(圖5)。通過定義“pedostratigraphic level”(即土壤地層被定義為土壤成因的特征組合層，且這些土壤形成于有一定風化程度、與標準土壤可對比年齡的物質(zhì))，依據(jù)土壤地層圖中的風化殼厚度和最老土壤層年齡，來生成第四紀地質(zhì)圖，依據(jù)土壤對比的年齡、厚度和地貌景觀，來詳細劃分第四系，豐富圖幅內(nèi)容。

圖5 蒙塔娜拉第四紀覆蓋層地質(zhì)圖[33]

2.2.5 隨機森林巖性預測法

隨機森林法是一種監(jiān)督分類法，需要對每個有代表性的巖性進行訓練，以便進行預測或?qū)ｎ}填圖(圖6)，而地球化學數(shù)據(jù)和伽馬能譜數(shù)據(jù)是巖性預測的最好參數(shù)。Harris等[34]借助隨機森林巖性預測法，采取2種訓練方案，分別采用內(nèi)插主要和次要的地球化學數(shù)據(jù)及航空電磁和航空伽馬能譜測量數(shù)據(jù)，對加拿大北部Hearne太古宙和古元古代構(gòu)造域大部分巖性進行了預測，制作了有意義的巖性預測圖，并進行了野外驗證，取得了較好的效果。研究表明，這種方法有助于在預測地質(zhì)與傳統(tǒng)地質(zhì)不匹配及出露較差的地區(qū)進行野外地質(zhì)填圖。

圖6 隨機森林法工作流程[34]

3 結(jié)論與展望

特殊地質(zhì)地貌區(qū)存在有別于傳統(tǒng)填圖區(qū)的“特殊”之處，需要采用恰當?shù)募夹g(shù)方法或多技術(shù)組合實現(xiàn)填圖目標。目前比較成熟的地球物理和地球化學勘探技術(shù)方法甚多，如地球物理勘探在傳統(tǒng)的“重力、磁法、電法、地震”方法體系內(nèi)派生出很多分支技術(shù)，地球化學勘探從區(qū)域地球化學勘探發(fā)展到非常規(guī)地球化學勘探，該領(lǐng)域也是技術(shù)眾多。在地質(zhì)調(diào)查方式轉(zhuǎn)型過程中，地球物理和地球化學勘探技術(shù)無疑是不可或缺的創(chuàng)新驅(qū)動力之一。但也應當看到，對于新興的特殊地質(zhì)地貌區(qū)填圖工作，不同技術(shù)方法的選配也需技術(shù)應用的檢驗與完善。對地質(zhì)填圖而言，地球物理和地球化學勘探技術(shù)也是一種間接的方法，本身仍存在一定的約束性、局限性或多解性，其推斷結(jié)果也需經(jīng)歷證偽與證實的檢驗[24]。

風化殼調(diào)查與研究是個綜合性課題，是一項探索性和實踐性很強的工作，預示著新理論的孕育。不僅要縱向上在深度方面精細研究，更需要橫向上多學科協(xié)作，加強地質(zhì)學與土壤學、地貌學、氣候?qū)W、生物物理化學、地球物理、地球化學、礦床學、水文學、環(huán)境地質(zhì)學和工程地質(zhì)學等的綜合研究。按系統(tǒng)論的思維，應進一步研究動態(tài)的風化作用事件和靜態(tài)的影響因素，建立適合我國南方強風化殼的風化系統(tǒng)成因模式，構(gòu)建我國南方紅土-氣候-夷平面多旋回高分辨率風化殼層序序列。同時，更新填圖理念，創(chuàng)新特殊地貌區(qū)風化殼地質(zhì)調(diào)查研究工作，加強風化殼研究的可持續(xù)開展，積極解決與風化殼有關(guān)的資源環(huán)境問題。