成土风化壳soil-forming weatheringcrust

地壳表层岩石经风化作用和地球化学过程的不同发育阶段而形成的具有比较疏松结构的岩石风化产物。陆地风化壳在原地形成的表层疏松淋余残积层是大气一生物与岩石圈相互作用的产物，是形成土壤的母质。现代土壤学已把风化壳的范围扩大到第四纪以来形成土壤的各类地表沉积物(见图1)。

图1 风化壳在自然界中的位置

影响风化壳形成的因素 岩石风化的主要原因是它暴裸在地表后所处的环境发生了变化；变化越大，风化作用越强烈，风化壳的性质与原来岩石的性质相差也越大。
水热条件 是影响风化壳形成的类型及其速度的基础。在寒冻或热带荒漠干旱条件下，化学风化作用微弱，主要是物理风化作用，故风化壳薄，多碎屑，硅酸盐矿物基本上没有破坏或破坏很少，基本上保持着原矿物的成分和性质，许多易溶性物质如氧化物、硫酸盐仍在风化壳中保存下来，形成碎屑风化壳。在荒漠草原、草原气候条件下除了物理风化作用外，化学风化作用也得到了轻度的发展，残积层中出现了粉粒和粘粒，创造了高等植物的生长条件；矿物分解中的部分易溶盐类(主要是氯化钠，硫酸钠)从风化壳中淋失，一部分为有机体吸收；钾、钙、镁大都仍留在风化壳中，钙离子与风化过程中的碳酸溶液结合为不溶的碳酸钙，留在风化壳中，形成碳酸盐风化壳。又如在温带湿润气候条件下，物理和化学风化作用得到中度发展，原生矿物经分解作用释放出的矿质元素如碱金属、碱土金属的氯化物、硫酸盐、碳酸盐和部分硅酸都遭到淋失，保留了在新环境下相对稳定的铝硅酸盐粘土矿物和铁铝水化氧化物，形成的硅铝风化壳，厚达1米至数米。在湿热气候条件下，物理和化学风化作用都很强烈，旺盛的生物生长也增强了风化作用，这时粘土矿物遭强烈分解，释放出来的盐类包括硅酸大部分被溶解和淋失，铁铝氧化物积累下来形成深厚的富铝风化壳，厚度可达数十米或更厚。
岩石矿物本身的成分 矿物组成的晶格中共价键愈多、离子键愈少，则晶格能愈大，抗风化作用性能愈强，在地表条件下愈稳定。反之，则晶格能愈小，愈不抗风化。基性岩中橄榄石、霞石、基性斜长石、辉石、角闪石、黑云母等矿物晶格能小，易于风化，形成的风化壳也厚。酸性岩石中的正长石、酸性斜长石、石英、白云母等矿物晶格能大，抗风化力强，风化速度慢，形成的风化壳较薄。页岩中含大量粘土、氢氧化铁等风化产物，所以化学性质稳定，风化壳也厚，但如含有石灰、石膏等成分则易溶解而迅速淋失。石灰岩、白云岩易溶于含碳酸的水溶液，易溶失，仅残留少量三二氧化物、粘土和石英，故风化快，且风化壳薄。
地形条件 也是影响风化壳形成的一项重要因素，稳定而平坦的地形有利于深厚风化壳的形成；幼年的山地地形和坡地、侵蚀作用强烈的地方，风化残积物积累少，风化壳较薄而粗大颗粒多。
风化壳中的元素迁移 风化壳是不同岩石矿物在一定风化条件下形成的风化产物，在其发展过程中的地球化学特征是一些元素的淋滤损失和另一些元素的相对富集。岩石中含有大量的硅、铝、铁和少量的钙、镁、钠、钾，多数岩石中氯、硫的含量很少，但实际河水中易溶入氯、硫、钙、钠等元素离子，而硅、铁、铝则很少，说明在风化过程中元素的迁移能力大小不同。
元素迁移能力 Б.Б.波雷诺夫提出根据河水中元素的含量与河水流经地区岩石中元素平均含量的比较结果以计算元素的相对迁移能力。计算的公式如下：式中： Px为x元素的相对迁移能力，为未知数；Py为y元素的迁移能力，是已知数，波雷诺夫按最易迁移氯元素计，为100%;mx及my分别为x及y元素在河水干残渣中的含量(克/升);nx及ny分别为x及y元素在该河流域岩石中的平均含量(%)。

风化壳元素的迁移系列
(Б.Б.波雷诺夫，1948)

元素迁移系列	迁移系列的元素成分	迁移量等级指标
1. 最易移动的元素 2. 易移动的元素 3. 可移动的元素 4. 惰性的略可移动的元素 5. 实际上不移动的元素	Cl(Br、I)S Ca、Na、Mg、K SiO2（硅酸盐）、P、Mn Fe、Al、Ti SiO2（石英）	2n·10 n n·10-1 n·10-2 n·10-∞

上述系列表示元素从整个风化壳中被迁移的强度。在具体景观中元素被淋出的强度可能不同于上列平均材料。如在沼泽中铁的迁移能力非常高，在潮湿亚热带SiO₂的迁移能力差不多与钙一样。
水迁移系数 А.И.彼列尔曼(1953)，建议用水迁移系数来说明元素在景观中的迁移能力，在多方面扩大和丰富了元素迁移力的内容。水迁移系数是某一元素在河水矿物残渣中的含量除以在岩石中该元素被河流及其支流河水所排出的含量，计算方法如下：式中： Kx为元素x的水迁移系数；mx为元素x在河水中的含量(克/升);a为河水中矿物质残渣总量(克/升);nx为元素x在该河流域岩石中的平均含量(%)。
龚子同(1980年)将元素水迁移系数的原理应用于研究中国热带、亚热带地区矿物元素的水迁移次序，研究结果表明，在还原条件下为Ca>Mn>Mg>Na>P>K>Fe>SiO₂>Al；在氧化条件下，第四纪红色粘土区为Ca>Na>Mg>K……，花岗岩区为Na≈Ca>Mg>K……，玄武岩区为Na>Ca>Mg>K……，石灰岩区为Ca>Mg>K>Na。在许多情况下，元素的水迁移系数是反映现代成土过程的重要指标。
成土风化壳类型 自然界成土风化壳类型十分复杂。Б.Б.波雷诺夫(1934)提出了残积型和堆积型风化壳的概念，并把残积型（淋溶型）风化壳按岩石来源的不同分成正残积风化壳（由岩浆岩形成），副残积风化壳（由致密沉积岩形成），新残积风化壳（由第四纪沉积物残积风化的）3种。彼列尔曼(А.И.Перельман)(1957)，把风化壳划分为氧化系列和还原系列两大类，氧化系列中包括硫酸型、酸性型、中性碳酸盐型、氯化物硫酸盐型、石膏和苏打型；还原系列包括无碳酸盐潜育型、碳酸盐潜育型、盐渍潜育型、苏打潜育型、盐渍—硫化物型和苏打—硫化物型等。B.A.柯夫达(1973)根据风化过程中物质平衡的概念把风化壳分成淋溶型、过渡型和堆积型3种风化壳类型。
淋溶型风化壳 地形部位较高，在风化过程中物质的淋溶过程占优势，大部分风化产物被淋失，应属于残积—淋溶风化壳。在不同的水热、地形条件和在不同的风化阶段系列，还可以进一步分出下列类型：❶多石残积层，它覆盖在山地岩石和岩石凹处；
❷碎屑残积层，未经滚磨的失去联结的岩石碎屑；
❸细土质碳酸钙残积层，由原生岩石淋溶风化而来，或为次生的新残积层(如黄土状壤土、黄土等);
❹细土质硅铝残积层，为饱和或不饱和硅铝矿物复合物(高岭石、多水高岭石、水云母)，如北俄罗斯平原覆盖的壤土；
❺粘土化蒙脱石残积层和新残积层，在比较干旱的气候下形成；
❻粘土化含铁高岭残积层，在湿润的亚热带、热带地区形成；
❼铁质及铁铝残积层和新残积层，在湿润和周期性干旱的亚热带、热带地区形成；
❽铝铁土（铝土矿）残积层，在赤道潮湿热带地区形成，氢氧化铝占绝对优势。
过渡型堆积风化壳 在平缓的坡地、坡积平原、冲积扇、三角洲上，风化壳的物质平衡具有过渡性的特点；一部分悬浮物和溶解的风化产物(SiO₂、Fe(OH)₃、Al(OH)₃、CaCO₃等)从溶液中沉淀出来，也有一部分物质(碱金属和碱土金属的氧化物、硫酸盐、碳酸盐等)流失。气候越干旱，则包括易溶解的盐类也可以滞留在过渡型沉积风化壳中。
堆积型风化壳 出现在排水不良和无排水出路的低地、低阶地、冲积平原、三角洲和干涸湖泊，沉积着从四周的各种风化产物，包括非晶质的二氧化硅真溶液、胶体溶液、细悬浊液，还原态或螯合态的铁、铝、锰、钴、镍的化合物，活动的铝化合物，有机物及其分散溶液，各种盐类等，形成堆积型风化壳。堆积型风化壳可分为以下类型：❶卵石、碎石和砾石的坡积层、洪积层、淤积层(分无碳酸盐、石灰化、石膏化和铁质化的);
❷粉质的坡积层、洪积层、淤积层(分盐基不饱和、盐基饱和、石灰化、石膏化、盐渍化、铁质化);
❸粘土质的坡积层、洪积层、淤积层(分酸性或中性的铝硅酸盐、碱性蒙脱石、伊利石和蛭石、碳酸盐、石膏化、铁质化、砖红壤化、硅化、苏打、氯化物—硫酸盐，硝酸盐)。
残积型、过渡型、堆积型3种风化壳相互间有着紧密的发生学和地球化学联系，在自然地理景观条件中，3类风化壳存在着规律性的共轭关系。
中国的成土风化壳类型 中国幅员辽阔，成土风化壳类型复杂。龚子同按发生特点将成土风化壳分为2个系列，五个类型。
氧化系列 氧化系列风化壳的共同特点是地下水位较深，水分主要来源是降水，除堆积型风化壳外，物质的垂直迁移和淋溶作用居于主导地位。根据其发生特点和所处风化阶段分为以下五个类型：
碎屑状风化壳 是岩石风化的最初阶段，化学风化不明显，以物理风化为主，基本仍保持母岩的性质，风化层质地粗而薄，细粒很少，只有最易移动的氯和硫发生移动，在中国主要分布在青藏高原及各地山区。
碳酸盐风化壳 岩石中的铝硅酸盐和硅酸盐矿物开始分解，雨水使游离出的碱金属、碱土金属的易溶盐(氯化物、硫酸盐)基本淋失，但风化壳中一定部位仍残留不少游离碳酸钙，风化壳溶液呈中性到碱性，形成的次生粘土矿物以蒙脱石、伊利石为主，主要分布在半干旱到干旱、荒漠地区，多发育各种类型的钙层土(黑钙土、栗钙土、棕钙土、灰钙土、黑垆土等，在中国南方石灰性紫色砂质页岩上发育紫色土，石灰岩上发育红色石灰土、黑色石灰土等。
硅铝风化壳 三类：❶铝硅酸盐、硅酸盐在分解过程中释放的可溶盐及部分硅酸已淋失。根据淋溶程度可进一步分为饱和硅铝风化壳交换性阳离子主要为Ca²⁺，中性，粘土矿物以2:1型矿物伊利石、蛭石、蒙脱石为主，发育的土壤有褐土、黑土、灰色森林土等。
❷不饱和硅铝风化壳交换性阳离子主要为Ca²⁺、H⁺、Al³⁺，粘土矿物蒙脱石为主，发育的土壤有棕壤、暗棕色森林土、棕色针叶林土等。
❸弱富铝化硅铝风化壳交换性阳离子主要为Ca²⁺、H⁺、Al³⁺，除高岭石、埃洛石外，出现一定量的游离铁、铝氢氧化物，发育的土壤有黄棕壤、黄褐土。高山草甸土、高山草原土则发育于碎屑型硅铝风化壳上，呈酸性到中性。
富铝风化壳 在湿热条件下，铝硅酸盐、硅酸盐矿物强烈分解，释放出的碱金属、碱土金属和硅酸受到淋失，主要剩下铁、铝、钛、尚未分解的高岭石和一部分胶质二氧化硅。交换性盐基以铝、氢为主，粘土矿物主要为高岭石、三水铝石、水化铁矿等，风化壳深厚。因氧化铁的含量及水化程度不同而呈红、橙、黄等色，又称红色风化壳。由于铁、锰氢氧化物胶体在风化壳内的移动和富集，可形成网纹层、胶膜、铁结核、铁盘等，华南地区分布尤广。
含盐风化壳 滨海地区分布着含盐沉积风化壳，其盐分成分及来源决定于滨海地下水的矿化组成。远离海洋的大陆中心盆地接受周围高山高原带来的大量风化产物；尤其在干旱条件下，不仅积累下难溶的碳酸盐，易溶的氯化物、硫酸盐也积累在风化壳中。从山麓经冲积扇到低地、盐湖，风化壳中积累的盐类成分依次呈CaCO₃—CaSO₄—Na₂SO₄—NaCl的顺序变化，反映了干旱地区含盐风化壳的地球化学规律性(见图2)。

图2 祁连山一居延海间含盐风化壳盐分的地球化学分异

还原系列 还原系列主要发育于沉积型、过渡沉积型风化壳，也发育于残积风化壳。与氧化系列不同，它受积水严重影响，有的整个风化壳断面受积水影响，有的是部分地或是氧化—还原交替进行的。积水使风化壳含氧量低，氧化还原电位低，呈强还原状态，铁、锰磷酸盐由难溶态变为易溶态而提高了移动性，硫还原为有害的HS-、S2-物质，氮还原为氮气逸出。还原风化壳断面中有大量锈纹、锈斑、铁锰结核，严重的出现灰粘层，发育的土壤有沼泽土、潜育土和水稻土等。