现代碳酸盐岩风化壳是由地壳最上层碳酸盐岩风化层的——-土层组成的开放体系。因此，可以推断古代风化壳是相同的。因此，它长期暴露在地表，受到地质历史上各种风化力的影响和作用。地壳表面与大气、水圈和生物圈有广泛的物质、能量和信息交换。这个开放系统是由具有特定功能和作用的单元(或部件)按一定顺序排列组合，完成风化成土和成土后期的偏侧化。我们把这种组合关系称为风化壳的“结构”。该体系是在长期的地质历史中，在开放的体系环境中，在各种风化力的影响和作用下形成的具有自组织功能的“耗散结构”体系。因此，这里的“结构”一词具有广义的含义，而不是指地学中常用的岩土“结构”概念。野外地质调查发现，发育良好、保存完好的现代碳酸盐岩风化壳具有从上到下的“层状结构”，如图6-3所示。

图6-3碳酸盐风化壳层状结构示意图

1. 土壤和表土层

土层指成土作用形成的表土，一般厚0.5 ~ 1m;表土层，即受各种植物根系影响的表层(包括土壤)较深。根据对人口稀少的喀斯特地区的调查研究，在人口大量增加之前，广大的喀斯特地区(特别是热带和亚热带地区)森林和植被繁茂，根据目前的统计，其凋落物数量相当可观(表6-2)。这些植物的凋落物对某些成土元素(如Si、Al、Fe等)的富集有显著作用(表6-3)。植物根系也会对岩层造成机械损伤，如根裂。植物残体和腐殖质的分解也能产生大量有机酸和CO2(任美锷等，1983)。大气中一般只含有0.03%的二氧化碳，而植物覆盖则含有近1%的二氧化碳。这样，渗透水中含有大量有机酸和碳酸，有利于溶解。研究表明，由于大量微生物的繁殖、植被覆盖的生物化学等原因，表层土壤和土层中会产生大量的CO2。它是地下水中碳酸的主要来源。土壤中所含的二氧化碳量可以达到空气中的十倍甚至百倍。此外，表土还具有截留和截留水分的作用，对风化壳的形成和保护起着重要作用。

表6-2中国不同自然带森林凋落物数量

表6-3毛兰喀斯特森林自然保护区红粘土植物灰分化学成分(wB/%)

野外调查表明，碳酸盐岩红色风化壳主要形成于岩溶谷、槽谷、缓坡等平坦地形。这是因为这样的地形条件有利于地表径流的汇聚和入渗。水携带的Si、Al、Fe等元素和凝胶物质，以及植物凋落物中积累的成土成分，以及散落在表面的粉尘、细粒粘土等胶体，渗透到土壤界面中，非常有利于土壤的形成。同时，该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溶蚀交代和成土作用。

2. 红粘土层

这是紧挨着土层和表土层的上层粘土层，其厚度随风化壳层总厚度的变化而变化。一般为3 ~ 5m。这一层因土壤呈棕红、棕黄或红色而得名。土中发育较大的裂隙，裂隙上有红色铁、锰镀层，常有水平砖红色铁带。土壤含水量低，处于硬塑性-塑性状态。显然，红色粘土层处于强氧化带，导致以Fe3+价铁形式存在的铁矿物，使土壤层呈现明显的红色。

3.黄粘土层

土壤呈黄姜色，土层厚度3 ~ 6米。有时含有小的红棕色斑块，具有碎屑状和虫状结构，微裂缝非常发育。有时，土壤中还含有许多黑色铁锰斑、结核和夹层，这是岩石-土壤过渡带的特征。该带土壤天然含水量高，一般为70% ~ 80%，土壤呈塑性或软塑性状态，该带处于弱氧化带。

4. 杂色层状粘土层

纹层由紫色、深棕色、红色、纯白色、棕色等粘土层组成，具有色带和晕状结构。该层厚度为0.2 ~ 0.3m，纹层随下伏基岩起伏。土壤天然含水量最大，一般可达到90% ~ 100%，为软塑性状态。这一层的厚度变化很大。沟槽底部和凹下的沟槽厚度较大，在凸起的岩面上厚度变薄。杂色粘土层暴露在空气中褪色更快，表明该区域处于还原区。杂色粘土层是碳酸盐岩与土层之间的转换带。

随着新土层在岩土界面上的形成，下层土被转化为上层土，表层土被剥蚀和搬运。在转化过程中，土层会发生一系列的变化。除了上述氧化还原环境外，土层的含水量和状态也会发生变化，土层的pH值也会产生由底部碱性到顶部酸性的酸性环境，土壤的物理性质、化学和矿物组成也会发生变化。最明显的变化是土壤粒度组成的变化。例如，在安顺和遵义红色风化壳剖面中，粉砂粒群含量由下土层的51.3% ~ 66.8%下降到上土层的29.6% ~ 32.7%，粘粒群含量由下土层的25.0% ~ 35.0%下降。在上层土壤中增加到59.0% ~ 59.4%。也就是说，土壤的粒度由粗粉土转变为细粘土粒度。土层的矿物组成也随之发生变化。界面处混合色粘土层中的粘土矿物，如绿泥石、水铝泥石、蒙脱土、绿泥石、蛭石、蛭石/绿泥石等粘土矿物和层间粘土矿物，将转变为以高岭石为主的粘土矿物。同时，土层中石英、蛋白石、铝矿物含量也相应增加，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溶试验表明，上部红粘土层和黄粘土层中的Si可被水部分淋溶并输送到岩土界面，从而成为部分成土元素的来源。

5. 解决方案层

石灰石和白云石的过滤层完全不同。前者为褪色灰白色多孔疏松风化层，一般厚几厘米至10多厘米，向上变为土层，向下逐渐变为石灰岩层。后者是松散的白色白云石砂，完全失去了强度和结构连接。厚度大，一般大于0.5m，最厚可达几米至10多米。它逐渐向下变成白云岩层，向上变成粘土层。滤层一般不是水平产生的，而是围绕基岩的岩面起伏而产生的，因此厚度变化也较大。

6. 基岩(白云岩或石灰岩等)

通过对基岩岩面起伏的研究，还可以提供许多关于红色风化壳形成的重要信息。图6-4为贵阳西郊水厂施工人工开挖断面示意图。从图中可以看出，岩面起伏很大，最大可达16m以上，这是垂直平面上裂缝沿水体差异溶解的结果。垂直和侧向溶解还可以形成包裹土壤的岩心和块状，进一步溶解成白云石砂和不同颜色的土壤团块、斑块和斑点。在贵阳地区的工程勘察钻孔段中，经常遇到上、下土层的悬臂岩，由于不同的溶蚀作用。

图6-4贵阳市西角水厂碳酸盐岩红色风化壳

石灰岩的溶解剖面也是如此。遵义市中庄砖厂曾开采10多米厚的红色风化壳作为烧砖原料。石灰石上的风化壳层全部开挖后，沿倾斜岩层出现溶蚀极不均匀的岩面，岩面起伏高差可达10米以上。这些起伏的溶蚀沟和突出的石芽都是风化壳下溶蚀的结果。溶蚀沟底部常有地下水滞留入渗，土体常呈现软塑性甚至流塑性状态，是水岩反应的高峰期。这种极不均匀的基岩表面的起伏地形也为碳酸盐风化壳的存在提供了无可辩驳的证据。上述情况也与俄罗斯乌拉尔南部古风化壳剖面和贵州修文萧山大坝基岩底板古岩溶地形相似，如图6-1所示。

碳酸盐岩红色风化壳是地质历史上在地壳表面开放体系条件下形成的具有自组织功能的耗散构造体系。其功能和作用体现在组织协调系统与几种风化力之间的相互关系上，为风化进入土壤提供了必要的条件，使系统发挥出最大的作用。溶蚀作用是主要的，它为水岩和岩土的相互作用和反应提供了必要的空间。溶蚀作用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。碳酸盐岩微溶蚀的本质特征是受水岩界面表面反应控制的选择性溶蚀、物质组成的选择以及岩矿微观结构和微观结构的选择(韩保平，1993)。石灰石的溶解开始于泥晶基质或亮晶胶结物的溶解，形成粒状过滤层。白云石砂的进一步浸出是白云石菱形晶体和解理面的溶蚀，形成窗状的乳突状孔隙。在自然条件下，微渗流状态对溶蚀特性影响显著。在孔喉和屏障前可形成较长的渗透性孔隙，微裂纹尖端常形成囊状溶液孔隙(韩保平等，1994)。韩保平等(1994)提供了用压汞试验法直接测量碳酸盐风化壳孔隙的数据(表6-4)。从表6-4可以看出，新鲜岩石的孔隙度值很低。Y1和Ba1样品的有效孔隙率仅为0.82% ~ 0.96%，而在成土过滤层上，Y5和Ba5的有效孔隙率达到25.58% ~ 28.90%。因此，可以认为是溶解层及其高孔隙度为水岩和岩土反应提供了有效的空间，为水岩交代提供了场所。没有溶解层，就不会形成土壤。与滤层相邻的非均质粘土层孔隙度分别达到55.90%(遵义灰岩粘土层)和62.50%(安顺白云岩砂粘土层)。增溶层与非均质粘土层孔隙度的差异很容易理解。一方面，孔隙度随着成土的进程而进一步增大。另一方面，Y5和Ba5孔隙度是汞溶液可以达到的有效孔隙度。作者确定的杂色黏土层孔隙度是由直接测得的土壤基本指标(土壤含水量、密度)进行理论转换得到的间接指标，包括所有封闭孔隙。从以上讨论可以看出，碳酸盐岩红色风化壳(工程上又称红粘土)的高孔隙度和高孔隙比特征与红色风化壳的形成密切相关，从成因上揭开了红粘土高孔隙度之谜。

表6-4石灰石、大理石风化壳孔隙度压汞试验结果

碳酸盐岩的渗透性是水进入岩体的必要条件。实际上，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胀孔、溶胀空隙和溶洞产生的次生渗透率。岩溶含水层水文地质试验中测得的参数大多属于次生渗透率。在次生孔隙、溶蚀和溶洞中流动的水流速快，侵蚀力强，显然不能交代到土壤中，因此岩体的初级渗透性主要与土壤的形成有关，这方面的资料很少。根据D.I. Smith的碳酸盐岩孔径、孔隙度与渗透系数k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 ~ 0.01mm，渗透系数k为0.0001 ~ 0.01m/d。另有研究资料表明，实验室测得的块状灰岩渗透系数为k=710-7 ~ 1.010-4m/d(张卓远，1994)，红粘土孔隙渗透系数约为n10-5m/d，红土裂缝渗透系数为n10-2 ~ n10m/d。野外观测表明，红色风化壳主要沿裂缝渗流，可认为风化壳上层渗透率远大于下层岩石渗透率，两者存在一个数量级的差异。因此，大量的水被保留在岩土界面上，土层的含水量从上到下逐渐增加。根据笔者的计算，土层中的渗流水和土层中所含的各种成土物质足以保证基岩溶蚀交代入土。