現(xiàn)代碳酸鹽巖風(fēng)化殼是處于地殼最表層的由碳酸鹽巖風(fēng)化層———土層組成的一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，由此推測(cè)古風(fēng)化殼亦是如此，所以其在地質(zhì)歷史時(shí)期也曾長(zhǎng)期暴露在地表接受各種風(fēng)化營(yíng)力的影響和作用，在太陽(yáng)的光、熱作用下，與地殼表層的大氣圈、水圈、生物圈之間存在著廣泛的物質(zhì)、能量和信息的交換。

這一開(kāi)放系統(tǒng)又由具有特定功能和作用的各單元（或部分）組成，它們以一定的順序排列組合起來(lái)，共同完成風(fēng)化成土以及成土后期紅土化作用，我們把這種組合關(guān)系稱為風(fēng)化殼的“結(jié)構(gòu)”。這一系統(tǒng)是在開(kāi)放體系的環(huán)境下，在長(zhǎng)期的地質(zhì)歷史時(shí)期中，在各種風(fēng)化營(yíng)力影響和作用下，形成的具有自組織功能的“耗散結(jié)構(gòu)”系統(tǒng)，所以此處的“結(jié)構(gòu)”一詞具有廣義的涵義，而并非指地學(xué)專業(yè)上常用的巖石、土體的“結(jié)構(gòu)”的概念。野外地質(zhì)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)育良好的且保存完整的現(xiàn)代碳酸鹽巖風(fēng)化殼，自上而下具有如圖6-3所示的“層狀結(jié)構(gòu)”。圖6-3 碳酸鹽巖風(fēng)化殼層狀結(jié)構(gòu)示意圖1.土壤層和表土層土壤層指由受成壤作用而形成的表土層，一般0.5～1m厚；而表土層指受各種植物根系影響的表層（包括土壤層），厚度更深一些。根據(jù)對(duì)人煙稀少的巖溶區(qū)調(diào)查研究表明，在人類大量繁衍生息人口數(shù)量劇烈增加以前，廣大的巖溶區(qū)（尤其是熱帶和亞熱帶地區(qū)）都曾繁茂地生長(zhǎng)著許多森林和植被，僅據(jù)現(xiàn)今的統(tǒng)計(jì)，它們的凋落物數(shù)量都相當(dāng)可觀（表6-2）。這些植物的凋落物對(duì)富集某些成土元素（如Si、Al、Fe等）有相當(dāng)大作用（表6-3），植物的根系也對(duì)巖層產(chǎn)生根劈等機(jī)械破壞作用。植物的殘余物、腐殖質(zhì)分解也能產(chǎn)生大量的有機(jī)酸和CO2（任美鍔等，1983）。在大氣層中，一般只含0.03%的CO2，而在植物覆蓋層中有近1%的CO2。這樣，就使?jié)B入水中含有大量的有機(jī)酸和碳酸，有利于溶蝕作用。研究表明，表土層和土壤層中由于大量微生物的繁衍、植被覆蓋層生物化學(xué)作用等原因，能制造出大量的CO2，它是地下水中碳酸的主要來(lái)源，土壤層中所含CO2的數(shù)量可以達(dá)到空氣中的十幾倍甚至百倍。此外，表土層也能滯留和截留水分，對(duì)風(fēng)化殼的形成和保護(hù)也起到很重要的作用。表6-2 中國(guó)各自然帶森林凋落物數(shù)量表6-3 茂蘭喀斯特森林自然保護(hù)區(qū)紅粘土上植物灰分化學(xué)組分（wB/%）野外調(diào)查表明，碳酸鹽巖紅色風(fēng)化殼主要形成于巖溶谷地、槽谷、緩坡等平坦地形之上。這是由于這種地形條件，有利于地表徑流的匯聚和入滲，水中攜帶著Si、Al、Fe等元素及凝膠物質(zhì)，由植物凋落物中聚積的成土組分，以及散落于地表的粉塵以及微細(xì)粒粘土等膠狀物質(zhì)，滲入到巖土界面上，極有利于土的形成。同時(shí)，這種地形條件也是地下水富集地帶，地下水循環(huán)-交替條件良好，促進(jìn)了碳酸鹽巖巖體的溶蝕-交代作用和成土作用。2.紅色粘土層這是緊接著土壤層和表土層的上部粘土層，其厚度隨風(fēng)化殼土層總厚度而變化。一般3～5m。此層以土的棕紅色、棕黃色或紅色而得名。土體中發(fā)育較大裂隙，裂隙面上有紅色鐵錳質(zhì)被膜，且常常有近水平分布的磚紅色鐵質(zhì)條帶。土的含水量較低，處于硬塑—可塑狀態(tài)。顯然，紅色粘土層處于強(qiáng)氧化帶，致使鐵礦物以Fe3+價(jià)鐵的形式出現(xiàn)，使土層帶有明顯的紅色。3.黃色粘土層土體呈黃色、姜黃色，厚3～6m不等，有時(shí)含有紅棕色小斑塊，具碎屑及蠕蟲(chóng)狀構(gòu)造，微裂隙極發(fā)育，有時(shí)土體中也會(huì)含有較多的黑色鐵錳斑點(diǎn)、結(jié)核及夾層，這些都是巖土過(guò)渡帶的特點(diǎn)。此帶土體天然含水量大，一般70%～80%，土體呈可塑或軟塑狀態(tài)，此帶處于弱氧化帶。4.雜色層紋狀粘土層紋層由紫色、暗棕色、紅色、純白色、褐黃色等粘土層組成，具色帶及暈圈構(gòu)造，此層厚度0.2～0.3m，紋層隨下部基巖而起伏。土體天然含水量最大，一般均可達(dá)90%～100%，呈軟塑狀態(tài)。此層厚度變化較大，在凹下的溶溝、溶槽底部厚度大，在凸起的巖面上厚度變薄。雜色粘土層暴露于空氣中時(shí)，褪色較快，說(shuō)明此帶處于還原帶。雜色粘土層是碳酸鹽巖轉(zhuǎn)換為土層的轉(zhuǎn)換帶。隨著巖土界面上新的土層生成，伴隨著表層土被剝蝕搬運(yùn)，下部土層則向上層土轉(zhuǎn)化。在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，土層將發(fā)生一系列變化，除了上述的氧化—還原環(huán)境、土層的含水量及狀態(tài)發(fā)生變化之外，土層的pH值還會(huì)產(chǎn)生由下部偏堿性變成至上部的酸性環(huán)境，土的物理性質(zhì)和化學(xué)、礦物成分也發(fā)生了變化。其中變化最明顯的是土的粒度成分的變化，如安順和遵義兩個(gè)紅色風(fēng)化殼剖面，其粉土粒組的含量由下部土層的51.3%～66.8%，減小到上部土層的29.6%～32.7%，粘粒粒組含量由下部的25.0%～35.0%，增大到上部土層的59.0%～59.4%。也就是說(shuō)土粒的粒徑由粗的粉粒向細(xì)的粘粒粒徑轉(zhuǎn)化。土層的礦物成分也相應(yīng)發(fā)生了變化，界面上雜色粘土層中存在的埃洛石、水鋁英石、蒙脫石、綠泥石、蛭石、蛭石/綠泥石等粘土礦物及間層粘土礦物，將向以高嶺石為主的粘土礦物變化；同時(shí)，土層中的石英、蛋白石、鋁礦物等含量也相應(yīng)增多，也發(fā)生有些粘土礦物被鐵錳氧化物和氫氧化物交代的現(xiàn)象。碳酸鹽巖風(fēng)化殼粘土層的人工淋濾試驗(yàn)表明，上部紅色粘土層、黃色粘土層中的Si，可部分被水淋濾而搬運(yùn)到巖—土界面上，從而成為部分成土元素的來(lái)源。5.溶濾層石灰?guī)r和白云巖的溶濾層截然不同，前者為褪色的、灰白色多孔狀疏松風(fēng)化層，一般幾厘米至十余厘米厚，向上突變?yōu)橥翆?，向下漸變?yōu)槭規(guī)r層；后者為松散的白色白云巖砂，完全喪失強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)連結(jié)，厚度較大，一般都大于0.5m，最厚可達(dá)數(shù)米至十余米，向下漸變?yōu)榘自茙r層，向上突變?yōu)檎惩翆印Ｈ転V層一般均不水平產(chǎn)出，而是圍繞著基巖的巖面起伏，所以厚度變化亦大。6.基巖（白云巖或石灰?guī)r等）調(diào)查研究基巖的巖面起伏，也能提供紅色風(fēng)化殼剖面形成的許多重要信息。圖6-4是貴陽(yáng)市西郊水廠施工時(shí)人工開(kāi)挖剖面素描圖。從圖中可見(jiàn)巖面起伏十分巨大，可達(dá)16m以上，這是由于水順垂直層面裂隙差異溶蝕的結(jié)果。垂直溶蝕再加上側(cè)向溶蝕，亦可形成被土包裹的巖核、巖塊，它們進(jìn)一步溶蝕則變成白云巖砂及不同顏色的土團(tuán)塊、斑塊和斑點(diǎn)。在貴陽(yáng)地區(qū)工程勘察的鉆孔剖面中，經(jīng)常遇到由于差異溶蝕造成上下均為土層的懸臂巖。圖6-4 貴陽(yáng)市西郊水廠碳酸鹽巖紅色風(fēng)化殼剖面素描圖石灰?guī)r的溶蝕剖面也是如此，遵義市忠莊鋪磚瓦廠曾開(kāi)采十多米厚的紅色風(fēng)化殼當(dāng)作燒磚的原料，把石灰?guī)r上的風(fēng)化殼土層全部挖除后，顯露出順傾斜巖層層面溶蝕的極不平坦的巖面起伏情況，巖面起伏高差亦可達(dá)十余米。所有這些起伏的溶蝕溝槽和突起的石芽是風(fēng)化殼土層下溶蝕的結(jié)果。在溶蝕溝槽的底部常常有滲入地下水的潴留，土體往往呈現(xiàn)軟塑甚至流塑的狀態(tài)，這是水—巖反應(yīng)的峰面。這種極不平坦的基巖表面起伏地形，也提供了碳酸鹽巖風(fēng)化殼存在的不可辯駁的證據(jù)。以上所述與圖6-1所示俄羅斯南烏拉爾的古風(fēng)化殼剖面以及貴州修文小山壩基巖底板的古巖溶地形也相似。碳酸鹽巖紅色風(fēng)化殼是在地殼表層開(kāi)放體系條件下，在地質(zhì)歷史時(shí)期中形成的具有自組織功能的耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其功能和作用表現(xiàn)在組織與協(xié)調(diào)系統(tǒng)和幾種風(fēng)化營(yíng)力之間的相互關(guān)系，提供風(fēng)化成土的必需條件，使系統(tǒng)發(fā)揮其最大效應(yīng)。溶蝕是首要的，它提供了水—巖、巖—土作用和反應(yīng)的必要空間。溶蝕最直接的結(jié)果是使風(fēng)化殼巖體孔隙度的增加，并由此造成巖體滲透性的增大。碳酸鹽巖微觀溶蝕的本質(zhì)特征是水—巖界面上表面反應(yīng)控制的選擇性溶蝕，對(duì)物質(zhì)成分的選擇和對(duì)巖礦微結(jié)構(gòu)、微構(gòu)造的選擇（韓寶平，1993）。石灰?guī)r的溶蝕首先是順泥晶基質(zhì)或亮晶膠結(jié)物的溶蝕，其結(jié)果是形成粒屑狀的溶濾層。白云巖砂的進(jìn)一步溶濾是順白云石菱形晶體、解理面的溶蝕，其結(jié)果是形成窗欞狀孔洞。在自然條件下，微滲流狀態(tài)對(duì)溶蝕特征有重大影響，孔喉和障壁前可形成長(zhǎng)條狀滲孔、在微裂頂端常形成囊狀溶孔（韓寶平等，1994）。韓寶平等（1994）提供了用壓汞試驗(yàn)方法直接測(cè)定碳酸鹽巖風(fēng)化殼孔隙的資料（表6-4）。由表6-4可見(jiàn)，新鮮巖石孔隙度數(shù)值很低，Y1和Ba1兩樣品的有效孔隙度僅為0.82%～0.96%，而到成土作用的溶濾層上，Y5和Ba5的有效孔隙度已達(dá)到25.58%～28.90%。由此我們可以認(rèn)為，正是溶濾層及其高孔隙物性為水—巖、巖—土反應(yīng)提供了有效空間和水—巖交代作用的場(chǎng)所，沒(méi)有溶濾層就不會(huì)有土的形成。另?yè)?jù)作者的測(cè)定，緊鄰溶濾層的雜色粘土層的孔隙度已分別達(dá)到55.90%（遵義石灰?guī)r粘土層）和62.50%（安順白云巖砂粘土層）。溶濾層和雜色粘土層孔隙度的差別是容易理解的：一方面隨著成土作用的進(jìn)行，孔隙度要進(jìn)一步增加；另一方面，Y5和Ba5孔隙度是汞液所能達(dá)到的有效孔隙度。而作者所測(cè)定的雜色粘土層的孔隙度是由土的直接測(cè)定的基本指標(biāo)（土的含水量、密度）經(jīng)理論換算而求得的間接指標(biāo)，包括了封閉孔隙在內(nèi)的所有孔隙。通過(guò)以上論述可知，碳酸鹽巖紅色風(fēng)化殼土體（工程上又稱為紅粘土）的高孔隙度和高孔隙比特性，與紅色風(fēng)化殼的形成作用息息相關(guān)，這就從成因上解開(kāi)了紅粘土高孔隙物性之謎。表6-4 石灰?guī)r和大理巖風(fēng)化殼壓汞試驗(yàn)孔隙度測(cè)定的結(jié)果表碳酸鹽巖的可滲透性是水進(jìn)入巖體的必需條件，實(shí)際上風(fēng)化巖體孔隙度的形成就是滲透溶蝕的直接反映。滲透性可分為順原生孔隙產(chǎn)生的原生滲透性和順經(jīng)溶蝕擴(kuò)大的溶孔、溶隙和洞穴產(chǎn)生的次生滲透性。巖溶含水層水文地質(zhì)試驗(yàn)所測(cè)得的參數(shù)大都屬于次生滲透性的。在次生孔隙、溶蝕、洞穴中流動(dòng)的水流，由于流速快、沖蝕力強(qiáng)，顯然不能交代成土，所以與成土作用有關(guān)的主要是巖體的原生滲透性，有關(guān)這方面的資料不多。據(jù)D.I.史密斯關(guān)于碳酸鹽巖巖石孔隙大小、孔隙度和滲透系數(shù)k三者之間關(guān)系的圖解，變質(zhì)大理巖和塊狀灰?guī)r的孔隙度約為0.1%～1.0%之間，孔隙大小為0.001～0.01mm，滲透系數(shù)k為0.0001～0.01m/d之間。另外一些研究資料表明，室內(nèi)測(cè)定塊狀灰?guī)r的滲透系數(shù)k=7×10-7～1.0×10-4m/d（張倬元，1994），紅粘土孔隙滲透系數(shù)約為n×10-5m/d，而紅土裂隙的滲透系數(shù)為n×10-2～n×10m/d。實(shí)地觀察表明，紅色風(fēng)化殼主要是順裂隙滲水，因此可以認(rèn)為，風(fēng)化殼上部土層的透水性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下部巖石的透水性，二者存在著數(shù)量級(jí)的差別，因此才會(huì)在巖土界面上滯留著大量的入滲水，土層的含水量才具有由上至下逐漸增大的特征。據(jù)作者的計(jì)算，土層中的入滲水及其中所含各種成土物質(zhì)，足以保證基巖溶蝕—交代成土所需。