在中国广泛分布着白垩纪红色碎屑岩地层，形成独特的丹霞地貌，广东丹霞山、 福建武夷山等景点就是其重要代表^[1-4]。白垩纪红层占红层总面积约80 ％ ^[5-7]，白垩纪红层出露约82.6×10⁴km^2[8]，比第四纪黄土分布更加广泛，大约是黄土沉积面积^[9](44×10⁴km²)的两倍。丹霞地层发育着粗细颗粒沉积物构成的大小沉积韵律和沉积建造旋回以及交错层理等特征，长期以来普遍被认为形成于氧化条件下山间盆地的河流湖泊环境^{[5, 7, 10]}。学者研究认为丹霞地层形成时沉积物富含铁的氢氧化物(褐铁矿等)，这些铁在成岩阶段脱水氧化成赤铁矿变红^[11-14]。根据这种解释，丹霞地层的红色是次生颜色，而非原生色。但此解释只是根据氧化-还原原理的一种逻辑推理，并未得到具体证实。研究者显然已经注意到，被水淹没的河流湖泊是缺氧环境，无法形成红色。刘秀铭等^[15]认为，中国各地丹霞地层的红色存在深浅变化，而且此红色是随着地层层理(/或土壤层次)变化而发生深浅变化，因此丹霞层红色实为沉积阶段形成的原生色。

中国西北黄土高原堆积了巨厚的风成地层，它包含了第四纪黄土-古土壤和新近纪红粘土序列^[16-19]。其中黄土呈黄色，黄土序列中的古土壤和下伏新近纪红粘土均以不同程度红色与其成土强弱相对应。据研究，其地层深浅红颜色都是以粉砂为主的风积物长期在不同气候条件下和时间尺度下氧化形成的^[9]。而且以上风积黄土和红粘土序列以前也一度被认为水中形成(“水成”)^{[9, 20]}。因此，丹霞地层的原生红色很可能反映了该地层形成时经历了与上述红色土壤层相似，强弱不同的地表氧化过程。

我们在总结黄土古土壤和红粘土研究的基础上，对中国丹霞红层分布最为集中的区域之一的武夷山中段西麓江西石城盆地的白垩纪丹霞红层展开研究。该处红层既含有形成丹霞景观的砂砾岩层，同时在其下部也发育许多细颗粒粉砂质粘土层以及钙结核层，是开展相关研究理想之地。通过详细野外剖面观测采样和室内测量分析，对该红色地层所发育的各种特征进行初步识别和综合分析，以求探讨其形成的沉积环境。

江西石城盆地处于中国丹霞地貌分布最为集中的区域之一(图 1a红点所示)，位于 25°57′～26°36′N，116°05′～116°38′E^[21]，是中生代以来形成的断裂盆地^[22]，自北向南延伸30余公里，东西仅宽10余公里。按沉积先后顺序，盆地分别出露晚白垩茅店组(K₂m)、 周田组(K₂z)、 河口组(K₂h)、 塘边组(K₂t)和晚白垩世-古近纪莲荷组(K₂Elh)5个主要红色地层(图 1b和 图 2)； 其中茅店组和周田组属赣州群，河口组、 塘边组和莲荷组属圭峰群^{[23, 24]}。根据江西吉泰盆地相同地层的赣州组和晚白垩纪南雄组(与石城白垩纪红层圭峰群相当)古地磁研究获得地质年代分别为98.0～71.4Ma和71.4～65.0Ma^{[25, 26]}。据此选取颗粒粗细不同、 沉积时代各异且分属盆地不同位置的工业园(GYY)剖面(属周田组，盆地中心与边缘过渡区域)、 建上村(JSC)剖面(属茅店组，盆地相对中心)和花园村(HYC)剖面(属茅店组，盆地边缘)开展详细研究(图 1b)。

图 1(Fig. 1)

图 1 中国丹霞地貌分布(a，据文献 修改)与江西石城红层盆地地层分布(b，据文献[24]修改) Fig. 1 Reddish Danxia distribution in China(a，modified from references ) and red beds distribution of Shicheng Basin in Jiangxi(b，modified from reference[24])

本文所涉实验如下： 1)微形态分析。从各剖面粘土层采集规格大致为3×5×5cm的原状样，其中JSC剖面3个(编号J1、 J2和J3)，HYC剖面2个(编号H1和H2)，GYY剖面样品因土块风化强烈，易碎，难以满足切片、 打磨和抛光的相关要求，因此未能获得微形态观测所需的薄片。进行切片前首先用环氧树脂胶固定土壤样品，树脂干后再切片、 打磨和抛光，后加盖玻璃片并按3cm×2.5cm大小制备成厚约40μm的薄片，使用BK-POL/BK-POLR(投射/透反射偏光显微镜)在偏光条件下进行观测； 微形态影像的采集使用TSView7.3和Tucsen Camera 软件完成，文中对薄片的描述使用布洛克法^[29]。2)色度测量。采用美国Hunter Lab公司生产的Color Flex^® EZ型分光色度仪进行。测试前使用仪器自带标准测试板进行矫正，称取样品5g，均匀铺满在测试皿底部，压平不起皱，测量样品亮度(L^*)、 红度(a^*)和黄度(b^*)各3次，并求取平均值。3)常量元素含量测试。称取研磨至200目以下样品6g后压制成片，采用荷兰飞利浦公司生产的PW2403型X荧光光谱仪(XRF)，对制备好的样品进行测量，测试过程中加入标样(GSS-5)进行质量控制。测量精度≥95 ％ ，变异系数(RSD)≤5 ％ ，化学蚀变指数(Chemical Index of Alteration，简称CIA)计算方法参照文献^[30]，并采用McLennan^[31]提出的方法进行校正。4)粒度实验。样品前处理步骤见文献^[32]，处理好后放入Mastersizer 2000激光粒度仪进行测量，测量范围为0.02～2000μm。以上实验中，薄片制作在河北廊坊诚信地质服务有限公司进行，常量元素含量在兰州大学西部环境教育部重点实验室开展，其余实验均在福建省湿润亚热带山地生态重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地完成。

在盆地中做全面考察后，进一步对3个剖面的结构、 钙结核分布、 干土样色度、 盐酸(10 ％ 浓度)滴试反应(无、 弱和强)、 颗粒分级(＜0.063mm为粉砂粘土-泥级，0.063～2mm为砂级，>2mm为砾级)^{[33, 34]}和相关特征进行分析，并绘制3个研究剖面特征柱状图(图 2)。

图 2(Fig. 2)

图 2 石城盆地红层剖面柱状图[23, 35]与采样剖面特征 Fig. 2 Property of Shicheng Basin and red-beds sections

HYC剖面(图 2和 图 3-1)： 位于石城县县城以南5km左右的琴江镇花园村，为206国道整修新开挖所得(26°17′29″N，116°20′04″E) 。剖面厚约36m，总体为层状，但是各层的厚度变化较大，存在一些层延伸远端尖灭的现象。沉积物主要为褐红色砂砾及碎屑混合物，粗砾直径可达5cm，粗细混杂。粗粒部分分选性差，磨圆度低，棱角分明，反映了水动力较强的盆地周边河流刚出山口不远，流水很快被散开吸收，沉积物则堆积在盆地的边缘形成边缘相沉积； 细粒的粉砂粘土颗粒呈局部富集，整个剖面多处发育灰白色钙板层(钙磐，图 3-2)。钙板层在野外滴试稀盐酸强烈起泡，但是钙板层与细粒粉砂粘土层均成透镜状，断断续续分布，并不很连续。表明粗砂砾层结构中的钙质是在成土过程被淋溶向下迁移，只有在适当的深度和在受到致密细颗粒粉砂粘土层阻挡后才富集形成钙板，因此钙板层多与较薄的细颗粒粘土层共生。这种粘土层较薄，平均厚度不足5cm。剖面整体呈暗红色，干土样a^*介于8.19～14.33，a^*值随剖面物质颗粒大小发生变化，颗粒越细地层红度越高(图 2、 图 3-1和3-2)。地层总体以红颜色为特征，而且红色随着层理变化也发生深浅变化，说明这一红颜色是与层理一起形成的^[15]，是原生的颜色。总之，属干旱区山间盆地边缘相季节河流沉积。

图 3(Fig. 3)

图 3 石城盆地白垩纪红层剖面形态 1—HYC剖面，2—HYC钙板层与砂砾层，3—GYY剖面，4—GYY剖面钙质富集层与粘土层交互，5—JSC剖面钙层，6—JSC剖面钙结核 Fig. 3 Morphological characteristics of the Cretaceous red beds sections in Shicheng Basin

GYY剖面： 位于石城县县城城南的工业园区内，处在规划二路和莲乡大道交汇点附近(26°19′29″N，116°19′36″E)，厚4.2m，为褐红色粉砂质粘土。这些粘土层含有不同程度钙质，有些粘土层滴稀盐酸剧烈起泡，而另外一些粘土层微弱起泡，甚至无反应。对稀盐酸无反应或者弱反应的土壤层位为粘化层，而剧烈起泡的层位为钙积层，钙积层位于粘化层之下，是淋溶作用将上部的钙质迁移到粘化层底部而富集形成的(图 3-3和3-4)。钙积层相对抗风化，颜色稍浅，是剖面中钙质较为集中的层位，粘化层则为普通粘土层，沉积物胶结弱，颜色呈暗紫红色。钙积层红度低些，粘化层红度高些，a^*介于7.76～20.06，整个剖面随粘化层和淀积层的层次变化，褐红色也发生颜色深浅变化(图 2和 图 3-4)。根据该剖面沉积物特征所反映的沉积环境应为： 水动力影响微弱，远离山口河流的盆地中心沉积和/或长期高出水面台地的风成沉积。

JSC剖面： 位于石城县县城以东7km左右的琴江镇建上村(26°18′00″N，116°21′17″E) 。厚约4.7m，剖面物质皆为褐红色质地均匀的粉砂级至泥级粘土，发育多层灰色钙结核层(图 2和 图 3-5)。钙结核大小不均，多介于1～3cm(如 图 3-6中钙结核大小)，总体呈层状分布在粘土层底部。稀盐酸滴试仅在钙结核层附近反应剧烈，其余粘土层均弱，或者无反应，表明该剖面经受过淋溶作用，钙质被带到适当深度的土壤层底部富集形成钙结核。除钙结核为灰白色，剖面整体呈红色或者褐红色，a^*介于10.73～15.31，随沉积层次亦有深浅变化(图 2、 图 3-5和3-6)。将大颗粒的钙结核归因于成土淋溶过程形成，JSC剖面沉积物显得颗粒均匀，以粉砂为主，相对HYC剖面砂砾层(图 3-2)而言，整体粒度明显变小。因此认为，该剖面沉积物特征所反映的沉积环境应为： 水动力影响微弱，远离山口河流的盆地中心和/或者高出水面台地的风成沉积。

样品薄片置于偏光显微镜下获取的微形态如 图 4所示)：JSC剖面中间位置(2.3m/4.7m)钙结核样品J1中发现粘土充填的根孔(图 4-1)，根孔中仍留存少量块状均质粘土物质，后期的根孔充填物明显区别于周边基质，土褐色晕圈(形似灰色粘土)是由于植物根系吸收水分，在根系周边形成了局部还原环境所致，反映了被保存的根系中存在的埋藏性胶凝物质^[36]； 在此剖面下方(1m/4.7m)的样品J2微形态中发现双排孔道(图 4-2)，其中粘土含Fe₂O₃较高，呈红色，与浅色粗颗粒(以石英为主)物质胶结成为密实整体，从而构成粘土或胶体基底式微结构； 粘土呈一定光性定向排列特征，在图片中下方还伴有少量粘土胶膜； 剖面中部(2.5m/4.7m)J3样品中同样发现含有Fe₂O₃的红色粘土和胶结物质(图 4-3)，粘土含量约占30 ％ ，粗颗粒构成的孔隙由新生粘土物质充填，属粘土充填的孔隙胶结微结构，中间位置有可溶性碳酸盐方解石化学沉淀的弯曲细条，细粒粘土/胶体物呈流动态，通常是水流长时间作用结果，过程缓慢^[37]，整体亦呈现明显的光性定向排列。HYC剖面偏下位置(13.4m/36m)样品H1显示较多物理性不规则碎屑颗粒(图 4-4)，胶结物质少，粗颗粒含量高，为镶嵌式接触胶结的微结构，颗粒衔接处有少量粘土胶结物，零星孔隙中夹有块状黑色充填物，应是水流快速作用结果，未能形成结晶淀积特征，同样的H1样品不同区域(图 4-5)中发现大块淀积作用下的碳酸盐化学淀积，物质均一，钙质较纯，存在差异明显的多层晕圈结构，是流水淋溶下，多次间断性钙质淀积作用的证据，晕圈厚度不均，较为厚实的左侧应该是淀积物质来源的方向； 剖面偏上位置(21.5m/36m)样品H2中存在红棕色斑块状铁锰浓聚物(图 4-6)，系垂直方向的裂隙中生成，胶结物质少，发育较多孔隙，为接触式镶嵌微结构。

图 4(Fig. 4)

图 4 石城盆地白垩纪红层粘土样品微形态特征(偏光 0°) 1—根孔痕迹(root traces and their drab haloes)，样品J1； 2—胶体基底式微结构(colloid basement microstructure)，样品J2； 3—粘土充填的孔隙胶结微结构(clay filling pore and cement microstructure)，样品J3； 4—镶嵌式接触胶结的微结构(mosaic contact cement microstructure)，样品H1； 5—次生方解石，碳酸盐填充(secondary calcite and carbonate filling)，样品H1； 6—铁锰浓聚物(humic-ferromanganese concentrations)，样品H2 Fig. 4 The micromorphological features of the Cretaceous red beds samples in Shicheng Basin(polarized light 0°)

图 5(Fig. 5)

图 5 江西石城盆地白垩纪红层样品粒度分布 Fig. 5 Particle characteristics of the Cretaceous red beds samples from the Shicheng Basin

图 6(Fig. 6)

图 6 江西石城盆地白垩纪红层样品粒度体积百分比 Fig. 6 Grain size percentage of the Cretaceous red beds samples in the Shicheng Basin

以上所有样品微形态另一显著特点是均呈红色色调，为Fe₂O₃贡献。 而现代土壤研究表明，红棕色的铁质粘土通常发育于亚热带气温较高地区，灰黄色粘土发育于温暖地区，高温有利于红色赤铁矿的生成^{[37, 38]}，因而石城红层可能发育在类似高温气候条件。

通过石城红盆野外颗粒分析发现： 红层沉积物的物质一般是由粗的砂砾岩和细的粉砂岩甚至泥岩共同构成，HYC剖面物质粗细混杂，粒径大小不一，其中粗颗粒砾石棱角分明，直径1～5cm不等，主要由分选性差、 磨圆度低和颗粒粗的洪积物砂砾层构成，薄层细颗粒粘土夹于砂砾层中； JSC和GYY剖面多发育质地较为均一的细颗粒物质。为进一步获悉石城红层细颗粒粉砂粘土部分的粒度特征，利用粒度仪对从HYC剖面薄层细颗粒粘土层中采集的样品和另外两剖面所采样品进行室内测试，结果显示(图 5)： 石城样品中值粒径d(0.5)均值为20.1μm，粘土颗粒(＜2μm)含量占10.94 ％ ； 粉砂颗粒(2～63μm)为主体成分，均值为65.25 ％ ，介于50 ％ ～85 ％ ； 砂(>63μm) 含量相对较低。

刘东生等^[9]测得洛川黄土和古土壤粒径主要集中于10～50μm，比例为40 ％ ～60 ％ ，叶玮等^[39]测得新疆黄土中粉砂(4～63μm)所占比例为66.3 ％ ～85.8 ％ ，黄土中值粒径d(0.5)均值约为10μm^{[39, 40]}。透过典型样品体积百分比(图 6)进一步获悉，JSC剖面样品普遍呈单峰形态，曲线分布较为对称，展开度相对较窄，峰值高，粒径大小集中分布于峰值附近。整体与风成沉积黄土(或新近纪红粘土)以粉砂颗粒为主，缺少粗尾和单峰态特征相似^{[32, 40, 41]}。HYC剖面与GYY剖面样品虽均为双峰形态，曲线展开度较JSC宽，峰值低，表明样品中颗粒粗细共存； 但其主峰形态与JSC样品一致，而且右侧小峰峰值低，起伏较小(图 6)。

土壤是发育在地表的土层，它记录着该地区当时气候条件，但发育着土壤层次的古土壤层在地层中很容易被当作为沉积岩的层理，于是变成难以识别^[42-44]，即便是第四纪黄土和第三纪红粘土中的古土壤识别也经历了一个曲折的过程，白垩纪红层中是否具有古土壤更是知之甚少^{[12, 45, 46]}。

我们通过石城丹霞红层3个剖面的考察及样品红度(a^*)分析发现，在水平方向上，不同剖面红层红颜色沿水平层理平行延伸，即同一水平层理颜色一致，并无穿层现象； 垂直方向上红颜色均随着地层层理(/或土壤层次)整体发生颜色深浅变化(图 7)，表明其地层红色实与层理同期形成，即红颜色是沉积阶段同时形成的原生色^[15]。沉积物的原生红颜色则指示着沉积当时长期是处于地表氧化脱水环境，而非水下缺氧环境； 而地层中局部灰白灰绿色，其分布与层理无关，属于后生形成。第四纪黄土序列中的黄土与古土壤层显示着很好的层状形态，过去也曾经被认为是河湖相沉积^[47-49]。几十年来随着中国黄土中褐红色古土壤层被认识，现在对第四纪黄土地层与新近纪红粘土序列为风积古土壤地层不仅在中国已经成为共识，而且为国际同行所广泛接受^[16-19]。 石城盆地丹霞红层既含有粗粒的砂砾岩层(如HYC剖面)，也含有细粒的褐红色粉砂粘土层(如JSC和GYY剖面，以及以前报道过的通天寨泥裂^[15])。这些细颗粒褐红色粉砂粘土层的底部发育着特征鲜明的钙结核(如JSC剖面，见图 3-5和3-6)，钙结核沿水平成层分布，上覆有厚层细颗粒粘土层，属于粘化层之下的淀积层，它们实为土壤发育层次； 有些层遇稀盐酸起泡但是底部没有钙结核(如GYY剖面)。根据对黄土高原第四纪黄土序列古土壤观察，也并非所有古土壤粘化层底部均发育钙结核层或钙板层^[50-52]。钙结核或钙板需要气候条件温度和降水量达到恰到好处的搭配才能形成，过多或者过少的降水量及其过高或过低的气温均无法形成。如果按照现代对第四纪黄土和新近纪红粘土的认识来看^[16-19]，这些细粒的褐红色粉砂粘土层就是在炎热干旱气候条件下形成的红色古土壤。

图 7(Fig. 7)

图 7 石城盆地白垩纪红层剖面色度参数 Fig. 7 The parameters of soil chromaticity of the Cretaceous red beds sections from Shicheng Basin

微形态方法被广泛应用于土壤发育和成土环境研究^[53-57]。通过光学显微镜观察可以得知，石城红层JSC样品中存在根孔痕迹，伴随孔洞和裂隙发育，表现出植被生长和生物活动等特征，是地表土壤环境，而非湖底水下特征； 含氧化铁的红色粘土或胶体附着于裂隙边缘，呈光性定向排列，Guo等^[56]和赵景波等^[58-61]认为是粘土胶体在成壤中缓慢移动造成的。HYC剖面样品中存在碳酸钙的多次淋溶和淀积形成的多层晕圈结构，新生的粘土胶体物质充填孔隙，指示了半干旱环境下较强的风化成壤作用。局部铁锰氧化物淀积，被认为在发育较强的古土壤和季节性滞水的假潜育作用下才容易形成^[56]。

与第四纪黄土和新近纪红粘土稍有不同的是，石城盆地褐红色粉砂粘土层中除了大部分为＜100μm风积物，还混杂了少量>100μm碎屑颗粒(图 6)，反映了这些剖面沉积环境不像黄土高原是高出周边的台地，因而时有碎屑混入。此外，磁性矿物种类与含量也与第四纪黄土有所不同。第四纪黄土古土壤所含磁性矿物以磁铁矿、 磁赤铁矿为主，即磁性矿物以软磁性矿物为主，硬磁性矿物针铁矿和赤铁矿仅占很少部份^[15]； 而我们对石城白垩纪丹霞红层样品磁化率、 热磁的测试结果显示(将另文发表)，其磁化率极低，却有高剩磁矫顽力(表 1)，磁化率随温度变化曲线显示其加热曲线转换温度多在675℃(图 8)，反映了与第四纪黄土^[15]明显差别： 第四纪黄土以磁铁矿为主^[15]，如本文图 8中的GYY剖面； 而JSC和HYC两剖面显示赤铁矿占主导的比例，磁铁矿居次要，甚至微量。 测量发现，红色泥裂是石城通天寨景区重要特色之一，它表明该沉积物曾经被水作用过，赤铁矿是其唯一能够被检测到磁性矿物^[15]，即丹霞地层磁性矿物以赤铁矿为主要特征。不论赤铁矿还是针铁矿，都是三价铁，对应着氧化环境。丹霞地层由原生赤铁矿所致色，反映了丹霞地层是形成在适合赤铁矿形成和保存的炎热干旱半干旱地表氧化条件下。

表 1(Table 1)

表 1 石城白垩纪红层剖面磁学特征 Table 1 Magnetic parameters under room temperature of Shicheng Cretaceous red beds 编号 xlf/×10-8m3·kg-1 Bcr/mT JSC最大值 13.30 564.12 最小值 1.70 314.97 均值 5.77 383.28 GYY最大值 5.00 494.82 最小值 6.60 373.08 均值 8.36 415.63 HYC最大值 12.00 463.62 最小值 4.50 281.77 均值 7.85 383.92

表 1 石城白垩纪红层剖面磁学特征 Table 1 Magnetic parameters under room temperature of Shicheng Cretaceous red beds

图 8(Fig. 8)

图 8 石城红层剖面样品磁化率随温度变化的(κ(t))曲线 Fig. 8 κ(t) curves of the Cretaceous red beds samples from the Shicheng Basin

石城丹霞粗粒砂砾层以HYC剖面(图 3-1和3-2)为代表。剖面显示出断断续续的粉砂粘土层与钙积层，这些不连续的层，而是断断续续的现象，均不是长期水下环境形成的河湖沉积物具有稳定成层特点^[62]； 地层显示原生红颜色(赤铁矿)更与长期缺氧水下环境不吻合。因此，这些粗粒的砂砾碎屑固然是水动力搬运来，但是水流出了盆地山口顺着洪积扇辫状河流快速分流消失，所携带的沉积物就很快被堆积下来。这些沉积物是流水动力搬运来，自然留下层理等水成特征，但是堆积下来的沉积物却长期处于地表没有淹水的条件下，而且在旱季还接受着细粒的风积物降尘，等下一次流水到来则将细粒的粉砂粘土再带到低处局部富集起来。这些粗粒的砂砾与地表土同样经历了风化，并在氧化成土过程中形成了原生红颜色。

分析结果表明，石城白垩纪红层样品常量元素与上地壳(UCC)均值^[63]相比(表 2)，存在不同程度的盈亏，特别是JSC剖面CaO、 K₂O富集，Na₂O和MgO等淋失严重，与成土作用相似，与成岩阶段不同，存在元素淋溶、 迁移和转化特征^{[36, 64]}。通过常量元素计算的JSC剖面CIA变化范围70.21～74.13，均值为72.95，处于稳定的中度风化水平。甘肃西峰第三纪红粘土的CIA介于68～72^[65]，陕西洛川第四纪黄土古土壤的CIA＜70^[66]，反映了石城丹霞研究的层位遭受过比上述两处第四纪地层更强的化学风化和更加氧化的环境，与上述磁性矿物特点所分析的古沉积环境一致。

表 2(Table 2)

表 2 石城白垩纪红层与其他样品常量元素对比 Table 2 Macroelement component between the Cretaceous Shicheng red beds samples and other samples SiO2 /％ Al2O3 /％ Fe2O3 /％ CaO /％ Na2O /％ K2O /％ MgO /％ CIA 均值 JSC 63.68 13.95 4.12 5.54 0.09 4.50 0.97 72.95 GYY 57.91 14.21 4.98 7.27 2.68 2.80 2.05 54.54 HYC 64.98 13.39 4.95 3.63 2.73 3.30 0.78 54.32 上地壳均值 (UCC)[63] 65.89 15.17 4.49 4.19 3.89 3.39 2.2 47.93

表 2 石城白垩纪红层与其他样品常量元素对比 Table 2 Macroelement component between the Cretaceous Shicheng red beds samples and other samples

钙积层是干旱半干旱成土过程中常见产物^{[67, 68]}。雨水溶解了土层中的碳酸盐物质向下迁移和随着水分被吸收，碳酸钙淀积下来，甚至能形成特殊的土壤新生体——钙结核^{[9, 43]}。这种钙质淀积层的发生和发展与古土壤的发育条件降水量、 温度等密切相关。因此，研究钙质的发育状况与淀积深度，可以估算古降水量^{[69, 70]}。石城红层中发育着大小不一的钙结核，甚至富集成层形成钙板。以下分别用4种不同方法对发育钙积层的古土壤层进行古降水量估算。

方法1. 总结黄土高原钙结核发育与气候条件关系。赵景波^[71]认为，当年均降水量＜400mm时，有碳酸钙产生，但存在的形式不是结核，而是薄膜和斑点(菌丝状)，年均降水量在400～800mm间时碳酸钙结核富集； 当年均降水量>800mm时碳酸钙会大量形成，但会随过多的地下渗流流失。石城JSC剖面发育相对较小的钙结核，依上述方法推测其沉积时年均降水量应为500mm左右； HYC发育钙板层，指示其较JSC更强的淋溶淀积作用，因此其年均降水量当介于500～800mm间； GYY为钙质富集层，但无结核形态，其年均降水量可能小于400mm，也可能大于800mm。

方法2. 依据钙结核淀积深度半定量估算黄土-古土壤风化成土时的古降水^[72]。依此方法估算的JSC剖面年均古降水量290.50～473.50mm不等(表 3)，均值340.06mm，HYC剖面年均古降水量介于351.50～549.75mm，均值446.38mm，GYY剖面年均古降水量介于351.50～595.50mm。因为样品淀积深度均根据钙积层出现的深度测量，非钙层底界深度，钙结核层(钙质淀积层)自身存在一定厚度，JSC和HYC钙层厚度大致10～20cm，降水量误差±50mm左右，因此忽略未计。但GYY剖面钙质淀积层厚度普遍可达60cm，因此计算此剖面降水量时，是按照淀积层顶端和底界最大深度范围计算的(表 3)。

表 3(Table 3)

表 3 石城白垩纪红层剖面钙结核淀积深度与降水量关系 Table 3 The illuviation depth of carbonate carbon and in annual precipitation of Shicheng Cretaceous red beds sections JSC HYC GYY 样品编号 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# A B E G I K P S T 1 2 3 淀积深度/m 0.5 0.5 0.4 1 0.6 0.5 0.5 0.5 0.9 1 1.1 0.6 0.85 0.8 1.25 1.1 0.6 0.7～1.4 0.6～1.3 0.7～1.3 y(mm)=305x＋168.5[72] 321 321 290.5 473.5 351.5 321 321 321 443 473.5 504 351.5 427.75 412.5 549.75 504 351.5 382～95.5 351.5～565 382～565 y(mm)=400x＋305[69] 505 505 465 705 545 505 505 505 665 705 745 545 645 625 805 745 545 585～865 545～825 585～825

表 3 石城白垩纪红层剖面钙结核淀积深度与降水量关系 Table 3 The illuviation depth of carbonate carbon and in annual precipitation of Shicheng Cretaceous red beds sections

方法3. Jenny^[69]也曾利用美国中央大平原中部土壤碳酸盐层出现的深度估算古降水量。依此方法计算JSC年均降水量介于465～705mm间，均值530mm(表 3)，HYC剖面该值介于545～805mm，均值669.40mm，GYY剖面年均降水量范围为545～865mm，依据此方法获悉的值较上述两方法所获数值均有不同。可能因为碳酸盐层与钙结核层出现深度并不完全一致，因此依此计算年均降水量值出现了一些偏离。

方法4. R_etallack^[70]和Sheldon等^[73]利用古土壤中的常量元素风化指数(Chemical Index of Weathering，简称CIW)来重建过去古降水量，其中CIW=Al₂O₃/(Al₂O₃＋CaO＋Na₂O)×100。CIW在古土壤中随年平均降水量增加而升高，可通过公式： R=221e^0.0197C(R代表年平均降水量，C代表CIW)来计算土壤形成时期古降水量。定量化估算结果显示： JSC剖面降水量平均值为703.30mm(554～950mm)； HYC剖面该值介于448.45～1013.16mm之间，均值为851mm； GYY剖面均值为700.12mm(623.90～769.17mm)。据此方法获取的JSC和HYC降雨值较以上另外3种方法所得值高出许多。

综上所述，通过不同方法得知的石城不同剖面红层样品古年均降水量各有差异(表 4)，依据经验统计的方法1和依据碳酸盐层出现深度计算的方法3最终所得值相近。方法2所得值偏低，相比之下，方法4所得值普遍偏高，因此认为此方法或许还需要更多的实际应用去比较和理解。JSC剖面发育的是一定大小的钙结核，通过方法3计算的古年均降水量530mm，落在方法1估算的降水量区间，因此认为此值较接近实际值。HYC剖面位于盆地边缘的洪积山口，其剖面中的钙板层是大气降水叠加地表流水作用形成的，所以据各种方法计算所得降水量应当较实际值大，其实际值又应比仅发育钙结核的JSC剖面降水量要高，所以HYC年均降水量应介于530～800mm，而方法3所获值约669.40mm，处于该范围内。GYY剖面仅发育钙质淀积层，其年均古降水量值应该小于发育钙结核的JSC剖面或者大于发育钙板的HYC剖面； 此外JSC土层颜色为土红色，而GYY颜色偏紫，紫色土所经受的氧化条件要比红色土略差一些，故推测GYY剖面降水量大于JSC所得值； 定量计算结果与此相符，显示其年均降水量值均高于JSC，并接近甚至超过HYC降水量，所以认为其钙质经受过较强水流作用后流失，并未富集所成结核或钙板，方法3获取的GYY降水量545～865mm，可供参考。当然，不同时期沉积环境各异，钙质富集和转化不仅与降水量相关，气温不同导致蒸发不同，等量降水条件下淋溶作用强度也不同，钙质也并不能都淀积成结核。

表 4(Table 4)

表 4 不同方法计算的石城白垩纪 红层剖面年均降水量均值 (mm) Table 4 The average annual precipitation of Shicheng Cretaceous red beds samples among different methods JSC (钙结核) HYC (钙板层) GYY (钙质富集层) 方法1 500左右 500～800 ＜400或>800 方法2 340.06 446.38 351.5～595.5 方法3 530 669.40 545～865 方法4 703.3 851 700.12

表 4 不同方法计算的石城白垩纪 红层剖面年均降水量均值 (mm) Table 4 The average annual precipitation of Shicheng Cretaceous red beds samples among different methods

江西石城白垩纪丹霞地层是由许多红色粗粒砂砾岩和细粒的粉砂粘土层组成。我们选取由粗大砾石和细小砂土混杂而成的HYC剖面作为分选差的盆地边缘相沉积代表； 而JSC和GYY两剖面质地较均匀的红色粉砂粘土，作为沉积盆地相对中心沉积/或很少受到流水影响地层。对3个地点分别进行详细野外特征观测、 采样室内测量、 微形态和地球化学分析，得到以下结论：

(1) 不论是砂砾岩层，还是粉砂粘土层，均以褐红色为主，而且红颜色随着层理(或土壤层次)发生深浅变化。因此石城白垩纪丹霞地层红颜色是与层理同期形成的原生色。它指示着沉积物形成时的沉积环境为地处半干旱炎热氧化地表环境。3个代表剖面均发育特征明显的钙质淀积层(钙结核层/钙板层)，JSC和HYC样品微形态中发现根孔痕迹，存在成壤碳酸盐多次淋溶淀积成的多层CaCO₃结构，表明该细粒红层与新近纪红粘土类似，是古土壤序列。

(2) 样品粘粒含量高，以粉砂为主，整体特征与黄土古土壤沉积颗粒相似，但还混杂了少量>100μm碎屑颗粒区别于黄土古土壤和新近纪红粘土。粗粒砂砾碎屑固然是水动力搬运，也留下洪积层理，但是由于流水流出山口很快被洪积扇辫状河流所分流吸收，沉积物长期处于无水状态，与地表土经历同样成土风化过程，因此形成原生红色赤铁矿。3个剖面样品常量元素存在不同程度的盈亏，通过常量元素计算的JSC剖面CIA值与甘肃西峰第三纪红粘土、 陕西洛川第四纪黄土古土壤对比发现，石城丹霞红层经历过比上述两处红层更强的化学风化和更氧化的环境，与磁性矿物特点所分析的古沉积环境一致。

(3) 通过不同方法得知的石城红层样品古年均降水量各有差异，在钙结核基础上估算获悉JSC红层沉积时古年均降水量大致为530mm，较为可信； 通过钙板层得知的HYC该值应介于530～800mm间，方法3所得约669.40mm，在此范围； GYY仅发育钙质淀积层，剖面降水量应大于JSC剖面，甚至可能超过HYC所得值，方法3获取的剖面降水量545～865mm，不同方法获取值仅供参考，但仍需进一步检验。

致谢: 感谢美国Oregon大学地球科学系Gregory R_etallack教授和陕西师范大学旅游与环境学院赵景波教授在样品微形态识别上的帮助； 感谢石城县旅游局在野外考察工作的支持； 感谢各位审稿专家和编辑部杨美芳老师提出的中肯修改意见。