第一章土壤矿物质与岩石的风化

1、第一章第一章 土壤矿物质与岩石的风化土壤矿物质与岩石的风化1.1 1.1 岩石的风化岩石的风化 岩石：岩石：岩石是一种或数种矿物的集合体岩石是一种或数种矿物的集合体 。 （矿物：矿物：一类产生于地壳中具有一定化学组一类产生于地壳中具有一定化学组成、物理性质和内部构造的单质或化合物。）成、物理性质和内部构造的单质或化合物。） 土壤母质：土壤母质：岩石的风化产物，又称成土母质，岩石的风化产物，又称成土母质，土壤矿物质：土壤矿物质：岩石风化形成的矿物颗粒统称。岩石风化形成的矿物颗粒统称。成土作用风化作用一、主要成土矿物的组成和特性一、主要成土矿物的组成和特性二、几种主要岩石类型和特性二、几种主要岩石

2、类型和特性三、岩石的风化作用的类型三、岩石的风化作用的类型四、风化作用的产物的类型四、风化作用的产物的类型岩石及风化岩石及风化原生矿物原生矿物(primary mineral)：由地壳深处岩浆冷凝而形成的矿物。由地壳深处岩浆冷凝而形成的矿物。 石英石英(quartz)、正长石正长石(orthoclase)、斜长石斜长石(plagioclase)白云母白云母(muscovite)、黑云母黑云母(biotite)、角闪石角闪石(hornblende)、辉石辉石(augite)、橄榄石、橄榄石、(olivine)、方解石方解石(calcite)、白云石白云石(dolomite)、磷灰石磷灰石(apa

3、tite)、赤铁矿赤铁矿(hematite)、褐铁矿（褐铁矿（limonite）、磁铁矿）、磁铁矿(magnetite)、黄铁矿黄铁矿(pyrite)次生矿物次生矿物(secondary mineral)：由原生矿物风化演变而形成的新矿物。由原生矿物风化演变而形成的新矿物。高岭石高岭石(kaolinite)蒙脱石蒙脱石(montmorillonite)水云母水云母(hydromica) （见课本（见课本p10)主要成土矿物主要成土矿物岩石岩石：是由一种或几种矿物构成的，是矿物的天然集合体：是由一种或几种矿物构成的，是矿物的天然集合体。（一）（一）岩浆岩岩浆岩岩浆岩：指地球内部熔融岩浆上浸地壳的

4、一定深度或喷出地岩浆岩：指地球内部熔融岩浆上浸地壳的一定深度或喷出地表冷却凝固所形成的岩石。表冷却凝固所形成的岩石。共性：共性：非碎屑壮的块状构造；没非碎屑壮的块状构造；没有规则的层次排列；不含化石。有规则的层次排列；不含化石。主要岩石类型和特性主要岩石类型和特性按组成岩石矿物种类分按组成岩石矿物种类分 单矿岩单矿岩 复矿岩复矿岩按岩石形成方式分按岩石形成方式分 岩浆岩岩浆岩(magmatic rock) 沉积岩沉积岩(sedimentary rock) 变质岩变质岩(metamorphic rock)岩石岩石(rock)(rock)石灰岩石灰岩变质岩变质岩变质岩是沉积岩、岩浆岩经过高温高压或

5、受岩浆侵变质岩是沉积岩、岩浆岩经过高温高压或受岩浆侵入的影响，其矿物组成、结构、构造，以至化学成分发生入的影响，其矿物组成、结构、构造，以至化学成分发生剧烈改变后形成的。剧烈改变后形成的。共性是：共性是：一般具有片理及片麻构造；一般具有片理及片麻构造；矿物质地致密，坚硬；不易风化。例如片麻岩，石英岩，矿物质地致密，坚硬；不易风化。例如片麻岩，石英岩，板岩，片岩，千枚岩，大理岩等。板岩，片岩，千枚岩，大理岩等。岩石的风化作用（岩石的风化作用（weathering)风化作用风化作用：岩石在地表受到种种外力作用，逐渐破碎成为：岩石在地表受到种种外力作用，逐渐破碎成为疏松物质，这一过程叫做风化作用。所

6、产生的疏松物质就疏松物质，这一过程叫做风化作用。所产生的疏松物质就是是土壤母质土壤母质。风化作用的类型风化作用的类型（一）（一）物理风化作用物理风化作用指使岩石产生物理变化而成为碎屑状态的过程，特指使岩石产生物理变化而成为碎屑状态的过程，特点是成分未变。点是成分未变。1、主要是温度引起岩石的热力学变化、主要是温度引起岩石的热力学变化-昼夜温差、冻结。昼夜温差、冻结。2、盐类结晶的裂胀作用、流水冲刷和磨蚀、风砂磨蚀、盐类结晶的裂胀作用、流水冲刷和磨蚀、风砂磨蚀产物：颗粒较粗，多偏砂、石砾多，养分不易释放出来。产物：颗粒较粗，多偏砂、石砾多，养分不易释放出来。图图1-17 气温变化引起岩石胀缩不均

7、而崩解过程示意图气温变化引起岩石胀缩不均而崩解过程示意图a、b、c、d 表示风化过程表示风化过程图图2-18 由于冰的冻结扩大了岩石的裂隙由于冰的冻结扩大了岩石的裂隙 风蚀残土墩风蚀根露风蚀留砾魔鬼城（二）（二） 化学风化作用化学风化作用指岩石在水和空气（主要是氧气和二氧化碳）的参与下进行的溶解作用、水化作用、水解作用、氧化作用等的总称，特点是岩石可进一步破碎成胶体状微粒，使原生矿物成分发生改变，产生在地表条件下比较稳定的次生矿物。1、溶解作用CaCO3+H2O+CO2Ca2+2HCO3-2、水化作用CaSO4+2H2O CaSO4 2H2O (硬石膏) （石膏）2Fe2O3 + 3H2O 2

8、Fe2O3 3H2O (赤铁矿) (褐铁矿)Fe2O3（赤铁矿）红色2Fe2O3 H2O（赤褐铁矿）浅红棕色Fe2O3 H2O（针铁矿）棕色2Fe2O3 3H2O（褐铁矿） 棕黄色Fe2O3 2H2O（褐铁矿）黄色3、水解作用-最基本、最重要4、氧化作用氧化作用2KalSi3O8 + CO2 + 2H2O H2Al2Si2O8 H2O + 2SiO2 + K2CO3(正长石正长石) (高岭石高岭石) (含水二氧化硅含水二氧化硅) (钾盐钾盐)Ca2(PO4) + 2H2O + 2CO2 Ca(H2-PO4)2 + 2CaCO3(磷灰石磷灰石) (磷酸二氢钙磷酸二氢钙)2FeS2 + 16H2O

9、 +7O2 2FeSO4 7H2O + 2H2SO4(黄铁矿黄铁矿) (硫酸亚铁硫酸亚铁)（三）（三）生物风化作用生物风化作用指动物、植物、微生物的生命活动及其分解产物对岩石矿指动物、植物、微生物的生命活动及其分解产物对岩石矿物的风化作用。物的风化作用。1、根系的挤压；、根系的挤压；2、地衣、苔藓保蓄水分，加强化学风化；、地衣、苔藓保蓄水分，加强化学风化；3、呼吸产生的二氧化碳和有机酸，分解矿物等。、呼吸产生的二氧化碳和有机酸，分解矿物等。植物根的机械破坏作用植物根的机械破坏作用 一、残积母质一、残积母质(residual material)指岩石风化形成土壤母质后未经搬运而残留于原地。指岩石

10、风化形成土壤母质后未经搬运而残留于原地。 1、分布：、分布：山区比较平缓的高地。山区比较平缓的高地。 2、特点、特点：（1）粗骨性；）粗骨性； （2）浅薄。）浅薄。二、运积母质二、运积母质(transportation material) （一）流水沉积母质（一）流水沉积母质(流水搬运沉积流水搬运沉积) 1、坡积物、坡积物(slope deposit) （1）分布：）分布：山坡中下部山坡中下部 （2）特点：）特点：厚度较大，颗粒较细，是山区果树和经济林木的厚度较大，颗粒较细，是山区果树和经济林木的主要林业用地。主要林业用地。风化产物的母质类型风化产物的母质类型 2、洪积物、洪积物(diluvi

11、al deposit) （1）分布：）分布：山谷出口处，呈扇状分布。山谷出口处，呈扇状分布。 （2）特点：）特点：具有一定的分选性，顶部粗、边缘细。具有一定的分选性，顶部粗、边缘细。 3、河流冲积物、河流冲积物(river alluvium) （1）分布：）分布：河流两岸。河流两岸。 （2）特点：）特点：上游粗、下游细；近河岸粗、远河岸细上游粗、下游细；近河岸粗、远河岸细(二二)、湖积物、湖积物(lacustrine deposit) 颗粒细腻、质地粘重、有机质含量高，比较肥沃。颗粒细腻、质地粘重、有机质含量高，比较肥沃。三、冰碛物三、冰碛物(glacial deposit)冰川携带的物质风化

12、而成。冰川携带的物质风化而成。 特点：特点：泥砾混杂、大小不一。泥砾混杂、大小不一。坡积物河流沉积二元结构，延庆盆地河流沉积二元结构，延庆盆地海积物风积物：流动沙地沙波纹（毛乌素）风积物：流动沙地沙波纹（毛乌素）黄土母质：峁边线黄土母质：峁边线1.21.2土壤矿物质的矿物组成和化学组成土壤矿物质的矿物组成和化学组成土壤矿物质的化学组成土壤矿物质的化学组成土壤元素元素地地壳中壳中 土壤中土壤中元素元素地地壳中壳中 土壤中土壤中OSiAlFeCaNaKMgMn47.029.08.054.652.962.502.501.370.1049.033.07.133.801.371.671.360.600.

13、085PSCNCuZnBMo0.0930.090.0230.010.010.0050.0030.0030.080.0852.00.10.0020.0050.0010.0003地壳和土壤的元素组成地壳和土壤的元素组成1、几乎包括元素周期表中所有元素；、几乎包括元素周期表中所有元素； 2、O、Si、Al、Fe为主，四者共占为主，四者共占88.7%以上；以上； 3、植物必需营养元素含量低，分布不平衡。、植物必需营养元素含量低，分布不平衡。土壤中的矿物组成原生矿物原生矿物(Primary mineral)1、原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐为主、原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐为主 以氧化硅和硅酸盐矿物占绝对优势

14、。以氧化硅和硅酸盐矿物占绝对优势。 如石英、长石、云母、如石英、长石、云母、辉石、角闪石等。辉石、角闪石等。2、原生矿物类型和数量决定于矿物的稳定性、原生矿物类型和数量决定于矿物的稳定性 石英最稳定，是粗土粒的主要成分；白云母和长石较稳定，石英最稳定，是粗土粒的主要成分；白云母和长石较稳定，在粗土粒中较多；在粗土粒中较多； 黑云母、角闪石、辉石等黑云母、角闪石、辉石等暗色矿物暗色矿物易风化。易风化。3、原生矿物是植物养分的重要来源、原生矿物是植物养分的重要来源 Ca、Mg、K、P、S等等 土壤中的矿物组成次生矿物次生矿物(secondary mineral) 以以粘土矿物粘土矿物为主，为主，

15、其中又以其中又以结晶层状硅酸盐矿物结晶层状硅酸盐矿物为主；为主； 此外有此外有Si、Al、Fe的的氧化物氧化物及其水合及其水合物物 。 此外有此外有简单盐类简单盐类，包括各种碳酸盐、重碳包括各种碳酸盐、重碳酸盐、硫酸盐、氯化物等酸盐、硫酸盐、氯化物等 2.1.3 2.1.3 土壤机械组成土壤机械组成 土粒（土壤颗粒）土粒（土壤颗粒） 当量粒径（有效粒径）当量粒径（有效粒径） 土壤粒级（土壤粒组）土壤粒级（土壤粒组） 土壤机械组成（土壤颗粒组成）土壤机械组成（土壤颗粒组成） 土壤质地土壤质地 土壤质地与肥力土壤质地与肥力 土壤质地的利用改良土壤质地的利用改良土粒土粒 土壤中的颗粒土壤中的颗粒 矿

16、质颗粒矿质颗粒 数量优势，稳定存在，固相骨架数量优势，稳定存在，固相骨架 有机质颗粒有机质颗粒 数量较少，复粒存在数量较少，复粒存在 单粒单粒 砂性土壤，矿质颗粒单独存在砂性土壤，矿质颗粒单独存在 复粒复粒 粘性土壤，颗粒相互聚集粘性土壤，颗粒相互聚集 颗粒分析中把复粒分散成单粒，颗粒分析中把复粒分散成单粒，当量粒径（有效粒径）当量粒径（有效粒径） 土壤中的颗粒的形状各异土壤中的颗粒的形状各异 当量粒径（有效粒径）当量粒径（有效粒径）：光滑的实心圆光滑的实心圆球的直径，用以表征具有球的直径，用以表征具有相似性质相似性质土壤土壤颗粒的大小颗粒的大小土壤颗粒土壤颗粒分级：(mm)直径 国际制 美国

17、制 卡庆斯制 中国制石砾 2 2 1 1砂粒 2-0.02 2-0.05 1-0.05 1-0.05 粉粒 0.02-0.002 0.05-0.002 0.05-0.001 0.05-0.002 粘粒 0.002 0.002 0.001 0.002 物理性砂粒：1-0.01mm物理性粘粒：0.01mm表 4-3 常见的土壤粒级制当量粒径(毫米)中国制(1987)卡钦斯基制(1957)美国农部制(1951)国际制(1930)3-2石 砾石 砾石 砾石 砾2-1极粗砂粒1 - 0 . 5粗砂粒粗砂粒粗砂粒粗砂粒0.5-0.25物中砂粒中砂粒0.25-0.2理细砂粒0 . 2 -0 . 1细砂粒性细

18、砂粒0.1-0.05砂极细砂粒细砂粒0.05-0.02粗粉粒粒粗粉粒0.02-0.01粉 粒0.01-0.005中粉粒物中粉粒粉 粒0.005-0.002细粉粒理细粉粒0.002-0.001粗粘粒性0.001-0.0005粘粘粗粘粒粘 粒粘 粒0.0005-0.0001细粘粒粒粒细粘粒0.0001胶质粘粒土壤粒级（土壤粒组）土壤粒级（土壤粒组） 土壤粒级的组成和性质土壤粒级的组成和性质 粒级的矿物组成和化学组成粒级的矿物组成和化学组成 粒级物理性质粒级物理性质 图示 土壤颗粒大小与矿物类型的关系土壤机械组成（颗粒组成）土壤机械组成（颗粒组成）土壤各粒级的相对含量土壤各粒级的相对含量 (%),

19、(%), 是一个固定的数值是一个固定的数值土壤质地土壤质地反映特定土壤性质的机械组成反映特定土壤性质的机械组成范围范围的名称，（占的名称，（占优势的土壤粒级）优势的土壤粒级）砂土，壤土，粘土砂土，壤土，粘土土壤颗粒土壤质地分类制：土壤质地分类制：国际制；三级国际制；三级美国制：三级美国制：三级卡庆斯制：二级卡庆斯制：二级中国制：三级中国制：三级土壤质地表46 卡钦斯基土壤质地基本分类（简制）质地组质地名称不同土壤类型的8060757585854050506565土壤质地表 48 中国土壤质地分类 （邓时琴，1985）质地组质地名称颗粒组成%（粒径：毫米）砂粒(1-0.05)粗粉粒(0.05-0.01)细粘粒(80708060705060壤土砂粉土粉土20204030砂壤壤土202060 先找