风化作用与块体运动

第二节风化作用与块体运动一风化作用(weathering)

风化作用（风化过程）：地表岩石与矿物在太阳辐射、大气、水和生物参与下理化性质发生变化，颗粒细化，矿物成分改变，从而形成新物质的过程。

风化是剥蚀的先驱，对地貌的形成、发展与地表夷平起着促进和推动作用。风化作用风化作用实质上表现为一系列崩解和分解崩解：岩石由大块变成碎块，再渐变成细粒，其形状和大小改变了，但化学成分不发生变化。自然界中，三种风化作用通常是联合进行与相互助长的，划分它是为了讨论方便。物理风化化学风化分解：岩石风化过程中化学成分发生变化生物风化（一）风化作用的类型

1.物理风化：又称机械风化或崩解，它是一个岩石由整体破裂为碎屑，裂隙、空隙和比面积增加、物理性质发生显著变化而化学性质不变的过程。

在地下深处的岩石承受巨大静压力，其潜在膨胀力是十分惊人。岩石从地下深处变到地表条件时由于上覆静压力减小而产生张应力形成一系列与地表平行的宏观和微观的内部破裂面。形成这种裂隙构造的作用称为剥离作用。岩石的释荷层状剥落温度风化由于昼夜温差和季节温差的影响造成岩石发生不均匀的热胀冷缩而引起的。岩石通常是由多种矿物组成的，不同的矿物具有不同的膨胀系数，在温度变化过程中会导致岩石中矿物之间的结合力减弱，最终松弛崩解。即便是成分较为均一的岩石，由于存在着岩石的各向异性，甚至是晶格结构的差异，也可以造成热胀冷缩的差异，导致岩石的风化。温度风化在温差大的地区最为强烈，特别是昼夜温差大、空气干燥、缺少植被地地区，因此沙漠地区最为盛行。温差风化过程冻结风化(冰劈作用)水在冻结过程中由于密度降低，体积增大，会产生巨大的破坏力。当水进入岩石的孔隙或裂隙中，如果产生冻结过程，其相应的膨胀力可以导致岩石发生解体，尤其是周期性的冻结作用，很容易把岩石破坏成较小的块体，这种风化作用称为冻结风化。主要发生有高纬度及高山区冻结风化示意图岩石遭受冻结风化的现象

盐类的结晶与潮解作用

由于岩石裂隙中的盐类反复结晶、潮解，使岩石崩解的作用。多发生在干旱及半干旱地区。盐类结晶造成的干裂美国

生物的机械风化作用植物的根系和掘地动物对岩石也会产生机械风化作用。随着树木的生长，其根系越来越大，同时对岩石的裂隙壁产生了极大的作用力，就像楔子一样将岩石沿裂隙劈开，造成机械风化。各种掘地动物，如啮齿类动物、蠕虫动物等，也会产生机械作用。黄山的迎客松就生长在岩石的裂缝中物理风化作用产物特征：碎屑粗细不等，棱角显著，没有层理；多分布在分水岭上或斜坡上；碎屑物的成分与下覆基岩成分一致。2、化学风化：是指岩石在大气、水与生物作用下发生分解进而形成化学组成与性质不同的新物质的过程。化学风化又分为：（1）水化作用（2）水解作用（3）溶解作用（4）氧化作用

化学风化作用的方式1.水化作用（hydration)

把水分子结合到矿物的晶格中的作用。水分子在矿物晶格中成为结晶水,只有在高温下才能分离出来，因而原矿物就变成含水的新矿物。hydration实例

赤铁矿褐铁矿

Fe2O3+nH2OFe2O3·nH2O

硬石膏石膏

CaSO4+2H2OCaSO4

·2H2Ohydration的结果增大矿物的体积增大对围岩的的压力导致矿物的硬度降低，从而削弱岩石抵抗风化作用的能力化学风化作用的方式2.水解作用(hydrolysis)水体进入地表岩石，水中的氢离子与矿物中的盐基离子发生交换形成可溶性盐类，即矿物遇水分解的过程。水解作用的实例4K[AlSi3O8]+6H2OAl4[Si4O10](OH)8+8SiO2+4K(OH）

钾长石高岭石蛋白石胶体Al4[Si4O10](OH)8+nH2O2Al2O3+4SiO2+4H2O

高岭石铝土矿水解作用的结果

水解作用导致岩石和矿物的破坏水解时OH-离子与金属阳离子一起进入海洋，而H+则与铝硅酸络阴离子结合生成难溶解的粘土矿物，残留在大陆。化学风化作用的方式3、溶解作用(solution)岩石中矿物溶解于水而产生分解的过程。

卤化物、硫酸盐、碳酸盐等矿物易溶于水,常见是碳酸盐矿物溶于含CO2的水溶液中。如CaCO3(方解石)+H2O+CO2Ca(HCO3)2

溶解作用是化学风化过程的另一种常见的形式。含有CO2或者其他酸性气体的水，可以使岩石发生溶解。对于一些蒸发盐类，如石膏、岩盐等，水的溶解作用表现尤为明显。溶解作用溶解作用起重要作用的地区风化作用的方式4、氧化作用(oxidation)

矿物与大气或水中的游离氧反应，生成氧化物的过程。4FeS2(黄铁矿)+19O2+mH2O2Fe2O3

•nH2O+8H2SO4铁帽（gossan）的形成黄铁矿氧化生成FeSO4FeSO4继续氧化生成Fe2(SO4)3Fe2(SO4)3是强酸弱碱盐，易水解成Fe(OH)3沉淀Fe(OH)3脱水形成褐铁矿铁帽潜水面氧化带金属硫化物矿脉铁帽与地下矿藏化学风化作用残留物的特点：松散出现富铁、铝、硅的化合物，如褐铁矿、铝土矿、高岭土、蛋白石等。3、生物风化作用概念：生物的生命活动引起岩石的分解分类：生物物理风化作用：指生物活动导致岩石机械破坏的作用生物化学风化作用：生物在新陈代谢过程中产生的分泌物和生物死亡后的遗体腐烂的分解产物使岩石分解破坏的作用生物物理风化作用：根劈作用

与人有关的生物物理风化作用地衣一、气候因素二、地形因素三、岩性因素四、地质构造因素补充：影响风化作用的因素气候因素气温降雨生物活动对物理及化学风化产生影响举例：。。。。。。潮湿炎热地区，降水量大，生物繁茂，生物的新陈代谢和尸体分解强烈该过程产生大量有机酸，以酸性作用为主化学风化和生物风化十分强烈，速度快，矿物分解彻底举例：。。。。。。产物以大量粘土（高岭石）为主4K(AlSi3O8)+6H+→Al4(Si4O10)(OH)8+8SiO2+4KOH(钾长石)

(高岭石)

干冷地区：物理风化为主，程度差，速度慢，产物以岩石碎屑为主。以碱性作用为主产物以蒙脱石为主（Na,Ca）0.33（Al,Mg）2（Si4O10）（OH）2·nH2O已矗立于干燥的埃及3500多年，并保持完好的克雷帕特拉石柱照片克雷帕特拉石柱被搬移到空气污染的纽约75年后的照片地形条件的影响地形的高度、起伏程度及坡向，具体影响到气候、风化产物的保存、日照、植被等条件。山区地形条件影响最为突出由山顶到山脚不同海拨及气候有明显的垂直分带山顶：物理风化强烈。山脚：化学风化生物风化为主。地势

陡：风化碎屑物很快剥蚀掉，易于物理风化的进行。缓：生物化学同风化为主。岩性影响三大岩类抗风化的能力排序。沉积岩：碎屑岩>化学岩、生物岩岩浆岩：酸性岩>基性岩变质岩：浅变质>深变质花岗岩石灰岩岩性影响不同矿物抗风能力不同（石英、方解石）火成岩中抗风化能力增强与鲍温反应系列相反单矿物岩石——

抗物理风化能力强。复矿物岩石——

抗物理风化能力弱，有利物理风化。石英橄榄石辉石角闪石黑云母基性斜长石中性斜长石酸性斜长石钾长石白云母鲍温成矿系列—矿物析出顺序矿物逐渐析出抗风化能力逐渐增强岩性影响岩石的结构岩石结构较疏松的易于风化不等粒结构易于风化粒度粗者较细者易于风化；孔隙式胶结较基底式胶结易于风化胶结物成分：Si>Ca>泥……地质构造不同部位抗风化能力不同构造裂隙发育的岩层利于风化斜顶部：张裂隙发育断层带两侧节理裂隙…….节理与风化风化作用的产物土壤岩石经过物理风化作用、化学风化作用之后，再经过生物风化作用，形成具有矿物质、腐殖质、水和空气的松散堆积。残积物岩石经过长期风化作用后，形成一些在地表条件稳定的产物，（多为铁、铝的氧化物）残留原地。风化壳残积物、土壤在陆地的地表形成的一层不连续薄壳（层）。土壤残积层基岩风化壳岩屑型风化壳燕山大学风化壳（温带潮湿）砖红土型风化壳

（二）风化壳

残留矿物：化你学性质稳定未经风化的物质，有自然元素、氧化物或硅酸盐构成的岩屑等。在物理风化占优势的干旱半干旱和高寒地区，残留矿物是主要风化产物。次生矿物以粘土矿物，铁铝含水氧化物最为常见。粘土矿物：高岭石（温暖湿润气候区）、蒙脱石（半湿润半干旱区）、伊利石（半湿润半干旱淋溶作用弱的地区）。铁的氧化物最常见为褐铁矿；铝的含水氧化物直接基性或中性岩石风化而成。

风化壳形成条件：有利于风化作用持续进行的气候、岩性和构造条件，如高温多雨，温差大，岩石多节理、裂隙，构造破裂等；有利于风化产物残留在原地的地貌、植被、水文与地质条件，如地势起伏和缓，地貌稳定，植被覆盖高，地表流水侵蚀弱，地下水流动显著且地下水位低。（二）风化壳风化壳的基本特征（1）风化壳空间上分布呈不连续性，厚度差异也很大，厚者可达100~200m，薄者不足1m；（2）组成物质以粘土和碎屑为主，也可包括少量残存液体；（3）结构疏松，表层分散性强，分解程度高粒径细，中下层相反，但不具有类似沉积岩的层理；（4）发育和保存均较好的风化壳，可以划分强度风化，中度风化和微风化三个层带。

2.风化壳基本类型及其分布（1）热带，亚热带地区－－富铝型酸性和硅铝铁酸性风化壳（高度化学风化）（2）温带森林带－－硅铝粘土型弱酸性风化壳（中度化学风化）（3）半湿润半干旱森林草原－－碳酸盐型中性至微碱性风化壳（轻中度化学风化）（4）干旱区－－碱性风化壳（以物理风化为主，化学风化很弱）（5）高寒区与极旱荒漠区－－残积粗岩屑型二块体运动与重力地貌

块体运动：岩体和土体在重力作用及地表水地下水影响下沿坡向下运动称为块体运动。可分为崩落、滑落和蠕动三类。

（一）崩落与崩塌地貌定义：陡坡上的岩体与土体在重力作用下突然快速下移，称为崩落或崩塌。特征：速度快（一般为5—200m/s）；规模差异大（小于1m3—108m3）。

崩塌下落后，崩塌体各部分相对位置完全打乱，大小混杂，形成较大石块翻滚较远的倒石堆。2005-9-23土壤侵蚀原理72三、崩塌形成条件

1、地形条件

地形条件包括坡度和坡地相对高度。（1）坡度：坡度对崩塌的影响最为明显，一般大于33°的山坡不论岩屑大小都将有可能发生移动。不同岩性的山坡，形成崩塌的坡度也不完全相同。在无水情况下，一般岩屑坡的坡度休止角是30°～35°，干沙的休止角为35°～40°，粘土的休止角可达40°左右。如果为同一种岩性但其结构不同，它们的休止角也不同。例如原生黄土的结构较致密，超过50°的坡地才会发生崩塌，而次生黄土的结构较松散，30°左右就发生崩塌。（2）坡地相对高度：坡地的相对高度和崩塌的规模有关，一般当坡地相对高度超过50m时，就可能出现大型崩塌。2005-9-23土壤侵蚀原理732、地质条件

岩石中的节理、断层、地层产状和岩性等都对崩塌有直接影响。在节理和断层发育的山坡岩石破碎，很易发生崩塌。当地层倾向和山坡坡向一致，而地层倾角小于山坡坡度角时，常沿地层层面发生崩塌。软硬岩性的地层呈互层时，较软岩层易受风化，形成凹坡，坚硬岩层形成陡壁或突出成悬崖易发生崩塌。2005-9-23土壤侵蚀原理743、气候条件

气候可使岩石风化破碎，加快坡地崩塌形成的时间。在日温差、年温差较大的干旱、半干旱地区，物理风化作用较强，在较短时间内岩石就会风化破碎。例如兰新铁路一些新开挖的花岗岩路堑，仅四、五年时间路堑边坡岩石就遭到强烈风化，形成崩塌。2005-9-23土壤侵蚀原理754、地震及其它

（1）地震：地震是崩塌的触发因素。地震时能形成数量多而规模很大的崩塌体。例如1920年宁夏海原8.5级地震，有650多处发生大规模崩塌(其中有一部分是滑坡)，地震形成的崩塌分布在上万平方公里范围内。1970年秘鲁境内的安第斯山附近发生一次大地震，当时从5000～6000m高山上倾泻下来的岩块和冰块等崩塌体，连抛带滚波及到10km以外。

（2）其它：在山区进行各种工程建设时，如不顾及自然地形条件，任意开挖、常使山坡平衡遭到破坏而发生崩塌。另外任意砍伐森林和在陡坡上开垦荒地也常引起崩塌。引起崩塌的触发因素：暴雨、强烈的融冰化雪、爆破、地震及人工开挖坡脚等是引起崩塌的触发因素。很多崩塌发生在暴雨时或暴雨后不久。暴雨增加了岩体负荷，破坏了岩体结构，软化了黏土夹层，降低了岩体之间的凝聚力，加大下滑力并使上覆岩块失去支撑而引起崩塌。地震以及不适当的大爆破施工也是引起崩塌的重要的触发因素。它破坏了岩体的结构，加大了下滑力，能使原来不具备崩塌条件的山坡发生崩塌。人工过分开挖边坡坡脚，改变了斜坡外形，使上部岩体失去支撑，也往往导致产生大规模崩塌。崩落形成两种地貌：

A.崩塌崖壁（山坡上部）

B.岩堆【又称倒石堆】（坡麓）

崩塌崖体坡度很大，常成悬崖峭壁。倒石堆崩塌堆积地貌：崩塌下落的大量石块、碎屑物或土体都堆积在陡崖的坡脚或较开阔的山麓地带，形成倒石堆（岩屑堆或岩堆）。结构：多呈松散、杂乱、多空隙、大小混杂而无层理。形态：呈半锥形一般大型颗粒更多地堆积在下部，上部多细粒物质，碎屑物质构成的坡度接近于其自然休止角。破裂壁。倒石堆的形态和规模视崩塌陡崖的高度、陡度、坡麓基坡坡度的大小与倒石堆的发育程度而不同。基坡陡，在崩塌陡崖下方多堆积成锥形倒石堆；基坡缓，多呈较开阔的扇形倒石堆。在深切峡谷区或大断层崖下，由于崩塌普遍分布，很多倒石堆彼此相接，傍依陡崖坡麓形成带状倒石堆。崩塌陡崖的高度、陡度不同，崩塌体发育的规模也不一样崩落形成的地貌崩落停止后，岩堆经风化可发育土壤和生长植被，如下图所示：峡谷两侧最易发生崩落，巨大的崩塌岩块常使峡谷难于通行。大规模的崩塌俗称

山崩。如下图：（二）滑落与滑坡地貌

1.定义：由岩石，土体或碎屑堆积物构成的山坡体在重力作用下沿软弱面发生整体滑落的过程称为滑坡。

2.发生条件：滑坡只有在由重力引起的下滑力超过软弱面的抗滑力时才发生。

3.发生因素：内在因素和诱发因素（1）内在因素包括地层岩性，地质构造，坡体结构和有效临空面等。（2）诱发因素包括降水强度、地下水、地震、地表径流对坡麓的冲淘、坡面加积作用，以及人为的在坡地上蓄水灌溉、建房筑路时破坏坡地稳定性等。1．岩性：滑坡主要出现在松散堆积层中（76%），基岩滑坡相对较少（21%）。松散堆积层中的滑坡主要和粘土有关，滑动面主要发生在粘土夹层中。基岩主要发生在片岩、千枚岩、页岩、泥灰