风化作用资料

第三章风化作用第一节风化作用的类型物理风化，化学风化，生物风化其次节风化阶段物理风化为主的阶段，化学风化为主的阶段：富钙阶段，富硅铝阶段，富铝阶段第三节影响风化作用的因素气候因素，地形因素，地质因素第四节残积物、风化壳与古土壤第一节风化作用的类型定义：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更，颗粒细化，矿物成分变更，从而形成新物质的过程。分类：通常分为物理风化、化学风化、生物风化风化作用是一种岩石在原地遭遇破坏的作用。破坏下来的产物除部分被水溶液带走外，一般不发生显著的位移，这是与其它外动力作用最明显的区分。必需指出，风化作用与风的地质作用，在概念上是毫不相关的。一、物理风化概念：岩石发生物理疏松崩解等机械破坏的过程，一般不引起化学成分的变更，以温度变更为主要影响因素，破坏只使岩石由大块变为小块，再变成细沙，细粉，最终变成岩土。物理风化的主要缘由有：（一）御荷剥离作用岩石卸荷释重引起的剥离作用，形成于地壳深处的岩石，后来受到地壳抬升，释放了原来受压的应力，由此引起岩体膨胀，当膨胀超过弹性限度，岩石就发生裂开。在花岗岩分布地区由于岩石完整，物质匀整，裂开面少，因而这种缘由引起的物理风化最常见。岩石卸荷释重引起物理风化PhotographbyPeterL.Kresan花岗岩经物理风化后片状剥落PhotographbyPeterL.Kresan因温度变更引起岩石体积发生膨胀与收缩作用（右图）：左边揭示了风化的缘由，侧重了温度变更对岩石的破坏作用；右边显示了风化的过程。（二）热力风化作用球状风化形成的石蛋球状风化形成的石蛋较坚硬地层突起，较懦弱岩层凹入，形成差异风化

（三）冻融风化（冰劈作用）形成过程：①存在于岩石裂隙中的水，在气温达到冰点凝固结冰时体积膨胀，使岩石裂隙加宽加深。②冰溶化时，水沿着扩大了的裂隙向更深处渗入，再次冻结……③如此反复，以致把岩石崩解成碎块。冰辟作用在气温常在0℃上下变更的亚寒带潮湿地区最显著。冰劈作用示意

裂隙充水（左）结冰后膨胀撑裂岩石（右）可可西里山北坡的风化地貌（四）盐风化作用当岩石中的水溶解了大量盐类时，一旦水分蒸发，浓度渐渐达到饱和，盐类再结晶，体积增大，从而产生很大的膨胀力，其机理与冰劈作用类似。盐结晶作用通常和干旱气候有关，因为猛烈的加热引起猛烈蒸发，从而产生盐结晶作用。盐结晶作用在海岸带也很活跃。物理风化作用产物就是在原地裂开的碎屑物。其特征主要有：（1）裂开后的颗粒粗细不等，棱角显著，没有层次；（2）多分布在水分岭上或斜坡上；（3）碎屑物的成分与下覆基岩成分一样。二、化学风化化学风化作用是指大气和水所引起的氧化、溶解、水解、水化等作用对岩石的分解破坏过程。化学风化作用使岩石的矿物成分发生变更，转变为地表稳定的新矿物。这是与物理风化作用的区分。化学风化的速度在很大程度上受降水量的影响。世界上没有一个地方是永久干旱的，即使是在干燥的荒漠地区也有化学风化的痕迹。所以它属于世界范围的作用。然而在终年冰冻的寒冷气候区，化学风化特别微弱。

（一）溶解作用（dissolution）水是一种很好的溶剂，因为水分子的偶极性，使它能够同极性型或离子型的其它分子产生相互吸引，致使将其他分子溶入其中，所以水是一种好的溶剂。矿物绝大部分都是离子型分子组成的，因此当它们遇水后，就会不同程度地被溶解，形成水溶液并随水流失。不同的矿物，溶解度差别很大，如在常温下（20℃），纯水对云母的溶解度为0.0029g/㎏；对方解石的溶解度为0.015g/㎏；对岩盐的溶解度为320g/㎏。从以上三种矿物的溶解度说明：在自然界，硅酸盐类的矿物最难溶。碳酸盐、卤化物、硫酸盐等较易溶解。矿物溶解度的大小，一方面确定于化合物的性质，另一方面确定于外界条件（水和水溶液的温度、压力及CO2的含量等）。溶解作用的结果是：易溶物质流失，难溶物质残留原地，岩石孔隙增多，硬度变小，岩石被破坏。（二）水化作用（hydration）是指水与矿物接触后，水以分子的而行之干脆参与到矿物的晶格中，从而形成新的含水矿物的过程。例如：CaSO4+2H20=CaSO4·2H2O硬石膏————石膏Fe2O3+nH2O=Fe2O3·nH2O赤铁矿————褐铁矿水化作用形成的含水矿物变更了矿物原有的内部结构，其硬度一般都低于原来的无水矿物，这样就减弱了岩石反抗风化作用的实力。水化作用在某些条件下会使矿物体积发生膨胀。例如上面举的石膏的例子，46cm3的硬石膏和36cm3的水能形成74cm3的石膏。这样体积的变更，可以使挤压作用更显著，更简洁发生。由于矿物体积的膨胀，会干脆，或通过挤压四周的围岩间接的对环境产生影响。反映在实际中，就是对工程建设，道路设施造成不利影响。例如铁路路基的上拱，马路路面的崩裂等。对于此类环境中的工程设施，要特殊留意防水，防潮，防渗工作，避开或削减损失。（三）水解作用（hydrolysis）

某些矿物一遇水就变成带氢氧根离子（OH－）的新矿物，这种化学作用叫水解作用。纯水是中性的，其PH值为7，不显酸性，也不显碱性。但它具有离解实力，其中一部分别解为H+和OH－离子。当弱酸性碱盐或强碱性组成的矿物遇水时，就会离解为带不同电荷的离子，这时它们分别与水中的H＋和OH－离子结合，生成新的化合物（新矿物）。由于这种反应是不行逆的，离解与化合不断进行，直到原有矿物被水解完为止。例如地壳中广布的长石，就属于强碱弱酸盐矿物。这种矿物水解后形成高岭土、氢氧化物溶液和二氧化硅胶体。反应式为：4KAlSi3O8+6H2O→Al4[Si4O10][OH]8+8SiO2+KOH

钾长石高岭土胶体溶液↓↘↙残留流失（四）碳酸化作用（carbonation）自然界中的水很少是纯水，事实上是一种水溶液。大气和土壤中的CO2与水化合可形成碳酸，并在水溶液中部分电离：CO2+H2O←→H2CO3H2CO3←→H＋＋HCO3－HCO3－←→H＋＋CO32－碳酸电离后形成的H＋离子增加了水的溶解实力，从而使某些矿物更易溶解，并发生化学变更形成新的矿物。如正长石经碳酸化后可形成高岭土：K2O·AI2O3+6SiO2＋CO2＋H2O→AI2O3·2SiO2·2H2O+K2CO3+4SiO2在上述过程中，形成的K2CO3是易溶盐，SiO2呈胶体状态，在碱性溶液中不能凝合，故和K2CO3一起随水流失，只有高岭土残留原地形成高岭土矿。（五）氧化作用（oxidation）指大气中的氧与矿物化合形成氧化物的作用。在地下水面低，地形起伏大，岩石裂隙发育的温湿地区，氧化作用进行得比较充分，深度也大，甚至可达百米以上，从地面到地下被氧化的地带，叫氧化带。自然界很多元素都具有与氧结合的实力，特殊当岩石的矿物中含有低价元素时，大气中的氧会很快与之反应，转变为地表稳定的新矿物。常见的例子如硫化物中的黄铁矿（FeS2），经风化后就转变成了褐铁矿（FeO3·3H2O）。当黄铁矿转变为褐铁矿后，不仅矿物成分发生了变更，矿物的颜色、比重、硬度甚至结构也都发生了变更，这是反应中产生的硫酸腐蚀分解矿物的结果。黄铁矿风化后所形成的褐铁矿，一般留在原地，其它成分经氧化形成易溶的盐类，被水带走，使氧化带中铁的含量大大增加。这种富集在地表氧化带顶部的褐铁矿因成红褐色，称为铁帽（gossan）。它的出现常认为是找寻原生金属硫化矿床的标记。（六）化学作用的产物及特点由化学风化作用残留在原地的产物叫化学残积物(eluvium)。这些物质往往呈松散状，其成分主要是铁、铝、硅的化合物，如褐铁矿、铝土矿、高岭土、蛋白石等。当残留物中铁质少，铝质多时，就形成红色粘土，称为红土。我国南方很多省都能见到红土积累，有的地方厚达几十米。三、生物风化作用由生物的生命活动引起岩石的破坏过程称生物风化作用（biologicalweathering）。覆盖在地球表面的生物圈，存在着多数的生物，它们在活动过程中必定对地球表面的物质产生作用。据目前的探讨成果表明，任何一种矿物、岩石的破坏，在某种程度上或多或少都有生物作用的参与。生物是通过物理的和化学的两个方面对岩石进行破坏，因此又可分为生物物理风化作用和生物化学风化作用，但生物化学风化作用更为普遍些。（一）生物物理风化作用由生物活动导致岩石的机械裂开过程称生物物理风化作用，常见的一种形式就是根劈作用。生长在岩石裂隙中的植物，随着植物的长大，根系也渐渐长大膨胀，促使岩石裂隙扩大、加深，以致崩解，这种作用在植被茂密、岩石裂隙发育的地区是特别常见的。根劈作用（二）生物化学风化作用由于生物活动引起岩石化学成分变更而使岩石破坏的过程称生物化学风化作用。这种作用通常是通过生物在新陈代谢过程中分泌出的物质和死亡之后腐烂分解出来的物质对岩石起化学反应完成的。生物在新陈代谢过程中，一方面从土壤和岩石中吸取养分，而另一方面又分泌有机酸、碳酸、硝酸等酸类物质以分解矿物，促使矿物中一些活泼的金属阳离子（Na+、K+）游离出来，一部分供生物吸取，另一部分随水溶液带走，从而使岩石裂开。生物死亡之后渐渐聚集起来，在还原环境下发生腐烂分解，形成一种暗黑色胶状物质，称腐殖质，它含有机酸，对矿物、岩石有着腐蚀作用，使它们分解、裂开。（三）生物风化作用的产物及特点地表的岩石在物理、化学风化作用之后，再经过生物的活动，就不会再是单纯由无机物组成的松散物质了。其中加入了腐殖质和空气而具有肥力，这叫土壤（soil）。可见土壤是风化作用的综合产物。球状风化球状风化风化作用无处不在狮身人面像能保留（4000多年）缘由何在？花岗岩块状风化海边岩石的风化花岗岩风化作用总之，上述的物理、化学、生物风化作用都是具有独立意义的，但在多数状况下，它们是相互伴生、相互影响、相互促进的。只是在不同的地区、不同的气候条件、不同的时期以某种风化作用为主，如在寒冷地区以冰劈作用为主，在湿热的地区化学风化作用猛烈。一、物理风化为主的阶段严格地说，物理风化与化学风化并不是一个在先，另一个在后，而是同时进行地，即使在最寒冷、干旱的地区，也仍旧有化学风化过程存在；在刚出露的簇新岩石的表面，由于和水与空气的接触，必定也会马上有化学风化的加入。其次节风化阶段但是在在上述两种状况下，所看到的岩石风化产物主要是粗大的岩石碎屑，很少有细粒的诸如粘土之类的化学风化产物。这说明化学风化在岩石出露地表之初缺乏足够的发育时间；在高寒或干旱的地区，极低的气温顺稀有的降水抑制了化学风化的进行，只有在相当长的时间内化学风化才能形成较多的细粒物质。假如时间长的足够的话，仍有明显的化学风化产物形成，在高山地区我们常见到冰碛之上发育有厚达几十厘米甚至更厚的土壤，这说明即使在高寒地区化学风化照旧是旺盛的。岩石在暴露之初，主要以机械裂开产生粗粒岩屑为主，我们称这一时期为物理风化为主阶段。假如条件许可，随着风化的进行，它会进入以化学风化为主的阶段。假如在坡度较大的坡地上，碎屑物质的运移快速，机械风化的物质不断被搬运而走，簇新岩石不断出露，风化作用也会长期停留于物理风化为主的阶段。二、化学风化为主的阶段化学风化是一个极为困难的过程，一般将其分为如下三个阶段。（一）富钙阶段风化进入以化学风化为主的阶段后，在其早期，岩石中的K+、Na+等活性较强的碱土金属阳离子首先被水中的H+置换，从矿物中离解出来；岩石中的氯化物和部分硫酸盐多为易溶矿物，它们也很快溶于水中。溶于水中的活性阳离子和卤化物、硫酸盐随水渐渐地迁出风化产地。而岩石中诸如CaCO3、MgCO3之类的碳酸盐是难溶盐类，仅部分碳酸化后形成重碳酸盐，随水流失。在这一阶段中因大量的氯化物、硫酸盐的流失，以碳酸盐为主的碳酸盐相对富集起来，故称为富钙阶段。在干旱、半干旱气候条件下，由于降水稀有，蒸发量大于降水量，易溶盐类的淋失极其缓慢，碳酸盐类不仅没有淋失，还常因水分的蒸发从饱和溶液中大量结晶淀积出来，风化作用长期停留在富钙阶段。富钙阶段所形成的主要矿物为方解石、菱铁矿、赤铁矿等。风化壳的SiO2/Al2O3>4。（二）富硅铝阶段岩石经过长期的化学风化后，不但氯化物和硫酸盐类已基本淋失，碳酸盐类也大量迁移，甚至部分SiO2在水溶液呈碱性的状况下，也从矿物中解离出来，溶于水形成硅酸真溶液或胶体溶液。硅酸胶粒带负电荷，当其与水溶液中的负电荷胶体相遇时，不易凝合，随水迁出产地；当其与带正电荷的胶体相遇时，发生凝合，形成蛋白石，留在原地。

在这一阶段，岩石中的铝硅酸盐还被风化成各种粘土矿物，氯化物、硫酸盐和碳酸盐类矿物的大量淋失，使岩石中的硅铝物质相对富集起来，故称化学风化的这一阶段为富硅铝阶段。在温带潮湿、半潮湿地区，降水较足够，它大致等于或略高于蒸发量，这种环境可使氯化物、硫酸盐和碳酸盐类矿物基本淋失，但又不能使氧化硅大量淋走，故化学风化长期停留在富硅铝阶段。在上述环境中气温较低，形成的粘土矿物一般为蒙脱石和伊利石。风化层的SiO2/Al2O3一般在2－4之间。（三）富铝阶段化学风化经过一个相当长的时期以后，在湿热的热带、亚热带地区，不但氯化物、硫酸盐和碳酸盐类矿物完全淋失，而且铝硅酸盐矿物风化形成的次生高岭土粘土矿物还被水解，使二氧化硅从水中游离出来，形成氢氧化铝胶体和硅酸的真溶液或胶体。硅酸胶体一部分流失，另一部分沉淀下来；氢氧化铝很简洁凝合，形成水铝矿。在这种状况下，SiO2的流失，但岩石风化物中的铝相对富集起来，故这一阶段又称富铝阶段。应当说明，SiO2的风化须要较高的温度和较多的降水，富铝阶段的岩石风化一般仅出现在热带、亚热带地区。这一阶段因SiO2的大量流失，风化层的SiO2/Al2O3一般在2以下。岩石的风化受两方面的因素限制，一是风化的条件，二是岩石本身的特征。一、气候因素降水和温度使限制岩石风化条件的两个主要因素。昼夜温差和寒暑变更幅度大的地区，有利于物理风化的进行；干旱地区盐类易于结晶也有利于物理风化。温度较低抑制生物的新陈代谢和化学反应的速度，对化学风化也有重要的意义。第三节

影响风化作用的因素在低温地区，生物的新陈代谢缓慢，分泌的有机化合物较少，化学反应的速度也较低，水溶液易于饱和，故化学风化作用相对较弱；在高温地区生物新陈代谢快速，分泌的有机酸较多，化学反应速度较快，有利于化学风化的进行。降水的多少对化学风化也有重要的作用，雨水多的地区，水溶液不易达到饱和，流淌性较强，有利于元素的迁移，故化学风化作用较强。相反，雨水稀有的地区对化学风化作用不利。地球上各气候带的气温顺降水特征相互不同，其内岩石风化的特征也不一样。

各气候带的风化特征

1、极低和高山地带

温度低，冬夏气温较差大，地面处于冬冻干融状态，冻融风化盛行，化学风化缓慢，故长期处于物理风化为主的阶段。2、干旱荒漠地带日照强，降水稀有，蒸发量大于降水量，昼夜温差大，盐类易于结晶，故以热力和盐风化为主的物理风化旺盛，化学风化较弱，盐类不易淋溶，故也长期处于物理风化为主的阶段。

3、半干旱草原地带日照强，降水量在250－500mm之间，降水量小于蒸发量，热力风化较差，氯化物和硫酸盐类矿物大部分淋失，钙、镁等碳酸盐矿物相对富集，风化作用长期处于富钙阶段。4、半潮湿温带草原地带降水量500－700mm，降水量与蒸发量相近，风化作用长期处于富钙与富硅铝之间。5、温带潮湿地区降水量750－1000mm，降水量大于蒸发量，风化作用处于富硅铝阶段。6、湿热地区降水量大于1000mm，风化作用处于富铝阶段。二、地形因素地形对风化作用的影响是通过地下水位的凹凸、温度和风化物的搬运等来实现的。一般来说，在低缓的平原和缓丘地区，地下水位高，水的流淌速度慢，盐类在水溶液中简洁饱和，不易淋失，其化学风化过程较慢。低缓的地形使风化物不易被冲刷搬运，故风化壳一般较厚。而在高差较大的起伏山丘，地下水位较低，流淌性也较强，岩石中的O2、CO2等参与风化的物质较多，水溶液不易达到饱和，盐类易于随水流失，故化学风化较强；但是因为坡度和地形切割较大，风化形成的残留物质简洁被搬运，故风化壳一般较薄。地面的坡向也是影风化的一个重要地形因素。坡向的不同对地方小气候的差异有重要作用。在阳坡，受太阳辐射的时间长，昼夜温差大，有利于物理风化的进行；而阴坡，气温的日较差较小，则不利于物理风化作用。三、地质因素影响风化的地质因素主要是岩石的矿物组成、结构和构造。不同岩石有着不同的矿物组成和岩石结构，各种不同的矿物和结构对风化作用的反映是不同的。深色矿物易吸热，它比浅色矿物易风化，粗粒岩石比细粒岩石易风化，多矿岩石比单矿岩石易风化，因此不同的岩石抗风化实力是不一样的。假如一个地区的地层是由不同岩石组成的，抗风化强的岩石就会风化较慢，地表相对凸起，而抗风化弱的岩石就会风化较快，地表相对下凹，这种因岩石抗风化实力差异造成的地形起伏，称为差别侵蚀地貌。地质构造对风化作用也有重要的意义。孔隙是各种风化介质侵入岩石内部的通道。地质构造对风化的影响主要是通过影响孔隙的多少来完成的。一般说来，断裂裂开带的裂隙、节理、层理特别发育，构造裂开，孔隙度大，这特别有利于风化作用的进行，故在断裂带内风化壳一般较厚，地质构造的差异也可形成差异侵蚀地貌。一、残积物、风化壳与古土壤的概念岩石经风化后，部分物质和元素被迁移后残留在原地的松散积累物称残积物。由残积物组成的风化岩石的表层称为风化壳。风化壳上部具有确定肥力和发生结构的疏松土层称为土壤。第四节残积物、风化壳与古土壤依据风化程度、风化特征以及其物理力学特性的不同，可将风化壳自下而上划分为4个带，如右图：①簇新未风化的岩层②风化裂隙和块石带③风化碎石带④土壤层、风化土层各风化带之间都是逐步过渡的，没有明显的界线。土壤在剖面上可简洁分为三层：上部植物落叶、根系死亡、腐烂形成的腐殖质层；中部水的淋溶作用形成的淋溶层；下部上层物质下移再沉淀形成的淀积层。残积物、风化壳和土壤，包括岩石风化时的很多气候信息，它们对探讨气候地貌和气候变更有重要意义。二、残积物的特征和类型1、残积物的特征残积物是岩石风化形