风化作用地球的外部系统

风化作用地球的外部系统第1页/共94页第2页/共94页第3页/共94页第4页/共94页第二篇地球的外部系统第5页/共94页第6页/共94页目的了解外动力地质作用的结果－削高补低从地质学的角度分析现今地表各种作用的过程和产物利用“将今论古”的方法，推测地质历史上地表演化历史和过程第7页/共94页地质作用概述地质作用－在自然界中所发生的一切可以改变固体地球物质组成、构造和地表形态的作用地质作用的三重概念：能、营力、作用方式营力：由能量转化而成的，能够发生地质作用的力根据能量来源可以划分为：内动力地质作用和外动力地质作用第8页/共94页GeologicalProcess(地质作用)ExternalProcesses(外动力地质作用）

Erosion-rocksarebrokendown(weathered)intosmallfragmentswhicharethencarriedbywind,water,iceandgravity.ExternalbecauseerosionoperatesattheEarth'ssurface.Theenergysourceforthisprocessissolarandgravitational.InternalProcesses(内动力地质作用)Processesthatproducemagmas,volcanoes,earthquakesandbuildmountainranges.EnergycomesfromtheinterioroftheEarth,Mostfromradioactivedecay-nuclearenergy.第9页/共94页地质作用的方式第10页/共94页地质作用相互关系第11页/共94页SomeGeologicRates地质上的变形速率CuttingofGrandCanyon2km/3m.y.=1cm/15yrUpliftofAlps5km/10m.y.=1cm/20yr.OpeningofAtlantic5000km/180m.y.=2.8cm/yr.UpliftofWhiteMtns.(N.H.)Granites8km/150m.y.=1cm/190yr.第12页/共94页SomeGeologicRatesMovementofSanAndreasFault5cm/yr=7m/140yr.MovementofKunlunFaultMovementofAltynTaghFault0.8cm/yr=GrowthofMt.St.Helens3km/30,000yr=10cm/yr.DepositionofNiagaraDolomite100m/1m.y.=1cm/100yr.第13页/共94页ProcessesrangefromthosethatoccurrapidlytothosethatoccurslowlyExamplesofslowprocessesFormationofrocksChemicalbreakdownofrocktoformsoil(weathering)Chemicalcementationofsandgrainstogethertoformrock(diagenesis)Recrystallizationtorocktoformadifferentrock(metamorphism)Constructionofmountainranges(tectonism)Erosionofmountainranges第14页/共94页ExamplesoffasterprocessesBeacherosionduringastorm.ConstructionofavolcanicconeLandslides(avalanches)DustStormsmudflows第15页/共94页第四章风化作用(Wethering)第16页/共94页Weathering（风化作用）SincemanyrocksandmineralsareformedunderconditionspresentdeepwithintheEarth,whentheyarrivenearthesurfaceasaresultofupliftanderosion,theyencounterconditionsverydifferentfromthoseunderwhichtheyoriginallyformed.

AmongtheconditionspresentneartheEarth'ssurfacethataredifferentfromthosedeepwithintheEarthare:LowerTemperature(NearthesurfaceT=0-50oC)LowerPressure(NearthesurfaceP=1toseveralhundredatmospheres)Higherfreewater(thereisalotofliquidwaternearthesurface,comparedwithdeepintheEarth)Higherfreeoxygen(althoughO2isthemostabundantelementinthecrust,mostofitistiedupbondedintosilicateandoxideminerals-

atthesurfacethereismuchmorefreeoxygen,particularlyintheatmosphere).第17页/共94页Becauseofthesedifferingconditions,mineralsinrocksreactwiththeirnewenvironmenttoproducenewmineralsthatarestableunderconditionsnearthesurface.MineralsthatarestableunderP,T,H2O,andO2conditionsnearthesurfaceare,inorderofmoststabletoleaststable:

Ironoxides,Aluminumoxides-suchashematiteFe2O3,andgibbsiteAl(OH)3.铁的氧化物和铝的氧化物：赤铁矿和水铝矿Quartz*石英ClayMinerals粘土矿物Muscovite*白云母AlkaliFeldspar*碱性长石Biotite*黑云母Amphiboles*角闪石Pyroxenes*辉石Ca-richplagioclase*富钙斜长石Olivine*橄榄石第18页/共94页Weatheringistheprocessesthatcausethebreakdownofrocks,eithertoformnewmineralsthatarestableonthesurfaceoftheEarth,ortobreaktherocksdownintosmallerparticles.

Geologistsrecognizetwocategoriesofweatheringprocesses

PhysicalWeathering

-disintegrationofrocksandmineralsbyaphysicalormechanicalprocess.ChemicalWeathering-chemicalalterationordecompositionofrocksandminerals.第19页/共94页

风化是矿物和岩石的物理破碎崩解、化学分解和生物分解等复杂过程的综合。“风化”被广泛用于地球科学的许多分支学科，但“风化”一词并不能反映出这一复杂过程的全部。风化作用可以相对的划分出物理风化和化学风化。第20页/共94页4.1PhysicalWeathering

物理风化第21页/共94页PhysicalWeatheringDevelopmentofJoints(节理发育)

Jointsformasaresultofexpansionduetocoolingorreliefofpressureasoverlyingrocksareremovedbyerosion.Jointsformfreespaceinrockbywhichotheragentsofchemicalorphysicalweatheringcanenter第22页/共94页Heat(热)-Dailyheatingandcoolingofrocks;suddenexposuretohightemperature,suchasinaforestorgrassfiremaycauseexpansionandeventualbreakageofrock.

PlantandAnimalActivities(植物)-

Plantrootscanextendintofracturesandgrow,causingexpansionofthefracture.

Animalsburrowingormovingthroughcrackscanbreakrock.FrostWedging(冰楔作用)-Uponfreezing,thereisanincreaseinthevolumeofthewater.Asthewaterfreezesitexpandsandexertsaforceonitssurroundings.

Frostwedgingismoreprevalentathighaltitudeswheretheremaybemanyfreeze-thawcycles.第23页/共94页温度风化昼夜温差和季节温差热胀冷缩岩石中矿物的差异岩石的各向异性同一矿物的晶格差异机械风化外部营力作用使岩石发生机械破坏冻结风化植物根系第24页/共94页第25页/共94页FrostWedging

冻结风化示意图Asthewaterfreezesitexpandsandexertsaforceonitssurroundings.

Frostwedgingismoreprevalentathighaltitudeswheretheremaybemanyfreeze-thawcycles.第26页/共94页第27页/共94页岩石遭受冻结风化的现象第28页/共94页植物的根劈作用

Plantrootscanextendintofracturesandgrow,causingexpansionofthefracture.第29页/共94页黄山的迎客松就生长在岩石的裂缝中第30页/共94页4.2ChemicalWeathering

化学风化第31页/共94页TypesofChemicalWeatheringReactions

Oxidation-Sincefreeoxygen(O2)ismorecommonneartheEarth'ssurface,itmayreactwithmineralstochangetheoxidationstateofanion.

ThisismorecommoninFe(iron)bearingminerals,sinceFecanhaveseveraloxidationstates,Fe,Fe+2,Fe+3.

DeepintheEarththemostcommonoxidationstateofFeisFe+2.Pyroxene辉石Magnetite磁铁矿Quartz第32页/共94页4.2.1化学风化的方式及过程氧化作用是地球表面最为活跃的风化作用形式之一，氧化作用通常使一些具有多种化学性质的元素由低价氧化物转变为高价氧化物。如：FeS2+nO2+mH2OFeSO4Fe2(SO4)3Fe2O3•nH2O氧化作用第33页/共94页TypesofChemicalWeatheringReactionsHydrolysis-H+orOH-replacesanioninthemineralLeaching-ionsareremovedbydissolutionintowater.

IntheexampleabovewesaythattheK+ionwasleached.Dehydration-removalofH2OorOH-ionfromamineral.

CompleteDissolution-allofthemineraliscompletelydissolvedbythewater.Orthoclase正长石Kaolinite高岭石Goethite针铁矿Hematite赤铁矿第34页/共94页复杂的水解作用对于硅酸盐类和铝硅酸盐类岩石的风化具有特别重要的意义。这种作用过程包括分解矿物、带出某些元素、与氢氧离子组合、水化作用等，如长石通过中间形式形成高岭石的过程：K(AlSi3O8)(K,H3O)Al2(OH)2(AlSi4O10)Al4(OH)8(Si4O10)水解作用第35页/共94页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。溶解作用第36页/共94页水化作用是指水与原生矿物组合并形成新矿物的过程，如：CaSO4+2H2OCaSO4•2H2O无水石膏与石膏之间在一定条件下是可逆的。水化作用第37页/共94页化学风化作用类型氧化作用－矿物中的低价元素与大气和水中的游离氧化合变为高价元素的作用水化作用－有些矿物与水作用时，能够吸收水份作为自己的组成部分，形成含水的新矿物溶解作用－矿物溶于水的过程水解作用－矿物的离解物与水中的H+、OH－离子发生化学反应，形成新矿物第38页/共94页4.2.2酸雨的形成及破坏作用酸雨是指pH值<5.6的降水酸雨是最严重的污染之一，世界上的许多地方都发生过酸雨事件。酸雨是工厂排放的酸性气体，造成空气污染，并经过复杂的大气物理化学过程，通过大气降雨的形式重新返回地面。酸雨中所含的酸性物质主要是硫酸和硝酸。煤炭燃烧排出的二氧化硫和石油燃烧排出的氮氧化物是酸雨形成的主要原因。第39页/共94页大气降水的酸度过高，可能会使生态系统受到破坏，毁坏森林、干扰农作物的光合作用，甚至造成毁灭性的破坏。一九八二年六月十八日，重庆市下了一场酸雨，使郊区2万亩水稻叶片突然枯黄，几天后局部枯死。第40页/共94页酸雨还能腐蚀金属结构、破坏建筑物、加速风化作用的进程第41页/共94页

酸雨可使土壤、湖泊、河流酸化，导致水生生物的结构发生变化，破坏生态平衡。一些发达国家在发展中曾经造成湖泊的严重酸化，导致鱼类死亡。第42页/共94页我国酸雨主要分布在长江以南、青藏高原以东地区，酸雨的破坏逐年加重，区域也在逐渐扩大，造成了严重的经济损失。据统计，酸雨造成的损失每年高达20亿元以上。第43页/共94页4.3FactorsthatInfluenceWeathering

风化作用的影响因素RockTypeandStructure（岩石的类型、结构）Slope（倾斜度）Climate（气候）SpecialAnimals（动物）Time（时间）第44页/共94页4.3影响化学风化作用的因素岩石的特征有机界的作用环境与气候第45页/共94页4.3.1岩石性质对风化作用的影响第46页/共94页RockTypeandStructureDifferentrocksarecomposedofdifferentminerals,andeachmineralhasadifferentsusceptibilitytoweathering.

Beddingplanes,joints,andfractures,allprovidepathwaysfortheentryofwater.

Arockwithlotsofthesefeatureswillweathermorerapidlythanamassiverockcontainingnobeddingplanes,joints,orfractures.第47页/共94页岩石的地球化学特征

影响化学风化作用的主要因素。不同的岩石由于化学成分的不同，其化学活动性也明显不同（主要表现在原子价、离子半径、离子亲和力、化合能力和极化能力等方面），容易被氧化、溶解的岩石出露区，总是化学风化作用较为强烈的地段。同一岩石中由于不同矿物成分的差异，也会造成风化作用的差异。第48页/共94页白云质灰岩中的刀砍状、太婆脸构造第49页/共94页岩石的结构构造

对风化作用的影响岩石中的一些原生的次生的构造将影响风化作用的进程，形成一些特殊的风化地貌。第50页/共94页SurfaceAreaandWeathering第51页/共94页SpheroidalWeathering(球形风化)Ifjointsandfracturesinrockbeneaththesurfaceforma3-dimensionalnetwork,therockwillbebrokenintocubelikepiecesseparatedbythefractures.

Watercanpenetratemoreeasilyalongthesefractures,andeachofthecube-likepieceswillbegintoweatherinward.Therateofweatheringwillbegreatestalongthecornersofeachcube,followedbytheedges,andfinallythefacesofthecubes.

Suchprogressionofweatheringisreferredtoasspheroidalweathering.第52页/共94页spheroidalweathering（球形风化示意图）

岩石中经常存在一些原生的或次生的节理，节理的交会处是风化作用容易进行的地方，并逐渐地形成球形风化。第53页/共94页spheroidalweathering第54页/共94页spheroidalweathering第55页/共94页JointsandSpheroidalWeathering第56页/共94页spheroidalweathering第57页/共94页板状风化岩石中的原生流面构造形成了板状风化第58页/共94页岩石的物质成分

对风化作用的影响

岩石的物质成分不但影响了化学风化的过程，也同样影响了物理风化的过程。岩石中不同的物质成分具有不同的物理特征，还会形成不同的结构、构造，形成差异风化。第59页/共94页

differentialweathering(差异风化)

Iftherearelargecontrastsinthesusceptibilitytoweatheringwithinalargebodyofrock,themoresusceptiblepartsoftherockwillweatherfasterthanthemoreresistantportionsoftherock.

Thiswillresultindifferentialweathering.

第60页/共94页differentialweathering(差异风化)第61页/共94页DifferentialWeathering第62页/共94页differentialweathering第63页/共94页differentialweathering第64页/共94页4.3.2SlopeandAnimalsSlope-Onsteepslopesweatheringproductsmaybequicklywashedawaybyrains.Ongentleslopestheweatheringproductsaccumulate.

Ongentleslopeswatermaystayincontactwithrockforlongerperiodsoftime,andthusresultinhigherweatheringrates.Animals-burrowingorganismslikerodents,earthworms,&ants,bringmaterialtothesurfacewereitcanbeexposedtotheagentsofweathering.第65页/共94页化学风化过程中有机界的作用是另一个重要的因素。在坚硬的岩石表面出现生物（微生物、苔藓等）起，化学风化的作用就开始了。由于生物吸收的成分与岩石的成分有较大的差异，造成了岩石的风化。同时，生物的新陈代谢过程所产生的氧气、有机酸等物质，加速了化学风化的进程。布满苔藓的雕像第66页/共94页4.3.3ClimateClimate-Highamountsofwaterandhighertemperaturesgenerallycausechemicalreactionstorunfaster.

Thuswarmhumidclimatesgenerallyhavemorehighlyweatheredrock,andratesofweatheringarehigherthanincolddryclimates.

Example:

limestonesinadrydesertclimateareveryresistanttoweathering,butlimestonesinatropicalclimateweatherveryrapidly.第67页/共94页气候与环境同样是影响化学风化过程的重要因素。干燥炎热的气候使得氧化作用容易进行，潮湿的气候则使得溶解作用、水解作用易于发生。地形会影响气候条件，山地的垂直分带现象会影响温度风化作用和生物风化作用的进行。山的阴坡和阳坡因为日照的条件不一样，在阳坡一面通常温度风化作用较为强烈。地下水的性质特征、地球化学场、构造活动性等环境因素也都影响化学风化作用的进程。第68页/共94页不同环境中化学风化的速度迥然不同第69页/共94页4.3.4TimeTime-sincearateishowfastsomethingoccursinagivenamountoftime,timeisacrucialfactorinweathering.

Dependingonthefactorsabove,ratesofweatheringcanvarybetweenrapidandextremelyslow,thusthetimeittakesforweatheringtooccurandthevolumeofrockaffectedinagiventimewilldependonslope,climate,andanimals.第70页/共94页4.4ResultsofWeathering

风化作用的产物WeatheringRinds(风化壳)-arockmayshowanouterweatheredzoneandaninnerunweatheredzoneintheinitialstagesofweathering.

Theouterzoneisknownasaweatheringrind.

第71页/共94页4.4风化作用的产物岩石遭受风化作用后其最终结果是形成各种风化作用的产物。残积物

未移动的残留在援敌的风化产物倒石堆风化作用崩落的碎石、泥砂和其他残积物构成的锥形堆积物，分选性、磨圆度都很差风化壳岩石圈上部各种残积物的总和第72页/共94页倒石堆第73页/共94页第74页/共94页4.4.1风化壳风化壳－残积物在地壳表层分布很广泛，它不连续地覆盖在地壳基岩上，形成一层薄的外壳由于岩石中矿物的抗风化能力不同，随着风化作用的进行，风化壳将保留某些特殊的矿物或成分，形成特殊的矿产降水量越大，风化作用越强烈古风化壳对古气候、古环境及构造活动等具有指示意义第75页/共94页风化壳厚度与环境因素的对应关系第76页/共94页研究不同地区、不同构造单元中风化壳的不同性质和发育程度，对工程建筑具有重要意义，尤其是工程的地基处理，对工程的稳定性至关重要。如高层建筑物、铁路路基的地基稳定，水库库底的渗漏问题等，都需要对风化壳进行详细的调查研究。第77页/共94页古风化壳对古气候、古环境及构造活动等具有指示意义第78页/共94页由于岩石中矿物的抗风化能力不同，随着风化作用的进行，风化壳将保留某些特殊的矿物或成分，形成特殊的矿产。4.4.2风化作用的相关矿产第79页/共94页残积型沙矿：如锡石、金刚石、自然金、铂等残余型矿床：如高岭土矿、铝土矿、钴土矿等风化壳型铁矿是风化壳矿产最重要的矿产类型之一风化壳矿床通常与基岩地分布范围一致，是寻找原生矿床的标志第80页/共94页残积型金刚石的形成第81页/共94页4.4.3土壤具有肥力、含有有机成分，并有特殊结构类型的陆地表面层称为土壤第82页/共94页SoilsSoilsareanimportantnaturalresource.

Theyrepresentthe

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