第四章外动力地质作用

1第四章外动力地质作用内动力地质作用控制了地球表面起伏的总格局，外动力地质作用则在此基础上“铲高填低”，欲使地表起伏趋于平坦。“削高”是通过母岩风化作用和各种外营力对其产生剥蚀作用来达到，搬运作用则将风化剥蚀的产物运输到地表上的洼地之中，通过沉积作用将洼地填高。外动力地质作用在“铲高填低”过程中，不仅塑造出丰富多彩的地貌景观，如河流上游的高山峡谷、中下游的一马平川等地貌，而且通过成岩作用将来自于母岩风化剥蚀的产物转变为一种新的岩石，即沉积岩。本章分五节分别介绍风化作用、剥蚀作用、搬运作用、沉积作用和成岩作用。第一节风化作用风化作用是指在地表或近地表的条件下，由于气温、大气、水及生物等因素的影响，使地壳或岩石圈的矿物、岩石在原地发生分解和破坏的过程。风化作用在地表极为常见，几乎无时不有、无处不在。出露地表的岩石之所以能发生风化作用，那是因为地表以下的物理化学环境与地表是迥然不同的。地下温度高、压力大、缺乏游离氧、没有生命活动或很弱等；而地表气温低，且年、月、日变化频繁，有大气和生物的作用，特别是具有溶有各种气体及化学组分的水溶液的作用。由于这种环境的变化，露出地表的岩石必然会发生一系列的物理、化学性质的变化来适应新的环境。风化作用的重要特征是岩石或矿物在原地遭受分解和破坏，风化的产物仍保留在原地。一、风化作用的类型根据风化作用的方式和特点，风化作用可分为物理风化作用、化学风化作用和生物风化作用。（一）物理风化作用物理风化作用是指主要由气温、大气、水等因素的作用引起的矿物、岩石在原地发生机械破碎的过程。在此过程中，矿物、岩石的物质成分不发生变化，只是从整体或大块崩解为大小不等的碎块。物理风化常有以下几种方式。1.温差风化是指由于岩石表层温度周期性的变化而使岩石崩解的过程。任何物质受热后体积发生膨胀，遇冷则体积收缩，岩石也不例外。在白天，当岩石受太阳光照射时，岩石表面的温度升高，表层体积就会膨胀，同时一部分热量向岩石的内部传递，但由于岩石是不良的热导体，热量传播得较慢，因而内部的温度上升很慢，体积膨胀的量也很小。这样，在岩石表层与岩石的内部之间，由于体积膨胀的差异，就形成平行岩石表面的裂隙。到了夜间，岩石表面热量散2发较快，温度下降，体积收缩，而内部的热量散发慢，体积还处于膨胀的状态，从而产生了表层收缩、内部膨胀的不协调情况。这样，在表层也就形成了垂直岩石表面的裂隙。久而久之，岩石表层的裂隙扩大，岩石破碎。当外层破碎之后，这种膨胀—收缩过程就不断向岩石内部发展，最终，整块岩石完全崩解形成碎屑。当然，这一过程是缓慢的，人们不易察觉。温度变化的速度和幅度对温差风化作用影响较大，变化速度愈快、幅度愈大，岩石的膨胀和收缩交替得也愈快、伸缩量也愈大，岩石破碎得也愈快，所以这种风化作用在干旱的沙漠地区最为常见。2.冰劈作用是指因充填于岩石裂隙中的水结冰体积膨胀而使岩石崩解的过程。据实验，水结冰时体积增加9.2％，可产生96MPa的压力。当充填于岩石裂隙中的水结冰时，由于体积膨胀对周围岩石产生压力，使裂隙扩大；冰融后，扩大了裂隙又有水渗入，当水再次结冰时，裂隙又得到进一步的扩大。这样，由于岩石裂隙中的水反复结冰和融化，裂隙不断地扩大、加深，最终使岩石崩解。这种风化作用在日常生活中例子就是自来水管“冻裂”。冰劈作用主要发生在高寒地区和高山地带，尤以温度在0℃上下波动的地区最为发育。指充填于岩石孔隙、裂隙中含盐分的溶液，因水溶液浓度的变化，盐类出现结晶和溶解使岩石破碎的过程。这种风化作用常见于干旱和半干旱地区，其原理类似于冰劈作用。在白天，因温度升高，岩石中含盐分溶液的水分蒸发，盐分过饱和而结晶出来，体积增大，对裂隙周围产生压力，扩大裂隙空间。如过饱和明矾溶液结晶后体积增大0.5％，对围岩产生4MPa的压力。在夜间，盐类吸收大气中或地下水的水分而溶解，溶液渗入岩石裂隙中。这种作用反复进行，也会使岩石裂隙扩大、崩解。在北方常听人们说“墙脚被碱掉了”，实质上就是该风化作用的结果。4.层裂或卸载作用埋藏地壳较深处的岩石，如岩浆岩、变质岩、沉积岩，都承受上覆岩石重量而产生的静压力，一旦由于某种原因（地壳运动、剥蚀作用、人工采石等），上覆岩石被剥蚀掉而出露地表，岩石就因卸载而产生向上或向外的膨胀作用，从而形成一系列平行、垂直地表的裂隙，促使岩石层层剥落和崩解，这种现象又称席理或卸载作用。（二）化学风化作用化学风化作用是指岩石在原地以化学变化（反应）的方式使岩石“腐烂”、破碎的过程。在此过程中，不仅岩石发生破碎、崩解，而且在温度及含有化学组分的水溶液影响下，岩石的物质成分也将发生变化，这与物理风化作用有本质的区别。化学风化作用通常有以下几种方式。31.溶解作用指水溶液溶解岩石的某些易溶成分，使其松软、破碎、崩解的过程。任何矿物都能溶于水，只是溶解度大小不同而已，但溶解作用在易溶的矿物或岩石中作用更为明显。在通常的情况下，最易溶于水的是卤化物和硫酸盐矿物，如NaCl（石盐）；其次是碳酸盐矿物，如方解石（CaCO3）；最难溶于水的是硅酸盐矿物，如长石、云母等。溶解作用的结果一方面是易溶解的物质溶解于水溶液，并随水溶液带走，使岩石孔隙增加，硬度减小，易于破碎；另一方面难溶物质残留原地形成风化产物。2.氧化作用是指矿物、岩石与大气或水中的游离氧起化学反应形成氧化物使岩石破碎的过程，常把在地表能够发生氧化作用的地带称为氧化带。据测试，大气中的含氧量为21％，自然界中的水溶液中含氧量常超过溶解于水中气体总量的30％，所以地表到处充满着氧，因此氧化作用是地壳表层最常见的化学风化作用之一，如铁生锈就是氧化作用的结果。自然界中一些多价态的金属元素，在氧化作用下很容易由低价态转变成高价态，如Fe2＋→Fe3+、Mn2+→Mn4+、Cu→Cu2+，使其在地表的环境中更稳定。我们常见的有低价态的铁氧化成高价态的铁，如黄铁矿（FeS2）在地表（氧化环境）的条件下很容易氧化成褐铁矿（Fe2O3·nH2O）：4FeS2＋14H2O＋13O2→2（Fe2O3·3H2O）＋8H2SO4（黄铁矿）（褐铁矿）黄铁矿氧化成褐铁矿后，在颜色、成分、结构上都发生了变化，矿物变得松软多孔。一些含铁金属硫化物矿床的露头经风化后形成红褐色或黑褐色的外表，主要由褐铁矿组成，俗称“铁帽”，它指示其下埋藏有金属硫化物矿床，是寻找硫化物矿床的重要标志。水解作用是指水离解出的OH-离子与矿物离解出的阳离子，如Na+、K+等，结合形成带OH-新矿物的过程。碳酸化作用是指当CO3溶解于水中时，形成CO32-和HCO31-离子，它们与矿物中的阳离子（K+、Na+、Ca2+）结合形成易溶于水的碳酸盐或碳酸氢盐的过程。在自然界，水中或多或少都溶解有CO2，所以水解作用和碳酸化作用常常是同时发生的，两者相互促进。碳酸化作用形成碳酸盐或碳酸氢盐，并随水溶液带走，从而加速了水溶液对矿物离解的过程。以自然界分布极广的钾长石为例：4K[AlSi3O8]＋2CO32-＋4H2O→2K2CO3＋Al4[Si4O10][OH]8＋8SiO2（钾长石）（高岭石）（蛋白石）4K[AlSi3O8]＋6H2O→4KOH＋Al4[Si4O10][OH]8＋8SiO24（钾长石）（高岭石）（蛋白石）钾长石在水解和碳酸化作用过程中，K+离子与OH-或CO32-离子化合形成KOH或K2CO3被水溶液带走；部分的SiO2析出，其中一部分以胶体的形式被水带走，而另一部分残留在原地凝聚成蛋白石；未析出的SiO2与Al2O3则按不同比例组合成各种粘土矿物，如高岭石、蒙脱石等。高岭石在地表条件下很稳定，堆积在原地，但如果在湿热的气候条件和含CO2、有机酸的水溶液作用下，高岭石还可进一步水解成铝土矿和蛋白石。所以在潮湿炎热的气候条件下，钾长石风化的最终产物是铝土矿和蛋白石，或为含铝质和铁质的残积物。斜长石在水解和碳酸化作用的分解过程与钾长石相似。需要指出的是，在自然界以上的各种化学风化作用过程都是缓慢的，每种化学风化作用也不是孤立存在的，它们都是相互影响，相互促进，共同破坏着地表岩石。（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。覆盖在地球表面的生物圈，存在着无数的生物，它们在活动过程中必然对地球表面的物质产生作用。据目前的研究成果表明，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。具体地说，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。由生物活动导致岩石的机械破碎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，根系也逐渐长大膨胀，促使岩石裂隙扩大、加深，以致崩解，这种作用在植被茂盛、岩石裂隙发育的地区是非常常见的。由于生物活动引起岩石化学成分变化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，一部分供生物吸收，另一部分随水溶液带走，从而使岩石破碎。生物死亡之后逐渐聚集起来，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、破碎。总之，上述的物理、化学、生物风化作用都是具有独立意义的，但在多数情况下，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强烈。二、风化作用的产物5（一）物理风化作用的产物物理风化作用是一种纯机械的破坏作用，其结果是使岩石崩解成粗细不等、棱角明显的碎块。如果没有其它的地质作用（剥蚀作用），碎屑常覆盖在原岩的表面，其成分与原岩一致。如果地形较陡，岩石碎屑在重力的作用下，向坡下滚动或坠落，堆积在坡脚。由于惯性力的作用，粗大的碎块滚得较远，堆积在下部；而细小的碎块滚得较近堆积在上部。形成上部岩石碎屑小，下部岩石碎屑粗的堆积体，称倒石锥。（二）化学风化作用的产物化学风化作用的最终产物包括两部分：一是能溶于水中的可迁移物质；一是难于迁移，堆积在原地的残积物。能溶于水的可迁移物质包括各种易溶盐类、K+、Na+的氢氧化物和少部分难溶物质（如Si4+、Al3+、Fe3+、Mn4+等氧化物或氢氧化物胶体），易溶物质在水中常以真溶液形式迁移，而部分难溶物质常以胶体的形式被迁移。残积物主要为难溶物质、岩石碎屑和风化形成的矿物，如石英碎屑、蒙脱石、高岭石、铝土矿、蛋白石、褐铁矿等。矿物和岩石在化学风化过程中是逐步分解的，由于各种矿物的物理、化学性质不同，在分解过程中难易程度也不一样。换句话说，就是矿物的抗风化能力的强弱之别。据研究，在自然界中各类矿物抗风化能力的顺序是：氧化物、氢氧化物＞硅酸盐＞碳酸盐＞硫化物＞卤化物、硫酸盐；几种常见矿物抗风化能力的顺序是：石英＞白云母＞长石＞黑云母＞角闪石＞辉石＞橄榄石。表5.1元素的迁移系列元素的迁移系列迁移系列元素的组成1.极易迁移的元素Cl（Br、B、I）、S2.易被迁移的元素K、Ca、Na、Mg、F、Sr、Zn、U3.可迁移的元素SiO2（硅酸盐的）、Mn、P、Ba、Rb、Ni、Cu4.略可迁移的元素Al、Fe、Ti5.实际不迁移的SiO2（石英）（据彼列尔曼，1972简化）同样，组成矿物的元素在矿物分解过程中也是逐步分离出来的。由于各种元素的化学性质不同，在析出的过程中就有难易之分。常见元素的迁移系列如表5.1所示。表中所列的1、2系列元素在化学风化过程中总是最先被析出，组成易溶盐类被河水、地下水带走，这些元素是构成卤化物、硫酸盐的主要元素。表中3、4系列元素只能作短距离迁移或残留原地，这两6系列元素主要组成硅酸盐或氢氧化物矿物，所以残积物中多含SiO2和Fe、Al的氢氧化物或含水氧化物。（三）生物风化作用的产物生物风化作用的产物包括