第五章风化作用与剥蚀作用

第五章风化作用与剥蚀作用第一节风化作用目的要求风化作用是大气圈、水圈和生物圈与出露在地表岩石之间的相互作用，主要通过物理力和化学分解两种方式破碎岩石。风化作用的产物，最终停留在基岩的表面，形成一层各地厚薄不等的疏松薄壳，其上部进而成为土壤。而土壤则是大部分陆生生物活动的基础，因此风化作用具有重要的生态学意义，要求深入理解。课时：2学时授课内容一、风化作用的概念二、风化作用的类型o（一）物理风化作用1.温差作用2.冰劈作用3.释荷（卸载）作用4.盐类的结晶与潮解作用o（二）化学风化作用1.氧化作用2.溶解作用3.水解作用4.水化作用o（三）生物风化作用三、风化作用的产物o（一）物理风化作用的产物o（二）化学风化作用的产物o（三）生物风化作用的产物o（四）风化壳o（五）土壤四、影响风化作用的因素o（一）岩石的性质o（二）气候与地形重点本节课程的重点应放在：1.机械风化包括多种应力作用，但最明显的是冰劈作用；2.化学风化的主要类型是氧化、溶解和水解作用；3.在风化作用中裂隙很重要，因为它使空气和水能在很深的地方侵蚀岩石，同时它还大大增加了岩石发生化学反应的表面积；4.风化作用有一种使被破坏的岩石块体产生球形表面的普遍趋势。难点本节课的难点在如何简要阐述风化壳的时间意义。教学方法本节课以叙述为主配合图件，择重讲授。讲授重点内容提要一、风化作用（weathering）所谓风化作用，就是岩石在地表常温常压下，遭受大气、水、水溶液及生物的破坏作用，使坚硬的岩石变成疏松堆积物的过程。风化作用是一种自然现象，如古墙的层层脱落；石刻的模糊不清、残缺不全；路基的斑剥，甚至铁器的生锈等等，均与风化作用有关。风化作用可以是机械的破坏，也可以是化学分解，而生物风化作用两者皆而有之。风化作用是一种岩石在原地遭受破坏的作用。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别。必须指出，风化作用与风的地质作用，在概念上是毫不相关的。二、地球内部圈层的划分根据风化作用的性质，将风化作用分为三大类：物理风化、化学风化及生物风化作用。o（一）物理风化作用（physicalweathering）岩石在地表条件下，在原地产生机械破碎，而不改变其化学成分的过程称为物理风化作用。1.物理风化作用最重要的方式是卸载（释荷）、温差和冰劈作用。i.卸载作用（unloading）卸载作用是处在地下深处的岩石，由于受高温高压的影响，因此坚硬而致密。当它转移到地表常温常压条件下时，由于静压力解除，在张应力作用下自发膨胀，这种现象就叫卸载，即能量释放，负荷减轻，结果使岩石表面产生一系列平行或垂直于地表的裂隙，这种裂隙就叫席理。由于长期的卸载作用，促使岩石层层剥离崩解，所以又叫剥离作用。ii.温差作用温差作用是因气候变化而导致岩石产生崩解。由于岩石导热性差，不同的造岩矿物有不同的体胀系数。白天太阳照射，热向岩石内部传递，岩石内外之间出现温差，结果在岩石表里之间产生平行裂隙，使岩石表面出现层层脱落。晚上因内热外冷，表里不一，于是出现垂直于岩石表面的裂隙，最后崩解为沙泥（图5—1）。iii.冰劈作用（riving）冰劈作用是当昼夜气温在0℃上下变动时，渗透在岩石裂隙中的水，时而冻结，时而溶解。冰冻时因体积增大，使岩石裂隙扩张，最后使岩石崩解（图5—2）。图5—2冰劈作用示意图一般说来，冰冻风化主要发生在弯弯曲曲的岩石裂隙中，因为向上张开的“V”形裂隙，在产生冰劈时，压力会向冰帽方向转移，岩石就不易产生进一步的破坏。在干旱和半干旱地区，由于盐类在岩石裂隙中的过饱和结晶，也同样可以挤碎岩石。2.物理风化作用产物的特征物理风化作用产物的特征主要有：1.破碎后的颗粒粗细不等，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致。o（二）化学风化作用（chemicalweathering）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化，转变为地表稳定的新矿物。这是与物理风化作用的区别。1.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，化学风化十分微弱。2.化学风化作用的方式主要是：氧化、溶解和水解作用。.氧化作用（oxidation）是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。自然界许多元素都具有与氧结合的能力，特别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化，矿物的颜色、比重、硬度甚至结构也都发生了变化，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）。它的出现常认为是寻找原生金属硫化矿床的标志。i.溶解作用（dissolution）自然界纯水是罕见的，不论地表水还是地下水，都不同程度的含有各种气体（O2、N2、CO2）和化合物（酸、碱、盐），因此自然界的水都是水溶液。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，一方面决定于化合物的性质，另一方面决定于外界条件（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。3.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。但它具有离解能力，其中一部分离解为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）。由于这种反应是不可逆的，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+4KOH(钾长石)（高岭土）胶体真溶液↓↘↙残留流失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。我国南方许多省都能见到红土堆积，有的地方厚达几十米。o（三）生物的风化作用（biologicalweathering）是指生物的生命活动，促使岩石发生破坏的作用。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。三、风化壳及其意义o（一）风化壳概念及生成岩石在长期的风化过程中，一些不稳定的矿物遭到分解，其中可溶性部分被水流失，难溶部分残留在原地，这些残留在原地的物质叫残积物。由于残积物未经过搬运，残积物中碎屑棱角明显，大小不一，也无层理。由地表面向下粒度逐渐变粗而过渡为基岩。残积物常分布在分水岭上或缓坡上，残积物顶部常因生物的活动被改造成土壤。由于残积物分布在地壳的表层，且构成一个不连续的薄壳，叫做风化壳（crustofweathering）。o（二）风化壳垂直分带风化壳的风化程度是从地表向地下深处逐渐减弱，因此风化壳具有明显的垂直分带性。根据产物特征，一般把风化壳分为以下几个部分（图5-3）：从上到下：Ⅰ层叫土壤层（风化壳表层），表层处在氧化环境，特别在湿热地区酸性条件下，矿物风化彻底，生成各种粘土矿物。铁在此层呈高价氧化铁；Ⅱ层为残积物，一般由岩屑、粘土组成，风化不彻底，含有少量有机质；Ⅲ层为半风化层，遭受风化作用微弱，主要是未经化学风化的岩屑组成；Ⅳ层为底层，由基岩组成。这里必须说明，风化壳剖面绝非一个模式而且如此完善。由于各地区气候条件的差异和岩石类型的差别，风化壳模式也是多种多样的。o（三）提示问题在讲授风化壳的意义时，最好提示以下四个问题：1.风化壳可以阐明地壳运动；2.风化壳可以恢复古地理环境；3.风化壳对找矿具有重要意义；4.研究风化壳对工程建设也有重要作用。四、影响风化作用的因素在讲述影响风化作用的因素时，应抓住岩石本身的性质和地表环境这两个方面进行概述。如：1.一般说来，在岩浆岩中，最早结晶的矿物在地表条件下最先分解，最后结晶的矿物，如石英，抗风化的能力最强。含铁镁矿物多的超基性岩比含硅铝矿物多的酸性岩易于风化。2.单矿岩因具有各向同性，不易物理风化。而复矿岩因所含矿物颜色、成分、内部晶架各不一样，其导热率、体胀系数也不一样，因此在温度和水溶液的作用下，易遭受破坏。3.岩石中矿物的粒度大小，等粒不等粒，胶结物的性质和胶结程度，也影响风化作用的速度。细粒、等粒，胶结好的岩石抗风化能力强。疏松的岩石有利于水溶液渗透和生物的活动，因而抵抗风化的能力弱。4.在层理或节理发育的岩石中，由于水溶液沿层面和节理进行化学风化，特别在层理与节理的交叉处，岩石块的棱角风化快，且逐渐圆滑化，结果岩块表面呈浑圆形，这种现象叫球形风化（图5—4）。5.当抗风化能力强弱不同的岩石组合在一起时，抗风化弱的岩石组成负地形，抗风化强的岩石组成正地形，这种差异现象叫差异风化（differentialweathering）。6.在温湿地区，雨量丰富，植被发育，化学风化作用和生物风化作用强烈。在干寒地区，降水少，植被差，则盛行物理风化。7.地形的坡度也影响风化作用的速度和方式，陡坡处地下水面深，植物少，物理风化作用强烈，基岩裸露又促使物理风化的持续进行；在缓坡或平凹区，地下水面浅，植被发育，化学风化作用和生物风化作用表现强烈。本节小结风化作用是指在地表或近地表条件下，岩石在原地发生分解和破坏的过程。物理风化过程中，岩石在原地发生机械破碎，物质成分不发生变化；化学风化不仅使岩石发生破碎，岩石的物质成分也发生变化。因此，二者有本质的区别。形成由风化产物组成的、分布于大陆基岩表面的不连续薄壳称为风化壳，它具垂直分带。影响风化作用的因素主要有气候、植被、地形、岩石特征、构造等方面。思考题（一）基本概念风化作用风化壳差异风化生物风化作用土壤（二）简述下列两组基本概念的主要区别1.物理风化与化学风化；2.土壤与风化壳。（三）回答问题1.风化作用的类型和主要方式是什么？2.研究风化作用的意义是什么？3.球形风化是怎样形成的？4.研究风化壳有何意义？（四）画示意图说明风化壳的垂直分带。本节参考文献1.徐成彦等．普通地质学．武汉地质学院普地教研室（试用教材）．P68—84，19832.夏邦栋．普通地质学．北京：地质出版社．P153—164，19843.夏邦栋．普通地质学．北京：地质出版社．P134—143，2001第二节剥蚀作用目的要求地表的矿物、岩石，由于风化作用，可以使其分解、破碎，并被运动介质剥离原地。因此，剥蚀作用是一种常见的、非常重要的外动力地质作用，是地表物质迁移的重要动力之一。要求学生们掌握河流、海洋、冰川、地下水等各种剥蚀作用的基本概念和基本原理，理解外动力地质作用与内动力地质作用的密切关系。课时：2学时授课内容一、地面流水的剥蚀作用o（一）河流的侵蚀作用o（二）片流与洪流的