普通地质学—风化作用

第十章风化作用风化作用：指地表或接近地表的坚硬岩石、矿物在原地与大气、水及生物接触过程中产生物理、化学变化而形成松散碎屑物甚至土壤的过程。第一节风化作用的类型根据风化作用的因素和性质可将其分为三种类型：物理风化作用、化学风化、生物风化。一、物理（机械）风化作用在地表或接近地表条件下，岩石、矿物在原地产生的机械破碎而不改变其化学成分的过程。作用方式主要有：1、温差风化：指由于岩石表层温度周期性的变化而使岩石崩解的过程。温度昼夜变化、季节变化等。日变化影响最大，内陆干旱沙漠地区，昼夜温差变化、物理风化最强烈。如西北沙漠地区，昼夜温差50℃。（1）不同矿物胀缩系数不一，相互脱落。（2）表里不一。白天，表面受晒膨胀，晚上，表面冷缩，内部受热开始膨胀。2、冰劈作用：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。条件：①岩石有贯通的空隙，可使水渗入并流动（孔隙封闭、气孔不连通者则不行）；②有足够的水分；③温度常在冰点上下波动。3、层裂（卸载、释荷）：指岩石因上覆岩石剥去，卸载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，促使岩石层层剥落与崩解。4、盐分结晶的撑裂作用：岩石中多含盐，这些盐分在夜晚吸收大气水分而潮解。当其渗入岩石内部，会溶解所经岩石中的盐分，增大裂隙溶液中盐分比例。白天烈日照晒，会使地下水沿岩石裂隙上升蒸发。结果就使岩石裂隙溶液中的盐分过饱和而结晶，岩石被撑裂；如此反复，使巨大岩石发生崩解。多发生在蒸发量大于降水量的半干旱地区。二、化学风化地表岩石在水、氧及二氧化碳等作用下发生化学成分变化，使其成分分解，易溶解者流失，难溶解者残留原地，并产生新矿物的作用。温湿的南方地区表现较明显。有以下方式：（1）溶解作用：任何矿物都溶于水，只是溶解度有大有小。影响溶解度的因素：温度、压力、PH值。大多数矿物可溶解于水，但溶解度差别悬殊。溶解度排序（由大到小）：石盐、石膏、方解石、橄榄石、辉石、角闪石、长石、云母、石英。易溶物质的溶解将导致岩石空隙加大，加速剥蚀。（2）水化作用：有些矿物能够吸引一定数量的水加入到矿物晶格中，转变成含水新矿物。导致体积膨胀，硬度降低。如：硬石膏转变成石膏后，体积膨胀约59％，从而对周围岩石产生压力，促使岩石破坏。此外，石膏较硬石膏的溶解度大，硬度低，能加快风化速度。（3）水解作用：弱酸强碱盐或强酸弱碱盐遇水会解离成为带不同电荷的离子，这些离子分别与水中的H+和0H-发生反应，形成含0H-的新矿物。（4）碳酸化作用：溶于水中的CO2形成CO32-,它们能夺取盐类矿物中的K、Na、Ca等金属例子，结合成易溶的碳酸盐而随水迁移，使原有矿物分解，这种变化称为碳酸化作用。（5）氧化作用：空气中1/5为氧如：黄铁矿FeS22+氧化成褐铁矿Fe2O3。H2O3+，由铜黄色变为褐红色，颜色变深，结构变疏松。在地表称铁帽，地下连着矿床。三、生物风化作用生物对岩石、矿物产生的破坏作用（生物的生命活动过程和尸体腐烂分解过程对岩石的破坏作用）。（1）生物的机械风化作用:植物根对岩石的破坏（又称根劈），蚯蚓等钻洞，人类活动如挖洞、采矿等对岩石进行破碎。（2）生物的化学风化作用:生物死亡后，腐烂分解形成一种腐植质(胶状的物质)，是一种有机酸，对岩石起腐蚀作用。第二节影响风化作用的因素影响风化作用的因素主要有气候、植被、地形和岩石特征等方面。一、气候条件气候因素包括温度、降雨量和湿度，它们是控制风化作用的重要因素。气候寒冷或干燥地区，生物稀少，寒冷地区降水以固态形式为主。干旱区降水很少，以物理风化作用为主，化学和生物风化为次，岩石破碎，但很少有化学风化形成的粘土矿物，以生物风化为主形成的土壤也很薄。二、地形条件（1）地势的高度影响气候，间接影响风化作用；（2）另一方面，地势起伏也有影响，陡坡上，地下水位低，生物较少，以物理风化为主；在地势平坦的区域，受生物影响较大，化学风化作用为主；(3)山坡的朝向会涉及气候和日照强度，也会间接影响风化作用。三、岩石的特征1、成分（1）岩浆岩比变质岩和沉积岩易于风化。岩浆形成于高温高压，矿物质种类多（内部矿物抗风化能力差异大）。（2）岩浆岩中基性岩比酸性岩易于风化，基性岩中暗色矿物较多，颜色深，易于吸热、散热。（3）沉积岩易溶岩石（如石膏、碳酸盐类等岩石）比其它沉积岩易于风化。2、岩石的结构、构造(1)岩石结构较疏松的易于风化；(2)不等粒易于风化，粒度粗者比细者易于风化；(3)构造破碎带易于风化，往往形成洼地或沟谷。3、节理发育状况节理破坏了岩石的连续性和完整性，增加了岩石的可渗透性，是促进岩石风化的因素。岩石中节理发育密集之处，往往风化强烈。差异风化：在相同的条件下，不同矿物组成的岩块由于风化速度不等，岩石表面凹凸不平；或由不同岩性组成的岩层，抗风化能力弱的岩层形成相互平行的沟槽，砂岩、页岩互层，页岩呈沟槽。第三节风化作用的产物物理风化作用使岩石崩解成粗细不等、棱角明显的碎块。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。形成上部岩石碎屑小，下部岩石碎屑粗的堆积体，称倒石堆。一、风化产物的类型1、碎屑物质：主要是物理风化形成的岩石碎屑和矿物碎屑，少数是在化学风化过程中未完全分解的矿物碎屑。2、溶解物质：化学风化和生物风化的产物。3、难溶物质：岩石中相对不活泼的Fe、Al等元素在原地残留，形成褐铁矿、黏土矿物以及铝土矿等。二、残积物残积物：岩石风化后在原地残留的物质。其特征为：1、结构松散，碎屑往往大小不均，棱角明显，无层理。2、多分布在分水岭、山坡和低洼地带，其顶面较平坦，而底界起伏不平，与基岩呈过渡关系。3、残积物常具垂直分带性：底部风化微弱、中部显著、上部强烈。三、风化壳指风化产物的覆盖层，包括残积物及其上覆的土壤。被较新岩层覆盖而保存下来的风化壳，称为古风化壳。四、土壤土壤：富含腐殖质的细粒而松散的生物风化作用产物。土壤的组成包括腐殖质、矿物质、水分和空气。厚度50cm-2m左右，最厚可达10余米。腐殖质是生物、微生物遗体在风化产物中不断聚集腐烂后形成的，它的存在是土壤区别于其他松散堆积物的主要标志。发育成熟的土壤剖面，根据其成分、颜色和结构特点，可分为三层：1、表土层：多呈黑灰、浅灰色，由各种细粒矿物质组成，富含有机质，是农作物赖以生长的场所。2、淀积层：雨水将上层的氧化铁、氧化铝、腐殖质、石膏和碳酸钙等淋滤下来，在此沉淀。3、母质层：为轻微风化的基岩或沉积物，和淀积层呈过渡关系。土壤中的矿物质由风化过程中形成和残存的各种粘土矿物及石英、长石、角闪石、云母等组成。五、风化地貌主要由风化作用塑造而成的地貌。1、形态特征：风化地貌千姿百态，形态各异，是一种可供开发的旅游资源。2、影响因素：其形态取决于岩石性质、地层产状、构造发育程度以及气候条件等。3、类型有：①花岗岩发育区，以圆滑的石蛋地貌为特征。如安徽黄山、江西三清山、厦门鼓浪屿等。②垂直节理发育的红色砂岩区，丹霞地貌非常普遍。如广东丹霞山、江西龙虎山。③垂直节理发育的杂色砂岩区，形成壮观的枫林地貌。如湖南张家界。④发育X节理的砂岩区，常出现摇摆石、洋葱石等地貌现象。⑤丹霞地貌：该名称源于“丹霞层”。是冯景兰1928年在广东仁化县丹霞一带地质调查时所创的地层名称。由红色砂砾岩、砂岩、粉砂岩组成，其时代为晚白垩世到古近世。丹霞地貌是指层厚大、产状平缓、节理发育、铁钙质胶结不匀的红色碎屑岩系，在流水侵蚀和风化作用下，通过重力崩塌、侵蚀、溶蚀等作用，形成城堡状、宝塔状、柱状、棒状、方山状、园山状、峰林状地貌景观。该地貌在广东仁化县的丹霞山最典型，故名。