第三章-风化作用与坡地重力地貌(第二节-重力地貌)

第三章风化作用与坡地重力地貌•外动力作用风化—侵蚀—搬运—堆积第一节风化作用与风化壳一、风化作用风化是指岩石发生物理的和化学的变化。风化作用是指在地表常温常压环境中，使岩石的物理性状和化学成分发生变化的作用。风化作用是其它外营力的先锋。风化作用的实质是环境变了，为了与新的环境求得平衡，适应新的环境而发生的变化风化作用也可以发生在海底，在海水的作用下进行，有人称之为海底风化作用。如：黑云母—海绿石，火山灰—蒙脱石，就是海底风化作用的结果。意义：学科；工程建设；寻找矿产岩石在风化过程中，扩大了孔隙和裂隙，由于风化裂隙的沟通性较好，有利于大气降水的渗入，所以在有较厚风化层的风化裂隙中，能找到较好的地下水。它属于孔隙、裂隙的潜水类型故埋藏较浅，水量一般不大，但常年不干。特别是在历经多次构造变动的岩浆岩和变质岩地区，这种类型的地下水湿较为普遍的。寻找风化层内的地下水，地貌条件非常重要，因为风化层中的地下水总是随地形的起伏，有高处向低处流，集中于面积较大的低洼处，群山怀抱的洼地中心、围椅形的山谷出口、两山夹一沟的沟口、几条沟口交汇处、山扭头的扭弯内侧以及大山坡脚等地都是风化层潜水汇集的有利地段。风化作用的分类：物理风化化学风化生物分化（一）物理风化作用•物理风化的定义：是指岩石在地表环境中由大变小、由粗变细的机械破碎，岩石化学成分并未变化，这种风化作用称物理风化。物理风化的结果：物理风化一般不引起化学成分的改变，而引起岩石崩解成碎屑。大块岩石小块岩石；完整岩石分散岩石；体积变化：a.单个体积由大变小；b.总体积大；表面积由小变大。卸荷裂隙是指由于自然地质作用或人工开采使岩体应力释放和调整而形成的裂隙。1、因岩石卸荷释重而引起的剥离作用HalfDome,YosemiteValley,CaliforniaA、冻融风化：冻融风化是在寒冷地区，因气温变化于0°c上下，岩石裂隙或空隙中的水反复冻结和融化，造成岩石崩解破碎。B、盐分结晶破坏2、外来晶体在岩石裂隙中的挤压作用盐分结晶风化作用盐蚀作用3、热力风化热力风化是指岩石因其内部热应力作用而产生的机械破碎。热力风化作用高密度山火过程球状风化球状风化4、生物活动对岩石机械风化作用的影响作用方式：根劈作用：树根沿岩石裂隙生长，楔入岩隙，扩展裂隙，把岩石挤开，这种作用称为根劈作用。动物作用根劈作用（二）化学风化作用•化学风化作用：化学风化作用是指位于地表的岩石矿物在水、大气、生物的相互作用下发生氧化、溶解、水解、水化等一系列化学反应，因而改变了岩石的物理性质和化学成分，甚至形成新的矿藏物，破坏了原来岩石的结构，使岩石疏松甚至逐渐变成松散的土层，这种作用称为化学风化作用。主要类型：溶解、水解、水化、碳酸盐化、氧化等几种方式。•化学风化作用的影响因素：水、温度和大气。1、溶解作用：水对岩石的直接溶解。按溶解度的大小排列顺序如下：食盐＞石膏＞方解石＞橄榄石＞辉石＞角闪石＞滑石＞蛇纹石＞绿帘石＞长石＞黑云母＞白云母＞石英。也不同。溶解作用的结果：增加地下水的化学成分，形成盐碱地或盐湖、加剧岩石风化。化学风化作用的类型溶解作用溶解作用H2O+CO2+CaCO3--Ca+2+2HCO3-2、水解作用水解作用的定义：水解作用是指矿物与水发生反应而分解的作用。水解作用的化学原理：离子置换反应。正长石水解反应化学方程式：K2O.Al2O3.6SiO2+3H2OAL2O3SiO2H2O+2KOH+4SiO2高岭土3、水化作用水化作用的定义：水化作用是指水与一些不含水的矿物相化合，水参与到矿物的晶格中，改变了原来矿物的分子结构，形成新的矿物。水化作用的结果：改变矿物的物理性质，如硬度变小、密度降低、体积膨胀，加速岩石风化。4、碳酸盐化作用碳酸盐化作用的定义：碳酸与岩石中的金属离子发生反应形成碳酸盐，这种作用称为碳酸盐化作用。石灰岩的溶解反应：CaCO3+H2O+CO2Ca（HCO3）25、氧化作用氧化作用的原理：举例：黄铁矿经氧化形成褐铁矿2FeS2+O2+H2O2FeSO4+H2SO412FeSO4+3O2+6H2O4Fe2(SO4)3+4Fe(OH)3Fe2(SO4)3+6H2O2Fe(OH)3+3H2SO4主要是自然界铁的氧化过程氧化作用6、生物化学风化作用生物化学风化作用的原理：举例：铁细菌作用使亚铁盐变成高价铁盐PlantGrowth•RootGrowth-Rootgrowthextendsintorockfractures,expandandbusttherockapartAnimalBurrowingTermitemounds,NorthernTerritory,AustraliaRootswedgeintoporesandcrevices.Whentherootsgrow,therocksplits.Lichensproduceweakacidsthatchemicallyweatherrock岩石上的苔藓与地衣的风化作用二、风化壳（一）风化壳的概念1、风化壳的定义2、影响风化壳厚度的因素3、风化壳的垂直分带土壤风化碎石风化块石风化裂隙2、风化壳的分带及特征a.全风化带---岩石完全变色、结构完全破坏，仅外观保持岩体状态，用手压成散沙状。b.强风化带---岩石大部分变色、结构大部分破坏、矿物变质，形成次生矿物，岩体完整性较差。c.弱风化带---岩石部分变色、部分岩体结构已遭破坏，部分矿物变质，形成了沿裂隙面的风化夹层，凤凰裂隙发育，岩体的完整性较强。d.微风化带---岩石沿节理面已变色、岩石结构未变，与新鲜岩石不易区别。那么是否在所有的地方都能看到四个风化带吗？（二）风化壳的发育阶段1、物理风化阶段——岩屑型风化壳岩石遭受物理风化作用，崩解破碎，形成岩屑型风化壳。该类风化壳主要形成于寒冷气候和干旱地带，由于气温低、干旱，化学元素极不活跃，有微弱的化学风化作用，使部分硅酸盐矿物风化成水云母和水绿泥石等风化程度低的矿物。（二）风化壳的发育阶段2、化学风化为主的阶段（1）化学风化的早期阶段——富钙阶段硅铝酸岩中的K、Na、Ca、Mg等离子与溶液中的Cl-、SO42-结合，形成氯化物、硫酸盐，并随水流失。在低洼的地方，硫酸盐富集，形成硅铝-硫酸盐型风化壳。在风化原地，相对难溶的碳酸盐相对富集，形成硅铝-碳酸盐型风化壳。岩石中的溶解汇集硫酸盐型可溶矿物于水结晶风化壳化学风化的早期阶段相对难溶的碳酸盐形成硅铝-碳酸盐在原地相对富集型风化壳2、化学风化为主的阶段（2）化学风化的中期阶段（硅铝粘土型风化壳或高岭土型风化壳），也叫富硅铝阶段。氯化物、硫酸盐、碳酸盐等淋溶迁移，甚至一些胶体状的二氧化硅也开始迁移，硅铝酸盐被分解为高岭土、蒙脱石等粘土矿物残留原地，形成硅铝—粘土型风化壳或高岭土型风化壳。这一阶段又大量硅铝富集，因此又称为富硅铝阶段。化学风化的中期阶段岩石中的可溶矿物溶解随水流失碳酸盐岩溶蚀随水迁移流失硅铝酸岩粘土矿物残留硅铝-粘土型被分解原地，硅铝富集风化壳2、化学风化为主的阶段（3）化学风化的晚期阶段（铁铝型风化壳或砖红壤风化壳），也叫富铁铝阶段风化壳发育到晚期阶段，化学风化进行得比较彻底，硅酸盐矿物已被分解，可迁移的元素基本上都流失，残留下难分解的铁铝化合物，形成铁铝型风化壳或砖红壤风化壳。这一阶段也称为富铁铝阶段。由于风化壳中富含三氧化二铁，所以呈红色。Al2O3-2SiO2-2H2O+nH2OAl2O3-nH2O+2SiO2-H2O岩石中的可溶矿物溶解随水流失碳酸盐岩溶蚀随水迁移流失硅铝酸岩粘土矿物残留原地粘土矿物风化SiO2流失二氧化硅与Al2O3分离Al2O3Fe2O3富集化学风化的晚期阶段（三）影响风化壳发育的因素各地风化壳可以发育到哪个阶段，产生哪种类型的风化壳，取决与当地的自然条件，决不是在任何地区的风化壳都能发展到化学风化的晚期阶段。影响风化壳发育的因素很多，主要是气候、地貌、岩性、地质构造和风化壳发育的时间等。1、气候条件气候是控制岩石风化的最普遍、最重要的因素。在不同的气候下，风化壳的发育阶段和风化壳的类型都是不同的。因此风化壳具有显著的地带性特征。高寒气候：碎屑型风化壳干旱气候：硅铝-硫酸盐型风化壳温带半干旱气候：硅铝-碳酸盐型风化壳温带湿润气候：硅铝-粘土型风化壳亚热带气候：红、黄壤型风化壳热带气候：砖红壤型风化壳气候与风化壳类型2、地貌条件平坦的地形有利于形成深厚的风化壳。坡向的影响地形影响：水、热条件的重新分配，从而影响风化作用的强度。控制：风化产物的转移。风化过程与地貌条件的关系十分密切。3、岩性与时间岩石的成分对风化壳的发育也很强的影响。如：在热带气候下，各种岩石几乎都能发育形成砖红壤型风化壳；同一种岩石在不同的气候下，发育形成风化壳是不同的；岩性单一的岩石，在不同气候下的风化产物可能都是相同的，如石英的风化产物都是相同的——二氧化硅。风化作用持续的时间长短，直接影响风化壳的发育程度。风化剥蚀的能力，它取决于岩石的一系列物理特性和化学特性它包括:a.成分的单一性或复杂性，b.岩石及组成矿物的热容量与导热率，c.孔隙度和裂隙度，d.透水性，e.可溶性。更重要的是，上述各因素在岩石相对稳定性方面的作用大小，在不同的地理环境下，首先是不同的气候条件下是各不相同的。气候与岩性的组合在某一种气候条件下，岩石A的稳定性大于B，可是到了另一种气候条件下，也许B的稳定性大于A。风化作用的地貌意义：1.一切外营力的先锋，其他外营力的前提；2.风化作用是有选择性的，不同岩石抵抗风化的能力是有差异的（即选择性风化）；3.差异取决于：矿物的成分，岩石的热容量、导热率、岩石的结构、岩石的孔隙度、裂隙度、岩石的透水性、可溶性。4.上述作用取决于气候条件：干旱区：以物理风化为主，起作用的主要是岩石的成分、热容量、导热率、岩石的结构。湿热区：以化学风化为主，起作用的主要是岩石的孔隙度、裂隙度、透水性、可溶性。总之，风化作用一方面为其他营力作用过程作了准备，是整个地貌发育过程的先导，并积极参与了地貌的形成过程。第二节坡地重力地貌重力地貌（Gravitylandform）是指坡面上的风化碎屑、不稳定岩体、土体主要在重力并常有一定水分参与作用下，以单个落石或整体沿坡向下运动所导致的一系列独特的地貌。块体运动(Massmovement)：坡地重力所移动的物质多系块体形式，故称为块体运动。我国是一个多山的国家，因此坡地地貌问题在我国占有十分重要的地位，在山区开展大规模的工农业建设和国防建设，遇到了不少坡地地貌问题。如滑坡、山崩、泥石流等，这些地貌过程，有时切断道路、毁坏厂矿、阻塞河道、损坏农田、掩埋村镇，给国家、人民造成了巨大的损失，因此从生产建设上来说，要求对坡地地貌进行很好的研究。从地貌学学科本身来说，坡地发育过程是地貌学的基本理论问题之一，一直为国际、国内所重视，我国交通部和铁道部所属的一些生产科研单位，结合交通建设中遇到的坡地问题，开展了大量的研究，生产实践的需要推动着坡地问题的研究、发展。一、块体运动的力学分析（一）坡面上的土粒岩屑或石块的运动1、坡面土粒岩屑或石块运动的力学分析块体运动的力学图解A.块体处于稳定状态B块体处于极限平衡状态T=G·sinθ，N=G·cosθf=τρ=µ·N=µ·G·cosθτf=N·tgφ=G·cosθ·tgφ坡面上的土、石块等的稳定条件应是：T≤τfG·sinθ≤G·cosθ·tgφtgθ≤tgφθ≤φ（二）块体运动的整体位移当块体运动发生在岩土体内部时，块体运动首先要克服粘结力和摩擦力，才能发生位移。其块体运动的抗滑强度为：τf=N·tgφ+C·A在理论上：当K=1时，岩体或土体处于极限平衡状态；当K＜1时，岩体或土体处于不稳定状态；当K＞1时，岩体或土体处于稳定状态。K(稳定系数)=TACtgN（一）蠕动蠕动时指斜坡上的土体、岩体和它们的风化物质在重力的作用下，顺坡向下发生的十分缓慢的移动现象。速度每年小的只有若干毫米，大的可达几十厘米。位移量虽然很小，但长期的积累也会给生产建设带来危害。根据蠕动体的性质、规模，可将蠕动分为两类：松散层蠕动、岩层