第3章风化作用与坡地重力地貌

第一节风化作用与风化壳一、风化作用风化作用是指出露地表的岩石受太阳辐射、温度变化、水和气体(氧、二氧化碳等）以及生物等的作用，其物理状态和化学成分发生变化的作用。无论何种性质的岩石，一旦出露或接近地表，直接与水圈、大气圈和生物圈接触，在地表物理、化学因素作用下，都会发生疏松、崩解和化学成分的改变，变成大小不等的碎屑或土层。风化作用的实质就是岩石脱离地壳深部高温高压条件，出露或接近地表后，为适应地表常温常压的新环境而必然发生的一种变化过程。通常将风化作用分为物理风化作用、化学风化作用和生物风化作用三种。（一）物理风化作用因卸荷释重、温度变化、空隙水（孔隙水、裂隙水）物态变化、盐类潮解与结晶等作用，使岩石发生机械破坏而又不改变其化学成分的过程，叫做物理风化作用。使岩石发生物理风化作用的原因有以下几个方面:（1）卸荷释重：形成于地壳深处的岩石受到构造运动抬升，上覆的岩层逐步被剥蚀，释放了原来承受的压力，引起岩体膨胀。当膨胀超过岩石的弹性限度时，岩石就会发生破裂、剥离。由此形成的裂隙或隐伏纹理，称为卸荷裂隙。这种作用在花岗岩分布区多见。卸荷裂隙多发生在岩石表层，大致平行于地表，有人称之为席状节理。它的厚度从几厘米到几米不等，深处厚度大，越近地表越薄越多。花岗岩因卸荷失重形成的席状节理有时卸荷裂隙沿较陡的河谷谷坡发育，这是因河流深切，使岩体发生侧向应力释放的结果。侧向应力释放形成的卸荷裂隙（2）温度变化：温度有日变化和季节性的年变化，对于岩石和矿物的热胀冷缩作用来说，日变化影响最大，年变化影响较小。昼夜温差较大的内陆干旱荒漠地区，物理风化作用最为强烈。温度的反复变化会使不同物质成分的岩石或同一岩石的表层和内部发生不同的热胀冷缩作用，从而引起岩石的剥离和崩解。温度变化引起的岩石崩解（3）空隙水物态变化岩石空隙中的水在温度降至冰点以下冻结时，体积膨胀，对周围岩石产生巨大压力，导致岩石空隙的扩大或增加。当温度升高至冰点以上冰又融化成水时，体积减小，被扩大或增加的空隙中又有水进入，填满空隙。如此反复冻结融化，会引起岩石挤裂破碎。这个过程称为冰劈作用或冰楔作用。冰楔作用（4）岩石空隙中矿物的结晶作用在降水量少，蒸发作用强烈的干旱、半干旱地区，岩石裂隙中含盐分较多。白天，在烈日的烤晒之下，气温升高，岩石中的水分蒸发，盐类结晶，所形成的结晶体对周围岩石产生撑胀作用，扩大或增加了岩石空隙。夜晚，气温降低，盐类从大气中吸收水分变成盐水溶液，渗入岩石内部，同时将沿途所遇的盐类溶解。盐类溶解时体积缩小，盐水溶液又可渗透到结晶时所增加或扩大的空隙中。盐类的反复溶解和重结晶引起了岩石的崩裂。具有等粒结构的厚层砂岩或岩浆岩地区，风化过程常沿节理进行，这些部位岩石的温差变化大且较迅速，并容易被各种液体侵入，所以也最易崩解，使岩石发生同心圆状剥落，形成球状风化现象。砂岩球状风化花岗岩球状风化物理风化作用是一种机械的破坏作用，虽然使整体岩石逐步崩解成碎块以致碎屑，但岩石的化学成分却很少改变。陡坡上的物理风化作用产物在重力作用下常坠落到陡坡下，形成崩积物。体积大或比重大的滚得远，体积小或比重小的滚得近，因而在陡坡的坡麓形成上部细粒、下部粗粒的半圆锥体地形，称为倒石堆。陡坡上岩石经物理风化后，常有崩裂物坠落下来，影响坡下各种工程设施，甚至会造成重大破坏或危及生命安全，需要特别重视。倒石堆（二）化学风化作用化学风化作用是指岩石在水、各种溶液、空气中的氧、二氧化碳等的化学作用下发生的破坏作用。它不仅使岩石发生破碎，而且还使其矿物成分和化学成分发生改变。矿物的抗风化能力与其在岩浆中的结晶顺序相对应。结晶时温度的高低与化学风化的难易程度有密切关系。以硅酸盐矿物为例，最先结晶的高温矿物，如橄榄石，最易风化；比较低温结晶的矿物，如长石，化学风化较慢；最后结晶的石英，它抵抗化学风化的能力最强。化学风化作用以水溶液为主要因素，包括溶解、水化、水解、碳酸化和氧化等作用方式。（1）溶解作用：水对矿物的直接溶解任何矿物都可溶解于水，只是各种矿物的溶解度不同。易溶矿物多为非硅酸盐矿物，如岩盐、石膏、方解石等；难溶矿物多为硅酸盐矿物，如云母、长石等。常见的造岩矿物，其溶解度大小顺序是：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。经过长期的溶解作用之后，易溶矿物被溶解淋滤带走，难溶矿物则残留原地成为残积物。由于溶解作用增加了岩石的空隙，破坏了岩石的结构，削弱了岩石的抗风化能力，有利于物理风化的进行。（2）水化作用：水分子与一些不含水的矿物相结合，改变原来矿物的分子结构，形成新的含水矿物。如硬石膏经水化作用形成石膏，赤铁矿经水化作用形成褐铁矿。CaSO4＋2H2OCaSO4·2H2O（硬石膏）（石膏）Fe2O3＋nH2OFe2O3·nH2O(赤铁矿)（褐铁矿）新形成的含水矿物，硬度一般都低于原来的矿物，这同样削弱了岩石抵抗风化的能力。同时，水化作用常使矿物体积膨胀。这一体积增大过程将对围岩产生巨大压力，从而促进物理风化作用的进行。有些粘土矿物视其环境潮湿程度，可以反复水化与失水作用，造成体积反复膨胀和收缩。（3）水解作用：由于水中有一部分水分子离解成H+和HO—离子，从而使水具有酸性反应或碱性反应，使一些矿物溶于水后，其离子能和水中的H+和HO—离子结合而形成新的矿物。如正长石水解成为高岭土。K2O·AI2O3·6SiO2＋nH2O——→AI2O3·2SiO2·2H2O＋4SiO2·nH2O＋2KOH(正长石)（高岭土）（蛋白石）（4）碳酸盐化作用：当水中溶有CO2时，与岩石中的金属离子发生化学反应，形成碳酸盐，这种过程称为碳酸盐化作用。石灰岩地区的碳酸盐化作用最为明显。构成石灰岩的主要矿物是方解石（CaCO3），它在纯净水中溶解速度极慢，但在含CO2的水溶液中，就能发生极快的反应。CaCO3＋H2O＋CO2——→Ca（HCO3）2(方解石)（重碳酸钙）重碳酸钙要比碳酸钙易溶30倍，所以使石灰岩能够迅速溶解，以致形成地上和地下各种各样的喀斯特地貌。（5）氧化作用：在空气和水中或地下一定深度都有大量的游离氧，岩石经氧化作用后，化学成分改变了，硬度和比重都变小了，可进一步促进岩石的风化作用。如黄铁矿经氧化后变成褐铁矿。若是岩石中含有较多的黄铁矿，用作建筑材料是不利的。2FeS2＋7O2＋2H2O——→2FeSO4＋2H2SO4(黄铁矿)硫酸亚铁12FeSO4＋3O2＋6H2O——→4Fe2(SO4)3＋4Fe(OH)3(硫酸铁)（褐铁矿）Fe2(SO4)3＋6H2O——→2Fe(OH)3＋3H2SO4（褐铁矿）（硫酸）（三）生物风化生物在其生命活动过程中，对岩石、矿物所产生的物理的和化学的风化作用，叫生物风化作用。由于生物广泛分布在地壳表层，因此生物风化作用极其重要。1．生物的物理风化作用：一是植物的根系起着楔子的作用，对岩石挤胀而使岩石崩解。如生长在岩石裂隙中的植物，随其生长，根系由小变大、变长，从而推挤、扩大岩石裂隙，使岩石遭受破坏。此称为根劈作用。二是动物的挖掘和穿凿作用进一步加速岩石破碎。如蚯蚓、田鼠、蚂蚁等不停地挖洞掘穴，使岩石破碎、土粒变细。根劈作用人类的活动，尤其工程建设，如打隧道、筑路、采矿、建水坝、挖水渠等等，都大大加速了工程区岩石的风化作用。2．生物的化学风化作用：它是通过生物的新陈代谢和生物死亡后的遗体腐烂分解来进行的。生物在新陈代谢过程中分泌出各种酸类化合物和有机酸溶液，对岩石有着强烈的腐蚀作用。生物死亡后逐渐堆积起来，在还原环境下经过缓慢腐烂分解，形成一种暗黑色的胶状物质，叫腐殖质，它一方面供给植物必不可少的钾盐、磷盐、氮的化合物和各种碳水化合物，另一方面腐殖质本身就是一种有机酸，对岩石、矿物有着腐蚀作用。地壳上部岩石、矿物在物理、化学风化作用以后，再经过生物的化学风化作用，就不只是一种由单纯的无机物组成的松散物质了，它还具有植物生长不可缺少的有机质，这种具有腐殖质、矿物质、水和空气的松散物质，叫土壤。因此，土壤是物理风化、化学风化和生物风化作用的综合产物，其中尤以生物的化学风化作用为重要。微生物在生物的化学风化作用过程中占有极其重要的地位。研究表明，每克土壤中可含几百万个微生物，它们有的吸收空气中的氮制造硝酸，有的吸收空气中的二氧化碳制造碳酸，有的吸收硫化物制造硫酸，从而强烈破坏岩石。据估计，微生物对岩石所产生的总分解力远远超过所有动植物所具有的分解力。黄山华山柬埔寨潮州古城墙由上述可见，在自然界，实质上岩石、矿物的风化作用只有物理风化和化学风化作用两大类。它们同时进行，相互联系、相互促进、共同作用。物理风化作用使岩石疏松崩解，加大空隙，有利于空气、水分和微生物的侵入；同时，由于岩石的机械破碎，增大了岩石表面积，化学风化作用也随之扩大和增强。另一方面，化学风化不仅使岩石的性质、矿物成分和化学成分等发生改变，还会使岩石、矿物的结构、构造发生改变，有利于岩石的物理风化。二、风化壳（一）风化壳的概念被风化了的岩石圈的疏松表层称为风化壳。风化作用能达到的深度，也就是风化壳的厚度，主要决定于气候、岩性、构造、地貌和发育时间等因素。其厚度可以从几十厘米到几百米不等。在寒冷地区风化壳厚度小，而在湿热地区风化壳可达100—200m；断裂带发育的地区，风化壳可以达到更大深度。面状风化壳风化壳可以根据其平面形态特征分为面状、线状和囊状风化壳等类型。●面状风化壳往往成层分布并覆盖在不同的母岩之上，由于各种岩石的抗风化能力不同，因此风化壳的厚度也随之变化。线状风化壳●线状风化壳分布在构造断裂带、强烈破碎的裂隙带或难风化与易风化岩石的接触带等地方。囊状风化壳●囊状风化壳多分布在易风化的古老岩浆侵入体、矿脉或几组断裂的交汇带。实际上，多数风化壳往往是兼具面状和线状特征的复合型风化壳。风化壳在剖面上风化程度从上至下逐渐变弱，颗粒由细变粗，具有明显的垂直分带性。根据风化程度、风化特征以及其物理化学性质的不同，可将风化壳自上而下划分为土壤层、风化土层（全风化带）、风化碎石带（强风化带）、风化块石带（弱风化带）、风化裂隙带（微风化带）以及新鲜未风化的岩层等。风化剖面各层之间都是逐步过渡的。风化壳垂直分带示意图全风化带强、弱风化带微风化带原岩（二）风化壳的发育阶段在化学风化过程中，各种元素的迁移能力是不同的强烈迁移的元素有ClS容易迁移的元素CaNaMgK移动元素SiO2(硅酸盐的)PMn惰性（轻微移动的）元素FeAlTi实际上不移动的元素SiO2石英不同的化学元素，在化学风化过程中，迁移能力可以相差几千甚至几万倍。岩石的风化过程可分为以物理风化为主的阶段和以化学风化为主的阶段：1．物理风化为主的阶段（岩屑型风化壳）基岩初期以物理风化作用为主，在原地崩解破裂，形成岩屑型风化壳。它的表层破碎，向深处逐渐过渡到新鲜岩石。这个阶段化学风化作用微弱，元素很少迁移，碎屑成分基本与母岩相同。2．化学风化为主的阶段可分出早期、中期和晚期，分别以富钙、富硅铝、富铝铁为特征。早期阶段：硅铝—碳酸盐型及硅铝—硫酸盐型风化壳特点：表层具有极细的土被，越近下部，残留碎屑越粗大。碱金属、碱土金属（K、Na、Ca、Mg）等离子，与溶液中的Cl—、SO4=离子结合成氯化物、硫酸盐。氯化物首先被淋漓带走，硫酸盐残留下来，形成硅铝—硫酸盐风化壳；碳酸盐比氯化物和硫酸盐更难溶解，常富集形成硅铝—碳酸盐风化壳。颜色多呈黄—灰黄色，故称黄土风化壳。中期阶段：硅铝粘土型风化壳或高岭土型风化壳特点：氯化物、硫酸盐被大部分淋溶迁移，碳酸盐也被大量淋滤流失。硅铝酸盐被分解为高岭土、蒙脱石等粘土矿物残留在原地。由于硅铝相对富集，故又称硅铝—粘土型风化壳。这种风化壳常因富含腐殖质，大多呈灰色。晚期阶段：铁铝型风化壳或砖红壤风化壳特点：化学风化作用进行得比较彻底。硅酸盐矿物被全部分解，可迁移的元素基本都被析出，几乎丧失了全部盐类和呈胶体状态的SiO2，残留下难以迁移的铁铝化合物，如Al2O3、Fe2O3以及耐风化的石英。风化壳中由于富含Fe2O3，所以呈红色，称为铁铝型风化壳或砖红壤风化壳。（三）影响风化