地球科学概论第五章 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第二节剥蚀作用第一节风化作用一、风化作用的类型二、风化作用的产物三、影响风化作用的因素风化作用指在地表或近地表条件下，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、岩石在原地遭受分解和破坏的过程。产生风化作用的原因是什么呢？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。图5－1岩石温差风化过程示意图（一）物理风化作用指主要由气温、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。(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。图5－2冰劈作用(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。(3)盐类的结晶与潮解指充填于岩石孔隙、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。层裂或卸载作用(4)层裂或卸载作用指岩石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，促使岩石层层剥落与崩解。(5)龟裂作用主要是指一些由粘土矿物组成的岩石因干湿变化而产生体积膨胀、收缩使其表面出现龟裂状破碎，并导致岩石逐渐崩解的过程。龟裂作用产生的主要原因是粘土矿物（如高岭石、蒙脱石等）一般都具有很强的吸水能力，当大气降水时粘土质岩石强烈吸水、孔隙度增大、体积膨胀，而当阳光暴晒时其又很快失水、孔隙度变小、体积收缩；如此反复，便在岩石的表面产生了龟裂，并逐渐向内部扩展，致使岩石破碎崩解。（二）化学风化作用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。(1)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。最易溶的：卤化物、硫酸盐矿物－－较易溶的：碳酸盐矿物－－难溶的：硅酸盐矿物(2)氧化作用指矿物、岩石与大气或水中游离氧起化学反应形成氧化物使岩石破碎的过程。氧化作用－－氧化带：铁锈、铜绿等Fe2+→Fe3+、Mn2+→Mn4+、Cu+→Cu2+4FeS2+14H2O+13O2→2(Fe2O33·H2O)+8H2SO4（黄铁矿）（褐铁矿）（硫酸）（3）水解和碳酸化作用水解作用指水离解出的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。碳酸化作用指CO3溶解于水中时形成的CO32-和HCO31-离子，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。4K(AlSi3O8)(钾长石)+2CO32-+4H2O→2K2CO3+Al4(Si4O10)(OH)8(高岭石)+8SiO2(蛋白石)4K(AlSi3O8)(钾长石)+6H2O→4KOH+Al4(Si4O10)(OH)8(高岭石)+8SiO2(蛋白石)湿热气候：钾长石→高岭石→铝土矿（4）水化作用指是指水以分子的形式按一定的比例加入到矿物晶格中去，使原矿物形成含水新矿物的过程。常见的例子是硬石膏经水化作用转变为石膏：CaSO4＋2H2O→CaSO4·2H2O（硬石膏）(石膏)从硬石膏转变成石膏，体积膨胀约59%，从而对周围产生压力，使其破碎；而且，石膏的硬度较硬石膏低，溶解度更大，因而又加快了其它方式的风化作用的进行。（三）生物风化作用生物的生命活动导致岩石被破坏的过程。生物物理风化作用由生物活动导致岩石的机械破碎过程。常见形式如根劈作用。根劈作用此外，一些穴居动物的挖掘作用也可使岩石产生机械破坏，如田鼠、蚂蚁、蚯蚓等。谚语：“千里之堤，溃于蚁穴”，就是这种作用。实际上，人类活动对岩石的机械破坏，如采石、凿洞等，也是一种生物物理风化作用。生物化学风化作用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。这种作用通常是通过生物新陈代谢过程中分泌出的物质和死亡后腐烂分解出来的物质对岩石起化学反应完成的。物理风化作用的产物－－倒石堆(锥)二、风化作用的产物(一）物理风化作用的产物物理风化是纯机械的破坏，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（如剥蚀作用），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，称倒石锥（或倒石堆）。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。（二）化学风化作用的产物两部分：一是溶于水的可迁移物质二是难于迁移，堆积在原地的残积物不同矿物抗化学风化的能力是有差别的，顺序：氧化物、氢氧化物＞硅酸盐＞碳酸盐＞硫化物＞卤化物、硫酸盐常见矿物抗化学风化能力顺序：石英＞白云母＞长石＞黑云母＞角闪石＞辉石＞橄榄石元素的迁移系列迁移系列元素的组成1．极易迁移的元素2．易被迁移的元素3．可迁移的元素4．略可迁移的元素5．实际不迁移的Cl(Br、B、I)、SK、Ca、Na、Mg、F、Sr、Zn、USiO2(硅酸盐的)、Mn、P、Ba、Rb、Ni、CuAl、Fe、TiSiO2(石英)表5－1元素的迁移系列（三）风化壳指地表岩石经物理、化学、生物风化的长期作用，形成由风化产物组成的、分布于大陆基岩面上的不连续薄壳。风化壳覆盖在陆地表面，由于表层和下部的岩石所经受的风化强度不一样，表层风化程度深，下部风化程度浅，因此剖面上自上而下的风化产物在成分和结构上都有明显差异，可分为若干层。如花岗岩的风化壳一般自上而下可分4层。风化壳剖面分层：Ⅰ.土壤层呈深褐灰色，质细且疏松，富含腐殖质，植物根系较多。原岩的矿物成分、结构基本消失。一般厚20～50cm。Ⅱ.残积层呈黄褐、褐红色，质细松软，原岩的结构、构造消失，主要由粘土矿物组成，一般不含腐殖质。以化学风化作用为主。Ⅲ.半风化层呈淡褐色，原岩的结构、构造部分保存，但岩石已松软。岩石的部分矿物成分发生变化。Ⅳ.基岩未风化的原岩。（四）土壤指地球表面陆地上能够生长植物的疏松表层。土壤之所以能够生长植物，是因为具有一定的肥力。所谓土壤肥力是指土壤具有长期不断地供应和调节植物生长过程中所需养分、水分、空气和热量的能力。土壤一般是在风化壳(如山区土壤)和松散沉积层(如平原、盆地区土壤)的基础上，经生物及其它风化作用的综合改造而形成的。图5－5土壤剖面示意图A－表土层B－淀积层C－母质层土壤的主要组成有腐殖质、矿物质、水分和空气。腐殖质存在与否是土壤与其它松散堆积物的主要不同点。土壤的厚度一般50～60cm到1～2m，最厚可达10m以上。发育成熟的土壤剖面，根据其成分、颜色和结构特点，自上而下可分为3层。淀积层母质层A－表土层：腐殖层＋淋滤层三、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。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，也控制着植被的发育特征，而植被进一步影响风化作用。温度：一方面通过控制化学反应速度来控制化学风化作用的进行另一方面又直接影响物理风化作用，如温差风化、冰劈作用。降雨量和湿度：则是通过介质的温度变化、水溶液成分的变化、植被的生长来影响物理、化学和生物的风化作用。不同气候带与风化作用的强度和深度北戴河实习：学生在沙锅店村东侧观察岩墙与花岗斑岩，以及差异风化特征（镜头向北，2004年夏）地形的影响：地势高度（局部气候）、坡度陡缓、坡向影响。岩石特征影响：岩石成分（差异风化）、结构与构造、裂隙。岩石的裂隙发育使岩石与水溶液、空气的接触面积增大，增强水的流通性，从而促进风化作用。如果一些岩石的矿物分布均匀，如砂岩、花岗岩等，并发育有三组近于互相垂直的裂隙，把岩石切成大小不等的立方形岩块，在岩块棱角处自由表面积大，易受风化破坏，经一段时间，岩块棱角消失，形成大大小小的球体或椭球体，这种现象称球形风化作用。图5－6球形风化的发育过程(a)岩石被裂隙切割；(b)球形风化初期；©球形风化晚期岩石特征影响：岩石成分（差异风化）、结构与构造、裂隙。风化作用的研究意义：形成矿产：铁矿、铝土矿等古风化壳：山西、华北的铁矿、铝土矿等古风化壳：找矿标志、地壳运动标志古风化壳：寻找石油土壤：土地利用、农业地质、林业地质、水土保持等古土壤：古气候标志、研究气候变迁（中国黄土研究）风化作用：工程建设等第二节剥蚀作用一、地面流水的剥蚀作用二、地下水、冰川和风的剥蚀作用三、海洋（及湖泊）的剥蚀作用剥蚀作用指介质在运动过程中，破坏地表岩石并将破坏下来的产物带离原地的作用。这是陆地上一种常见的、重要的地质作用，它塑造了地表千姿百态的地貌形态，同时又是地表物质迁移的重要动力。剥蚀作用按方式有机械、化学和生物剥蚀作用三种。由于产生剥蚀作用的营力特点不同，剥蚀作用又可进一步分为地面流水、地下水、海洋、湖泊、冰川、风等的剥蚀作用。流水具有活力：a=(1/2)mv2M-流量，v-流速一、地面流水的剥蚀作用包括片流、洪流、河流河流在地面上沿着狭长的谷地流动，这个谷地称河谷。河谷在平面上呈线状分布，在横剖面上一般近“V”字形，主要由谷坡、谷底、河床组成。河谷两侧斜坡称谷坡，谷坡所限定较平坦的下部称谷底，河床是指常年被水占据的水槽，这三者常称为河谷三要素。（一）河流的侵蚀作用河流的侵蚀作用河流在流动过程中以流水的动力（活力）及所挟带的碎屑物对河谷（及河床）进行破坏，使其加深、加宽和加长的过程。河流的侵蚀作用可分为机械和化学两种方式。河流的机械侵蚀作用是通过其动能或挟带的沙石对河床的机械破坏过程；而化学侵蚀作用是通过河水对河床岩石的溶解和化学反应完成的。这两种方式通常共同破坏河床，难以区分。总的说，机械的侵蚀作用更为主要。河流侵蚀作用按侵蚀的方向又可分为下蚀作用和侧蚀作用。图5－8河流下蚀作用形成V形谷河流的下蚀作用指河水及河水所挟带的碎屑物破坏河床底部，使河谷加深、加长的过程。在河流上游及山区河流，由于河床纵比降大、流速快，因此活力在垂直方向上的分量也大，就能产生较强的下蚀能力，从而使河谷的加深速度快于拓宽速度，结果在横断面上形成“V”字形的河谷，称为V形谷。不同河段岩性差异，其抵抗剥蚀的能力也不同。坚硬岩石组成的河床抗剥蚀能力强，下蚀作用速度较慢，河床相对凸起；而较软岩石组成的河床抗剥蚀能力弱，下蚀作用速度较快，河床相对下凹。因而在河床的纵剖面上形成缓、陡坡交替出现的阶梯，较陡的河床处流水急，出现水花，形成急流。在长期下蚀作用下，急流陡坡下部软的岩石不断被较快剥蚀，从而可出现直立陡坡，河水从陡坎处直泻而下形成瀑布。贵州黄果树瀑布（每年后退5厘米）北美尼亚加纳大瀑布（每年后退1.3米）瀑布直泻而下，侵蚀基部岩石，使陡坎下部岩石被淘空形成壁龛。壁龛不断扩大，壁龛上部岩石由于失去支撑力而崩塌形成新的陡坎，于是瀑布不断向上游移动。下蚀作用在加深河谷的同时，由于瀑布和急流向上游后退，还使河流向源头发展，加长河谷。河流向源头发展的侵蚀作用称为向源侵蚀作用。河流的袭夺现象河流的下蚀作用不断使河谷加深，并不是无止境的。河流下切到一定深度，当河水面与河流注入水体（如海、湖等）的水面高度一致时，河水不再具有势能，活力趋于零，下蚀作用停止。因此，注入水体的水面就是控制河流下蚀作用的极限面，常称为河流的侵蚀基准面.可分为最终侵蚀基准面和局部侵蚀基准面。大多数河流最终都注入海洋，所以海平面是河流的最终侵蚀基准面。河流的侧蚀作用（旁蚀作用）指河水的动力及河水所挟带的砂石对河床两侧或谷坡进行破坏的作用。其结果使河床弯曲、谷坡后退、河谷加宽。在弯曲河流的弯道，主流线偏凹岸，形成单向环流在单向环流作用下，凹岸下部岩石不断破碎、被掏空，同时上部岩石随之崩塌。单向环流的底流把破坏下来的岩石碎屑搬运到凸岸，发生沉积。结果使河床的凹岸不断向谷坡方向后退，而凸岸不断向前伸，河床的弯曲度逐渐增大，使原来弯曲度较小或较平直的河床变得更弯曲，形成河曲。侧蚀作用使河谷加宽和形成河曲、蛇曲的过程由于主流线冲击凹岸的点偏向湾顶的下方，而非凹岸的最大弯曲点，所以随着侧蚀作用的进行，河湾（曲）的最大弯曲点的位置也不断向下游移动。由于河曲不断向下游移动，河谷的凸出地形不断被削直，结果使河谷变得越来越宽和越来越直。最后，河床只在宽阔的谷底上迁徙摆动（达不到谷坡），形态变得极度弯曲，这种河流称为蛇曲