8.5 地表的风化

地表的风化

 

风化作用

风化作用(weathering)是指地表或接近地表的坚硬岩石、矿物与大气、水及生物接触过程中产生物理、化学变化而在原地形成松散堆积物的全过程 。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、化学风化作用、生物风化作用。

风化种类

物理风化

物理或机械风化造成岩石分解。机械风化的主要过程为海蚀，海蚀把碎屑物及其它微粒的大小减少。但机械风化与化学风化环环相扣，如机械风化造成的裂缝会増加进行化学风化的表面面积。而化学风化在裂缝造成的矿物亦会帮助岩石分解。

热膨胀（Thermalexpansion），或称为洋葱状风化（onion-skinweathering）、剥离作用（Exfoliation）、日晒风化（insolationweathering）或热冲击（thermalshock），通常在类似沙漠等有很大的每日温差的地方。温度在日间升高，在晚间则急剧下降；岩石在日间受热膨胀，在晚间冷却收缩。应力通常都会施加在外层。此应力令岩石外层以薄片状态剥落。虽然此现象由温差做成，但水气的存在令热膨胀的效果加强。

冻融风化

冻融风化（Freezethaw weathering），又被称为冻裂作用（frostshattering）。这种风化作用在温度接近冰点的山区十分常见。霜会引起风化，虽然其原因常被指为水在裂缝中结冰后膨胀而成，其实大多数都和此现象没有关系。很久之前人类已经知道湿润的泥土在冻结时，在未冻结的地方的水会经由薄层在增长中的底冰（icelenses）中收集，因而引起膨胀或冻胀（frostheave）。同样的现象亦发生在岩石的细孔中。她们会因为吸收邻近的液态水而不断增大。冰晶的增长引致岩石弱化，最后分裂。在矿物表面、冰及水之间的分子间作用力（Intermolecularforces）维持一层不结冰的薄层，用作运送水份及在底冰累积时造成矿物表面间压力。

否定结冰膨胀导致冻融风化

实验显示白垩、砂岩及石灰岩并不会在水的名义上的冰点，即约为0°C以下破裂。实验又显示即使是在被认为是水在裂缝中结冰后膨胀的风化环境，即把岩石保持在低温或把其轮转，并维持在一定的时间上，岩石亦不会破裂。而当在一些多孔的岩石进行实验，因底冰而引致快速破裂的关键性温度带为-3°C至-6°C，比较冰点低很多。

发生地点因为冻结而引起的风化作用主要发生在有水气及温度在冰点上下波动的环境，如高山气候（alpineclimate）地区及冰边缘的（periglacial）地区。易受冻结影响的岩石的例子有白垩，因其多孔的特性令冰晶可以生长。此现象可以在达特穆（Dartmoor）以突岩（tor）的形式观看到。

寒冻楔裂（Frostwedging）以前被认为是无孔岩石的风化作用的主要因素，但研究发现其重要性不及预期般高。冻裂作用，间中亦被称为冰晶生长、寒冻楔裂、冰冻楔裂（icewedging）或冻融作用当在岩石裂缝及接口的水冻结及膨胀发生。水在?22°C可以施加高至二千一百万帕斯卡（2100千克力（kilogram-force）每平方厘米）的压力。此压力通常可以比大部分的岩石的抵抗力为高，并令其破碎[1][2]。当水进入岩石裂缝冻结后，冰块向裂缝两边的墙施力，令裂缝加深及加阔。这是因为水的容量在冻结后有9%的增长。当冰块融化后，水会再流入裂缝加深的地方，当温度降低至冰点以下时再冻结，便会令裂缝更为增大。不断重复的冻融作用弱化岩石，在裂缝被破开，形成有角的石块。角状石块在山坡下集合，形成岩屑坡（talusslope）或碎石斜坡（Screeslope）。岩石被沿着裂缝被破开成为石块被称为块状分裂（blockdisintegration）。分裂的石块会因应岩石结构而出现不同的形状。

压力释放原理：在压力释放（pressurerelease），或称为风化卸荷（unloading），发生在物体以上的物质（不一定是岩石）被侵蚀作用或其它过程移走后，被移走的物质以下的岩石会以表面水平的方式膨胀及破裂。通常被移走的物质会较重，施加给其以下的岩石很大的压力，例如移动中的冰川。压力释放可能亦会引致剥离作用（exfoliation）发生。

侵入火成岩的压力释放现象

侵入火成岩（Intrusiveigneousrocks）如花岗岩在地球表面深处形成。

她们因为其以上的物质承受极大的压力。当侵蚀作用移走其以上的岩石物质后，此侵入火成岩便露出表面便令其压力被释放。外围的岩石便有膨胀的趋势。此膨胀引起应力令裂痕以岩石表面的水平方向发展。经过一定时间后岩石便以片状的方式在露出表面的岩石破开分离。压力释放亦被称为剥离作用或页状剥离（sheeting）；以上作用引起岩基（batholiths）及花岗岩穹丘（granitedomes），其现象可以在达特穆（Dartmoor）找到。

水力作用水力作用（Hydraulicaction）发生在当水经由巨大的浪冲入岩石表面的裂痕时。这样在裂痕深处的一层空气便被困着，同时空气亦受到压迫而弱化岩石。当浪退后时，受到压迫的空气便会以爆发性的释放。爆发性的释放高压空气会破开在岩石表面的碎片并令岩石的裂痕加阔。

盐结晶作用

原理：盐结晶作用（Saltcrystallization），或称为盐风化（Haloclasty或Saltweathering）发生在含有盐分的溶液渗入岩石裂缝及接口后蒸发，留下盐晶体，令岩石瓦解。此盐晶在受热后膨胀，向狭窄的岩石施加压力。

因为岩石而造成的盐，盐结晶作用亦可以发生在溶液分解如白垩及石灰岩的岩石后形成硫酸钠或碳酸钠的盐溶液，并在水份蒸发后形成其相对的盐晶。

特别强力的盐种类：最有效的盐去分解岩石被证明为硫酸钠、硫酸镁及氯化钙。部分盐晶可以膨胀至三倍或更多。

盐结晶作用通常和干旱（arid）气候有关，因为强烈的加热引起强烈蒸发，从而产生盐结晶作用。盐结晶作用亦在岸边活跃。盐风化的例子亦可以在海堤上的蜂窝石（honeycombedstones）找到。

生物风化

生物亦有可能参与物理风化（同时亦有化学风化）。地衣及藓类植物在光秃秃的岩石表面生长，做成一个更为潮湿的化学微环境。岩石被这些生物附上后会加强在岩石上表面微表层进行的物理与化学分解。大范围的幼苗发芽及植物的根部除了在岩石上裂隙施加物理压力外，亦提供一个水及化学物的渗透渠道。挖洞动物及昆虫分布在底岩附近的土壤表层亦会增加水及酸的渗透性和进行氧化过程的表面积。

有部分动植物能够释放出酸性化学物而引起化学风化。最常见的生物风化引起的化学风化形式为释放螯合物（chelating）化学物，亦为酸的一种。此化学物由植物释放，用作分解其底下土壤的铝、铁成分。土壤中植物的残骸可以形成有机酸，溶于水后造成化学风化。螯合物的过度释放会影响附近岩石与土壤，及可能引致灰化土的形成。

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。

地壳表层岩石经机械破碎，化学风化后形成的松散物，再经过生物的化学风化作用，增加了有机物质---腐殖质，这种具有腐殖质、矿物质、水和空气的松散物质叫做土壤。

化学风化

化学风化（Chemicalweathering）包含岩石成分的改变，常常引致其形态的崩溃。这种风化会在一段期间反复发生。

溶解作用原理天然的降雨有些微的酸性，因为大气中的二氧化碳溶入雨水中，造成弱碳酸。在未受污染的环境，雨水的酸碱值约为5.6。因为大气中的二氧化硫及氮氧化物等气体会引起酸雨。这些氧化物与雨水起反应形成更强的酸，令酸碱值降至4.5或3.0。二氧化硫，由火山爆发或化石燃料而来，能够在雨水中成为硫酸，从而在落下的岩石上引起溶解作用。

碳酸化作用

其中一种知名的溶解作用为碳酸化作用（carbonation），此过程因为大气中的二氧化碳而引起。碳酸化作用在含有碳酸钙的岩石发生，例如石灰岩及白垩。此作用发生在雨水与二氧化碳或有机酸等结合后形成弱酸（Weakacid），弱酸与碳酸钙反应后形成重碳酸钙（calciumbicarbonate）。此作用在低温下会加速，所以是冰川风化的主要特色。

影响因素

气候条件

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。

气候潮湿炎热地区，降水量大，生物繁茂，生物的新陈代谢和尸体分解过程产生的大量有机酸，具有较强的腐蚀能力，故化学风化和生物风化都十分强烈，形成大量粘土，在有利的条件下可形成残积矿床。可形成较厚的土壤层。

地形条件

地形影响气候，间接影响风化作用；另一方面，陡坡上，地下水位低，生物较少，以物理风化为主。 地势平坦，受生物影响较大，化学风化作用为主。

岩石性质

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.

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。通过差异风化，我们可以确定岩层产状。

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，粒度粗者较细者易于风化；(3) 构造破碎带易于风化，往往形成洼地或沟谷。

球形风化： 在节理发育的厚层砂岩或块状岩浆岩中，岩石常被风化成球形或椭圆形，这种现象叫做球形风化，它是物理风化为和化学风化联合作用的结果。

球形风化的主要条件有：(1)岩石具厚层或块状构造；(2) 发育几组交叉裂隙；(3)岩石难于溶解；(4)岩石主要为等粒结构。

被三组以上裂隙切割出来的岩块，外部棱角明显，在风化作用过程中，棱角首先被风化，最后成球状。

其研究意义

1． 岩石经风化后部分易溶物质被水带走流失，余下的碎屑岩和化学风化中形成的一些新矿物便残留原地，这些残留在原地的风化产物称残积物。残积物的矿物组成、化学成分、颜色与下伏地层(原岩)有一定的关系，它们常具有棱角，无分选性，无层理，向下逐渐过渡到基岩，在存在生物活动物的地区，残积物顶部发育成土壤。

风化壳：残积物和土壤在大陆地壳表层构成一层不连续的薄壳，称之为风化壳。

2． 风化壳可由一层残积物组成，也可由几层风化分解程度不同的残积物组成，而且层与层之间常逐渐过渡而无明显分界线。由于风化作用以地表最强烈，并向深处减弱，故具垂直分带。一个完整的风化壳在剖面上，从下往上可分为以下几层：土壤层、残积层、半风化层。

3． 风化壳的厚度和成分因地而异，一般潮湿炎热气候区，风化壳厚度大，并有可能形成Fe，Mn，Al，Ni等残积矿床(风化壳型矿床)，干旱地区风化壳薄，常仅数十厘米且结构简单。古风化壳：风化壳若为后来沉积物所覆盖，则称为古风化壳。

4． 风化壳的研究意义

(1) 地壳运动与古地理：长期稳定或隆起，风化壳得以充分发育，古风化壳代表古代沉积间断，发育构造运动.

(2) 古地理：陆地，不同气候条件，风壳物征不一。

(3) 矿产：残余型矿床，残积砂矿床（金、金刚石）。

(4) 工程建设：对近代埋藏的风化壳应填重对待。某水库工程对风化壳厚度估计不够，蓄水后坝下渗漏严重。

　　本文标题：8.5 地表的风化
　　免责声明：本文来源于网络，文中有些文字或数据已经过期失效，仅供学习备课参考！
　　电脑版地址：http://www.cgzdl.com/shuku/134/6269.html
　　手机版地址：http://m.cgzdl.com/shuku/134/6269.html