第六章風化作用

1、第六章風化作用目的要求風化作用是大氣圈、水圈和生物圈與出露在地表巖石之間的相互作用，主要通過物理力和化學分解兩種方式破碎巖石。風化作用的產(chǎn)物，最終停留在基巖的表面，形成一層各地厚薄不等的疏松薄殼，其上部進而成為土壤。而土壤則是大部分陸生生物活動的基礎(chǔ)，因此風化作用具有重要的生態(tài)學意義，要求深入理解。課時：6學時授課內(nèi)容一、風化作用的概念二、風化作用的類型（一）物理風化作用（二）化學風化作用（三）生物風化作用三、影響風化作用的因素（一）氣候與地形（二）巖石的性質(zhì)四、土壤與風化殼重點1、機械風化包括多種應力作用，但最明顯的是冰劈作用；2、化學風化的主要類型是氧化、溶解和水解作用；3、在風化作用中裂

2、隙很重要，因為它使空氣和水能在很深的地方侵蝕巖石同時還大大增加了巖石發(fā)生化學反應的表面積；4、風化作用有一種使被破壞的巖石塊體產(chǎn)生球形表面的普遍趨勢。難點本節(jié)課的難點在如何簡要闡述風化殼的時間意義教學方法本節(jié)課以敘述為主配合圖件，擇重講授。講授重點內(nèi)容提要一、風化作用（weathering）的概念所謂風化作用，就是巖石在地表常溫常壓下，遭受大氣、水、水溶液及生物的破壞作用，使堅硬的巖石變成疏松堆積物的過程。風化作用是一種自然現(xiàn)象，如古墻的層層脫落；石刻的模糊不清、殘缺不全；路基的斑剝，甚至鐵器的生銹等等，均與風化作用有關(guān)。風化作用可以是機械的破壞，也可以是化學分解，而生物風化作用兩者皆而有之。

3、風化作用是一種巖石在原地遭受破壞的作用。破壞下來的產(chǎn)物除部分被水溶液帶走外，一般不發(fā)生顯著的位移，這是與其它外動力作用最明顯的區(qū)別。必須指出，風化作用與風的地質(zhì)作用，在概念上是毫不相關(guān)的。二、風化作用的類型根據(jù)風化作用的性質(zhì)，將風化作用分為三大類：物理風化、化學風化及生物風化作用。(一) 物理風化作用(physicalweathering)巖石、礦物在地表條件下，在原地產(chǎn)生機械破碎，而不改變其化學成分的過程稱為物理風化作用。1、物理風化作用最重要的方式是：卸載(釋荷)、溫差和冰劈作用。(1)卸載作用(unloading)卸載作用是處在地下深處的巖石，由于受高溫高壓的影響，因此堅硬而致密。當它轉(zhuǎn)

4、移到地表常溫常壓條件下時，由于靜壓力解除，在張應力作用下自發(fā)膨脹，這種現(xiàn)象就叫卸載，即能量釋放，負荷減輕，結(jié)果使巖石表面產(chǎn)生一系列平行或垂直于地表的裂隙，這種裂隙就叫席理。由于長期的卸載作用，促使巖石層層剝離崩解，所以又叫剝離作用。(2)溫差作用溫差作用是因氣候變化而導致巖石產(chǎn)生崩解。由于巖石導熱性差，不同的造巖礦物有不同的體脹系數(shù)。白天太陽照射，熱向巖石內(nèi)部傳遞，巖石內(nèi)外之間出現(xiàn)溫差，結(jié)果在巖石表里之間產(chǎn)生平行裂隙，使巖石表面出現(xiàn)層層脫落。晚上因內(nèi)熱外冷，表里不一，于是出現(xiàn)垂直于巖石表面的裂隙，最后崩解為沙泥(圖51)。(3)冰劈作用(riving)冰劈作用是當晝夜氣溫在o°c上下

5、變動時，滲透在巖石裂隙中的水，時而凍結(jié)，時而溶解。冰凍時因體積增大，使巖石裂隙擴張，最后使巖石崩解（圖52）。圖52冰劈作用示意圖一般說來，冰凍風化主要發(fā)生在彎彎曲曲的巖石裂隙中，因為向上張開的“V”形裂隙，在產(chǎn)生冰劈時，壓力會向冰帽方向轉(zhuǎn)移，巖石就不易產(chǎn)生進一步的破壞。在干旱和半干旱地區(qū)，由于鹽類在巖石裂隙中的過飽和結(jié)晶，也同樣可以擠碎巖石。2、物理風化作用的產(chǎn)物及特征物理風化作用產(chǎn)物就是在原地破碎的碎屑物。其特征主要有：（1）破碎后的顆粒粗細不等，棱角顯著，沒有層次；（2）多分布在水分嶺上或斜坡上；（3）碎屑物的成分與下覆基巖成分一致。（二）化學風化作用（chemicalweatherin

6、g）化學風化作用是指大氣和水所引起的氧化、溶解、水解、水化等作用對巖石的分解破壞過程?；瘜W風化作用使巖石的礦物成分發(fā)生變化，轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇矸€(wěn)定的新礦物。這是與物理風化作用的區(qū)別?；瘜W風化的速度在很大程度上受降水量的影響。世界上沒有一個地方是永久干旱的，即使是在干燥的荒漠地區(qū)也有化學風化的痕跡。所以它屬于世界范圍的作用。然而在終年冰凍的寒冷氣候區(qū)，化學風化十分微弱。1、化學風化作用的方式主要是：氧化、溶解和水解作用。（1）氧化作用（oxidation）指大氣中的氧與礦物化合形成氧化物的作用。在地下水面低，地形起伏大，巖石裂隙發(fā)育的溫濕地區(qū)，氧化作用進行得比較充分，深度也大，甚至可達百米以上，從地面到

7、地下被氧化的地帶，叫氧化帶。自然界許多元素都具有與氧結(jié)合的能力，特別當巖石的礦物中含有低價元素時，大氣中的氧會很快與之反應，轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇矸€(wěn)定的新礦物。常見的例子如硫化物中的黃鐵礦（FeS?），經(jīng)風化后就轉(zhuǎn)變成了褐鐵礦（FeO3H0）。當黃鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)楹骤F礦后，不僅礦物成分發(fā)生了變化，礦物的顏色、3比重2、硬度甚至結(jié)構(gòu)也都發(fā)生了變化，這是反應中產(chǎn)生的硫酸腐蝕分解礦物的結(jié)果。黃鐵礦風化后所形成的褐鐵礦，一般留在原地，其它成分經(jīng)氧化形成易溶的鹽類，被水帶走，使氧化帶中鐵的含量大大增加。這種富集在地表氧化帶頂部的褐鐵礦因成紅褐色，稱為鐵帽（gossan）。它的出現(xiàn)常認為是尋找原生金屬硫化礦床的標志。（2）

8、溶解作用（dissolution）自然界純水是罕見的，不論地表水還是地下水，都不同程度的含有各種氣體（O、N、CO）和化合物（酸、堿、鹽），因此自然界的水都是水溶液。不同222的礦物，溶解度差別很大，如在常溫下（20°C）,純水對云母的溶解度為0.0029g/kg；對方解石的溶解度為0.015g/kg；對巖鹽的溶解度為320g/kg。從以上三種礦物的溶解度說明：在自然界，硅酸鹽類的礦物最難溶。碳酸鹽、鹵化物、硫酸鹽等較易溶解。礦物溶解度的大小，一方面決定于化合物的性質(zhì)，另一方面決定于外界條件（水和水溶液的溫度、壓力及CO的含量等）。溶解作用的結(jié)果是：易溶物質(zhì)流失，難溶物質(zhì)殘留原地，巖

9、石孔隙增多，硬度變小，巖石被破壞。（3）水解作用（hydrolysis）某些礦物一遇水就變成帶氫氧根離子（OH-）的新礦物，這種化學作用叫水解作用。純水是中性的，其PH值為7,不顯酸性，也不顯堿性。但它具有離解能力，其中一部分離解為H+和0H-離子。當弱酸性堿鹽或強堿性組成的礦物遇水時，就會離解為帶不同電荷的離子，這時它們分別與水中的H+和0H離子結(jié)合，生成新的化合物（新礦物）。由于這種反應是不可逆的，離解與化合不斷進行，直到原有礦物被水解完為止。例如地殼中廣布的長石，就屬于強堿弱酸鹽礦物。這種礦物水解后形成高嶺土、氫氧化物溶液和二氧化硅膠體。反應式為：4KAlSiO+6H0AlSiOOH+8

10、SiO+KOH382441082鉀長石高嶺土膠體溶液IX/殘留流失2、化學作用的產(chǎn)物及特點由化學風化作用殘留在原地的產(chǎn)物叫化學殘積物（eluvium）。這些物質(zhì)往往呈松散狀，其成分主要是鐵、鋁、硅的化合物，如褐鐵礦、鋁土礦、高嶺土、蛋白石等。當殘留物中鐵質(zhì)少，鋁質(zhì)多時，就形成紅色粘土，稱為紅土。我國南方許多省都能見到紅土堆積，有的地方厚達幾十米。（三）生物風化作用（biologicalweathering）是指生物的生命活動，促使巖石、礦物發(fā)生破壞的作用。1、生物風化作用的方式（1）生物的機械風化作用由于生物的生命活動使巖石、礦物發(fā)生機械破碎。如根劈作用就是生長在巖石裂隙中的植物隨著根系長大使

11、巖石、礦物裂隙不斷擴大面而崩解等等。（2）生物化學風化作用是通過生物的新代謝和尸體的分解進行的風化作用。如植物和細菌在新陳代謝中常常析出有機酸、硝酸、碳酸、亞硝酸和氫氧化銨等溶液腐蝕巖石。2、生物風化作用的產(chǎn)物及特點地表的巖石在物理、化學風化作用之后，再經(jīng)過生物的活動，就不會再是單純由無機物組成的松散物質(zhì)了。其中加入了腐殖質(zhì)和空氣而具有肥力，這叫土壤（soil）?？梢娡寥朗秋L化作用的綜合產(chǎn)物。三、影響風化作用的因素在講述影響風化作用因素時，應抓住巖石本身性質(zhì)和地表環(huán)境這兩個方面進行概述。（一）氣候與地形1、在溫濕地區(qū)，雨量豐富，植被發(fā)育，化學風化作用和生物風化作用強烈。在干寒地區(qū)，降水少，植被

12、差，則盛行物理風化。2、地形的坡度也影響風化作用的速度和方式，陡坡處地下水面深，植物少，物理風化作用強烈，基巖裸露又促使物理風化的持續(xù)進行；在緩坡或平凹區(qū)，地下水面淺，植被發(fā)育，化學風化作用和生物風化作用表現(xiàn)強烈。（二）地質(zhì)因素1、一般說來，在巖漿巖中，最早結(jié)晶的礦物在地表條件下最先分解，最后結(jié)晶的礦物，如石英，抗風化的能力最強。含鐵鎂礦物多的超基性巖比含硅鋁礦物多的酸性巖易于風化。2、單礦巖因具有各向同性，不易物理風化。而復礦巖因所含礦物顏色、成分、內(nèi)部晶架各不一樣，其導熱率、體脹系數(shù)也不一樣，因此在溫度和水溶液的作用下，易遭受破壞。3、巖石中礦物的粒度大小，等粒與不等粒，膠結(jié)物的性質(zhì)和膠結(jié)

13、程度，也影響風化作用的速度。細粒、等粒，膠結(jié)好的巖石抗風化能力強。疏松的巖石有利于水溶液滲透和生物的活動，因而抵抗風化的能力弱。4、在層理或節(jié)理發(fā)育的巖石中，由于水溶液沿層面和節(jié)理進行化學風化，特別在層理與節(jié)理的交叉處，巖石塊的棱角風化快，且逐漸圓滑化，結(jié)果巖塊表面呈渾圓形，這種現(xiàn)象叫球形風化（圖54）。當抗風化能力強弱不同的巖石組合在一起時，抗風化弱的巖石組成負地形，抗風化強的巖石組成正地形，這種差異現(xiàn)象叫差異風化。四、風化殼及其意義（一）風化殼概念及生成巖石在長期的風化過程中，一些不穩(wěn)定的礦物遭到分解，其中可溶性部分被水流失，難溶部分殘留在原地，這些殘留在原地的物質(zhì)叫殘積物。由于殘積物未經(jīng)

14、過搬運，殘積物中碎屑棱角明顯，大小不一，也無層理。由地表面向下粒度逐漸變粗而過渡為基巖。殘積物常分布在分水嶺上或緩坡上，殘積物頂部常因生物的活動被改造成土壤。由于殘積物分布在地殼的表層，且構(gòu)成一個不連續(xù)的薄殼，叫做風化殼（crustofweathering）。（二）風化殼垂直分帶風化殼的風化程度是從地表向地下深處逐漸減弱，因此風化殼具有明顯的垂直分帶性。根據(jù)產(chǎn)物特征，一般把風化殼分為以下幾個部分（圖5-3）：從上到下：1層叫土壤層（風化殼表層），表層處在氧化環(huán)境，特別在濕熱地區(qū)酸性條件下，礦物風化徹底，生成各種粘土礦物。鐵在此層呈高價氧化鐵；II層為殘積物層，一般由巖屑、粘土組成，風化不徹底，

15、含有少量有機質(zhì)；III層為半風化層，遭受風化作用微弱，主要是未經(jīng)化學風化的巖屑組成；W層為基巖層，由基巖組成。這里必須說明，風化殼剖面絕非一個模式而且如此完善。由于各地區(qū)氣候條件的差異和巖石類型的差別，風化殼模式也是多種多樣的。五、提示問題在講授風化殼的意義時，最好提示以下四個問題：1、風化殼可以闡明地殼運動；2、風化殼可以恢復古地理環(huán)境；3、風化殼對找礦具有重要意義；4、研究風化殼對工程建設(shè)也有重要作用。本章小結(jié)/mJV圖53斑化殼剖面【v層Ji一殘積層TH-羋鳳牝用IV基黑風化作用是指在地表或近地表條件下，巖石在原地發(fā)生分解和破壞的過程。物理風化過程中，巖石在原地發(fā)生機械破碎，物質(zhì)成分不發(fā)生變化；化