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物理风化、化学风化与生物风化

(1)物理风化

物理风化是指地表岩石因温度变化和孔隙中水的冻融及盐类的结晶而产生的机械崩解过程。它使岩石从比较完整固结的状态变为松散破碎状态,使岩石的孔隙率和表面积增大。因此,物理风化又称机械风化。物理风化可分为热力风化和冻融风化。

① 热力风化。地球表面所受太阳辐射有昼夜和季节的变化,因而气温与地表温度均有相应的变化。岩石是不良导热体,所以受阳光影响的岩石昼夜温度变化仅限于很浅的表层;而由温度变化引起岩体膨胀所产生的压应力和收缩所产生的张应力也仅限于表层。这两种过程的频繁交替会使岩石表层产生裂缝以至呈片状剥落。

② 冻融风化。岩石孔隙或裂隙中的水在冻结成冰时,体积膨胀(约增大9%),因而会对围限它的岩石裂隙壁施加很大的压应力(可达200MPa),使岩石裂隙加宽加深。当冰融化时,水沿扩大了的裂隙渗入岩石更深的内部,并再次冻结成冰。这样的冻结、融化过程频繁地进行,不断使裂隙加深扩大,以致岩石崩裂成为岩屑。这种作用又叫冰劈作用。

(2)化学风化

化学风化是指岩石在水、水溶液和空气中的氧与二氧化碳等的作用下所发生的溶解、水化、水解、碳酸化和氧化等一系列复杂的化学变化。它使岩石中可溶的矿物逐步被溶蚀流失或渗到风化壳的下层,在新的环境下,又可能重新沉积。残留下来的或新形成的多是难溶的稳定矿物。化学风化使岩石中的裂隙加大,孔隙增多,这样就破坏了原来岩石的结构和成分,使岩层变成松散的土层。化学风化的方式主要有溶解作用、水化作用、水解作用、碳酸化作用和氧化作用。

① 溶解作用。水是一种良好的溶剂。由于水分子的偶极性,它能与极性型或离子型的分子相互吸引。而矿物绝大部分都是由离子型分子所组成的,所以矿物遇水后,就会不同程度地被溶解,一些质点(离子或分子)逐步离开矿物表面,进入水中,形成水溶液而流失。

② 水化作用。有些矿物(特别是极易溶解和易溶解盐类的矿物)和水接触后,其离子与水分子互相吸引结合得相当牢固,形成了新的含水矿物。在岩石中,大部分矿物不含水,其中某些矿物在地表与水接触后形成的新矿物,几乎都含水,如硬石膏水化成为石膏。

CaSO +2H O→CaSO ·2H O

硬石膏经水化成为石膏后,硬度降低,相对密度减小,体积增大60%,对围岩会产生巨大的压力,从而促进物理风化的进行。

③ 水解作用。岩石中大部分矿物属于硅酸盐和铝硅酸盐,它们是弱酸强碱化合物,因而水解作用较普遍,如正长石水解成为高岭土。

O·Al ·6SiO +3H O→Al ·2SiO ·2H O+4SiO +2KOH

④ 碳酸化作用。溶于水中的CO 形成CO 2- 和HCO – 离子,它们能夺取盐类矿物中的K 、Na 、Ca 2+ 等金属离子,结合成易溶的碳酸盐而随水迁移,使原有矿物分解,这种变化称为碳酸化作用,如正长石经过碳酸化变成高岭土。

O·Al ·6SiO +CO +2H O→Al ·2SiO ·2H O+K CO +4SiO 2

⑤ 氧化作用。大气中含有约21%的氧气,而溶在水里的空气含氧达33%~35%,所以氧化作用是化学风化中最常见的一种,它经常是在水的参与下,通过空气和水中的游离氧而实现的。氧化作用有两方面的表现:a.矿物中的某种元素与氧结合形成新矿物;b.许多变价元素在缺氧条件下形成的低价矿物,在地表氧化环境下转变成高价化合物,原有矿物被解体。前一种情况的例子如黄铁矿经氧化后转化成褐铁矿;后一种情况的例子如含有低价铁的磁铁矿经氧化后转变成褐铁矿。地表岩石风化后多呈黄褐色就是因为风化产物中含有褐铁矿的缘故。

(3)生物风化

生物风化是指生物在其生长和分解过程中,直接或间接地对岩石矿物所起的物理和化学的风化作用。

生物的物理风化如生长在岩石裂缝中的植物,在成长过程中,根系变粗、增长和加多,会像楔子一样对裂隙壁施以强大的压力(1~1.5MPa),将岩石劈裂。其他如动物的挖掘和穿凿活动也会加速岩石的破碎。

生物的化学风化作用更为重要和活跃。生物在新陈代谢过程中,一方面从土壤和岩石中吸取养分,同时也分泌出各种化合物,如硝酸、碳酸和各种有机酸等,它们都是很好的溶剂,可以溶解某些矿物,对岩石起到强烈的破坏作用。

(4)风化作用类型之间的相互关系

由上可知,岩石的风化作用,实质上只有物理风化和化学风化两种基本类型,它们彼此是互相紧密联系的。物理风化作用加大岩石的孔隙率,使岩石获得较好的渗透性,这样更有利于水分、气体和微生物等的侵入。岩石崩解为较小的颗粒,使表面积增加,更有利于化学风化作用的进行。从这种意义上来说,物理风化是化学风化的前驱和必要条件。在化学风化过程中,不仅岩石的化学性质发生变化,而且也包含着岩石的物理性质的变化。物理风化只能使颗粒破碎到一定的粒径,大致在中、细砂粒之间,因为机械崩裂的粒径下限为0.02mm,在此粒径以下,作用于颗粒上的大多数应力可以被弹性应变抵消而消除,然而化学风化却能进一步使颗粒分解破碎到更细小的粒径(直到胶体溶液和真溶液)。从这种意义上说,化学风化是物理风化的继续和深入。实际上,物理风化和化学风化在自然界中往往是同时进行、互相影响、互相促进的。因此,风化作用是一个复杂的、统一的过程,只有在具体条件和阶段上,物理风化和化学风化才有主次之分。

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