影响岩石风化作用的因素

风化作用的速度主要取决于自然地理条件与组成岩石的矿物性质。

一、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,化学与生物风化为次。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,生物的新陈代谢与尸体分解过程产生的大量有机酸,具有较强的腐蚀能力,故化学风化与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。

二、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。

三、岩石性质

1、成分

(1)岩浆岩比变质岩与沉积岩易于风化。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,它就是物理风化为与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。

影响岩石硬度的因素也可分为自然因素与工艺因素两大类:

(1)岩石中石英及其她坚硬矿物或碎屑含量愈多,胶结物的硬度越大,岩石的颗粒越细,结构越致密,则岩石的硬度越大。而孔隙度高,密度低,裂隙发育的岩石硬度将会降低。

(2)岩石的硬度具有明显的各向异性。但层理对岩石硬度的影响正好与对岩石强度的影响相反。垂直于层理方向的硬度值最小,平行于层理的硬度最大,两者之间可相差1、05～1、8倍。岩石硬度的各向异性可以很好地解释钻孔弯曲的原因与规律,并可利用这一现象来实施定向钻进。

(3)在各向均匀压缩的条件下,岩石的硬度增加。在常压下硬度越低的岩石,随着围压增大,其硬度值增长越快。

(4)一般而言,随着加载速度增加,将导致岩石的塑性系数降低,硬度增加。但当冲击速度小于10m/s时,硬度变化不大。加载速度对低强度、高塑性及多孔隙岩石硬度的影响更显著。

在测量岩石硬度的过程中,应注意区分造岩矿物颗粒的硬度与岩石的组合硬度。前者主要影响钻掘工具的寿命,而后者则对钻进中的机械钻速起重大影响。

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、地形与岩石特征等方面。

(一)气候与植被

气候因素包括温度、降雨量与湿度,它们就是控制风化作用的重要因素。

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。降雨量与湿度则就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、化学与生物的风化作用。

在地表的不同气候带,气候条件相差很大。在两极及高寒地区,气温低,植被稀少,地表水以固态的形式存在为主,所以在该地区以物理风化作用为主,尤以冰劈作用盛行为特征,而化学风化作用与生物风化作用很弱。在干旱的沙漠地带,植被稀少,气温日、月变化大,降雨量少,空气干燥,所以化学风化作用与生物风化作用非常之弱,而以物理风化作用为主,如温差风化、盐类的结晶与潮解作用就是这些地区风化作用的主要形式。在低纬度的炎热潮湿气候区,雨量充沛,植被茂盛,温度高,空气潮湿,所以化学反应的速度较快,故化学风化作用与生物风化作用显著,风化作用的深度往往达数米。如果这些地区气候在较长时间内保持稳定,岩石的分解作用便能向纵深方向发展,形成巨厚的风化产物。这种气候条件也就是形成风化矿产——铝土矿最有利的条件。

植被对风化作用的影响表现在两个方面:一方面直接影响生物的风化作用,埴被茂盛生物风化作用强烈,而植被稀少的地方生物风化作用就弱;另一方面又间接地影响物理风化作用与化学风化作用过程。岩石表面长满植物,减少了岩石与空气的直接接触,降低了岩石表面的温差变化,消弱了物理风化作用。但植被的茂盛却带来了更多的有机酸与腐殖质,使周围环境中水溶液更具有腐蚀能力,从而又加速了化学风化作用的进程。实际上植被对风化作用的影响与气候条件就是分不开的,气候潮湿炎热,植被茂盛;而干旱、寒冷,植被稀少。

气候与植被对土壤的影响最为显著,不同的气候带都有其典型的土壤类型,当气候条件发生改变时,土壤类型也随之发生改变,因此有人把土壤称为“气候的函数”。如在寒冷潮湿的苔原气候带常形成冰沼土,在热带与温带的荒漠地区形成荒漠土,在温带落叶阔叶森地区形成棕壤与褐土。

(二)地形

地形条件包括三个方面:一就是地势的高度,二就是地势起伏,三就是山坡的方向。

地势的高度影响气候的局部变化,中低纬度的高山区具有明显的气候垂直分带,山脚气候炎热,而山顶气候寒冷,植被特征也不一样,因而影响风化作用的类型与速度。在我国云南的大部分地区这种现象很明显。

地势的陡缓影响到地下水位、植被发育及风化产物的保存,因而也影响风化作用的进行。地势较陡的地区,地下水位低、植被较少,风化产物不易保存,使基岩不断裸露,从而加速了风化作用的进行。

阳坡、阴坡的风化作用类型与强度也不一样。阳坡日照时间长,湿度较高,植被较多,所以风化作用较强烈。如喜马拉雅山南坡面临印度洋,气候炎热、潮湿,化学与生物风化作用很强烈,而北坡干、冷,主要发育物理风化作用。

(三)岩石特征

岩石特征对风化作用的影响包括岩石的成分、结构、构造与裂隙。

岩石成分不同的矿物具有不同的抗风化能力,那么由不同矿物组成的岩石其抗风化能力也就不同。如由橄榄石、辉石、长石等组成的岩浆岩容易风化,而由石英砂颗组成的沉积岩抗风化能力就很强。因此,抗风化能力较弱的矿物组成的岩

石被风化后而形成凹坑,而抗风化能力强的组分相对凸出,在岩石表面就出现凹凸不平的现象,这称差异风化作用。

岩石的结构、构造组成岩石的矿物粒径、分布特征、胶结程度及层理对风化作用的速度与强度都有明显的影响。在其它条件相同的情况下,由细粒、等粒矿物组成及胶结好的岩石抗风化能力较强,风化速度较慢。

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,增强水溶液的流通性,从而促进风化作用的进行。如果一些岩石的矿物分布均匀,如砂岩、花岗岩、玄武岩等,并发育有三组近于互相垂直的裂隙,把岩石切成许多大小不等的立方形岩块,在岩块的棱与角处自由表面积大,易受温度、水溶液、气体等因素的作用而风化破坏掉,经一段时间风化后,岩块的棱、角消失,在岩石的表面形成大大小小的球体或椭球体,这种现象称球形风化作用。

研究风化作用具有很重要的意义。在风化作用过程中,一些难溶的元素或物质在原地及其附近堆积起来可富集成有用的矿产,如铁矿、铝土矿、镍矿等。据目前的资料统计,与风化作用有关的铝土矿占世界总储量的85％;风化作用还可形成一些找矿志如“铁帽”等。研究古风化壳对了解一个区域的地壳发展历史很重要,因古风化壳代表了较长时间的陆上环境,反映了地壳的一次上升运动。土壤就是气候的函数,研究古土壤(主要就是第三纪及第四纪的古土壤,更老的古土壤难于辨认)有助于恢复古气候、古地理环境。由于风化的岩石强度减弱、透水性增加,对工程建筑极为不利,所以在修建大型工程时要了解风化壳的分布与厚度以及被风化岩石的强度等,以便采取相应的措施以保证工程的质量。此外,风化壳及风化作用研究对于农林业种植及国土利用也具有现实意义。