第六章风化作用

第六章风化作用

目的要求

风化作用是大气圈、水圈和生物圈与出露在地表岩石之间的相互作用，主要通过物理力和化学分解两种方式破碎岩石。风化作用的产物，最终停留在基岩的表面，形成一层各地厚薄不等的疏松薄壳，其上部进而成为土壤。而土壤则是大部分陆生生物活动的基础，因此风化作用具有重要的生态学意义，要求深入理解。

课时：6学时

授课内容

一、风化作用的概念

二、风化作用的类型

（一）物理风化作用

（二）化学风化作用

（三）生物风化作用

三、影响风化作用的因素

（一）气候与地形

（二）岩石的性质

四、土壤与风化壳

重点

1、机械风化包括多种应力作用，但最明显的是冰劈作用；

2、化学风化的主要类型是氧化、溶解和水解作用；

3、在风化作用中裂隙很重要，因为它使空气和水能在很深的地方侵蚀岩石，同时还大大增加了岩石发生化学反应的表面积；

4、风化作用有一种使被破坏的岩石块体产生球形表面的普遍趋势。

难点

本节课的难点在如何简要阐述风化壳的时间意义。

教学方法

本节课以叙述为主配合图件，择重讲授。

讲授重点内容提要

一、风化作用（weathering）的概念

所谓风化作用，就是岩石在地表常温常压下，遭受大气、水、水溶液及生物的破坏作用，使坚硬的岩石变成疏松堆积物的过程。

风化作用是一种自然现象，如古墙的层层脱落；石刻的模糊不清、残缺不全；路基的斑剥，甚至铁器的生锈等等，均与风化作用有关。

风化作用可以是机械的破坏，也可以是化学分解，而生物风化作用两者皆而有之。

风化作用是一种岩石在原地遭受破坏的作用。破坏下来的产物除部分被水溶液带走外，一般不发生显著的位移，这是与其它外动力作用最明显的区别。

必须指出，风化作用与风的地质作用，在概念上是毫不相关的。

二、风化作用的类型

根据风化作用的性质，将风化作用分为三大类：物理风化、化学风化及生物风化作用。

（一）物理风化作用（physical weathering）

岩石、矿物在地表条件下，在原地产生机械破碎，而不改变其化学成分的过程称为物理风化作用。

1、物理风化作用最重要的方式是：卸载（释荷）、温差和冰劈作用。

（1）卸载作用（unloading）

卸载作用是处在地下深处的岩石，由于受高温高压的影响，因此坚硬而致密。当它转移到地表常温常压条件下时，由于静压力解除，在张应力作用下自发膨胀，这种现象就叫卸载，即能量释放，负荷减轻，结果使岩石表面产生一系列平行或垂直于地表的裂隙，这种裂隙就叫席理。由于长期的卸载作用，促使岩石层层剥离崩解，所以又叫剥离作用。

（2）温差作用

温差作用是因气候变化而导致岩石产生崩解。由于岩石导热性差，不同的造岩矿物有不同的体胀系数。白天太阳照射，热向岩石内部传递，岩石内外之间出现温差，结果在岩石表里之间产生平行裂隙，使岩石表面出现层层脱落。晚上因内热外冷，表里不一，于是出现垂直于岩石表面的裂隙，最后崩解为沙泥（图5—1）。

（3）冰劈作用（riving）

冰劈作用是当昼夜气温在0℃上下变动时，渗透在岩石裂隙中的水，时而冻结，时而溶解。冰冻时因体积增大，使岩石裂隙扩张，最后使岩石崩解（图5—2）。

图5—2 冰劈作用示意图

一般说来，冰冻风化主要发生在弯弯曲曲的岩石裂隙中，因为向上张开的“V”形裂隙，在产生冰劈时，压力会向冰帽方向转移，岩石就不易产生进一步的破坏。在干旱和半干旱地区，由于盐类在岩石裂隙中的过饱和结晶，也同样可以挤碎岩石。

2、物理风化作用的产物及特征

物理风化作用产物就是在原地破碎的碎屑物。其特征主要有：

（1）破碎后的颗粒粗细不等，棱角显著，没有层次；

（2）多分布在水分岭上或斜坡上；

（3）碎屑物的成分与下覆基岩成分一致。

（二）化学风化作用（chemical weathering）

化学风化作用是指大气和水所引起的氧化、溶解、水解、水化等作用对岩石的分解破坏过程。化学风化作用使岩石的矿物成分发生变化，转变为地表稳定的新矿物。这是与物理风化作用的区别。

化学风化的速度在很大程度上受降水量的影响。世界上没有一个地方是永久干旱的，即使是在干燥的荒漠地区也有化学风化的痕迹。所以它属于世界范围的作用。然而在终年冰冻的寒冷气候区，化学风化十分微弱。

1、化学风化作用的方式主要是：氧化、溶解和水解作用。

（1）氧化作用（oxidation）

指大气中的氧与矿物化合形成氧化物的作用。在地下水面低，地形起伏大，岩石裂隙发育的温湿地区，氧化作用进行得比较充分，深度也大，甚至可达百米以上，从地面到地下被氧化的地带，叫氧化带。自然界许多元素都具有与氧结合的能力，特别当岩石的矿物中含有低价元素时，大气中的氧会很快与之反应，转变为地表稳定的新矿物。常见的例子如硫化物中的黄铁矿（FeS

2

），经风化后就

转变成了褐铁矿（FeO

3·3H

2

O）。当黄铁矿转变为褐铁矿后，不仅矿物成分发生

了变化，矿物的颜色、比重、硬度甚至结构也都发生了变化，这是反应中产生的硫酸腐蚀分解矿物的结果。黄铁矿风化后所形成的褐铁矿，一般留在原地，其它成分经氧化形成易溶的盐类，被水带走，使氧化带中铁的含量大大增加。这种富集在地表氧化带顶部的褐铁矿因成红褐色，称为铁帽（gossan）。它的出现常认为是寻找原生金属硫化矿床的标志。

（2）溶解作用（dissolution）

自然界纯水是罕见的，不论地表水还是地下水，都不同程度的含有各种气体

（O

2、N

2

、 CO

2

）和化合物（酸、碱、盐），因此自然界的水都是水溶液。不同

的矿物，溶解度差别很大，如在常温下（20℃），纯水对云母的溶解度为0.0029g/㎏；对方解石的溶解度为0.015g/㎏；对岩盐的溶解度为320g/㎏。从以上三种矿物的溶解度说明：在自然界，硅酸盐类的矿物最难溶。碳酸盐、卤化物、硫酸盐等较易溶解。矿物溶解度的大小，一方面决定于化合物的性质，另一方面决定于外界条件（水和水溶液的温度、压力及CO

2

的含量等）。

溶解作用的结果是：易溶物质流失，难溶物质残留原地，岩石孔隙增多，硬度变小，岩石被破坏。

（3）水解作用（hydrolysis）

某些矿物一遇水就变成带氢氧根离子（OH－）的新矿物，这种化学作用叫水解作用。纯水是中性的，其PH值为7，不显酸性，也不显碱性。但它具有离解能力，其中一部分离解为H+和OH－离子。

当弱酸性碱盐或强碱性组成的矿物遇水时，就会离解为带不同电荷的离子，这时它们分别与水中的H＋和OH－离子结合，生成新的化合物（新矿物）。由于这种反应是不可逆的，离解与化合不断进行，直到原有矿物被水解完为止。例如地壳中广布的长石，就属于强碱弱酸盐矿物。这种矿物水解后形成高岭土、氢氧化物溶液和二氧化硅胶体。反应式为：

4KAlSi

3O

8

+ 6H

2

O→ Al

4

[Si

4

O

10

][OH]

8

+ 8SiO

2

+KOH

钾长石高岭土胶体溶液

↓↘↙

残留流失

2、化学作用的产物及特点

由化学风化作用残留在原地的产物叫化学残积物(eluvium)。这些物质往往呈松散状，其成分主要是铁、铝、硅的化合物，如褐铁矿、铝土矿、高岭土、蛋白石等。当残留物中铁质少，铝质多时，就形成红色粘土，称为红土。我国南方许多省都能见到红土堆积，有的地方厚达几十米。

（三）生物风化作用（biological weathering）

是指生物的生命活动，促使岩石、矿物发生破坏的作用。

1、生物风化作用的方式

（1）生物的机械风化作用

由于生物的生命活动使岩石、矿物发生机械破碎。如根劈作用就是生长在岩石裂隙中的植物随着根系长大使岩石、矿物裂隙不断扩大面而崩解等等。

（2）生物化学风化作用

是通过生物的新代谢和尸体的分解进行的风化作用。如植物和细菌在新陈代谢中常常析出有机酸、硝酸、碳酸、亚硝酸和氢氧化铵等溶液腐蚀岩石。

2、生物风化作用的产物及特点

地表的岩石在物理、化学风化作用之后，再经过生物的活动，就不会再是单纯由无机物组成的松散物质了。其中加入了腐殖质和空气而具有肥力，这叫土壤（soil）。可见土壤是风化作用的综合产物。

三、影响风化作用的因素

在讲述影响风化作用因素时，应抓住岩石本身性质和地表环境这两个方面进行概述。

（一）气候与地形

1、在温湿地区，雨量丰富，植被发育，化学风化作用和生物风化作用强烈。

在干寒地区，降水少，植被差，则盛行物理风化。

2、地形的坡度也影响风化作用的速度和方式，陡坡处地下水面深，植物少，物理风化作用强烈，基岩裸露又促使物理风化的持续进行；在缓坡或平凹区，地下水面浅，植被发育，化学风化作用和生物风化作用表现强烈。

（二）地质因素

1、一般说来，在岩浆岩中，最早结晶的矿物在地表条件下最先分解，最后结晶的矿物，如石英，抗风化的能力最强。含铁镁矿物多的超基性岩比含硅铝矿物多的酸性岩易于风化。

2、单矿岩因具有各向同性，不易物理风化。而复矿岩因所含矿物颜色、成分、内部晶架各不一样，其导热率、体胀系数也不一样，因此在温度和水溶液的作用下，易遭受破坏。

3、岩石中矿物的粒度大小，等粒与不等粒，胶结物的性质和胶结程度，也影响风化作用的速度。细粒、等粒，胶结好的岩石抗风化能力强。疏松的岩石有利于水溶液渗透和生物的活动，因而抵抗风化的能力弱。

4、在层理或节理发育的岩石中，由于水溶液沿层面和节理进行化学风化，特别在层理与节理的交叉处，岩石块的棱角风化快，且逐渐圆滑化，结果岩块表面呈浑圆形，这种现象叫球形风化（图5—4）。

当抗风化能力强弱不同的岩石组合在一起时，抗风化弱的岩石组成负地形，抗风化强的岩石组成正地形，这种差异现象叫差异风化。

四、风化壳及其意义

（一）风化壳概念及生成

岩石在长期的风化过程中，一些不稳定的矿物遭到分解，其中可溶性部分被水流失，难溶部分残留在原地，这些残留在原地的物质叫残积物。由于残积物未经过搬运，残积物中碎屑棱角明显，大小不一，也无层理。由地表面向下粒度逐渐变粗而过渡为基岩。

残积物常分布在分水岭上或缓坡上，残积物顶部常因生物的活动被改造成土壤。由于残积物分布在地壳的表层，且构成一个不连续的薄壳，叫做风化壳（crust of weathering）。

（二）风化壳垂直分带

风化壳的风化程度是从地表向地下深处逐渐减弱，因此风化壳具有明显的垂直分带性。根据产物特征，一般把风化壳分为以下几个部分（图5-3）：从上到下：Ⅰ层叫土壤层（风化壳表层），表层处在氧化环境，特别在湿热地区酸性条件下，矿物风化彻底，生成各种粘土矿物。铁在此层呈高价氧化铁；Ⅱ层为残积物层，一般由岩屑、粘土组成，风化不彻底，含有少量有机质；Ⅲ层

为半风化层，遭受风化作用微弱，主要是未经化学风化

的岩屑组成；Ⅳ层为基岩层，由基岩组成。这里必须说明，

风化壳剖面绝非一个模式而且如此完善。由于各地区气候条

件的差异和岩石类型的差别，风化壳模式也是多种多样的。

五、提示问题

在讲授风化壳的意义时，最好提示以下四个问题：

1、风化壳可以阐明地壳运动；

2、风化壳可以恢复古地理环境；

3、风化壳对找矿具有重要意义；

4、研究风化壳对工程建设也有重要作用。

本章小结

风化作用是指在地表或近地表条件下，岩石在原地发生

分解和破坏的过程。物理风化过程中，岩石在原地发生机械

破碎，物质成分不发生变化；化学风化不仅使岩石发生破碎，

岩石的物质成分也发生变化。因此，二者有本质的区别。形

成由风化产物组成的、分布于大陆基岩表面的不连续薄壳称

为风化壳，它具垂直分带。影响风化作用的因素主要有气候、

植被、地形、岩石特征、构造等方面。

思考题

（一）基本概念

风化作用、风化壳、差异风化、物理风化作用、化学风化作用、土壤（二）简述下列两组基本概念的主要区别

1.物理风化与化学风化；

2.土壤与风化壳。

（三）回答问题

1、作用的类型和主要方式是什么？

2、风化作用的意义是什么？

3、古风化壳有何研究意义？