第二章 风化作用对地貌的影响

第二章风化作用对地貌的影响，残积物及古土壤

一、风化作用对地貌的影响

风化作用：在地表或接近地表条件下，坚硬的岩石、矿物在原地发生物理的、化学的变化，从而形成松散堆积物的过程。

风化作用不能形成特殊地形，但可以改造和破坏。从而对地形和沉积物产生影响。

风化作用的深度大部分地区在10米以下，已知最大风化作用深度发生于热带，大致为1公里。

根据风化作用的因素和性质分为两大类型：

物理（机械）风化作用、化学风化作用，生物风化作用是物理和化学的综合。

（一）、物理风化作用

物理风化作用( physical weathering)

地表或接近地表条件下岩石、矿物在原地产生的机械破碎而不改变其化学成分的过程。

1 物理风化作用的方式

（1）、岩石卸载（释重）（层裂构造、垂直的裂隙）

（2）、矿物岩石的热胀冷缩

（3）、岩石空隙中水的冻结与融化（冰冻作用( frost action)或冰劈作用）。

（4）、岩石空隙中盐的结晶与潮解

岩石卸载

边坡形成后，由于侧向应力削弱，岩体向临空方向回弹、这种现象犹如木桶因松箍而开缝一样，使原来被压紧的裂缝张开。很明显，因这种原因张开的裂隙的特点愈近顶面，张开程度愈大，向深处或向坡里张开程度逐渐减小。

气温变化（矿物岩石的热胀冷缩）

在大陆内部尤其是沙漠地区昼夜之间或季节之间温度变化很大，白天地表温度可高达60～70℃，而夜晚可降至0℃以下，从而使矿物岩石产生显著的热胀冷缩现象。①当白天阳光照晒时，岩石表层温度快速升高，于是发生膨胀，由于岩石的导热性很差，传热缓慢，这时其内部尚未受热，并不能相应膨胀，结果在内外层之间产生与表面方向垂直的张力；夜间岩石表面因快速散热变冷，体积收缩，而岩石内部这时刚受到由岩石表面传来的热的影响，体积正在膨胀，结果使岩石的外层受到张力。在上述张力的反复作用下，便产生平行于岩石表面的裂缝及垂直于岩石表面的裂缝，从而使岩石碎裂开来；②另一方面，岩石由多种矿物组成，各个矿物的膨胀系数不同，当温度变化时就发生差异性膨胀和收缩，从而破坏矿物之间的结合能力，促使岩石的碎裂；③此外，岩石因反复增温，其组成质点的热运动增强，也会削弱它们之间的联系能力，有助于岩石的碎裂。

冰劈作用

岩石孔隙和裂隙中的水降温至0℃时开始结冰，水变成冰体积要膨胀近9%，对裂隙周围产生很大的挤压力，使岩石的空隙扩大，如果冻融反复进行就必然使岩石的空隙逐步增多、扩大，以致岩石崩裂，这种过程称为冰劈作用。

盐类结晶的撑裂作用

岩石中含有的潮解性盐类，在夜间因吸收大气中的水分而潮解，变成溶液渗入岩石内部，并将沿途所遇到的盐类溶解；白天在烈日照晒下，水分蒸发，盐类又结晶出来，结晶时对周围岩石产生压力。如此种作用反复进行，能使岩石撑裂。此种作用主要见于气候干旱地区。

在物理风化作用强烈的地区，其结果是在陡坡、山麓和沟谷中产生大量的危石、碎石和岩屑，这是造成崩坍、落石、泥石洪流的基本条件。

2 物理风化作用的产物

机械破碎作用，形成碎屑物，粗细不等、棱角显著、没有层次，覆盖在分水岭或滚落至平缓的地区，碎屑成分与下伏母岩一致。

（二）、化学风化作用

化学风化作用( Chemical weathering)

在地表或接近地表条件下，岩石、矿物在原地发生化学变化并可产生新矿物的过程。1、化学风化作用的方式

（1）、氧的作用：氧化作用

（2）、水溶液的作用（溶解作用( Solution)水化作用(水合作用)( hydration)水解作用( hydrolysis)碳酸化作用( Carbonation)）。

溶解作用

任何矿物都能溶解于水，只是溶解度大小不同而已。溶解作用的结果使溶解物随水流失，难溶物残留原地，岩石孔隙增加，整个岩石的坚实度降低，直至岩石完全解体。典型的例子是石灰岩的溶解作用，形成岩溶的现象。

水化作用

有些矿物能吸收一定量的水参加到矿物晶格中，形成含水分子的矿物，称为水化作用。

硬石膏水化成石膏后，体积膨胀约59%，从而对周围岩石产生压力，促使岩石破坏。另外，水化作用改变了原有结构，溶解度变得大得多，而硬度低于原来无水矿物，因而也加快了它的风化速度。

氧化作用

岩石中某些矿物与空气或水中的氧化合生成各种新成分。如：黄铁矿经氧化后转变成褐铁矿，绝大部分岩石的矿物中都含有低价铁，它在地表条件下易氧化成褐铁矿，从而导致岩石的破坏。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。

此外，含低价铁的许多金属硫化物矿体经氧化所形成的褐铁矿常覆盖在矿体的表层，出露于地表，称为铁帽。它是寻找地下隐伏矿体的重要标志。

碳酸化作用

水中的CO2从矿物中夺取盐基，从而破坏原岩中的矿物，生成新的碳酸盐，使原有矿物分解，这种变化称为碳酸化作用。

斜长石也能产生碳酸盐化。由于长石是火成岩中最主要的造岩矿物，它们都易于经过碳酸化和水解作用转变成粘土矿物，因而坚硬的火成岩很容易受风化而破坏。

2、化学风化作用的产物

两部分产物：溶于水的可迁移物。

堆积于原地的残积物。

（三）、生物风化作用

生物风化作用( biological weathering)

是指生物对岩石、矿物产生的机械的或化学的破坏作用。

1 生物风化作用的进行方式

（1）、生物机械风化作用（根劈作用(root wedging)、动物机械破坏（穴居、践踏等））（2）、生物化学风化作用（新陈代谢（酸溶液，腐蚀）、（微生物选矿、净化水）遗体腐烂分解)。

生物物理风化作用

表现为生物的生命活动促使岩石机械破碎。如：生长在岩石裂隙中的植物逐渐的长大，它的根须逐渐地变粗、变大和增多，它象楔子一样对裂隙壁施加强大的作用（压力），劈裂岩石，称为根劈作用。

动物对岩石也能产生机械破坏。一些穴居的动物如地鼠、蚯蚓、蚂蚁等，可以穿石翻土，人类的生产活动对岩石的破坏作用就更加明显。

生物化学风化作用

生物及微生物的化学风化作用是很强烈的。据统计，每克土壤中可含几百万个微生物，它们不停地制造、分泌有机酸、碳酸、硝酸等各种酸类物质，从而强烈破坏岩石。

2 生物风化作用的产物

土壤( soil) ：地壳上部岩石、矿物在物理、化学风化作用以后，再经过生物的化学风化作用，形成具有腐殖质、矿物质、水和空气的松散物质。

三种风化作用产物的对比

物理风化作用只能形成机械碎屑物，

化学风化作用形成残积物和溶解物。

生物风化作用使碎屑物和残积物具有有机质，腐殖质。

风化作用的基本类型是物理风化和化学风化，在一般情况下两者是同时进行相互促进的。但在不同地区，自然条件的差异，使得这两类风化又有主次之分。如在西北干旱区，水源贫乏，气温变化强烈，以物理风化为主；东南沿海地区，雨水充沛，潮湿炎热，则以化学风化为主。

以上三类风化作用及各类风化作用中的不同风化方式都具有其独立意义，但是在许多情况下，它们相伴而生，并相互影响和促进，共同破坏着岩石。

风化带：地壳最上部发生风化作用的地带。

残积物：在风化带内，风化作用使岩石崩解、蜕变、形成了一种新的未经移动的松散堆积物。

残积物有两种含义：一是广义的，指风化作用形成的各种类型的风化产物；

另一是狭义的，指风化产物经水其它动力将细粒的和可溶的物质带

走而残留下来的较粗粒的和稳定的物质。上是一种残留物。

风化壳：由残积物所组成的覆盖于地壳表面的外壳。

二影响风化作用的因素

(一) 岩石和构造

岩石的风化作用不仅取决于外部各种自然因素的影响，还受到岩本身性质及地质构造的控制。

（1）岩石性质：岩石的成因、矿物成分及结构构造不同，对风化的抵抗力不同。

成因：风化作用实质上是由于岩石生成时的环境与条件与目前它所处的环境和条件的差异造成的。如果这个差异小，则岩石抵抗风化的能力就强，反之则容易风化。岩

浆岩和变质岩比沉积岩易于风化。

矿物成分：石英抗风化的能力最强；单矿岩的抗风化能力强于复矿岩；暗色矿物（如：橄榄石、辉石、角闪石、黑云母等）抗风化能力弱，而浅色矿物抗风化能力

强，如正长石。

对于碎屑岩和粘土岩，其抗风化能力主要取决于胶结物和胶结类型，即硅质

胶结比钙质胶结抗拉强度抗风化能力强得多。

一般来讲，风化速度是很缓慢的，但某些岩体的表面风化速度可以很快。如：我国南方的一些红色粘土岩，在室外气温14～17℃时，2h内可以使新鲜的岩石产生裂隙，开始剥落；红色砂质粘土岩，在室外气温29～40℃时，24h内产生裂隙，然后裂隙贯通开始剥落。

结构和构造：一般均匀、细粒结构比粗粒结构抗风化能力强；等粒结构比斑状结构耐风化，而隐晶质岩石最不易风化；

从构造上看，致密的块状岩石比具有各向异性的层理、片理状岩石耐风化，

厚层岩石比薄层状岩石耐风化。

差异风化( differential weathering)：由于岩性不同导致风化速度不同，使岩面或地面形成

凹凸不平的现象。

球形风化：结构均匀的厚层或块状岩石，若有三组节理把岩石分割成棱角状块体，风化作用特别集中在三组节理相交的棱角部位，棱角逐渐被圆化，形成大大小小

的球体或椭球体。

（2）地质构造：岩石在构造变形时生成多种节理、裂隙和破碎带，使岩石破碎为各种

风化因素侵入岩石内部提供了途径，增大了岩石的比表面积，大大促

进了反应的进行，加剧了风化作用。因此，在褶曲轴部、断层破碎带

及其附近裂隙密集的地方，岩石风化的比较厉害。

（二）气候影响

气候是影响风化作用的重要因素，包括温度、湿度和季节变化等方面的影响，影响着风化作用的类型和强度。

不同气候带风化作用有明显的差异性，所能达到的风化阶段也不一样，气候对风化作用的影响主要是温度和雨量变化来实现的。一般寒冷地区以物理风化为主，湿热地区化学和生物风化显著。

极区和亚极区，机械风化为主，岩石化学成分变化不大，几乎没有生物风化作用。

干旱地带内，热胀冷缩的机械风化作用盛行。

季节冻结和融解的潮湿气候区，寒冷气候使微生物和植物死亡后的残骸不能很快矿化

而堆积于残积物中，形成富含腐殖质的土壤。

热带、化学风化作用强烈深度可达100米以上，残积物的厚度可以很大。残积物的发育部分地是因为温度很高，但主要是由于降水量很大，风化带的厚度很大。

热带草原地区的气候分为湿季和旱季。湿季日照剧烈，洪水泛滥，风化作用深度大。

旱季可促进不可逆的氧化反应，产生铝和铁的氢氧化物，形成块状红土壳，并可形成帽状岩。

(三) 地形和新构造运动

不同的地形条件（高度、坡度等）风化作用也有明显差异，影响风化的强度、深度和风化物的厚度及分布情况。随海拔高度增加温度降低物理风化为主，高差大的山区，风化深度和强度大于平缓地区，斜坡岩石破碎容易剥落，风化层一般很薄，平原则厚。另外，阳坡比阴坡风化强烈。

相对稳定或相对下降，化学风化作用。

相对上升地区，物理风化作用。

（四）生物因素和时间

地表在生物作用下形成有机酸，对岩石有很大的破坏作用，对风化壳的形成和发育起着极大的作用。

风化作用的时间越长，发育越充分。

三风化壳的类型

（一）、有关概念

基岩----未经风化而完整的岩石。

露头----露出地表的基岩。

（二）、风化壳的基本类型

1、碎屑型风化壳

成分主要是岩石碎屑，，分布在气候变化显著的干旱和寒冷地区，物理风化为主，化学风化微弱。

2、碳酸盐型风化壳

由含碳酸盐的残积物组成，分布半干旱草原和森林草原地区，气候季节性变化明显，风化壳上部富集石英云母和粘土矿物，下部富集碳酸盐。

3、粘土型风化壳

主要成分是粘土矿物，气候温湿，风化作用较强烈，中期化学风化和生物风化作用，钙镁钾钠淋滤出风化壳，粘土大量堆积。

4、富铁、富铝风化壳

气候高温多雨，湿热，晚期化学风化、硅酸盐矿物彻底分解，残积物强烈分解淋滤，可溶性化合物大量流失，胶体物质残留，如氢氧化铁，由于强烈的氧化，因富含Fe3+ 呈红色。

5、氯化物-硫化物风化壳

分布在干旱和荒漠地区，最重要的特征是含有易移动的元素和化合物，如钙硫钠的氯化物，降雨量小多暴雨，温度变化大，风化壳中碎屑成分高。

研究风化壳的意义

古地理、古气候、确定沉积间断、寻找风化矿床等。

四残积物的特点

成分和岩相：与下伏基岩基本一致。

碎屑特点：没有分选，一般上部细，下粗。

与下伏基岩关系：过渡。

分布特征：坡度平缓的地形上。

产状：取决于原始地形形态，一般顶部平缓，底部凸凹不平。

厚度：地形平坦厚度大，凸凹地形厚度变化大。

分带：没有层理，根据颜色和颗粒变化次生矿物成分等由地表向深部也可以划分几个带。未风化微风化弱风化强风化全风化

五、古风化壳和古土壤

古风化壳：风化壳被沉积物掩埋保存下来，称古（埋藏）风化壳。

代表沉积间断、地壳上升。

古土壤：过去形成的土壤被较新的沉积物覆盖埋藏。

古地理，古气候，确定沉积间断，寻找风化矿床等。