第三章风化作用与.ppt

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1、第三章风化作用与风化壳第三章风化作用与风化壳城市规划一班 贾郝凡风化作用 岩石暴露于地表，在太阳辐射作用下并与水圈、大气圈和生物圈接触，其所处的物理与化学环境发生了变化，岩石为适应新的环境其物理与化学性质常发生变化，造成岩石崩解、分离、破碎。岩石这种物理、化学性质的变化称为风化；引起岩石这种变化的作用称为风化作用。风化差异1风化差异2 球形风化球形风化1球形风化2石灰岩裂隙风化页岩风化第一节：风化作用的类型第一节：风化作用的类型风化作用物理风化化学风化生物分化物理风化（机械风化）卸荷剥离作用 热力风化 冻融风化盐风化页理作用 如果岩石的四周荷下部都被固定在岩石中的话，这种减压膨胀将主要发生在向

2、上的方向上。当这种减压膨胀超过岩石的弹性变形强度时，它就会发生破裂形成平行于地表的页理。这种作用称为页理作用。页理虽然很小，但它破坏了岩石的整体块状结构，有利于水分和盐类溶液的进行，为进行的物理风化和化学风化创造了条件。热力风化岩石因温度变化发生剥落的过程称热力风化 热力风化的强度取决于岩石温度变化的幅度和频率。幅度频率越大，热力风化越强。岩石热力风化的强弱还决定于岩石的组成，一般说来，单矿岩石的热力风化弱于多矿岩石。细晶多矿岩石弱于粗晶多矿岩石。冻融风化岩石由于水的周期性冻结和融化造成的机械崩解作用称冻融风化。冻融风化能否进行，取决于水能否成冰。冻融风化的强度取决于地温在冰点上下波动的频率和

3、幅度。低幅高频的冻融风化比高幅低频的更强烈。盐风化由于盐类的结晶和体积更大的新盐类的形成对围岩施加压力造成的岩石破坏作用称为盐风化。新生的铁的氧化物一般具有较原来矿物低的密度和大的体积。体积的增加就会对其围岩产生膨胀压力使岩石破碎。另一类重要的盐风化是盐的结晶。当岩石孔隙和裂隙中的水溶液被蒸发时，盐类会逐渐达到饱和，盐类就会结晶析出，使体积增大。盐类结晶就会对其围岩产生膨胀压力，使裂隙扩大加深，最后使岩石破裂。化学风化 岩石在水、水溶液和空气中氧、CO2等作用下由于溶解、水化、水解、碳酸化以及氧化等作用下发生成分和性质变化的风化作用，称为化学风化。化学风化的主要方式包括:溶解作用、水化作用、水

4、解作用、碳酸化作用、氧化作用。以上仅是自然界存在的几类主要的化学风化形式，除它们之外还有硫酸化作用、还原作用、去碳作用、脱水作用、中和作用等。实际上自然界的化学风化是以上多种作用的综合。溶解作用按溶解度的大小，常见的矿物可被分为5类：1.极易溶矿物：主要为K+、Na+的各种化合物，包括卤化物、氟化物、硫酸盐、硝酸盐、碳酸盐和硅酸盐等。2.易溶矿物：主要为Ca+、Mg+、Fe+、Mn+、Al+、Cu+的卤化物和硫酸盐等。3.微溶矿物：主要为Ba+、Sr+、Zn+和Ag+等的硫酸盐类。4.难溶矿物：主要为Zn+、Ca+、Mg+的硅酸盐和Cu+、Pb+的碳酸盐等。5.极难溶矿物：主要为Fe+、Al+

5、等的氢氧化物等。常见的主要造岩矿物的溶解度的大小顺序如下：食盐石膏方解石橄榄石辉石角闪石滑石蛇纹石绿帘石正长石黑云母白云母石英。水化作用岩石中的某些矿物与水接触后，其分子可以与水分子结合形成新的含水矿物。如硬石膏水化后可形成石膏：CaSO4+2H2OCaSO42H2O硬石膏经水化形成石膏后，硬度降低，比重减小，可以造成岩石更容易被物理风化和外营力侵蚀；另一方面，其体积膨胀60，对围岩施加巨大的压力，其本身也可造成物理风化作用，加速岩石崩解。再如赤铁矿水化后可形成褐铁矿也是如此。水解作用纯水本身虽呈中性，但它离解后可部分形成H+和OH+离子，从而使水具有酸性反应或碱性反应能力。如正长石经水解可形

6、成高岭土：K2OAl2O36SiO2+nH2O Al2O32SiO22H2O+4SiO2nH2O+2KOH 高岭土还可以进一步水解，将SiO2析出，形成铝土矿：Al2O32SiO22H2O+nH2O Al2O3nH2O+2SiO22H2O碳酸化作用自然界的水很少是纯水，实际上是一种水溶液。大气和土壤中的与CO2水化合可形成碳酸，并在水溶液中部分电离：CO2+H2OH2CO3 H2CO3H+HCO3 HCO3H+CO32 碳酸电离后形成的H+离子增加了水得 溶解能力，从而使某些矿物更易溶解，并发生化学变化形成新的矿物。如正长石经碳酸化后可形成高岭土：K2OAl2O36SiO2+CO2+H2O A

7、l2O32SiO22H2O+K2CO3+4SiO2氧化作用 在空气中，水中和地下一定的深度中都有大量的游离氧，因此氧化作用是岩石实现化学风化的一个极重要的形式。如黄铁矿经氧化后可形成褐铁矿：2FeS2+7O2+2 H2O2FeSO4+2H2SO412 FeSO4+3O2+6 H2O4Fe2（SO4）3+4 Fe（OH）3Fe2（SO4）3+6 H2O2Fe（OH）3+3H2SO4 黄铁矿被氧化后形成褐铁矿，不仅使原来的矿物发生了化学变化，它产生的硫酸为另一种硫酸化作用创造了条件，另一方面褐铁矿密度低，体积大，它还可造成盐风化这样的物理风化。生物风化 生物在其生长过程中对岩石所起的物理的和化学的

8、风化作用，称生物风化作用。因为生物风化是通过物理风化和化学风化完成的，所以有人将生物物理风化和生物化学风化分别归类于物理风化和化学风化之中，所以自然界的风化作用，实质上只有物理风化和化学风化两种基本类型。以上简要介绍了风化作用的基本类型，岩石风化的这三种基本类型，实质上是两种基本类型，是相互紧密联系的，它们同时进行，相互促进。物理风化作用，加大岩石的孔隙度，增加了岩石的表面积，使岩石获得了较好的渗透性和透气性，这就更越来越水分、气体和微生物等的侵入，促进化学风化作用的进行。从某种意义上说。物理风化使化学风化的前驱和必要准备。化学风化在改变岩石化学成分和性质的同时，也在改变其物理性质。一般说来，

9、物理风化只能使颗粒破碎到一定的粒径，大致0.02mm是其破碎粒径的下限。然而化学风化却能使岩石破碎到更小的粒径，直到胶体溶液和真溶液。从某种意义上说，化学风化使物理风化的继续和深入。第二节：风化阶段第二节：风化阶段一、物理风化为主的阶段 二、化学风化为主的阶段 1.富钙阶段 2.富硅铝阶段 3.富铝阶段物理风化为主的阶段 严格地说，物理风化与化学风化并不是一个在先，另一个在后，而是同时进行地，即使在最寒冷、干旱地地区，也仍然有化学风化过程存在；在刚出露的新鲜岩石的表面，由于和水与空气的接触，必然也会立即有化学风化的加入。但是在在上述两种情况下，所看到的岩石风化产物主要是粗大的岩石碎屑，很少有细

10、粒的诸如粘土之类的化学风化产物。这说明化学风化在岩石出露地表之初缺乏足够的发育时间；在高寒或干旱的地区，极低的气温和稀少的降水抑制了化学风化的进行，只有在相当长的时间内化学风化才能形成较多的细粒物质。如果时间长的足够的话，仍有明显的化学风化产物形成，在高山地区我们常见到冰碛之上发育有厚达几十厘米甚至更厚的土壤，这说明即使在高寒地区化学风化依然是旺盛的。岩石在暴露之初，主要以机械破碎产生粗粒岩屑为主，我们称这一时期为物理风化为主阶段。如果条件许可，随着风化的进行，它会进入以化学风化为主的阶段。如果在坡度较大的坡地上，碎屑物质的运移迅速，机械风化的物质不断被搬运而走，新鲜岩石不断出露，风化作用也会

11、长期停留于物理风化为主的阶段。富硅铝阶段 岩石经过长期的化学风化后，不但氯化物和硫酸盐类已基本淋失，碳酸盐类也大量迁移，甚至部分SiO2在水溶液呈碱性的情况下，也从矿物中解离出来，溶于水形成硅酸真溶液或胶体溶液。硅酸胶粒带负电荷，当其与水溶液中的负电荷胶体相遇时，不易凝聚，随水迁出产地；当其与带正电荷的胶体相遇时，发生凝聚，形成蛋白石，留在原地。在这一阶段，岩石中的铝硅酸盐还被风化成各种粘土矿物，氯化物、硫酸盐和碳酸盐类矿物的大量淋失，使岩石中的硅铝物质相对富集起来，故称化学风化的这一阶段为富硅铝阶段。在温带湿润、半湿润地区，降水较充沛，它大致等于或略高于蒸发量，这种环境可使氯化物、硫酸盐和碳

12、酸盐类矿物基本淋失，但又不能使氧化硅大量淋走，故化学风化长期停留在富硅铝阶段。在上述环境中气温较低，形成的粘土矿物一般为蒙脱石和伊利石。风化层的SiO2/Al2O3一般在24之间。富钙阶段 风化进入以化学风化为主的阶段后，在其早期，岩石中的K+、Na+等活性较强的碱土金属阳离子首先被水中的H+置换，从矿物中离解出来；岩石中的氯化物和部分硫酸盐多为易溶矿物，它们也很快溶于水中。溶于水中的活性阳离子和卤化物、硫酸盐随水逐渐地迁出风化产地。而岩石中诸如CaCO3、MgCO3之类的碳酸盐是难溶盐类，仅部分碳酸化后形成重碳酸盐，随水流失。在这一阶段中因大量的氯化物、硫酸盐的流失，以碳酸盐为主的碳酸盐相对

13、富集起来，故称为富钙阶段。在干旱、半干旱气候条件下，由于降水稀少，蒸发量大于降水量，易溶盐类的淋失极其缓慢，碳酸盐类不仅没有淋失，还常因水分的蒸发从饱和溶液中大量结晶淀积出来，风化作用长期停留在富钙阶段。富钙阶段所形成的主要矿物为方解石、菱铁矿、赤铁矿等。风化壳的SiO2/Al2O34。富铝阶段 化学风化经过一个相当长的时期以后，在湿热的热带、亚热带地区，不但氯化物、硫酸盐和碳酸盐类矿物完全淋失，而且铝硅酸盐矿物风化形成的次生高岭土粘土矿物还被水解，使二氧化硅从水中游离出来，形成氢氧化铝胶体和硅酸的真溶液或胶体。硅酸胶体一部分流失，另一部分沉淀下来；氢氧化铝很容易凝聚，形成水铝矿。在这种情况下

14、，SiO2的流失，但岩石风化物中的铝相对富集起来，故这一阶段又称富铝阶段。应当说明，SiO2的风化需要较高的温度和较多的降水，富铝阶段的岩石风化一般仅出现在热带、亚热带地区。这一阶段因SiO2的大量流失，风化层的SiO2/Al2O3一般在2以下。第三节：影响风化作用的因素第三节：影响风化作用的因素 岩石的风化受两方面的因素控制，一是风化的条件，二是岩石本身的特征。影响风化作用的因素影响风化作用的因素气候因素地形因素地质因素气候因素下面简要介绍各气候带的风化特征。极低和高山地带 温度低，冬夏气温较差大，地面处于冬冻干融状态，冻融风化盛行，化学风化缓慢，故长期处于物理风化为主的阶段。干旱荒漠地带

15、日照强，降水稀少，蒸发量大于降水量，昼夜温差大，盐类易于结晶，故以热力和盐风化为主的物理风化旺盛，化学风化较弱，盐类不易淋溶，故也长期处于物理风化为主的阶段。半干旱草原地带 日照强，降水量在250500mm之间，降水量小于蒸发量，热力风化较差，氯化物和硫酸盐类矿物大部分淋失，钙、镁等碳酸盐矿物相对富集，风化作用长期处于富钙阶段。半湿润温带草原地带 降水量500700mm，降水量与蒸发量相近，风化作用长期处于富钙与富硅铝之间。温带湿润地区 降水量7501000mm，降水量大于蒸发量，风化作用处于富硅铝阶段。湿热地区 降水量大于1000mm，风化作用处于富铝阶段。地形因素地形对风化作用的影响是通过

16、地下水位的高低、温度和风化物的搬运等来实现的。一般来说，在低缓的平原和缓丘地区，地下水位高，水的流动速度慢，盐类在水溶液中容易饱和，不易淋失，其化学风化过程较慢。低缓的地形使风化物不易被冲刷搬运，故风化壳一般较厚。而在高差较大的起伏山丘，地下水位较低，流动性也较强，岩石中的O2、CO2等参与风化的物质较多，水溶液不易达到饱和，盐类易于随水流失，故化学风化较强；但是因为坡度和地形切割较大，风化形成的残留物质容易被搬运，故风化壳一般较薄。地面的坡向也是影风化的一个重要地形因素。坡向的不同对地方小气候的差异有重要作用。在阳坡，受太阳辐射的时间长，昼夜温差大，有利于物理风化的进行；而阴坡，气温的日较差

17、较小，则不利于物理风化作用。地质因素影响风化的地质因素主要是岩石的矿物组成、结构和构造。不同岩石有着不同的矿物组成和岩石结构，各种不同的矿物和结构对风化作用的反映是不同的。深色矿物易吸热，它比浅色矿物易风化，粗粒岩石比细粒岩石易风化，多矿岩石比单矿岩石易风化，因此不同的岩石抗风化能力是不一样的。如果一个地区的地层是由不同岩石组成的，抗风化强的岩石就会风化较慢，地表相对凸起，而抗风化弱的岩石就会风化较快，地表相对下凹，这种因岩石抗风化能力差异造成的地形起伏，称为差别侵蚀地貌。地质构造对风化作用也有重要的意义。孔隙是各种风化介质侵入岩石内部的通道。地质构造对风化的影响主要是通过影响孔隙的多少来完成

18、的。一般说来，断裂破碎带的裂隙、节理、层理十分发育，构造破碎，孔隙度大，这十分有利于风化作用的进行，故在断裂带内风化壳一般较厚，地质构造的差异也可形成差异侵蚀地貌。第四节第四节 风化壳风化壳 一、残积物、土壤和风化壳的概念残积物、土壤和风化壳的概念 陆地表层的基岩经过长期的风化作用，由物理风化产生的碎屑和化学风化产生的残余矿物和新生矿物在原地堆积，统称为残积物残积物（eluvium）。研究残积物的成分和特征有重要意义，因其成分与隐伏于其下的基岩有一定的相关性，对于寻找某些矿床有指示作用。此外，有些残积物中含有大量的抗风化强、比重大的贵重矿物，如金、铂、金刚石、锡石、宝石矿物等。若具开采价值则称

19、为残积砂矿残积砂矿（eluvial placer）。有些残积物中的某些成分可以作为矿产开采利用的，可称为残积矿床残积矿床（residual deposit）。残积物上部的细碎屑和粘土等被生物改造，含较多腐殖质时则称为土壤土壤（soil）（有些土壤由其它成因的土质改造而成）。大陆上覆盖的残积物和土壤并不是连续不断的，其厚度由不足一米到大于百米。这种由风化形成的松散残积物和土壤堆积而成的不规则地质体，称为风化壳风化壳（weathered crust）。从剖面上看，风化壳自上而下具有一定的分层现象。根据残积物的成分和结构的变化，可以大致划分为以下几个层。表层是土壤（图4-8中的4）。土壤之下为残积层

20、（图4-8中的3），其成分主要为母岩风化产生的岩屑和粘土矿物、褐铁矿等残积物。残积层上部可含少量从土壤层中淋滤下来的成分（包含有机质）。残积层之下为半风化基岩（图4-8中的2）。湿热地区的半风化基岩由于已有少量易溶组分流失，岩石结构已部分疏松，但其外貌与母岩差异不大。干旱地区的半风化基岩只受到物理风化，产生一些风化裂隙，岩石的矿物成分没有变化。风化壳的底即为未风化的基岩或母岩（图4-8中的1）。风化壳的分层是渐进式的，各层之间并无明显的界面，这种渐进式界面不一定与土壤表面或基岩表面平行，它受到残积物的结构特征和地下水运移状况的影响。三、土壤三、土壤土壤是指具有一定肥力而能够生长植物的疏松土层，

21、它由无机质和有机质两部分组成，其厚度一般不足2m。土壤的无机质部分为各种固体矿物质碎屑，占土壤固体物质重量的90%以上。这些矿物质碎屑可以是残积物，也可以是其它外动力作用沉积物和火山质。其中的原生矿物以石英为主，其次有钾长石和白云母等；次生矿物以粘土矿物、褐铁矿、三水铝土矿为主。其粒度多为中-细沙、粉砂和粘粒。土壤的有机质部分占土壤固体重的5%左右。有机质包括植物未分解的根、茎、叶、动物排泄物和尸体等原始组织，还包括这些物质被土壤微生物分解转化而形成的有机质和腐殖质。腐殖质为黑色或暗棕色，呈胶体状，具有很强的吸持水分和离子的能力，是土壤肥力的重要部分。土壤中的无机质和有机质相互胶结一起形成颗径

22、较大的团聚体或团粒，称为土壤的自然结构体，其形态有球状、板状、柱状和块状等四种。土壤团粒之间的孔隙较大，有利于空气和水分的运动，也有利于植物根系的伸展和小动物通行。具有团粒结构的土壤抗旱保墒和防涝性能均较好，是肥沃土壤的重要标志之一。土壤在垂直方向上具有分层性，不同层次具有独特的物理性质和外形，自上而下可划分为几个基本层次：枯枝落叶层（图4-8中的A），主要为有机质的原始组织。腐殖质层（图4-8中的），呈黑或深灰色，具团粒结构。淋溶层（图4-8中的C），水溶性组分和部分粘粒向下层迁移后，残留的难溶组分以石英的沙和粉沙为主，呈浅色调。淀积层（图4-8中的D），因淀积了上层淋溶下的胶体和微粒，土体

23、较坚实。母质层（图4-8中的3），为各种成因的细碎屑物。四、风化壳的类型四、风化壳的类型 由于各地区基岩成分的差异、气候条件的差异和风化类型的不同，导致风化形成的残积物具有明显的地域性。表4-3为现代大陆上主要的风化壳类型。地质历史时期形成的风化壳称为古风化壳古风化壳（palaeocrust of weathering），地质历史时期形成的土壤称为古土壤古土壤（palaeosol）。由于它们结构疏松，厚度不大，在环境变化时容易遭受后期外动力地质作用的剥蚀而破坏。现在发现的古风化壳（包括古土壤）一般保存在沉积岩或变质岩地层中，多数已不完整，由于后期地质作用（如成岩作用等）的改造，在成分上和结构上

24、与现代风化壳不尽一致。研究古风化壳的目的主要是了解发育风化壳的地质时期的古气候和古地理环境，并且能对该区域经历的地壳运动作出概略的判断。一般地说，只有硅铝铁质铝土型或硅铝粘土型风化壳才能较好地保存在地层中，它们的完整发育过程长达几十万年到几百万年，甚至更长。例如华北地区普遍发现的中奥陶统灰岩层上的铝土矿褐铁矿风化壳，被上石炭统覆盖，表明该区自前4.4亿年以来已上升为陆地，遭受风化，直到前3.3亿年左右才陆续下降被海水淹没，接受新的沉积。在这一亿年的地质时期中该区经历了以缓慢上升为主的升降运动；地形相对较平缓，近于准平原准平原（peneplain）；长期以湿热雨林气候为主。华北地区发育的这层古风

25、化壳，有些地区厚度较大，甚至可以作为小型铝土矿或铁矿开采，因而已具有一定的经济价值。大陆上主要的风化壳类型简表大陆上主要的风化壳类型简表 风化壳类型形成条件标型矿物风化程度的标志碎屑型寒带、高山寒冻地区原生矿物物理风化，形成碎屑物硅铝-氯化物-硫酸盐型中纬、低纬干旱地区滨海地带石盐、硝石、苏打、硬石膏物理风化和初步化学风化，Na,Ca,Mg的氯化物和硫酸盐大量残留硅铝-碳酸盐型温带半干旱地区碳酸盐、粘土矿物、硬锰矿等化学风化较强，粘土矿物为主，Mn、Cu、Zn、B和碳酸盐部分残留硅铝-粘土型亚热带、温带湿润地区粘土矿物以蒙脱石为主，少量褐铁矿化学风化强，Fe Al氧化物淋滤于下层，SiO2富集表层硅铝-铁质-铝土型（红土型 热带、亚热带湿热地区铝土矿、褐铁矿、高岭石化学风化极强，碱和碱土金属离子流失，SiO2大量流失，粘土矿物大部分解，铝土矿、褐铁矿富集