第九章风化作用.

主讲：杨斌二零一四年普通地质学第九章风化作用•第一节风化作用的类型•第二节影响风化作用的因素•第三节风化壳及其研究意义•风凌石——中国大西北最具特色的典型奇石之一，主要分布在西部戈壁风沙口地带，经上亿年的风吹、沙磨，侵蚀而形成了千姿百态的造型，具有奇石的瘦、漏、透、皱、...第九章风化作用•外能是地球外部来源的能量，主要有太阳辐射能、日月引力能、重力能。外动力地质作用的范围只限于地表表层几米至几公里深度以内。包括风化作用、水流、冰川等外表的地质作用。•矿物、岩石形成时有一定的物理、化学条件，通常是地下高温高压条件。当它们露出地表后，改变了物理、化学条件时，岩石、矿物稳定性将要受到破坏。岩石可以破碎，也可以化学分解，或形成新的矿物。•风化作用：由于温度的变化、大气(氧气)、水溶液以及生物的作用，使地表岩石或矿物在原地发生物理、化学变化的过程叫风化作用。•它发生以后，原来高温高压下形成的矿物被破坏，形成一些在常温常压下较稳定的新矿物，构成陆壳表层风化层，风化层之下的完整的岩石称为基岩，露出地表的基岩称为露头。第一节风化作用的类型•一、机械风化作用•二、化学风化作用•三、生物风化作用一、机械风化作用•岩石和矿物发生机械破碎而不改变其化学成分的风化作用，称为机械风化作用，它是由于温度变化及岩石空隙中水和盐分的物态变化引起的，作用方式主要有：•1.岩石的热胀冷缩•2.岩石空隙中水和盐分的物态的变化1.岩石的热胀冷缩•岩石为热的不良导体，白天升温、晚上降温，导致内部温度的差异，使岩石内部产生引张力，使岩石产生裂缝；•岩石是不同矿物的集合体，不同矿物的热膨胀系数不同，岩石升温产生不均匀膨胀，使岩石产生裂缝。•既是同种矿物，由于矿物排列的方向不同，也会产生差异膨胀，从而导致岩石开裂。原因：2.岩石空隙中水和盐分的物态的变化•冰劈作用:岩石裂隙充填有地表水及地下水，这些水当温度降至０℃时结晶冰，结冰的过程就体积膨胀的过程,对裂隙周围产生压力使裂隙扩大，如果冻结和融化反复交替进行就必然使裂隙增多扩大最终岩石崩裂。•盐结晶时体积膨胀。冰劈作用:实质是冻融交替。•昼夜温度在０℃上下，波动的地区，岩石的冰劈作用最为强烈；•长年寒冷的地区水终年结冰，冰劈作用并不很强烈。2.岩石空隙中水和盐分的物态的变化盐分结晶的撑裂作用•潮解性盐类夜晚吸收水分、溶解，白天在阳光蒸发下结晶对岩石产生。这样交替反复进行而使岩石碎裂。盐类结晶造成的干裂美国二、化学风化作用•氧、水溶液不仅使地表附近的岩石发生破碎，而且使它们的化学成分发生改变，这就是化学风化作用。通过化学反应，使那些在地表条件下不稳定的矿物变成另一种新的矿物(它适应地表环境)。化学风化作用的主要方式•1．溶解作用•2.水化作用•3．水解作用•4.碳酸化作用•5.氧化作用1．溶解作用•水是溶剂，含有O2，CO2等酸碱物质，具较强溶解能力，能溶解岩石中的大多数矿物。•不同的矿物有不同的溶解度。方解石白云石橄榄石辉石角石长石石英•水的温度、压力以及pH值等因素的变化对矿物的溶解度影响明显。风化产物：离子，胶体，难溶物质。2.水化作用有些矿物与水作用时，能吸收一定量的水分子到晶格中，形成含水分子的矿物。如：CaSO4+2H2O→CaSO4·2H2O(硬石膏)(石膏)3．水解作用•强酸弱碱或强碱弱酸的盐类矿物，遇水后发生水解并与OH-、H+反应生成新的矿物。如：4K(AlSi3O8)+6H2O→Al4(Si4O10)(OH)8+8SiO2+4KOH(钾长石)(高岭石)Al4(Si4O10)(OH)8+nH2O→Al2O3.nH2O+4SiO2+4H2O(高岭石)（铝土矿）在溶液中，强碱弱酸盐，强酸弱碱盐或弱酸弱碱盐电离出来的离子与水电离出来的H+与OH-生成弱电解质的过程叫做盐类水解盐类总是由阴阳离子构成的。如果阳离子来自强碱、阴离子来自强酸，它就是强酸强碱盐。如果阳离子来自强碱、阴离子来自弱酸，它就是强碱弱酸盐。•盐酸、硫酸、硝酸是强酸，碳酸、醋酸等是弱酸；•氢氧化钠、氢氧化钾是强碱，氢氧化铁、氢氧化铜是弱碱；•盐是酸碱中和的产物，强酸跟弱碱反应生成的盐叫强酸弱碱盐，强碱跟弱酸反应生成的盐叫强碱弱酸盐。水解（风化）作用后的花岗岩马达加斯加4.碳酸化作用•溶于水中的CO2形成CO32-、HCO3-离子与矿物中金属离子结合成易溶的碳酸盐类，随水流失，原有矿物分解成新矿物残留。•4K(AlSi3O8)+4H4O+2CO2→Al4(Si4O10)(OH)8+8SiO2+2K2CO3(钾长石)→(高岭石)•CaCO3+H4O+CO2→Ca(HCO3)2(碳酸钙)(重碳酸钙)5.氧化作用•矿物中元素与氧结合，形成新矿物。如：2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+2H2SO4→Fe2(SO4)3+4Fe(OH)3黄铁矿→硫酸亚铁→硫酸铁→褐铁矿•矿物中的变价元素从低价变成高价：如：4Fe3O4+O2+18H2O→12Fe(OH)3磁铁矿→褐铁矿铁帽氧化带金属硫化物矿脉铁帽与地下矿藏三、生物风化作用生物的生命活动过程和尸体腐烂分解过程对岩石的破坏作用。有机械和化学两种方式：生物物理风化作用生物化学风化作用生物物理风化作用生物活动使岩石机械破坏：•１.根劈•２.动物钻洞、挖土•３.人类活动生长在岩石裂隙中的植物，随着根系不断地长大，对裂隙壁产生挤压，使岩石裂隙扩大，从而引起岩石破坏，这种作用称根劈作用。生物化学风化作用植物和细菌在陈代谢中常常析出有机酸及CO2。这些物质一方面酸化土壤，另一方面腐蚀岩石。生物死亡后，腐烂分解形成一种腐植质(胶状的物质)，是一种有机酸，对岩石起腐蚀作用。地壳表层岩石经机械破碎，化学风化后形成的松散物，再经过生物的化学风化作用，增加了有机物质－腐殖质，这种具有腐殖质、矿物质、水和空气的松散物质叫做土壤。各种风化作用的关系•同时发生、相互影响、互相促进的•物理风化使岩石破碎，表面积增大，有利于水溶液的渗透，为化学风化提供了良好的条件。•化学风化溶解了岩石中易溶物质，改变了岩石的物理性质（致密疏松）从而加速了物理风化的进行。生物风化则总是与各种物理化学风化作用配合发生的。•但在不同的自然条件下表现的风化类型的强弱、主次程度不同。第二节影响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和组成岩石的矿物性质。•一、气候条件•二、地形条件•三、岩石性质一、气候因素•气候通过气温、降雨量、生物繁殖状况而表现。气候的分带性：由纬度、地势、距离海洋远近等控制。干冷地区：物理风化为主，程度差，速度慢，产物以岩石碎屑为主。湿热地区：化学风化为主，生物风化，程度高，速度快，矿物分解彻底。产物以大量残留粘土为主。气候影响到干冷地区温热地区地表温度低高降水量大降水性质固体雨水溶液性质酸性少酸性水生物活动状况少多已矗立于干燥的埃及3500多年，并保持完好的克雷帕特拉石柱照片克雷帕特拉石柱被搬移到空气污染的纽约75年后的照片二、地形条件的影响•包括地形的高度、起伏程度及坡向，具体影响到气候、风化产物的保存、日照、植被等条件。•山区地形条件影响最为突出。•由山顶到山脚不同海拨及气候有明显的垂直分带，因此形成不同高度，风化类型和风化程度不同。•山顶：物理风化强烈。•山脚下：化学风化生物风化为主。地势•陡：风化碎屑物很快剥蚀掉，易于物理风化的进行。•缓：生物风化与化学风化为主。1.成分•(1)岩浆岩比变质岩和沉积岩易于风化。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。三、岩石性质不同矿物抗风能力不同（石英、方解石）•火成岩中抗风化能力增强与鲍温反应系列相反•单矿物岩石——抗物理风化能力强。•复矿物岩石——抗物理风化能力弱，有利物理风化。•不同元素具有不同的化学活性，性质活泼的元素易化学风化；•同种元素在不同的化不物中风化性质不同：石灰岩中的Ca易风化，斜长石中的Ca难风化。石英橄榄石辉石角闪石黑云母基性斜长石中性斜长石酸性斜长石钾长石白云母鲍温系列—矿物析出顺序矿物逐渐析出抗风化能力逐渐增强•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。差异风化作用，相对坚硬的岩石形成突起的地形•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，它是物理风化为和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。节理与风化球状风化的过程第三节风化壳及其研究意义•1.岩石经风化后部分易熔物质被水带走流失，余下的碎屑岩和化学风化中形成的一些新矿物便残留原地，这些残留在原地的风化产物称残积物。•残积物的矿物组成、化学成分、颜色与下伏地层(原岩)有一定的关系，它们常具有棱角，无分选性，无层理，向下逐渐过渡到基岩，在存在生物活动的地区，残积物顶部发育成土壤。•风化壳：残积物和土壤在大陆地壳表层构成一层不连续的薄壳，称之为风化壳。2.风化壳可由一层残积物组成，也可由几层风化分解程度不同的残积物组成，而且层与层之间常逐渐过渡而无明显分界线。由于风化作用以地表最强烈，并向深处减弱，故具垂直分带。一个完整的风化壳在剖面上，从下往上可分为以下几层：•层1：未经风化的基岩。•层2：半风化层，岩石机械破碎成碎块。•层3：残积层，物理和化学风化，由下而上，风化程度由浅至深，碎屑颗粒由大变小。•层4：土壤层，经受长期物理风化、化学风化和生物风化作用，形成土壤。在没有生物风化作用的地区土壤层缺失。风化壳的组成•3.风化壳的厚度和成分因地而异，一般潮湿炎热气候区，风化壳厚度大，并有可能形成Fe，Mn，Al，Ni等残积矿床(风化壳型矿床)，干旱地区风化壳薄，常仅数十厘米且结构简单。•古风化壳：风化壳若为后来沉积物所覆盖，则称为古风化壳。4.风化壳的研究意义•(1)地壳运动与古地理：长期稳定或隆起，风化壳得以充分发育，古风化壳代表古代沉积间断，发育构造运动。•(2)古地理：陆地，不同气候条件，风化壳特征不一。•(3)矿产：残余型矿床，残积砂矿床(金、金刚石)。•(4)工程建设：对近代埋藏的风化壳应填重对待。某水库工程对风化壳厚度估计不够，蓄水后坝下渗漏严重。复习九、风化作用•风化作用的概念•风化作用类型（机械风化、化学风化、生物风化），具体的类型•影响因素：气候、地形、岩石性质•残积物、风化壳、风化壳剖面、矿产