第三章风化作用与坡地重力地貌

1第三章风化作用与坡地重力地貌第一节风化作用与风化壳一、风化作用岩石的风化是地表常见的一种自然地理过程，几乎到处都能发生。无论怎样坚硬的岩石，一旦出露或接近地表，直接与水圈、大气圈、生物圈接触，在地表的物理和化学环境作用下，都会逐渐发生疏松、崩解和化学成分的改变，变成大小不等的岩屑和土层。岩石发生物理的和化学的变化称为风化。引起岩石变化的作用称为风化作用。风化作用的实质就是岩石本身离开地壳深处高温、高压的条件，在出露或接近地表后，为了适应地表常温、常压的新环境而必然发生的一种变化过程。通常把风化作用分为物理、化学和生物风化作用三种。因为生物风化对岩石的破坏效应，可以纳入物理的或化学的过程，所以，我们下面分物理与化学风化作用来论述。应当指出的是，各种风化作用彼此都是相关的。（一）物理风化作用物理风化作用是指岩石发生物理疏松崩解等机械破坏过程，一般不引起化学成分的改变。引起岩石崩解成碎屑，有以下几方面的原因。1．因岩石xièhé卸荷释重而引起的剥离作用：岩石卸荷释重而引起的剥离作用，是指形成于地壳深处的岩石，后来受到地壳运动的抬升，上覆的岩层逐步被蚀去，释放了原来受压的应力，由此而引起岩体膨胀。当膨胀超过了弹性限度之后，岩石就会发生破裂而产生许多可见的裂隙或隐伏的纹理，称为卸荷裂隙。这种作用称为剥离作用，在花岗岩分布地区最为常见。卸荷裂隙多发生在岩体表层，这种裂隙大致平行于地表，有人称其为席状节理。它的厚度从十几厘米到几米不等，深处厚度大，愈近地表裂隙愈薄、愈多（图３－１）。有时卸荷裂隙沿较陡的河谷谷坡发育，这是因河流深切，使岩体发生侧向应力释放的结果。2．外来晶体在岩石裂隙中的挤压作用：存在于岩石裂隙中的水，在气温达到冰点凝固结冰时，体积膨胀，比原来增大９％左右。它对裂隙周边壁施加很大压力，使岩石裂隙加宽、加深。当冰再融化时，水沿扩大了的裂隙向更深处渗入，再次冻结。如此反复进行，就好像劈木材的楔子，不断使裂隙加深加大，以至把岩石崩解成碎块，故这种冰胀作用也称为冰楔作用。冰楔作用对岩石的破坏，以气温日变化经常在0℃上下的亚寒带潮湿地区或高山顶部雪线附近最为显著。那里也常常散布着大量的风化岩屑碎片（图３－２）。岩石裂隙中的水，常常溶解着大量的矿物质，一旦水分蒸发，溶液浓度逐渐达到饱和，便结晶成盐类。这时体积增大，产生膨胀压力，也可以使岩石迅速崩解。地表上纯净的雨水是不存在的，任何雨水都是含有溶解质的水溶液，特别在污染严重的大城市和工业区，雨水常常成稀薄的酸雨，它对石灰岩、大理石建筑物有强烈的腐蚀作用，发生化学反应成为石膏。而石膏的结晶作用，使岩石薄片状崩解下来，这种作用应属于机械风化作用，但它又是化学作用的反映。美国国家标准局曾进行有趣的冻融破坏与盐分结晶破坏的对比试验，如果把一块花岗岩，经过5000次反复冻结和融解，岩石才发生微小的崩解现象。但是同样的花岗岩块浸泡在饱和的硫酸钠溶液中17小时，然后在105℃的温度下，干燥7小2时，如此反复进行42次，花岗岩便发生崩解。这是由于蒸发促使水溶液过饱和，受盐类的结晶产生的破坏作用。3.因温度变化而引起岩石体积发生膨胀与收缩作用：因温差变化，致使岩石体积膨胀收缩而引起岩石的破坏，主要是温度变化的速度，而不在于温度变化的幅度。温度变化愈快，岩石破坏也愈迅速，所以受日温差影响较大，受年温差影响较小。在干旱、半干旱沙漠地区，岩石表面的温度可超过60℃，那里岩石的物理风化作用最强烈。岩石白天在太阳照射下，由于比热容小，表层很快灼热增温，产生热力膨胀，但是岩石又是热的不良导体，岩石表层以下增温很慢，在岩石表层其下层之间便出现了极大的瞬时温差（在深达1～2ｍ，有时可相差数十度），由于岩石表层与下层热应力引起的膨胀变形量不同，因而产生了它们之间的张应力差别。夜间正相反，表层散热快，迅速发生体积收缩，下层散热慢，还大体保持原来的体积，两者之间不同步变形，日久天长，岩石经过张应力、压应力频繁作用，加之岩石是脆性固体，一旦超过岩石的强度极限，岩石就会产生许多风化裂隙。这些大致与表面平行的裂隙，使岩石表面发生层状剥落。当它与垂直裂隙组合在一起时，会使岩石发生块状崩解（图3-3）。岩石是矿物的集合体。各种矿物的热力膨胀系数不同，如在50℃时，长石的膨胀系数是1.7×103，石英为3.53×103，角闪石为2.84×103。即使是由单一矿物组成的岩石，其各方向的膨胀系数也都不同。如石英、长石等晶体沿某些晶轴方向的线膨胀系数为其他晶轴方向的20倍，再加上矿物之间颗粒大小、颜色深浅的不同，当日温差发生剧烈的变化时，各种矿物膨胀变形量不同，削弱了彼此之间的凝聚力，它们就逐步崩解为松散状态的矿物颗粒或岩屑。在沙漠旅行过的人，到了夜晚可以听到石头因热力崩解破裂而发生的爆裂声，有人也曾直接观察到沙漠中大块石英岩或砾石发生裂开的现象。但是令人奇怪的是，在实验室中还没有人做出过纯粹因热力作用会使岩石发生崩解的满意结果来。有人用3立方英寸（约49ｃｍ３）的花岗岩块，加热到142℃，然后降温冷却到30℃，以15min为一次计，共进行了89400次反复试验（亦即相当于244年的昼夜温度变化）之后，发现即使在显微镜下，岩石仍无任何变化。后来改变实验方法，当岩石降温冷却时，立即在表面浇上冷水，这样经过10天试验（亦即相当25年）之后，岩石发生碎裂。试验结果有力证明，岩石发生热力崩解碎裂是水参与下的结果。有的研究者认为，即使在日温差很大的干旱、半干旱地区，水分（特别是凝结水）所起的化学风化作用，也是引起岩石破坏的重要原因。化学风化先破坏了岩石的结构，才使机械风化作用能继续发展。在具有等粒结构的厚层砂岩或岩浆岩地区，风化过程常由节理先把岩石分割成块状，而后的物理风化特别集中在节理的棱角部位，因这些部位岩石的温差变化最大且最迅速，所以最易受剥落。棱角的逐渐剥落使石块圆化而形成石蛋地形。在岩浆岩地区由于物理与化学风化综合作用的结果，可以使岩块呈同心圆状薄层脱落，这种现象称之为球状风化（图3-4）。4.生物活动对岩石机械风化作用的影响：树根沿岩石裂隙生长，楔入岩隙，扩展裂隙，把岩石挤开，这种作用称为根劈作用。植物的支根、须根等细小根系，可以在岩石裂隙中盘根错节，甚至深入到极细的裂隙中去，使岩石破坏加速。生活在地下的大小动物，往往把地下的土层、岩屑翻到地面上来，有人估算，在热带每英亩（约0.405hm２）可以有１５万个如蚯蚓qiūyǐn等各种小动物，每年能够翻土10～15ｔ。也有人描述过非洲荒漠草原的大蚂蚁mǎyǐ，到处修筑高大3巢穴，形成一种特殊的微地貌。因此，如果以地质年代来度量，生物活动的机械破坏力量也是不可忽视的（图3-5）。（二）化学风化作用位于地表的岩石在水、大气、生物的相互作用下发生氧化、溶解、水解、水化等一系列化学反应，因而改变了岩石的物理性质和化学成分，甚至形成新的矿物，破坏了原来岩石的结构，使岩石疏松甚至逐渐变成松散的土层，这种作用称为化学风化作用。在地下高温、高压条件下形成的岩石，当它逐渐接近或暴露出地表时，也会因发生散热的化学反应而风化，产生具有低密度和较大体积的新化合物。所以，化学风化作用同样可以看做岩石为了适应地表常温、常压新环境而改变化学成分和性质的一种过程。如按矿物化学风化难易程度排成风化序列，发现风化序列与矿物在岩浆中的结晶顺序相对应。结晶时温度的高低，与化学风化的难易有极密切的关系。以硅酸盐矿物为例，最先结晶的高温矿物如橄榄石，最易风化；其次是比较低温结晶的矿物如长石，化学风化较慢；最后结晶的是石英，它抵抗化学风化能力最强。岩石经过长期化学风化后，其他矿物已逐步被风化分解，最后残存石英颗粒形成石英砂。石英砂不仅物理和化学性质稳定，而且也耐腐蚀，故在河床、海滩和沙漠中大量富集。影响化学风化的因素很多，最重要的是水、大气和温度。水是地表化学风化过程中最活跃的因素，没有水，化学风化几乎无法进行。大气中的Ｏ２、ＣＯ２等也与岩石发生活跃的化学风化作用。温度可以加速化学风化过程，据测定，当温度提高10℃时，水解化学反应可以加快2～2.5倍。化学风化作用可以分为溶解作用、水解作用、水化作用、碳酸盐化作用、氧化作用、生物化学风化作用等许多过程。1.溶解作用：溶解作用是指水对矿物的直接溶解。溶解的速度虽然很慢，但在很长时间的作用下，许多难溶的矿物也能逐渐被溶解，随后渗入地下而成为壤中水和泉水的化学成分，实测发现，地下水中的溶解物质要比一般的雨水中的含量大大增加。由于各种矿物的化学性质不同，它们的溶解速度也不一样。常见的造岩矿物，按其溶解度的大小排列顺序如下：食盐＞石膏＞方解石＞橄榄石＞辉石＞角闪石＞滑石＞蛇纹石＞绿帘石＞长石＞黑云母＞白云母＞石英。因此，溶解作用对于由方解石、石膏等易溶性矿物组成的岩体破坏性很大。溶解度愈大的矿物，愈易被水溶解淋滤带走。溶解作用即使在半干旱地区也是存在的。地下水溶解了易溶的盐类，流到低洼处，由于蒸发作用，盐类被沉淀下来，形成碱地、盐滩或盐湖。化学性质稳定、难溶解的矿物则残留在原地，成为残积物。由于溶解作用增加了岩石的孔隙，破坏了岩石的结构，削弱了岩石抵抗风化的能力，有利于物理风化的进行。2.水解作用：水解作用是指矿物与水发生反应而分解的作用。纯水是中性的，但仍存在游离的Ｈ＋和ＯＨ－离子。它们能使一些弱酸强碱或强酸弱碱的盐类矿物在水中出现离解，其离子能和水中的Ｈ＋和ＯＨ－结合产生新的矿物。陆壳中花岗岩分布最广。所以，长石的水解反应也是地表最普遍的化学风化作用。正长石水解反应化学方程式如下：Ｋ２Ｏ·ＡＩ２Ｏ３·６ＳｉＯ２＋３Ｈ２Ｏ→ＡＩ２Ｏ３·２ＳｉＯ２·２Ｈ２Ｏ＋２ＫＯＨ＋４ＳｉＯ２正长石高岭土在热带、亚热带气候条件下，二氧化硅常常呈胶体状态，它和氢氧化钾一起4随水逐渐流失，而次生矿物高岭土则残留在原地。3.水化作用：水化作用是指水与一些不含水的矿物相化合，水参与到矿物的晶格中去，改变了原来矿物的分子结构，形成新的矿物。如硬石膏经水化作用形成石膏。ＣａＳＯ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣａＳＯ４·２Ｈ２Ｏ硬石膏石膏水化作用的结果，不仅使其物理性质有很大改变，如硬度变小、密度降低等，而且引起体积膨胀。如硬石膏水化成石膏后，体积要膨胀３０％，从而加速了岩石的物理崩解。正长石风化形成黏土的水解作用，再加上黏土矿物水化作用引起的体积膨胀，也是花岗岩发生风化崩解的重要原因。花岗岩经风化后，形成由石英颗粒及长石组成的强度很低的风化物，被称为腐花岗岩（ｇｒｕｓ）。有些黏土矿物视其环境潮湿程度，可以反复发生水化与失水作用。雨后吸收水分，体积膨胀呈可塑状态，在气候干燥时又失水，体积收缩形成非常坚硬的黏土，并且产生龟裂①。这种“膨润黏土”常常给工农业生产建设带来许多麻烦。4.碳酸盐化作用：雨水从大气中溶解了相当多的CO２，所以带酸性。当水分渗入地下，从植物的腐殖酸中获得更多的CO２。碳酸与岩石中的金属离子发生反应形成碳酸盐，这种作用称之为碳酸盐化作用。参加反应的金属离子主要从硅酸盐矿物分解而来。例如，正长石经过水解作用后，可产生氢氧化钾，如与碳酸相遇，即可产生易溶的碳酸钾随水流失。析出的SiO2呈胶体状，也随水流失，部分形成蛋白石。残留的是难溶解的高岭石。其化学反应为：２ＫＡｌＳｉ３Ｏ８＋２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２→Ｈ４Ａｌ２Ｓｉ２Ｏ９＋Ｋ２ＣＯ３＋４ＳｉＯ２正长石高岭石碳酸盐化反应在石灰岩地区最为明显。构成石灰岩的主要矿物成分是方解石（CaCO３），它在纯水中溶解速度较慢，但在含碳酸的水溶液中，就能发生快速反应：ＣａＣＯ３＋Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２→Ｃａ（ＨＣＯ３）２方解石重碳酸钙上式中的重碳酸钙，在水中要较碳酸钙易溶３０倍，所以使石灰岩能够迅速溶解，以致形成地上和地下的各种喀斯特地貌。大多数石灰岩都含有某些不易溶解的杂质，例如，黏土和石英砂等。当石灰岩被充分溶解后，残余杂质就在原地堆积，其中铁质矿物成分因氧化而变成红色，所以很多石灰岩溶蚀洼地中都有红色黏土堆积。5.氧化作用：氧是强烈的氧化剂。它经常是在水与水汽的参与下，通过空气和水中游离氧进行氧化作用。温度愈高，氧化作用愈强。许多变价元素在地下缺氧条件下常常形成低价元素的矿物，出露到地表