第三章风化作用与坡地重力地貌

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第二节坡地重力地貌第一节风化作用与风化壳•一、风化作用及其类型•二、影响风化作用的因素•三、风化作用的产物一、风化作用及其类型一、风化作用及其类型•（一）风化作用的概念•风化作用是指出露地表或接近地表的岩石和矿物，由于受到气温、大气、水及生物等因素的影响，使它们在原地发生分解和破坏的过程。一、风化作用及其类型风化作用实质上表现为一系列崩解和分解崩解：岩石由大块变成碎块，再渐变成细粒，其形状和大小改变了，但化学成分不发生变化。分解：岩石风化过程中化学成分发生变化（二）风化作用的类型1、物理风化2、化学风化3、生物风化一、风化作用及其类型（二）风化作用的类型1.物理风化：又称机械风化或崩解，它是一个岩石由整体破裂为碎屑，裂隙、空隙和比面积增加、物理性质发生显著变化而化学性质不变的过程。物理风化的作用方式（1）岩石的释荷（2）岩石的热胀冷缩（3）水的冻融（4）生物活动（1）岩石的释荷物理风化的作用方式在地下深处的岩石承受巨大静压力，其潜在膨胀力是十分惊人。岩石从地下深处变到地表条件时由于上覆静压力减小而产生张应力形成一系列与地表平行的宏观和微观的内部破裂面。形成这种裂隙构造的作用称为剥离作用。岩石的释荷层状剥落（2）岩石的热胀冷缩——温度风化物理风化的作用方式由于昼夜温差和季节温差的影响造成岩石发生不均匀的热胀冷缩而引起的。岩石通常是由多种矿物组成的，不同的矿物具有不同的膨胀系数，在温度变化过程中会导致岩石中矿物之间的结合力减弱，最终松弛崩解。即便是成分较为均一的岩石，由于存在着岩石的各向异性，甚至是晶格结构的差异，也可以造成热胀冷缩的差异，导致岩石的风化。温度风化在温差大的地区最为强烈，特别是昼夜温差大、空气干燥、缺少植被地地区，因此温度访华沙漠地区最为盛行。温差风化过程温差大的地区，在白天当太阳光直射时，岩石表层增温而膨胀，而内部膨胀小甚至未发生变化。到了夜晚气温骤降，岩石表面收缩。这样使其岩石表面与内部产生应力差。这种应力差就会使岩石破裂。（3）水的冻融——冻结风化(冰劈作用)物理风化的作用方式•水在冻结过程中由于密度降低，体积增大，会产生巨大的破坏力。•当水进入岩石的孔隙或裂隙中，如果产生冻结过程，其相应的膨胀力可以导致岩石发生解体。•尤其是周期性的冻结作用，很容易把岩石破坏成较小的块体，这种风化作用称为冻结风化。•主要发生有高纬度及高山区冻结风化示意图当温度下降到摄氏零度以下时，贮藏在地表岩石空隙中的液态水就会结冰，因结冰后其体积将增大1／11左右，故在岩石空隙中产生巨大的膨胀压力（冰劈作用），造成岩石的崩裂。花岗岩物理风化及冰楔在冰岛南部的一块岩石因冻融风化而分解岩石遭受冻结风化的现象矿物的水分与结晶膨胀作用盐结晶作用引起的蜂窝状风化由于岩石裂隙中的盐类反复结晶、潮解，使岩石崩解的作用。多发生在干旱及半干旱地区。建筑物上的石头的盐风化沙岩上的盐风化，位于阿塞拜疆上的科布斯坦盐类结晶造成的干裂美国（4）生物活动物理风化的作用方式•植物的根系和掘地动物对岩石也会产生物理风化作用。•随着树木的生长，其根系越来越大，同时对岩石的裂隙壁产生了极大的作用力，就像楔子一样将岩石沿裂隙劈开，造成物理风化。•各种掘地动物，如啮齿类动物、蠕虫动物等，也会产生机械作用。黄山的迎客松就生长在岩石的裂缝中（二）风化作用的类型2、化学风化是指岩石在大气、水与生物作用下发生分解进而形成化学组成与性质不同的新物质的过程。化学风化的作用方式（1）水化作用（2）水解作用（3）溶解作用（4）氧化作用（1）水化作用（hydration)•水与一些不含水的矿物结合，把水分子结合到矿物的晶格中的作用。•水分子在矿物晶格中成为结晶水，只有在高温下才能分离出来，因而原矿物就变成含水的新矿物。化学风化的作用方式赤铁矿褐铁矿Fe2O3+nH2OFe2O3·nH2O硬石膏石膏CaSO4+2H2OCaSO4·2H2O化学风化的作用方式水化作用的结果•增大矿物的体积•增大对围岩的的压力•导致矿物的硬度降低，从而削弱岩石抵抗风化作用的能力化学风化的作用方式（2）水解作用(hydrolysis)在水中电离的矿物阴离子或阳离子与H2O离解成的H+和OH-相互结合，形成难电离的弱电解质的过程。碳酸化作用：有CO2参与的水解反应化学风化的作用方式水解作用的实例4K[AlSi3O8]+6H2OAl4[Si4O10](OH)8+8SiO2+4K(OH）钾长石高岭石蛋白石胶体Al4[Si4O10](OH)8+nH2O2Al2O3+4SiO2+4H2O高岭石铝土矿水解作用的结果水解作用导致岩石和矿物的破坏。水解时OH-离子与金属阳离子一起进入海洋，而H+则与铝硅酸络阴离子结合生成难溶解的粘土矿物，残留在大陆。化学风化的作用方式（3）溶解作用(solution)岩石中矿物溶解于水而产生分解的过程。卤化物、硫酸盐、碳酸盐等矿物易溶于水，常见是碳酸盐矿物溶于含CO2的水溶液中，发生碳酸盐化作用。如CaCO3(方解石)+H2O+CO2Ca(HCO3)2化学风化的作用方式溶解作用是化学风化过程的一种常见的形式。含有CO2或者其他酸性气体的水，可以使岩石发生溶解。对于一些蒸发盐类，如石膏、岩盐等，水的溶解作用表现尤为明显。溶解作用溶解作用起重要作用的地区（4）氧化作用(oxidation)矿物与大气或水中的游离氧反应，生成氧化物的过程。4FeS2(黄铁矿)+19O2+mH2O2Fe2O3•nH2O+8H2SO4化学风化的作用方式铁帽（gossan）的形成•黄铁矿（FeS2）氧化生成FeSO4（硫酸亚铁）•FeSO4继续氧化生成Fe2(SO4)3（硫酸铁）•Fe2(SO4)3是强酸弱碱盐，易水解成Fe(OH)3沉淀•Fe(OH)3脱水形成褐铁矿铁帽氧化带金属硫化物矿脉铁帽与地下矿藏•化学风化作用残留物的特点：–松散–出现富铁、铝、硅的化合物，如褐铁矿、铝土矿、高岭土、蛋白石等。3、生物风化（二）风化作用的类型生物的生命活动引起岩石的分解。分类：生物物理风化作用：指生物活动导致岩石机械破坏的作用。生物化学风化作用：生物在新陈代谢过程中产生的分泌物和生物死亡后的遗体腐烂的分解产物使岩石分解破坏的作用。生物物理风化作用根劈作用与人有关的生物物理风化作用地衣二、影响风化作用的因素•（一）气候因素•（二）地形因素•（三）岩性因素•（四）地质构造因素二、影响风化作用的因素气温降雨生物活动（一）气候因素大气候影响干冷地区温热地区地表温度低高降水量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少（一）气候因素潮湿炎热地区–降水量大，生物繁茂，生物的新陈代谢和尸体分解强烈。–该过程产生大量有机酸，以酸性作用为主。–化学风化和生物风化十分强烈，速度快，矿物分解彻底。（一）气候因素干冷地区：物理风化为主，程度差，速度慢，产物以岩石碎屑为主。以碱性作用为主（一）气候因素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–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–山顶：物理风化强烈。–山脚：化学风化生物风化为主。（二）地形因素地势（二）地形因素•陡：风化碎屑物很快剥蚀掉，易于物理风化的进行。•缓：生物化学风化为主。–岩性影响–三大岩类抗风化的能力排序•沉积岩：•碎屑岩化学岩、生物岩•岩浆岩：•酸性岩（花岗岩）基性岩（玄武岩）•变质岩：•浅变质深变质（三）岩性因素花岗岩（岩浆岩）石灰岩（沉积岩）–不同矿物抗风能力不同–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。（三）岩性因素–岩石的结构•岩石结构较疏松的易于风化•不等粒结构易于风化•粒度粗者较细者易于风化；•孔隙式胶结较基底式胶结易于风化•胶结物成分：SiCa泥•层理发育容易风化（三）岩性因素•地质构造不同部位抗风化能力不同–构造裂隙发育的岩层利于风化•斜顶部：张裂隙发育•断层带两侧：节理裂隙（四）地质构造因素节理：岩石受力发生破坏后，破裂面两侧岩块未发生显著位移的构造。断层：岩石受力被破坏后，破裂面两侧岩块发生了显著位移的断裂构造。节理与风化三、风化作用的产物土壤残积层基岩风化壳土壤岩石经过物理风化作用、化学风化作用之后，再经过生物风化作用，形成具有矿物质、腐殖质、水和空气的松散堆积。残积物岩石经过长期风化作用后，形成一些在地表条件稳定的产物，（多为铁、铝的氧化物）残留原地。（一）风化壳由岩石风化的残积物和土壤构成的覆盖在陆地上的不连续薄壳。三、风化作用的产物•（二）风华壳形成条件•1、有利于风化作用持续进行的气候、岩性和构造条件。•如高温多雨，温差大，岩石多节理、裂隙，构造破裂等；•2、有利于风化产物残留原地的地貌、植被、水文与地质条件。•如地势起伏和缓，地貌稳定，植被覆盖高，地表流水侵蚀弱，地下水流动显著且地下水位低。三、风化作用的产物（三）风化壳的基本特征1、风化壳空间上分布呈不连续性，厚度差异也很大，厚者可达100~200m，薄者不足1m；2、组成物质以粘土和碎屑为主，也可包括少量残存液体；3、结构疏松，表层分散性强，分解程度高粒径细，中下层相反，但不具有类似沉积岩的层理；4、发育和保存均较好的风化壳，可以划分强度风化，中度风化和微风化三个层带。三、风化作用的产物71第一层为土壤层，成分为粘土矿物和腐殖质。完整的风化壳在剖面第二层为残积层(近土壤层)，不含腐植质，由粘土矿物或其它风化产物组成。第三层为半风化岩石层，岩石已碎裂，但成分与下伏岩石相同。第四层为基岩，未风化岩石。72根据残积物和土壤所含化学元素的不同可以划分为：•含盐风化壳碳酸盐风化壳硅铝型风化壳•铁铝型风化壳碎屑风化壳渍水离铁风化壳•风化壳所含化学物质不同，直接影响土壤酸碱性、粘性、透水性等。三、风化作用的产物岩屑型风化壳碳酸化风化壳砖红土型风化壳（四）风化壳基本类型及其分布1、热带，亚热带地区（发育成熟）富铝型酸性和硅铝铁酸性风化壳（高度化学风化）2、温带森林带（发育中期）硅铝粘土型弱酸性风化壳（中度化学风化）3、半湿润半干旱森林草原（发育早期）碳酸盐型中性至微碱性风化壳（轻中度化学风化）4、干旱区（发育初期）碱性风化壳（以物理风化为主，化学风化很弱）5、高寒区与极旱荒漠区－－残积粗岩屑型三、风化作用的产物第二节坡地重力地貌一、坡地重力地貌基本概念二、块体运动的基本原理三、几种重力地貌（块体地貌）第二节坡地重力地貌（一）重力地貌坡面上风化碎屑和不稳定岩体、土体主要在重力并常有一定水分参与作用下，以单个落石、碎屑流或整块土地、岩体沿坡向下运动所导致的一系列独特的地貌。（二）块体运动岩体和土体在重力作用及地表水地下水影响下沿坡向下运动称为块体运动。一、坡地重力地貌基本概念二、块体运动的基本原理K＝T/＝（N·tgφ＋C·A）/GsinθK1，块体稳定；K1，块体稳定，发生运动；K＝1，块体处在极限平衡状态N为斜坡所受正压力；C为块体粘结力；A为块体与坡面接触面积；φ为块体内摩擦角三、几种重力地貌（块体地貌）•根据斜坡上的块体运动的运动速度和运动方式，分为：–滚落作用–滑动作用–流动作用三、几种重力地貌（块体地貌）重力作用类型运动速度特征运动方式主要影响因素常见类型流动作用多数缓慢土层流动，没有明显的滑动面气候、松散堆积物、坡度泥流、蠕动滚落作用快速坠落、翻滚坡度、坡高、岩石节理发育、岩性崩塌、撒落滑动作用多数慢滑动，有明显的滑动面坡度、坡高、岩性，存在软弱面、气候滑坡斜坡重力作用分类表崩塌错落撒落滚落滑坡滑动泥流土层蠕动片流流动斜坡重力作用三、几种重力地貌（块体地貌）（一）泥流•斜坡上的厚层风化产物被水浸润饱和后，在重力作用下，顺斜坡向下流动的现象。–热带、温带发生于暴雨集中区，坡度20-40之间。–寒冷气候区：形成融冻泥流。地貌类型：泥流阶地、泥流阶地群、融冻泥流阶地堆积物：泥土与碎石混杂，无分选