风化作用和斜坡地貌
风化作用

一、概述
　　深部形成的岩石，一旦接近或出露地表，在太阳辐射下，与水圈、大气圈和生物圈接触，物理化学环境改变，在原地分解破坏，使其它外力作用得以顺利进行。因此，风化作用是外力作用的序幕。自然界中，风化作用虽然是缓慢的，潜移默化的，但是却无时不在、无时不有，古老石碑上的文字会变得模糊不清，古代帝王将相树碑立传，以图永存，也难逃风化消失的“厄运”。工业化进程加快的一百多年以来，大量CO2、SO2、NO2进入大气，酸雨问题日益严重，世界各地的古文化遗迹遭受了前所未有的快速腐蚀破坏，已经引起了广泛关注。

　　战国时期的《管子》中就有“山上有赭，其下有铁”的论述，说明中国在两千多年前，就已经认识到铁矿和“铁帽”之间的关系，这恐怕就是人类对风化作用的最早认识。西方学者对风化作用的认识见于赫顿（Hutton），普莱费尔（Playfair）（第四章）和贝克韦尔（Robert Bakewell, 1768-1843）等渐变论者的著作中，而灾变论者对风化作用并不重视，认为风化作用与其他地质作用相比，过于缓慢，微不足道。风化作用的详细研究，是在19世纪之后的事了。

二、风化作用定义
　　地表或近地表岩石和矿物，受温度变化、大气、水和生物作用，发生机械破碎或化学分解、在原地产生碎屑、形成新矿物的作用，称为风化作用（weathering）。

三、风化作用的类型
按风化作用的性质和类型分为：
1. 物理（机械）风化作用
　　地表岩石因温度变化、孔隙水的冻胀、盐类的结晶等，使岩石崩裂破碎，但化学成分不变，也不形成新矿物，称为物理风化作用（physical weathering or mechanic weathering）。
按物理风化作用方式（机理）又可进一步分为：

（1）岩石的热胀冷缩作用（the alternate expansion and contraction of rocks in response to extreme changes in temperature, thermal expansion exfoliation, or insolation weathering）
岩石与其他物质一样，会热胀冷缩，但岩石又为热的不良导体，表层与内部之间温差产生的张力，不同矿物膨胀系数不同产生的张力，均可使岩石出现裂缝，使岩石破坏剥落。据观察，沙漠地带昼夜温差可达40℃，岩石上午外热内冷，傍晚内热外冷，如此反复，最终使岩石破碎。

（2）冰劈作用（冻胀作用、冰楔作用）（frost wedging）
岩石裂隙中的水结冰，体积增加（结冰体积可增大9.2%），撑裂岩石（图9-1），其理与北方冬天水管受冻破裂相同。昼夜温差较大的高寒地区，更有利于冰劈作用的进行。

（3）盐类结晶的撑裂作用（salt wedging）
毛细管把可溶性盐类带进岩石裂隙中，水蒸发后盐类结晶（体积可增大0.5%左右），天长日久，晶体长大膨胀，使岩石破碎，其理类似冰劈。

（4）卸载（荷）作用（unloading or pressure releasing）
岩石、特别是岩浆岩形成于深部高压环境，当上覆岩石剥去后，压力减小，高压环境下形成的岩石膨胀产生层裂（exfoliation），发生卸荷作用。例如河谷深切于基岩或人工采石，都可产生卸荷作用，形成的裂隙称为卸荷节理（unloaded joint），常常平行自由面方向。

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图9-1 冰劈作用示意
裂隙充水（左）结冰后膨胀撑裂岩石（右）

2. 化学风化作用
地表岩石在H2O、O2、CO2的作用下发生化学变化，并伴有新矿物的形成，称为化学风化作用（chemical weathering）。
化学风化作用的产物：新矿物（黏土、褐铁矿等）、矿物碎屑、离子和胶体、水、气体等。

化学风化作用的方式有：
（1）溶解作用（leaching）
含有O2、CO2等物质的水溶解矿物的作用。
矿物的溶解度从大到小：石盐，石膏，方解石，橄榄石，辉石，角闪石、滑石，钾长石，黑云母，白云母，石英。
溶解作用的产物：离子，胶体，难溶物质。

（2）水化（水合）作用（hydration）
 矿物吸收水，使水加入到自身晶格中，形成含水矿物。例如：
  CaSO4  +  2H2O      CaSO4• 2H2O
 (硬石膏)              (石膏)

（3）水解作用（hydrolysis）
    矿物遇水离解成离子，形成含OH- 的新矿物。例如：
4K(AlSi3O8) + 6H2O      Al4(Si4O10)(OH)8 + 8SiO2 + 4KOH
      (钾长石)                (高岭石)   （三水铝石）  

（4）碳酸化作用（carbonation）
溶解于水中的碳酸与矿物中的金属离子结合成易溶的碳酸盐而使矿物分解。例如：
    CaCO3+H2O+CO2      Ca(HCO3)
   （碳酸钙）          （重碳酸氢钙）
    重碳酸氢钙溶解度是碳酸钙的30倍。碳酸岩溶解后，不留下残留物。
  4K(AlSi3O8) + 4H2O+2CO2      Al4(Si4O10)(OH)8 + 8SiO2 + 2K2CO3
   (钾长石)                      (高岭石)

（5）氧化作用（oxidation）
 矿物中的元素与氧结合。例如：
   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，例如：
4Fe3O4 +O2  + 18H2O     12 Fe(OH) 3
    (磁铁矿)                   (褐铁矿)

　　易发生氧化作用的还有辉石、角闪石、黑云母等含铁矿物。三价铁矿物一般难溶于水，呈红色。南方气温高，有利于氧化作用的进行，所以，红土地是南方有别于北方的景观之一。

3. 生物风化作用
生物风化作用（biological weathering）指生物活动及产物对岩石所起的机械、化学破坏作用。
（1）根劈作用（root wedging）。
岩石裂缝中植物根系生长，犹如楔子，使裂缝扩大、岩石破碎；此外，在风吹动下，岩石裂缝中的树木摇动，犹如杠杆，也能使裂缝扩大、岩石破碎。动物也能产生机械风化作用，达尔文曾经观察到，松散物质被蚯蚓搬运的速率为2.5kg/m2﹒yr，从地质历史的尺度看，蚯蚓的机械搬运量是十分可观的。

（2）新陈代谢产物的破坏。
植物、动物和微生物在生长过程中，新陈代谢分泌出各种化合物（如碳酸、硝酸及多种有机酸）对岩石产生的腐蚀作用。研究发现，越低级的植物对岩石破坏作用越大，例如，地衣就极易使矿物分解，因为它们依赖岩石组分为营养（杜恒俭等，1981）。

（3）腐烂分解产物的破坏。
生物死亡腐烂分解，产生腐殖质，不但能促进植物生长，也能使岩石发生化学破坏。

4. 三种风化作用的关系
本质上说，实际上只有物理风化和化学风化两种基本作用。大石块有利于物理风化，结果产生裂缝，岩石破碎，表面积增加；表面积增加后，与H2O、O2、CO2等接触面积增加，有利于化学风化进行。物理和化学风化作用同时进行，密不可分。但是，风化作用早期，往往以物理风化为主，晚期，以化学风化为主，化学风化是风化作用的继续和深入。两种风化作用相辅相成，互相促进。

四、控制岩石风化与速度的因素
1. 气候
气候通过气温、降水量、降水形式及生物繁殖状况等方面表现出来。
思考：一般情况下，热带、亚热带地区化学风化作用较发育，温带、寒带则物理风化作用较发育，为什么？
不同气候条件下，即使岩性相同，抗风化能力也会不同。石灰岩在寒冷地区不形成喀斯特地貌，抗蚀力较强，表现为较难风化的“硬岩石”，花岗岩在湿热地区易发生化学风化，抗蚀力较弱，表现为易风化的“软岩石”。

2. 地形条件
 　　包括地形的高度、起伏大小及坡向，影响到气候、日照、植被以及风化产物的保存。一般而言，山上基岩裸露，以物理风化为主，奇峰异石，千岩竞秀，“无限风光在险峰”；山下植被茂密，土层肥厚，以化学风化作用为主，地形和缓。
　　思考：为什么山上以物理风化作用为主？山下以化学风化作用为主？

3. 岩石的特征
 （1）岩石成分
　　岩石的抗风化能力的强弱与所含的矿物成分和数量有密切关系。
　　火成岩中结晶越早的矿物越不稳定，抗风化能力与鲍文反应系列（第四章）的顺序相反；沉积岩形成于近地表，物理化学环境改变不大，总体而言稳定性高于火成岩；不同变质岩矿物成组合不同，抗风化能力差别较大。
　　不同类型矿物的抗风化能力为：氧化物和氢氧化物>硅酸盐>碳酸盐>硫化物>卤化物和硫酸盐。   
                  
（2）岩石的结构、构造
　　矿物大小、颗粒粗细、分选程度、胶结类型以及成层性等，也会影响风化作用进行。显然，粒度大、分选差、胶结弱、薄层岩石有利于风化。

（3）节理、裂隙的发育状况
　　显然，节理裂隙发育有利于各种风化作用的进行。
　　各种风化因素的关系表现为：岩石特征是内因，气候、地形为外因。

（4）时间
　　时间是影响风化作用的最重要因素，只要时间足够长，无论气候、地形、岩石以及裂隙如何，地表岩石终将完全被风化破坏。

五、特殊的风化结果
1. 球状风化
　　深成岩常有三组相互垂直的原生节理，把岩石切割成立方体，在三组节理相交的棱角部位，化学风化作用较为集中，天长日久，棱角圆化，方形岩块逐渐变为球形岩块，这种现象称为球状风化（spheroidal weathering），球状风化形成的岩石常具有洋葱状结构（onion layers）。

　　随时间的迁移，球形岩块逐渐缩小，并被风化残土包裹，残土一旦被水流侵蚀带走，地表会残留下大小不同的“石蛋”，它们或者散于地面，或者分布在岩坡和山顶之上，或摇摇欲坠，或如人似兽（图9-2）。

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图9-2 球状风化形成的石蛋

　　残留的球形石块并不均匀分布，常无明显规律，成为地下工程的“大敌”。某城市在地铁设计时所布设的勘察钻孔仅穿过球形岩块间的残土，没有发现潜在的“石蛋”，误认为地下为“风化土层”，随即选用盾构机掘进方案，在施工中，遭遇大小不一的石块，使盾构机严重损毁，影响了工程的进行。

2. 差异风化
　　如果抗风化能力大小不同的岩石共存，抗风化能力强的岩石会突起，抗风化能力弱的岩石会凹入（图9-3），这一现象称为差异风化（differential weathering）。坚硬岩石山体高度大于软弱岩石的山体高度；准平原内的残丘一般由坚硬岩石组成，这些都是差异风化的表现。

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图9-3 较坚硬地层突起，较软弱岩层凹入，形成差异风化（张珂摄于贺兰山）

思考：坚硬岩石易成高山，那么，喜马拉雅山为世界最高峰，其岩石是世界上最坚硬的吗？
思考：如果软硬不同的岩石都处在同一高度，说明什么问题？

六、风化作用的产物
　　物理风化可以在原地留下岩石矿物碎屑；化学风化可以形成难溶或易溶的新矿物，难溶者残留原地，易溶者成溶液或胶体流失；而生物风化作用除产生物理、化学风化物外，还生成富含腐殖质的土壤。其中，难溶矿物有黏土类（高岭土等）、氧化物类（褐铁矿、蛋白石等）及氢氧化物（铝土矿等）。上述各种残留物组合在一起，形成大小不均、棱角分明、缺少层理、与基岩过渡的松散物质，称为残积物（eluvium）。

从上到下，残积物一般具有如下分层：
（1）土壤
（2）残积层
（3）半风化岩石
（4）基岩
　　上述分层反映表层风化程度深、下部风化程度浅的垂向分带性。由风化程度不同的残积物组成的不连续薄壳称为风化壳（weathering crust, residual mantle, or regolith）。

　　风化壳一旦形成，将有利于化学风化作用的继续深入。然而，当风化壳达到一定的厚度时，进入风化壳的O2、CO2等量反而减少，化学风化作用减弱，风化壳的发育趋于停止。所以，风化壳的形成有平衡点，达到平衡点时，风化壳的厚度不再增加，除非存在裂隙、断层等使水、气进入更大深度的条件。

　　风化壳厚度一般数厘米到数十米不等。寒冷极地风化壳较薄，湿热地区风化壳较厚，可大于100m，英国的新南威尔士花岗岩风化壳厚度甚至大于300m。

　　风化壳的形成非常缓慢，在强烈隆起的山地，各种剥蚀速率要明显大于风化壳的形成的速率，所以，一般都是基岩裸露，缺失风化壳。相反，厚层风化壳的存在必然反映地壳的长期稳定。一般认为，华南红壤型风化壳（网纹红土）形成于中更新世（十万年～几十万年前）。

七、土壤

    土壤层处于岩石圈、生物圈、水圈和大气圈之间的接触和过渡地带，既是有机界和无机界相互联系的地方，也是有机界和无机界相互作用的产物。

1. 土壤概述
　　通过生物风化作用形成的含有腐殖质、矿物质、水、空气的松散细粒物质称为土壤（soil or pedolith）。

2. 土壤分层
　　通常，土壤的分层（图9-4）如下：

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图9-4 土壤分层示意

　　腐殖层（或有机质层）（O horizon, or humus horzon）（O代表有机质，organic）。土壤顶部，颜色较深，富含有机质和腐殖质（humus），在有机酸作用下，矿物分解破坏。

　　表土层（A horizon）（topsoil）。土壤上部，颜色较浅，生物活动强烈，常是蚯蚓、蠕虫、线虫、节肢动物、真菌类、细菌和厌氧菌生长的地方。

　　淋溶层（E horizon）（eluviation  horizon or leaching horizon）土壤层中上部，被分解的矿物、细小矿物和有机质被淋溶而向下移动，残留石英砂等抗风化最强的矿物。有机质含量减少。

　　淀积层（B horizon）(illuviation horizon)。土壤中下部，上部淋滤下来的物质在此沉淀（illuviation），富含黏土和CaCO3，Fe2O3，Al2O3，SiO2等物质，常有钙结核。

　　母质层（C horizon）（parent material horizon）。土壤层下部，受生物风化改造较弱，可以是残积物，也可以是其他成因的松散堆积。
基岩（层）（R horizon）（R代表基岩，rock）。为未风化的基岩。

　　上述分层仅对发育成熟完整的土壤而言，如果发育程度低，B层通常不发育，而且土壤层厚度小。值得注意的是，不同学者对土壤的分层、命名有所不同，经常把上述的O、E层归入A层。　

　　不同气候，土壤特征不同。例如，热带的砖红壤，亚热带的红壤、黄壤、褐土，温带的棕壤、黑土，寒带的灰化土，等等。若气候发生变化，土壤类型也会随之改变，是可逆过程，这是土壤与风化壳的重要区别。

　　土壤的生成速率取决于母质、气候、生物和地形等，因这些因素的不同，生成完整成熟的土壤需几百年甚至上千年不等。无论如何，土壤的形成速率要大大于风化壳的形成速率。如果砍伐森林，造成水土流失，土壤和风化壳被破坏，则需要非常慢长的时间才能恢复，其结果将是灾难性的。

　　地质历史时期形成的土壤若被覆盖掩埋，可以保存下来，成为古土壤（paleosoil）。古土壤是研究和恢复古气候的重要依据。中国黄土中保存了大量古土壤层，根据黄土—古土壤层序列，恢复了东亚大陆冰期—间冰期交替变化的历史，并于深海氧同位素、冰岩芯和全球海平面升降等记录有良好的对应关系。

八、风化作用研究的意义
1. 古环境研究
　　古风化壳能提供古环境的重要信息。例如青藏高原海拔4000m以上夷平面（第十章）保留着古红土风化壳。红土风化壳只能形成低海拔（低于1000m）的湿热气候，与青藏高原现今环境相差甚远。研究表明，古红土风化壳形成时代为中新世晚期至上新世，由此推测青藏高原应在此后才强烈抬升成高原。又如，珠江三角洲上更新统之下普遍存在着埋藏古红色风化壳，暗示晚更新世前，珠江三角洲地区曾是长期稳定的地块，晚更新世才开始下沉并接受沉积。

2. 确定相对年龄
　　河床一旦抬升，脱离水面，成为阶地（第十章），河床砾石就要遭受风化。风化后矿物和颜色均会改变，这种改变是由表及里、由外向内缓慢进行的，直到砾石完全破坏。时间长短不同，遭受风化的厚度也不同，从而在砾石表层形成厚薄不一的风化晕圈（weathering rinds）（图）。晕圈厚度与风化时间成正相关关系（幂率关系）。对同种岩性的砾石风化晕圈厚度进行统计分析，可以判别砾石遭受风化的时间长短，从而确定某一地区河流阶地的相对新老。

3. 风化作用与工程建设
　　风化程度不同，力学性质也有别，各种工程建设都要求对风化程度、深度及分布等进行调查研究，还要了解风化壳内黏土矿物的含量和成分，因为不同的黏土矿物（如蒙脱石、伊利石、高岭石）胀缩性差别很大，直接影响着工程的稳定性。此外，在工程实际中，强风化或全风化岩石常易于软土层混淆，但两者的力学性质和工程规范要求相差很大，必须作出准确判断。

4. 风化矿产资源
　　风化作用能产生具有经济价值的矿床，例如，高岭土矿、铝土矿、山西式铁矿等等。澳宝（opal）就是一种产于澳大利亚的名贵宝石，其矿物成分为蛋白石，经长期风化作用而形成。有些原生矿产，经过风化作用之后，可以得到进一步富集，而且易于开采和提炼，经济价值提高，成本降低，金矿就有这种情况。