風化作用

風化作用

風化作用(weathering)是指地表或接近地表的堅硬岩石、礦物與大氣、水及生物接觸過程中產生物理、化學變化而在原地形成松散堆積物的全過程 。根據風化作用的因素和性質可將其分為三種類型:物理風化作用、化學風化作用、生物風化作用。

  • 中文名稱
    風化作用
  • 外文名稱
    weathering
  • 別名
    侵蝕,風化
  • 類型
    物理、化學、生物風化作用
  • 相關因素
    水分和溫度
  • 風化速度因素
    自然條件和組成岩石的礦物性質

概述

風化作用(又稱侵蝕,風化)(weathering)是指地表或接近地表的堅硬岩石、礦物與大氣、水及生物接觸過程中產生物理、化學變化而在原地形成松散堆積物的全過程。根據風化作用的因素和性質可將其分為三種類型:物理風化作用(mechenical weathering)、化學風化作用(chemical weathering)、生物風化作用(Animal actions)。

風化作用

岩石是熱的不良導體,在溫度的變化下,表層與內部受熱不均,產生膨脹與收縮,長期作用結果使岩石發生崩解破碎。在氣溫的日變化和年變化都較突出的地區,岩石中的水分不斷凍融交替,冰凍時體積膨脹,好像一把把楔子插入岩石體內直到把岩石劈開、崩碎。以上兩種作用屬物理風化作用。

岩石中的礦物成分在氧、二氧化碳以及水的作用下,常常發生化學分解作用,產生新的物質。這些物質有的被水溶解,隨水流失,有的屬不溶解物質殘留在原地。這種改變原有化學成分的作用稱化學風化作用。

此外植物根系的生長,洞穴動物的活動、植物體死亡後分解形成的腐植酸對岩石的分解都可以改變岩石的狀態與成分。

風化作用

岩石風化作用與水分和溫度密切相關,溫度越高,濕度越大,風化作用越強;但在幹燥的環境中,主要以物理風化為主,且隨著溫度的升高物理風化作用逐漸加強;但在濕潤的環境中,主要以化學風化作用為主,且隨著溫度的升高化學風化作用逐漸加強。物理風化主要受溫度變化影響,化學風化受溫度和水分變化影響都較大。從地表風化殼厚度來看,溫度高,水分多的地區風化殼厚度最大。土壤是在風化殼的基礎上演變而來的。

兩種解釋

地殼表層的岩石在陽光、風、電、大氣降水、氣溫變化等外營力作用下及生物活動等因素的影響下,會引起岩石礦物成分和化學成分以及結構構造的變化,使岩石逐漸發生破壞的過程稱為風化作用。

一.風化作用(weathering)是指地表或接近地表的堅硬岩石、礦物與大氣、水及生物接觸過程中產生物理、化學變化而在原地形成松散堆積物的全過程。根據風化作用的因素和性質可將其分為三種類型:物理風化作用、化學風化作用、生物風化作用。二。風化作用指岩石在地表或接近地表的地方由于溫度變化、水及水溶液的作用、大氣及生物等的作用下發生的機械崩解及化學變化過程。風化作用一般分三類:物理風化、化學風化和生物風化作用。

風化作用

岩石是熱的不良導體,在溫度的變化下,表層與內部受熱不均,產生膨脹與收縮,長期作用結果使岩石發生崩解破碎。在氣溫的日變化和年變化都較突出的地區,岩石中的水分不斷凍融交替,冰凍時體積膨脹,好像一把把楔子插入岩石體內直到把岩石劈開、崩碎。以上兩種作用屬物理風化作用。

岩石中的礦物成分在氧、二氧化碳以及水的作用下,常常發生化學分解作用,產生新的物質。這些物質有的被水溶解,隨水流失,有的屬不溶解物質殘留在原地。這種改變原有化學成分的作用稱化學風化作用。

此外植物根素的生長,洞穴動物的活動、植物體死亡後分解形成的腐植酸對岩石的分解都可以改變岩石的狀態與成分。

風化種類

物理風化

物理或機械風化造成岩石分解。機械風化的主要過程為海蝕,海蝕把碎屑物及其它微粒的大小減少。但機械風化與化學風化環環相扣,如機械風化造成的裂縫會増加進行化學風化的表面面積。而化學風化在裂縫造成的礦物亦會幫助岩石分解。

風化作用

熱膨脹

熱膨脹(Thermalexpansion),或稱為洋蔥狀風化(onion-skinweathering)、剝離作用(Exfoliation)、日曬風化(insolationweathering)或熱沖擊(thermalshock),通常在類似沙漠等有很大的每日溫差的地方。溫度在日間升高,在晚間則急劇下降;岩石在日間受熱膨脹,在晚間冷卻收縮。應力通常都會施加在外層。此應力令岩石外層以薄片狀態剝落。雖然此現象由溫差做成,但水氣的存在令熱膨脹的效果加強。

凍融風化

凍融風化(Freezethaw weathering),又被稱為凍裂作用(frostshattering)。這種風化作用在溫度接近冰點的山區十分常見。霜會引起風化,雖然其原因常被指為水在裂縫中結冰後膨脹而成,其實大多數都和此現象沒有關系。很久之前人類已經知道濕潤的泥土在凍結時,在未凍結的地方的水會經由薄層在成長中的底冰(icelenses)中收集,因而引起膨脹或凍脹(frostheave)。同樣的現象亦發生在岩石的細孔中。她們會因為吸收鄰近的液態水而不斷增大。冰晶的成長引致岩石弱化,最後分裂。在礦物表面、冰及水之間的分子間作用力(Intermolecularforces)維持一層不結凍的薄層,用作運送水份及在底冰累積時造成礦物表面間壓力。

風化作用

否定結冰膨脹導致凍融風化

實驗顯示白堊、砂岩及石灰岩並不會在水的名義上的冰點,即約為0°C以下破裂。實驗又顯示即使是在被認為是水在裂縫中結冰後膨脹的風化環境,即把岩石保持在低溫或把其輪轉,並維持在一定的時間上,岩石亦不會破裂。而當在一些多孔的岩石進行實驗,因底冰而引致快速破裂的關鍵性溫度帶為-3°C至-6°C,比較冰點低很多。

發生地點因為凍結而引起的風化作用主要發生在有水氣及溫度在冰點上下波動的環境,如高山氣候(alpineclimate)地區及冰邊緣的(periglacial)地區。易受凍結影響的岩石的例子有白堊,因其多孔的特徵令冰晶可以生長。此現象可以在達特穆(Dartmoor)以突岩(tor)的形式觀看到。

寒凍楔裂(Frostwedging)以前被認為是無孔岩石的風化作用的主要因素,但近年來的研究發現其重要性不及預期般高。凍裂作用,間中亦被稱為冰晶生長、寒凍楔裂、冰凍楔裂(icewedging)或凍融作用當在岩石裂縫及接口的水凍結及膨脹發生。水在?22°C可以施加高至二千一百萬帕斯卡(2100千克力(kilogram-force)每平方釐米)的壓力。此壓力通常可以比大部分的岩石的抵抗力為高,並令其破碎[1][2]。當水進入岩石裂縫凍結後,冰塊向裂縫兩邊的牆施力,令裂縫加深及加闊。這是因為水的容量在凍結後有9%的成長。當冰塊融化後,水會再流入裂縫加深的地方,當溫度降低至冰點以下時再凍結,便會令裂縫更為增大。不斷重復的凍融作用弱化岩石,在裂縫被破開,形成有角的石塊。角狀石塊在山坡下集合,形成岩屑坡(talusslope)或碎石斜坡(Screeslope)。岩石被沿著裂縫被破開成為石塊被稱為塊狀分裂(blockdisintegration)。分裂的石塊會因應岩石結構而出現不同的形狀。

壓力釋放原理:在壓力釋放(pressurerelease),或稱為風化卸荷(unloading),發生在物體以上的物質(不一定是岩石)被侵蝕作用或其它過程移走後,被移走的物質以下的岩石會以表面水準的方式膨脹及破裂。通常被移走的物質會較重,施加給其以下的岩石很大的壓力,例如移動中的冰川。壓力釋放可能亦會引致剝離作用(exfoliation)發生。

侵入火成岩的壓力釋放現象

侵入火成岩(Intrusiveigneousrocks)如花崗岩在地球表面深處形成。她們因為其以上的物質承受極大的壓力。當侵蝕作用移走其以上的岩石物質後,此侵入火成岩便露出表面便令其壓力被釋放。外圍的岩石便有膨脹的趨勢。此膨脹引起應力令裂痕以岩石表面的水準方向發展。經過一定時間後岩石便以片狀的方式在露出表面的岩石破開分離。壓力釋放亦被稱為剝離作用或頁狀剝離(sheeting);以上作用引起岩基(batholiths)及花崗岩穹丘(granitedomes),其現象可以在達特穆(Dartmoor)找到。

風化作用

水力作用水力作用(Hydraulicaction)發生在當水經由巨大的浪沖入岩石表面的裂痕時。這樣在裂痕深處的一層空氣便被困著,同時空氣亦受到壓迫而弱化岩石。當浪退後時,受到壓迫的空氣便會以爆發性的釋放。爆發性的釋放高壓空氣會破開在岩石表面的碎片並令岩石的裂痕加闊。

鹽結晶作用;原理:鹽結晶作用(Saltcrystallization),或稱為鹽風化(Haloclasty或Saltweathering)發生在含有鹽分的溶液滲入岩石裂縫及接口後蒸發,留下鹽晶體,令岩石瓦解。此鹽晶在受熱後膨脹,向狹窄的岩石施加壓力。

因為岩石而造成的鹽

鹽結晶作用亦可以發生在溶液分解如白堊及石灰岩的岩石後形成硫酸鈉或碳酸鈉的鹽溶液,並在水份蒸發後形成其相對的鹽晶。

特別強力的鹽種類

最有效的鹽去分解岩石被證明為硫酸鈉、硫酸鎂及氯化鈣。部分鹽晶可以膨脹至三倍或更多。

發生地區

鹽結晶作用通常和幹旱(arid)氣候有關,因為強烈的加熱引起強烈蒸發,從而產生鹽結晶作用。鹽結晶作用亦在岸邊活躍。鹽風化的例子亦可以在海堤上的蜂窩石(honeycombedstones)找到。

生物風化

生物亦有可能參與物理風化(同時亦有化學風化)。地衣及蘚類植物在光禿禿的岩石表面生長,做成一個更為潮濕的化學微環境。岩石被這些生物附上後會加強在岩石上表面微表層進行的物理與化學分解。大範圍的幼苗發芽及植物的根部除了在岩石上裂隙施加物理壓力外,亦提供一個水及化學物的滲透渠道。挖洞動物及昆蟲分布在底岩附近的土壤表層亦會增加水及酸的滲透性和進行氧化過程的表面積。

有部分動植物能夠釋放出酸性化學物而引起化學風化。最常見的生物風化引起的化學風化形式為釋放螯合物(chelating)化學物,亦為酸的一種。此化學物由植物釋放,用作分解其底下土壤的鋁、鐵成分。土壤中植物的殘骸可以形成有機酸,溶于水後造成化學風化。螯合物的過度釋放會影響附近岩石與土壤,及可能引致灰化土的形成。

生物的化學風化作用

生物死亡後,腐爛分解形成一種腐植質(膠狀的物質),是一種有機酸,對岩石起腐蝕作用。

地殼表層岩石經機械破碎,化學風化後形成的松散物,再經過生物的化學風化作用,增加了有機物質---腐殖質,這種具有腐殖質、礦物質、水和空氣的松散物質叫做土壤。

化學風化

化學風化(Chemicalweathering)包含岩石成分的改變,常常引致其形態的崩潰。這種風化會在一段期間反復發生。

溶解作用原理天然的降雨有些微的酸性,因為大氣中的二氧化碳溶入雨水中,造成弱碳酸。在未受污染的環境,雨水的酸鹼值約為5.6。因為大氣中的二氧化硫及氮氧化物等氣體會引起酸雨。這些氧化物與雨水起反應形成更強的酸,令酸鹼值降至4.5或3.0。二氧化硫,SO2,由火山爆發或化石燃料而來,能夠在雨水中成為硫酸,從而在落下的岩石上引起溶解作用。

碳酸化作用

其中一種知名的溶解作用為碳酸化作用(carbonation),此過程因為大氣中的二氧化碳而引起。碳酸化作用在含有碳酸鈣的岩石發生,例如石灰岩及白堊。此作用發生在雨水與二氧化碳或有機酸等結合後形成弱酸(Weakacid),弱酸與碳酸鈣反應後形成重碳酸鈣(calciumbicarbonate)。此作用在低溫下會加速,所以是冰川風化的主要特色。

風化作用

其反應如下:CO2+H2O->H2CO3

二氧化碳+水->碳酸

H2CO3+CaCO3->Ca(HCO3)2

碳酸+碳酸鈣->重碳酸鈣

碳酸化作用在有多重接口的石灰岩形成一種分開的石灰岩道路。碳酸化作用沿著岩石接口的反應最為強烈,令此接口加闊及加深。

水合作用,水合作用(Hydration)為化學風化的一種形式,包含H+與OH-離子與礦物分子的堅固連線。當岩石礦物吸收水份後,其增加的容量在岩石中造成物理應力。例如氧化鐵(ironoxides)便會轉化成氫氧化鐵(ironhydroxide)及硬石膏(anhydrite)經過水合作用後便成為石膏(gypsum)。

水解作用原理:水解作用(Hydrolysis)為一種影響矽酸鹽(Silicate)礦物的化學風化過程。在反應中純水會輕微離子化,並與矽酸鹽礦物起反應。反應例子如下:

Mg2SiO4+4H++4OH-->2Mg2++4OH-+H4SiO4

橄欖石(olivine)(鎂橄欖石(forsterite))+四個水分子離子->溶液中的離子+溶液中的矽酸(silicicacid)

實際反應在假設有足夠的水去推動反應之下,以上反應引致原本礦物的完全溶解。但以上反應的不真實的地方在于純水通常不會作為H+的捐贈者。但二氧化碳則會輕易溶入水中形成弱酸,並捐出H+。

Mg2SiO4+4CO2+4H2O->2Mg2++4HCO3-+4H4SiO4

橄欖石(鎂橄欖石)+二氧化碳+水->溶液中的鎂及重碳酸鹽(bicarbonate)離子+溶液中的矽酸

以上的水解反應則較為普遍。碳酸受到矽酸鹽消耗,因為重碳酸鹽而形成一個較為鹼性的溶液。這是一個控製大氣中的二氧化碳的一個重要反應,並能影響氣候。

特別反應:鋁矽酸鹽(Aluminosilicate)在水解作用下形成第二種礦物而不是簡單的放出正離子。

2KAlSi3O8+2H2CO3+9H2O->Al2Si2O5(OH)4+4H4SiO4+2K++2HCO3-

正長石(Orthoclase)(鋁矽酸鹽長石(aluminosilicatefeldspar))+碳酸+水->高嶺土(Kaolinite)(為一種黏土礦物)+矽酸溶液+溶液中的鉀(potassium)及重碳酸鹽離子

氧化作用:種種金屬在風化環境中會產生氧化作用(Oxidation)。最常見的氧化作用為Fe2+(鐵)及其與氧及水的融合而成的Fe3+氫氧化物及氧化物如針鐵礦(goethite)、褐鐵礦(limonite)及赤鐵礦(hematite)。此氧化物令岩石表面呈現出棕紅色,此氧化物很易粉碎,令岩石弱化。此過程稱為銹化(rusting)。

建築物的風化

由任何石頭、磚塊或混凝土製造的建築物會受到和其它露出表面的岩石相同的風化媒介影響。而雕像、遺跡及裝飾的石製品能夠因為自然風化而受到嚴重破壞。以上過程在酸雨影響的地區上會加強。

​風化作用

綜述

物理風化是最簡單的風化作用,在沙漠地區尤其明顯。因為那裏氣溫白天高達40-50℃,晚上可降到0℃以下,岩石熱脹冷縮,這種脹縮在岩石表部和核部是不一樣的。由于不同礦物的膨脹系數不一樣,久而久之,岩石出現了裂隙,由大塊變成了小塊,由小塊變成砂,由砂變為土,石頭就爛掉了。在有化學作用和生物作用參與的情況下,風化作用進行得更快,風化的過程和產物也更豐富多彩。

球狀風化

最常見的風化現象是岩石的球狀分化,這是因為岩石的外層易發生成層裂開和鱗片狀剝落的緣故,兼之岩石內常有相互交錯的裂縫,沿裂縫風化最深,稜角磨得最圓。在懸崖陡坡上的岩石,因風化而發生崩落,裂解下來的石塊沿山坡流動,最後在山坡腳下穩定的地方堆積下來,形成上尖下圓的錐形體,稱倒石錐。如果是一個平緩的山坡,崩落下來的岩塊雜亂地堆積在那裏,形成石灘或石海。

風化殼

物理風化、化學風化和生物風化作用的綜合產物是風化殼。一個發育成熟的風化殼中,矽酸鹽礦物已完全分解,形成矽及三價金屬的膠體氫氧化物,產生的典型礦物是遊離的氫氧化鐵和氫氧化鋁(褐鐵礦、水赤鐵礦、針鐵礦、鋁土礦等,俗稱鐵帽),如華北中奧陶統灰岩之上的風化殼、廣西下二疊統灰岩之上的風化殼等。以生物風化作用為主的風化作用的綜合產物是土壤;除植物外,氣候在土壤形成的過程中起了重要的作用。

結果

風化作用無處不在,無孔不入,它對人們帶來的困擾,幾乎可與生銹、蟲蛀並列。修公路修鐵路時,常可開挖出非常好的地質露頭,有些現象的意義足以與“名勝古跡”媲美,吸引了中外地質學家前去研究。但幾年過後,研究成果發表了,紀念碑樹起來了,露頭也風化了。在我國南方氣候炎熱而潮濕的地區,化學風化作用的速度最快,裸露的岩石隻需幾年便因風化而變得疏松,風化層可厚達幾十米。位于洞穴或石窟(著名的如雲崗石窟、敦煌石窟等)的浮雕或石雕雖免于風吹雨淋之苦,仍因風化而變得斑駁陸離。埃及的獅身人面屹立在大自然已有4000多年了,相對來說風化進行得較慢,原因之一是氣候幹燥,隻有物理風化在起作用。而獅身人面象是從一整塊灰岩上雕鑿出來的,抗物理風化能力較強;第三個原因是那裏風沙大,飛沙經常把它掩埋起來,保護了它免受日曬夜凍。遊客們在欣賞她勃發的英姿時,哪裏會想到可能咋天她還埋在飛沙中泥?

影響因素

風化作用的速度主要取決于自然地理條件和組成岩石的礦物性質。

氣候條件

氣候寒冷或幹燥地區,生物稀少,寒冷地區降水以固態形式為主,幹旱區降水很少。以物理風化作用為主,化學和生物風化為次。岩石破碎,但很少有化學風化形成的粘土礦物,以生物風化為主形成的土壤也很薄。

氣候潮濕炎熱地區,降水量大,生物繁茂,生物的新陳代謝和屍體分解過程產生的大量有機酸,具有較強的腐蝕能力,故化學風化和生物風化都十分強烈,形成大量粘土,在有利的條件下可形成殘積礦床。可形成較厚的土壤層。

地形條件

地形影響氣候,間接影響風化作用;另一方面,陡坡上,地下水位低,生物較少,以物理風化為主。 地勢平坦,受生物影響較大,化學風化作用為主。

岩石性質

1. 成分

(1)岩漿岩比變質岩和沉積岩易于風化。岩漿形成于高溫高壓,礦物質種類多(內部礦物抗風化能力差異大).

(2) 岩漿岩中基性岩比酸性岩易于風化,基性岩中暗色礦物較多,顏色深,易于吸熱、散熱。

(3) 沉積岩易溶岩石(如石膏、碳酸鹽類等岩石)比其它沉積岩易于風化.

差異風化:在相同的條件下,不同礦物組成的岩塊由于風化速度不等,岩石表面凹凸不平;或由不同岩性組成的岩層,抗風化能力弱的岩層形成相互平行的溝槽,砂岩、頁岩互層,頁岩呈溝槽。通過差異風化,我們可以確定岩層產狀。

2. 岩石的結構構造

(1) 岩石結構較疏松的易于風化;(2) 不等粒易于風化,粒度粗者較細者易于風化;(3) 構造破碎帶易于風化,往往形成窪地或溝谷。

球形風化: 在節理發育的厚層砂岩或塊狀岩漿岩中,岩石常被風化成球形或橢圓形,這種現象叫做球形風化,它是物理風化為和化學風化聯合作用的結果。

球形風化的主要條件有:(1)岩石具厚層或塊狀構造;(2) 發育幾組交叉裂隙;(3)岩石難于溶解;(4)岩石主要為等粒結構(5)花崗岩。

被三組以上裂隙切割出來的岩塊,外部棱角明顯,在風化作用過程中,棱角首先被風化,最後成球狀。

風化殼

1. 岩石經風化後部分易熔物質被水帶走流失,餘下的碎屑岩和化學風化中形成的一些新礦物便殘留原地,這些殘留在原地的風化產物稱殘積物。。殘積物的礦物組成、化學成分、顏色與下伏地層(原岩)有一定的關系,它們常具有棱角,無分選性,無層理,向下逐漸過渡到基岩,在存在生物活動物的地區,殘積物頂部發育成土壤.

風化殼:殘積物和土壤在大陸地殼表層構成一層不連續的薄殼,稱之為風化殼。

2. 風化殼可由一層殘積物組成,也可由幾層風化分解程度不同的殘積物組成,而且層與層之間常逐漸過渡而無明顯分界線。由于風化作用以地表最強烈,並向深處減弱,故具垂直分帶。一個完整的風化殼在剖面上,從下往上可分為以下幾層:

3. 風化殼的厚度和成分因地而異,一般潮濕炎熱氣候區,風化殼厚度大,並有可能形成Fe,Mn,Al,Ni等殘積礦床(風化殼型礦床),幹旱地區風化殼薄,常僅數十釐米且結構簡單。古風化殼:風化殼若為後來沉積物所覆蓋,則稱為古風化殼。

4. 風化殼的研究意義

(1) 地殼運動與古地理:長期穩定或隆起,風化殼得以充分發育,古風化殼代表古代沉積間斷,發育構造運動.

(2) 古地理:陸地,不同氣候條件,風殼物征不一。

(3) 礦產:殘餘型礦床,殘積砂礦床(金、金剛石).

(4) 工程建設:對近代埋藏的風化殼應填重對待。某水庫工程對風化殼厚度估計不夠,蓄水後壩下滲漏嚴重。    

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