地球岩石及其形成作用（15）
胡经国
第二节风化作用
一、风化作用分类
㈠、按作用因素和性质分类
如上所述，根据作用的因素和性质，可将风化作用分为物理风化作用（PhysicalWeathering）、化学风化作用（ChemicalWeathering)和生物风化作用（BiologicalWeathering）三种基本类型。在岩石风化过程中，这三类风化作用通常是同时进行的，而且往往是既互相影响又互相促进的。
1、物理风化作用
物理风化作用（又叫做机械风化作用）导致岩石分解（分裂解体）。它与化学风化作用环环相扣，互相促进。例如，物理风化造成的裂隙会増加进行化学风化的表面积；而化学风化在裂缝中生成的矿物则会促进岩石分解。
⑴、热膨胀
热膨胀（ThermalExpansion），又称为剥离作用（Exfoliation）、洋葱状风化（Onion-skinWeathering）、日晒风化（InsolationWeathering）或热冲击（ThermalShock）。它通常发生在类似沙漠等有很大日温差的地方。温度在日间升高而在晚间则急剧下降；岩石在日间受热膨胀，而在晚间则冷却收缩。膨胀收缩应力通常都会施加在岩石外层。这种应力导致岩石外层以薄片状剥落。虽然这种现象由温差引起，但是水气的存在会使热膨胀效果加强。
⑵、冻融风化
①、冻融风化及其原因
冻融风化（FreezethawWeathering），又称为冻裂作用（FrostShattering）。这种风化作用在温度接近冰点的山区十分常见。霜会引起风化。虽然其原因常被认为是由水在裂缝中结冰膨胀的结果，其实大多数都和此现象没有关系。很久之前人类已经知道，湿润的泥土在冻结时，在未冻结的地方的水会经由在增长中的薄层底冰（IceLenses，冰透镜）收集，因而引起膨胀或冻胀（FrostHeave）。同样的现象也会发生在岩石的细小孔隙中。它们会因为吸收邻近的液态水而不断增大。冰晶的增长导致岩石分裂。在矿物表面、冰与水之间的分子作用力（IntermoleCularforces）能维持一层不结冰的薄层，用作运送水份及在底冰累积时造成矿物表面之间的压力。
②、否定结冰膨胀导致冻融风化
实验显示，白垩、砂岩及石灰岩并不会在水的名义上的冰点，即约为0℃以下发生破裂。实验还显示，即使是在水在裂缝中结冰膨胀的风化环境，把岩石保持在低温或将其轮转，并且维持一定时间，岩石也不会破裂。当利用一些多孔的岩石进行实验时，因底冰而导致快速破裂的关键性温度为-3～-6℃，比冰点低很多。
③、冻融风化发生地点
因冻结而引起的风化作用，主要发生在有水气及温度在冰点上下波动的环境，如高山气候（AlpineClimate）地区及冰边缘（Periglacial）地区。易受冻结影响的岩石的例子有白垩，因其多孔的特性使冰晶得以生长。
⑶、寒冻楔裂
寒冻楔裂（FrostWedging）以前被认为是引起无孔岩石风化作用的主要因素。但是，研究发现其重要性不及预期的重要。冻裂作用，又称为冰晶生长、寒冻楔裂、冰冻楔裂（IceWedging）或冻融作用。它在岩石裂缝中的水产生冻结膨胀时发生。水在～22℃时，可以施加高至2100万帕斯卡（2100千克力/每平方厘米）的压力。此压力通常可以比大部分岩石的抵抗力高，并且可以使岩石破碎。当水进入岩石裂缝产生冻结时，冰块向裂缝两边的岩石施加压力，使裂缝加深加宽。这是因为，水的容量在冻结后有9%的增长。当冰块融化时，水会再流入岩石裂缝加深的部位，当温度降低至冰点以下时再冻结，便会使岩石裂缝进一步增大。不断重复的冻融作用弱化岩石，岩石裂缝被破裂张开，形成有棱角的石块。棱角状石块在山坡下聚集，形成岩屑坡（TalusSlope）或碎石斜坡（ScreeSlope）。岩石沿着裂缝被破裂张开成为石块的现象，称为块状分裂（BlockDisintegration）。被分裂的石块会由于岩石结构不同而形成不同的形状。
⑷、压力释放
①、压力释放概述
压力释放（PressureRelease），又称为剥离作用、页状剥离（Sheeting）、风化卸荷（Unloading）。它发生在岩体以上的物质（不一定是岩石）被侵蚀作用或其它作用过程移走卸荷以后，被移走物质以下的岩石会以表面水平方向膨胀及破裂。通常被移走的物质会比较重，施加给其下的岩石以很大的压力，例如移动中的冰川。压力释放可能会引致剥离作用（Exfoliation）发生。
②、侵入火成岩的压力释放现象
侵入火成岩（IntrusiveIgneousRocks），如花岗岩体，形成于地壳深部，承受着上覆岩层极大的压力。在侵蚀作用移走其上覆岩石物质以后，该侵入火成岩体便会出露于地表，并且由于其上部压力释放而导致表部岩石具有膨胀趋势。膨胀应力会使裂隙沿岩体表面的水平方向发展。经过一定时间以后，露出地表的岩石便会以片状方式破开分离。
⑸、水力作用
水力作用（HydraulicAction）发生在当水经由巨大的波浪冲入岩石表面的裂隙时。这样，在裂隙深处的一层空气便被困其中，同时空气因受到压力作用而弱化岩石。当波浪退后时，受到压力作用的空气便会产生爆发性释放。爆发性释放产生的高压空气会爆破开岩石表面的碎片，并且使岩石裂隙加宽。
⑹、盐结晶作用
①、盐结晶作用的概念
盐结晶作用（SaltcrystalLization），又称为盐风化（Haloclasty或SaltWeathering），是指在含有盐分的溶液渗入岩石裂隙及接口以后，由于含盐溶液蒸发，留下盐晶体，从而使岩石裂解的作用过程。这种盐晶在受热后会发生膨胀，向狭窄的裂隙两侧岩石施加压力。
②、岩石分解形成的盐晶
盐结晶作用也可以发生在溶液分解岩石（如白垩及石灰岩）以后，形成硫酸钠或碳酸钠的盐溶液，并且在水份蒸发以后形成其相应的盐晶。
③、分解岩石最有效的盐
分解岩石最有效的盐被证明为硫酸钠、硫酸镁及氯化钙。部分盐晶可以膨胀至3倍或更多。
④、盐结晶作用发生地区
盐结晶作用通常和干旱（Arid）气候有关。因为强烈的加热引起强烈的蒸发，从而产生盐结晶作用。盐结晶作用在海岸边也会发生。盐风化的例子也可以在海堤上的蜂窝石（HoneyCombedStones）见到。
2、化学风化作用
化学风化（ChemicalWeathering）包括岩石成分的变化，常常导致其形态的崩解。这种风化作用会在一段时期内反复发生。
⑴、溶解作用
①、溶解作用原理
天然降雨具有微弱的酸性，由于大气中的二氧化碳溶入雨水中而生成弱碳酸。在未受污染的环境中，雨水的酸碱值（pH值）约为5.6。大气中的二氧化硫及氮氧化物等气体会导致酸雨的形成。而这些氧化物与雨水起反应则形成更强的酸，使雨水的酸碱值降至4.5或3.0。来源于火山爆发或化石燃料的二氧化硫（SO2），能够溶于雨水中形成硫酸落在岩石上，从而产生岩石的溶解作用。
②、碳酸化作用
碳酸化作用（Carbonation）是一种常见的溶解作用。它是由大气中的二氧化碳引起的。碳酸化作用通常在含有碳酸钙的岩石中发生，如石灰岩及白垩。该作用发生于雨水与二氧化碳或有机酸等结合以后形成弱酸（Weakacid），弱酸与碳酸钙反应以后形成重碳酸钙（CalciumBicarbonate）。由于该作用在低温下会加速，因而它是冰川风化作用的主要特色。其反应式如下：
CO2+H2O→H2CO3
二氧化碳＋水→碳酸
H2CO3+CaCO3→Ca(HCO3)2
碳酸＋碳酸钙→重碳酸钙
在有具多重裂隙的石灰岩中，这些裂隙会形成一种分裂石灰岩的通道，碳酸化作用沿着岩石裂隙的反应最为强烈，使岩石裂隙加宽、加深。
⑵、水合作用
水合作用（Hydration）是化学风化作用的一种形式，包含H+和OH-离子与矿物分子的坚固结合。在岩石矿物吸收水份以后，其增加的容量在岩石中产生物理应力。例如，氧化铁（Ironoxides）经水合作用而转化为氢氧化铁（Ironhydroxide），硬石膏（Anhydrite）经水合作用而转化为石膏（Gypsum）。
⑶、水解作用
①、水解作用原理
水解作用（Hydrolysis）为一种影响硅酸盐（Silicate）矿物的化学风化作用过程。在其反应中，纯水会轻微离子化，并且与硅酸盐矿物发生反应。该反应例子如下：
Mg2SiO4+4H++4OH-→2Mg2++4OH-+H4SiO4
橄榄石（Olivine）（镁橄榄石（Forsterite））＋4个水分子离子→溶液中的镁离子＋溶液中的硅酸（Silicicacid）
实际反应时，假设有足够的水去推动反应进行。以上反应导致原来矿物的完全溶解。但是，以上反应的不真实的地方在于，纯水通常不会作为H+的捐赠者。而二氧化碳则会轻易溶于水中形成弱酸，并且捐献出H+。
Mg2SiO4+4CO2+4H2O→2Mg2++4HCO3-+4H4SiO4
橄榄石（镁橄榄石）＋二氧化碳＋水→溶液中的镁及重碳酸盐（Bicarbonate）离子＋溶液中的硅酸
以上水解反应较为普遍。碳酸受到硅酸盐消耗，由重碳酸盐形成一种较为碱性的溶液。这是控制大气中二氧化碳的一个重要反应，并且能够影响气候。
②、水解作用特别反应
铝硅酸盐（Aluminosilicate）在水解作用时形成第二种矿物而不是简单的释放出正离子。
2KAlSi3O8+2H2CO3+9H2O→Al2Si2O5(OH)4+4H4SiO4+2K++2HCO3-
正长石（Orthoclase）（铝硅酸盐长石（AluminoSilicateFeldspar））＋碳酸＋水→高岭土（Kaolinite）（为一种粘土矿物）＋硅酸溶液＋溶液中的钾（Potassium）及重碳酸盐离子
⑷、氧化作用
多种金属在风化环境中会产生氧化作用（Oxidation）。最常见的氧化作用为Fe2+（铁）与氧及水融合而成的Fe3+氢氧化物及氧化物，如针铁矿（Goethite）、褐铁矿（Limonite）及赤铁矿（Hematite）。铁的氧化物使岩石表面呈现出棕红色。铁的氧化物很易粉碎，使岩石弱化。铁的氧化作用过程称为锈化（Rusting）,即生锈。
⑸、建筑物的风化
由任何岩石、砖块或混凝土修建的建筑物都会受到与其它露出地表的岩石相同的风化作用影响。而雕像、遗迹及装饰的石制品则会由于自然风化作用而受到严重破坏。以上作用过程在有酸雨影响的地区会加强。
位于洞穴或石窟中的浮雕或石雕，如中国著名的云岗石窟、敦煌石窟等，虽然免于风吹雨打，但是仍然会因风化作用而变得斑驳陆离。著名的埃及狮身人面像，屹立在大自然已有4000多年。相对来说，其风化作用是进行得比较缓慢的。其原因之一是气候干燥，只有物理风化在起作用。其次是，狮身人面像是用一整块石灰岩雕凿出来的，其抗物理风化能力较强；第三个原因是，那里的风沙大，飞沙经常把它掩埋起来，保护了它免受日晒夜冻。游客们在欣赏狮身人面像勃发的英姿的时候，哪里会想到在之前狮身人面像还是埋在飞沙之中的呢！
3、生物风化
生物既有可能参与物理风化，同时也有可能参与化学风化。
地衣及藓类植物在光秃秃的岩石表面生长，形成一种更为潮湿的化学微环境。岩石被这些生物附着上以后，会加强在岩石表面微表层进行的物理和化学分解。大范围的幼苗发芽及植物的根系生长，除了对岩石裂隙施加物理压力以外，还会提供水及化学物质渗透的通道。挖洞动物及昆虫分布在岩石附近的土壤表层，也会增加水及酸的渗透性和进行氧化作用的表面积。
还有部分动植物能够释放出酸性化学物而引起化学风化作用。最常见的由生物风化引起的化学风化形式为释放名为螯合物（Chelating）的化学物质，也是酸的一种。这种化学物质由植物释放，用作分解其底下土壤的铝、铁成分。土壤中植物的残骸可以形成有机酸，溶于水后会引起化学风化。螯合物的过度释放会影响附近岩石与土壤，并且可能引致灰化土的形成。
生物死亡以后腐烂分解而形成一种腐植质（胶状物质）是一种有机酸，对岩石起腐蚀作用。
地壳表层岩石经物理风化、化学风化以后形成的松散物质，再经过生物化学风化作用，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就叫做土壤。
㈡、按作用强度分类
按作用强度，风化作用可分为以下几种强度等级：
1、未风化
岩质新鲜，偶见风化痕迹。
2、微风化
岩石结构基本未变，仅节理面有渲染或略有变色，有少量风化裂隙。
3、中等风化
岩石结构部分破坏，沿节理面有次生矿物，风化裂隙发育，岩体被切割成岩块；用镐难挖，用岩芯钻方可钻进。
4、强风化
岩石结构大部被破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙很发育，岩体破碎；用镐可挖，干钻不易钻进。
5、全风化
岩石结构基本破坏，但是尚可辨认，有残余结构强度；可用镐挖，干钻可钻进。
6、残积土
岩石结构构造全部破坏，已风化成土状，具有可塑性；锹镐易挖掘，干钻易钻进。
二、风化作用影响因素
风化作用及其速度和强度主要取决于自然地理条件以及岩石的矿物成分和结构构造。岩石风化的影响因素主要是岩石的矿物成分、结构构造以及气候条件。
㈠、气候条件
在气候寒冷或干燥地区，生物稀少，寒冷地区降水以固态形式为主，干旱区降水很少。因此，风化作用以物理风化为主，化学风化和生物风化为次。岩石破碎；但是很少有化学风化形成的粘土矿物，以生物风化为主形成的土壤也很薄。
在气候潮湿炎热地区，降水量大，生物繁茂，生物的新陈代谢和尸体分解过程产生的大量有机酸具有较强的腐蚀能力。因此，化学风化和生物风化都十分强烈，形成大量粘土；在有利条件下可形成残积矿床。并且，可形成较厚的土壤层。
㈡、地形条件
地形影响气候，间接影响风化作用。另一方面，陡坡上，地下水位低，生物较少，以物理风化为主。地势平坦，受生物因素影响较大，以化学风化作用为主。
㈢、岩石性质
1、成因与矿物成分
⑴、岩浆岩比变质岩和沉积岩易于风化
岩浆形成于高温高压下，矿物质种类多，岩浆岩内部矿物抗风化能力差异较大。
⑵、岩浆岩中的基性岩比酸性岩易于风化
在基性岩中，暗色矿物较多，颜色深，易于吸热、散热。
⑶、沉积岩中易溶岩石比其它沉积岩易于风化
易溶沉积岩如石膏、碳酸盐类岩石（如石灰岩）等。
⑷、差异风化
在相同的条件下，不同矿物组成的岩石由于各种矿物风化速度不等，岩石表面凹凸不平；或者是由不同岩性岩石组成的岩层的互层，其中抗风化能力弱的岩层形成相互平行的沟槽，如砂岩层和页岩层的互层，页岩层呈沟槽。这种风化现象称为差异风化。通过差异风化，可以确定岩层产状。
2、结构构造
⑴、结构疏松
结构较疏松的岩石易于风化。
⑵、粒度
具有不等粒结构的岩石易于风化；矿物粒度粗的岩石较矿物粒度细的岩石易于风化。
⑶、构造破碎带
构造（断层）破碎带中的岩石易于风化，往往沿之形成洼地或沟谷。
⑷、球形风化
在节理发育的厚层块状砂岩或块状岩浆岩中，岩石常常被风化成球形或椭圆形，这种现象叫做球形（状）风化。它是物理风化和化学风化联合作用的结果。
产生球形风化的主要条件有：
①、岩石具有厚层或块状构造。
②、发育几组交叉裂隙。被三组以上裂隙切割出来的岩块，其外部棱角明显，在风化作用过程中，棱角首先被风化，最后成球状。
③、岩石难于溶解。
④、岩石结构主要为等粒结构。
⑤、花岗岩。
岩石球形（状）风化是最常见的风化现象。这是因为岩石的外层容易发生成层裂开和鳞片状剥落的缘故；兼之岩石内常有相互交错的裂隙，沿裂隙风化最深，稜角磨得最圆。
⑸、倒石锥与石滩（石海）
在悬崖陡坡上的岩石，因风化作用而发生崩落，裂解下来的石块沿山坡移动或滚动，最后在山坡脚下稳定的地方堆积下来，形成上尖下圆的锥形体，称为倒石锥。如果是一个平缓的山坡，那么崩落下来的岩块杂乱地堆积在那里，形成石滩或石海。
三、常见岩石矿物的风化作用
㈠、长石类
在物理风化作用下，长石易沿解理面破碎。在化学风化作用下，受各种酸的作用而分解：长石→水云母+K+、Na+、Ca2+→高岭石（蒙脱石）+SiO2→蛋白石+三水铝石
在不同种类的长石中，钾长石比斜长石稳定，酸性斜长石又比基性斜长石稳定。
㈡、铁镁矿物
这类矿物的稳定性较低。其中，以橄榄石最易风化，辉石次之，再其次是角闪石。在化学风化作用下，尤其是在碳酸作用下，这类矿物首先分解出Ca2+、Mg2+、Fe2+阳离子，形成重碳酸盐，溶于水中被带走。在氧化作用下，这类矿物中的低价铁氧化成高价铁，形成含水的氧化铁矿物而残积在风化地区，因此其风化产物多呈红色、褐色及棕色。
㈢、石英
石英为最稳定的造岩矿物，在风化过程中几乎只发生机械破碎，不易发生溶解。
㈣、云母类
白云母稳定性比黑云母高，因此在沉积岩中白云母比较常见。白云母在化学风化作用下可以分解而转变为水云母以至高岭石。黑云母风化后形成含水的氧化铁矿物及粘土矿物，而其部分阳离子则被淋滤。
㈤、粘土矿物
粘土矿物为沉积岩的重要的造岩矿物。由于此类矿物是在地表条件下形成的，因而在一般风化作用下只发生机械破碎，而无化学分解现象。
㈥、碳酸盐矿物
碳酸盐矿物主要为方解石和白云石。这类矿物在酸性水中极易溶解，而在极干燥的气候条件下，可由物理风化作用破碎成碳酸盐碎屑。
四、风化作用产物
㈠、风化物及其分类
母岩经风化作用而形成的产物——风化产物，简称风化物，是沉积物的主要来源。按其性质风化物可分为以下三类：
⑴、碎屑物质
这是母岩经物理风化作用（机械破碎）的产物。
⑵、不溶残余物质
这是母岩在化学风化作用（分解过程）中残留在原地的新生矿物。
⑶、溶解物质
在化学风化作用过程中，母岩中化学活泼性较大的金属元素被分解出来溶于水中，形成真溶液或胶体溶液。
㈡、残积物与土壤
岩石经风化作用后部分易溶物质被水流带走流失，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为残积物。残积物的矿物组成、化学成分、颜色与下伏岩层（基岩）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。
以生物风化作用为主的风化作用的综合产物是土壤；除了植物以外，气候在土壤形成过程中起着重要的作用。
㈢、风化壳
1、风化壳的概念
残积物和土壤在大陆地壳表层构成一层不连续的薄壳，称为风化壳，又叫做风化层。风化壳若被后来沉积物所覆盖，则称为古风化壳。
风化壳是物理风化、化学风化和生物风化作用的综合产物。在一个发育成熟的风化壳中，硅酸盐矿物已完全分解，形成硅及三价金属的胶体氢氧化物；产生的典型矿物是游离的氢氧化铁和氢氧化铝（褐铁矿、水赤铁矿、针铁矿、铝土矿等，俗称铁帽）。例如，中国华北中奥陶统石灰岩上的风化壳，广西下二叠统石灰岩上的风化壳等。
2、完整风化壳剖面结构
风化壳可以由一层残积物组成，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，并且向深处减弱，因而矿物粒度具有垂直分带。一个完整的风化壳在剖面上，从上向下可分为以下几层：土壤层、残积层、半风化层。
3、风化壳厚度和成分
风化壳的厚度和成分因地而异。一般在潮湿炎热气候区，风化壳厚度大，并且有可能形成Fe、Mn、Al、Ni等残积矿床（风化壳型矿床）。在干旱地区风化壳薄，通常仅数十厘米，而且结构简单。
在中国南方气候炎热而潮湿的地区，化学风化作用的速度最快，裸露的岩石只需几年便因风化而变得疏松，风化壳（层）可厚达几十米。
4、风化壳的研究意义
⑴、地壳运动与古风化壳
在构造长期稳定或隆起的地区，风化壳得以充分发育，古风化壳代表地质时期的沉积间断，构造运动发育。
⑵、古地理
在陆地不同气候条件下，风化壳物质特征不一样。
⑶、矿产
往往有残余型矿床，残积砂矿床（金、金刚石）等。
⑷、工程建设
2020年2月13日编写于重庆
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