工程地质第四章

2．冰冻风化
水
冰
b
（二）化学风化作用
• 化学风化是指岩体与氧气、二氧化碳等各种气 体、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、 碳酸化和水化作用，使这些岩石或岩屑逐渐产 生化学变化，分解为极细颗粒的过程。化学风 化使岩石起了质的变化，不但改变了颗粒的大 小，也改变了原岩矿物的成分。化学风化作用 的方式主要有溶解作用、水化作用、水解作用、 碳酸化作用和氧化作用等。
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• 地球表层的整体岩石，在大气中经受长期的风化作 用后形成形状不同、大小不一的颗粒，这些颗粒在 不同的自然环境条件下堆积(或经搬运沉积)，即形 成了土。
• 我国大部分地区的土主要形成于第四纪（部分形成 于第三纪），由于沉积的历史相对较短，大部分沉 积物未经胶结硬化，通常称之为“第四纪”沉积物。 因此，可以说土是松散颗粒的堆积物。
2．岩石的结构、构造
• 结构：岩石中矿物颗粒的粗细、均匀的程度、胶结的 方式和胶结物的成分、层理的厚薄等都影响风化速度。 如粗粒的岩石比细粒的容易风化，多种矿物组成的岩 石比单一矿物岩石容易风化，粒度相差大的和有斑晶 的都比均粒的岩石容易风化。
(正长石)
(高岭石)
4．碳酸化作用
• 当水中溶有CO2时，与水结合形成碳酸， 碳酸根(CO32－)易与矿物中的阳离子化合 成较易溶于水的碳酸盐，从而使水溶液对 岩石中的矿物离解能力加强，化学反应速 度加快，这种化学作用即碳酸化作用。
4K(AlSi3O8)十4H2O十2CO2 ─→ 2K2CO3 十8SiO2 十
植 物 对 岩 石 的 作 用
二、影响岩石风化的主要因素
（一）岩石的性质
1．岩石的矿物组成
• 不同矿物具有不同的结晶格架，由其化学活泼性所决定的抗 风化能力亦不相同。
• 一般情况下，矿物在风化过程中的稳定性由大到小的顺序是： 氧化物＞硅酸盐＞碳酸盐和硫化物。当岩石中不稳定矿物含 量较多时，其抗风化能力较弱；相反，当岩石中含稳定和极 稳定矿物较多时，其抗风化能力较强。
• 物理风化就是指岩石经受风、霜，雨、雪的侵蚀， 或受波浪的冲击、地震等引起各种力的作用，温度
的变化、冻胀等因素，使整体岩石产生裂隙、崩解
碎裂成岩块、岩屑的过程。这种风化作用，只改变
颗粒的大小与形状，不改变岩石的矿物成分。物理 风化作用的方式主要有温差风化、冰冻风化等。
1．温差风化
阳
光
20 C 10 C
• 岩浆岩抗风化能力由大到小的顺序是：酸性岩(花岗岩)＞中性 岩(闪长岩、安山岩)＞基性岩(玄武岩)＞超基性岩(橄榄岩)； 变质岩抗风化能力由大到小的顺序是：浅变质岩＞中等变质 岩＞深变质岩；沉积岩由于形成环境比岩浆岩、变质岩更接 近地表，一般说沉积岩的抗风化能力比岩浆岩及变质岩高， 最终的化学变化较小。但沉积岩的风化问题比较复杂，如粘 土矿物、钙–镁碳酸盐，这些矿物颗粒大都极细，比表面积大， 因而表面效应较强，易遭水化、水解及淋滤作用的影响。实 践证明：沉积岩中的泥岩、页岩风化速度很快。
1．溶解作用
• 水直接溶解岩石中矿物的作用称为溶解作用。 • 溶解作用的结果，使岩石中的易溶物质被逐渐溶解而随水流
失，难溶的物质则残留于原地。岩石由于可溶物质被溶解而 使孔隙增加，削弱了颗粒间的结合力，从而降低岩石的坚实 程度，更易遭受物理风化作用而破碎。最容易溶解的矿物是 卤盐类(如岩盐、钾盐)，其次是硫酸盐类(如石膏、硬石膏)， 再次是碳酸盐类(如石灰岩、白云岩)。其他岩石虽然也溶解 于水，但溶解的程度低得多。
（三）生物风化作用
• 岩石在动、植物及微生物影响下所起的破坏作用称为生物风化 作用。生物风化作用主要发生在岩石的表层和土中。
• 生物的物理风化作用是生物的活动对岩石产生机械破坏的作用。 例如，穴居动物蚂蚁、蚯蚓等钻洞挖土，可不停地对岩石产生 机械破碎；生长在岩石裂隙中的植物(如华山、黄山上的松树)， 其根部生长撑裂岩石，不断地使岩石裂隙扩大、加深。
• 一般而言，处于相似的地质环境中形成的第四纪沉 积物，具有很大一致性的工程地质特征。但不同地 区不同位置土的成因不同，其工程地质性质存在差 异，有的甚至差异很大。
• 按成因类型，土可分为残积物、坡积物、洪积物、 冲积物、湖积物、冰积物及风积物等。
第一节 风化作用及残积物
一、风化作用的类型
（一）物理风化作用
• 生物的化学风化作用是生物的新陈代谢及死亡后遗体腐烂分解 后，与岩石发生化学反应，促使岩石破坏的作用。例如，植物 和细菌在新陈代谢过程中，通过分泌有机酸、碳酸、硝酸和氢 氧化铵等溶液腐蚀岩石；动、植物死后遗体腐烂可分解出有机 酸和气体（CO2、H2S等），溶于水后可对岩石腐蚀破坏；遗 体在还原环境中，可形成黑色胶状，含钾盐、磷盐、氮的化合 物和各种碳水化合物的腐殖质。腐殖质的存在也可促进岩石物 质的分解。
• 岩石在水里的溶解作用一般进行得十分缓慢，但是，当水温 升高以及压力增大时，水的溶解作用就比较活跃。特别是当 水中含有侵蚀性的CO 2而发生碳酸化合作用时，水的溶解 作用就会显著增强，如在石灰岩分布地区，由于这种溶解作 用经常有溶穴、溶洞等岩溶地质现象。
2．水化作用
• 有些矿物与水作用时，能够吸收水分作为自己 的组成部分，形成含水的新矿物，称为水化作 用。例如，硬石膏经水化作用后形成石膏。
Al4(Si4O10)(OH)8
(正长石)
(高岭石)
5．氧化作用
• 矿物中的低价元素与大气中的游离氧化合变为高 价元素的作用，称为氧化作用。氧化作用是地表 极为普遍的一种自然现象。在湿润的情况下，氧 化作用更为强烈。
• 自然界中，有机化合物、低价氧化物、硫化物最 易遭受氧化作用。尤其是低价铁常被氧化成高价 铁。例如常见的黄铁矿(FeS2)在含有游离氧的水中， 经氧化作用形成褐铁矿(Fe 2O3·nH2O)，同时产生 对岩石腐蚀性极强的硫酸，可使岩石中的某些矿 物分解形成洞穴和斑点，致使岩石破坏。
• 矿物经水化作用后体积膨胀而对周围岩石产生 压力，使岩石胀裂。
3．水解作用
• 某些矿物溶于水后，出现离解现象，其 离解产物可与水中的H＋和OH－离子发生
化学反应，形成新的矿物，这种作用称 为水解作用。
4K(AlSi3O8) ＋ 6H2O ─→ 4KOH ＋ 8SiO2 ＋ Al4(Si4O10)(OH)8