13 风化作用

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。 • e.g.
FeS2(黄铁矿) +19O2 + mH2O 2Fe2O3 .nH2O(褐铁矿)+ 8H2SO4
铁帽gossan
铁锰氧化物，次生粘土 矿物Fe(OH)3, Fe2O3
浅成带
表生矿物，氧化物和硫 化物FeSO4 , Fe2(SO4)3
球形风化 Spheroidal weathering
气候对风化作用的影响
• 气候（气温和降水量）影响着风化作用的速度、 强度和类型
– 气温的高低－－－化学风化的速度 – 昼夜温差大小－－－物理风化的效率 – 降水量－－－水的多少－－化学风化作用的强弱 – – – – 冰冻气候带－－冰劈作用，基本无化学风化 干旱、半干旱区－－温差风化为主，化学风化作用微弱 温暖潮湿区－－－化学风化显著，生物风化发育 炎热潮湿区－－－化学风化及生物风化强烈、彻底
按作用顺序可分：
风化作用—剥蚀作用—搬运作用—沉积作用—成岩作用 成岩作用是介于内外动力地质作用之间的一个特殊阶段
风化作用是所有外动力地质作用的序幕
本节内容
• 1. 风化作用的类型 • 2. 影响风化作用的因素 • 3. 风化壳
风化作用Weathering
• 风化作用：地表或近地表环境中，由于太阳、大气、 水及生物等因素的影响，使岩石或矿物在原地（in situ）遭受分解和破坏的过程。 • 风化作用的结果： – 机械破碎，岩石由大块变成小块 – 岩石矿物的分解，一部分被水溶液带走，一部 分残留在原地 根本原因：岩石在新的环境下调整达到新的平衡状态
高岭石
铝土矿
•碳酸化作用Carbonation：有CO2参与的水解反应
小结：化学风化作用
• • • • 溶解作用Solution 氧化作用Oxidation 水化作用Hydration 水解作用Hydrolysis
作用结果： 结构和成分变化
生物风化作用Biological Weathering
• 生物的生命活动引起岩石的分解 • 分类： – 生物物理风化作用biophysical weathering： 由于生物活动导致岩石产生机械破坏的作用 – 生物化学风化作用biochemical weathering ： 生物在新陈代谢过程中产生的分泌物和生物 死亡后遗体腐烂的分解产物使岩石分解破坏 的作用
Soil土壤层
Survival 残积层
Semi-weathering zone 半风化层
风化壳的垂直分带性
• 土壤层Soil ：经过生物风化作用的改造而富含腐
殖质的残积物 • 残积层Survival ：经长期物理和化学风化作用后 残留在原地的风化产物 • 半风化层Semi-weathering zone ：遭受初步风化 作用影响，岩石的结构、构造和成分尚未发生彻 底变化的岩石部分
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社会地球
岩石圈板块构造理论 板块运动 构造变形
15资源、环境与地质灾害
外动力过程：各有各的“领地”—— 合作
风化
风化作用
剥蚀·搬运·沉积
地面流水地质作用
成岩
成岩作用
地下水地质作用
风的地质作用 海洋地质作用 冰川地质作用
——削高补低
外动力地质作用类型
按地质营力可分：
地面流水地质作用、海洋地质作用、地下水地质作用、 风的地质作用、湖泊地质作用、冰川地质作用、生物地 质作用等
盐类的结晶与潮解作用 Salt Crystallization & Deliquescence
• 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。
小结：物理风化作用
• 温差风化Thermal Weathering • 冰劈作用Freeze thaw Weathering • 盐类的结晶与潮解作用 Salt Crystallization & Deliquescence 作用结果： 结构：大块→小块；致密坚硬→松软 成分：化学（矿物）成分基本不变
元素的迁移系列 极易迁移的元素 迁移系列元素的组成 Cl (Br、B、I) S
易被迁移的元素
可迁移的元素
K Ca Na Mg F Sr Zn U
SiO2(硅酸盐的）Mn P Ba Rb Ni Cu
略可迁移的元素
不迁移的元素
Al Fe Ti
SiO2(石英）
岩石成分对风化的影响
矿物抗风化能力： • 自然元素 > 氧化物、氢氧化物 > 硅酸盐、硫化 物 > 硫酸盐、卤化物 • 浅色或无色矿物抗风化能力大于深色矿物；表 层形成的矿物比地下深处高温高压环境中形成 的矿物耐风化；岩浆岩矿物中抗风化能力与结 晶顺序相反（鲍文序列）
差异风化differential weathering
岩石结构对风化的影响
矿物颗粒大、孔隙度大且连通性好、裂隙发育的 岩石易于风化 沉积岩中钙质胶结的岩石较硅质胶结的岩石易于 风化
• 球形风化Spheroidal weathering：岩石中因发育多 组裂隙，由于风化作用的影响, 岩石表面趋于圆 化(球状)的现象。细砂岩、中浅层岩浆岩等粒度 较细岩性均一的岩石最易发生
土壤剖面
腐殖层
淋溶层 淀积层
风化壳的水平分带性
风化壳类型 机械型风化壳 硅铝-粘土型风化壳 气候类型 高纬度寒冻区 中、低纬度湿润区
硅铝-碳酸盐风化壳
硅铝-硫酸盐风化壳 砖红土风化壳
中纬度温带半干旱区
中、低纬度干旱区 赤道热带区
古风化壳和古土壤
• 古风化壳paleocrust of weathering：地质时期形成、 已经成岩但仍保留相应特征的风化壳 • 古土壤paleosoil：地质时期形成的土壤 • 古风化壳的地质意义
风化壳Weathered Crust
• 风化壳Weathered crust ：由残积物和土壤在陆地 上构成的，厚薄不均的不连续薄壳 • 残积物Eluvium ：经长期物理和化学风化作用后 残留在原地的风化产物
• 风化壳具有垂直分带性（土壤层、残积层、半风
化层）和水平分带性（五种风化壳类型）
风化壳的结构
13 风化作用
课程知识体系
第一篇 （14/48）
行星地球
第三篇
（16/48）
流体地球
绪论（两部发动机驱动的系统） 地球的表面形态与物理性质 地球的圈层结构 地球的物质组成（含三大岩） 地质年代
第二篇 （6/48）
风化作用
风的作用、地面流水作用、地下 水作用、海洋和湖泊作用、冰川 作用
固体地球
第四篇
多在温差大的干旱和半干旱地区发生。
冰劈作用
冰融作用（ Freeze thaw Weathering ）/ 冻裂作用（ Frost Shattering ）
由于气温的变化，岩石裂隙中的水反复结冰 和融化，从而造成岩石裂隙不断扩大，使岩 石发生崩解的作用。 主要发生在高纬度及高山区
冰劈作用Freeze thaw Weathering
土 壤Soil
• 土壤：以各种风化产物或松散堆积物为母质， 经过生物和化学作用为主的成土作用形成的， 其厚度一般不足2米 • 土壤与残积层的区别
土壤具有植物生长所需要的有机组分、无机组 分、微量元素和水分。
土壤的分层
• 腐殖层：颜色较深，含有植物分解产生的大量腐 殖质，有机物含量可达25%，具有团粒、孔隙和 细小裂隙等结构，矿物在有机酸的作用下被分解 • 淋溶层：颜色较浅，被分解物、微粒矿物和有机 质在淋滤作用和淋溶作用下，从本层往下移动， 本层缺少有机质 • 淀积层：由母质层组成，颜色与下伏成土母质相 近，但淀积从上部淋滤下来的成分
地形对风化作用的影响
• 地势高低、起伏程度、朝向等影响着风化作用的 类型和强度 • 地形高低变化引起气候的垂直分带，导致风化作 用的类型和速度不同。 • 同一高度的阳坡和阴坡：阳坡比阴坡风化作用强。 • 地形陡缓对风化作用也有影响
本节内容
• 1. 风化作用的类型 • 2. 影响风化作用的因素 • 3. 风化壳
化学风化作用Chemical Weathering
在大气、水和水溶液的作用下, 使岩石、矿物 分解而发生结构和成分变化的作用。 化学风化作用的主要方式： 溶解作用、氧化作用、水化作用、水解作用
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。 如： CaCO3(方解石)+H2O+CO2Ca(HCO3)2
生物物理风化作用：根劈作用root wedging
生物化学风化作用 biochemical weathering
本节内容
• 1. 风化作用的类型 • 2. 影响风化作用的因素 • 3. 风化壳
影响风化作用的因素
内因：岩石性质（成分、结构） 外因：气候、地形
岩石成分对风化的影响
• 元素迁移能力migration of elements：元素及其化 合物在风化过程中从矿物中析出的难易程度 • 元素化学稳定性 & 化学风化作用强度（气候）
深成带（原矿）
原始硫化物FeS2
水化作用Hydration
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。
e.g. Fe2O3+nH2O Fe2O3 . nH2O
赤铁矿
褐铁矿
结果： 增大矿物体积 对围岩压力增大 降低矿物硬度
小 结
• 风化作用的概念、外动力地质作用中的地位 • 风化作用的不同类型：物理风化作用、 化学风 化作用、 生物风化作用 • 影响风化作用的因素：岩石性质、气候、地形 • (古)风化壳：风化壳的结构，土壤的分层 下节内容：14 地面流水地质作用
Байду номын сангаас
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。
e.g. 4K[AlSi3O8] +6H2OAl4[Si4O10](OH)8 +8SiO2+4KOH
钾长石 高岭石 Al4[Si4O10](OH)8+nH2O2Al2O3+4SiO2+4H2O
概念区分
• 风化作用 ≠ 风的作用 • 地质“风化” ≠ 化学“风化”
本节内容
• 1. 风化作用的类型 • 2. 影响风化作用的因素 • 3. 风化壳
风化作用类型
• 物理风化作用Physical Weathering • 化学风化作用Chemical Weathering • 生物风化作用Biological Weathering
造岩矿物的抗风化能力
岩石成分对风化的影响
• 单矿物岩石抗风化能力大于复矿物岩石 • 沉积岩的抗风化能力大于岩浆岩和变质岩 • 差异风化differential weathering ：在相同 自然条件下由于岩石性质(矿物组成)的不同 而导致风化速度不同，使岩石表面出现凸 凹不平的现象
花岗闪长岩中闪长岩包体差异风化现象
物理风化作用Physical Weathering
• 由于(大气)温度变化等自然因素的影响， 使岩石和矿物在原地发生机械破碎而无明 显化学改变的过程。 • 物理风化作用的主要方式：
温差风化、冰劈作用、盐类的结晶与潮解
温差风化 Thermal Weathering
由于温度的变化，岩石反复膨胀和收缩， 使岩石崩解的作用。