母岩的风化作用

Question

如题所述

Answer 1

风化作用是指地壳表层的岩石（岩浆岩、变质岩和先成的沉积岩）在大气、水、生物活动以及其他外部表生因素的影响下，发生机械破碎和化学变化的作用。风化作用主要在地表或接近地壳表层的地带发生，它的产物是沉积岩的主要物质来源。

（一）风化作用的类型

按风化作用营力以及原岩变化特点，风化作用分为物理风化作用、化学风化作用和生物风化作用三种类型。

1.物理风化作用

物理风化作用是地壳表层岩石的一种机械破坏作用。它是一种使岩石破碎、崩解成各种不同大小的碎块，而不发生化学成分变化的作用。由物理风化作用而成的岩石碎块可辨认出原岩的性质。机械破碎深度从几厘米至几十米不等。

引起母岩发生机械破碎的因素很多，主要有温度的变化、冰劈作用、重力作用和岩石裂隙中溶解盐类的结晶作用。

2.化学风化作用

化学风化作用是母岩的一种化学分解作用。它是由于化学变化，使组成岩石的矿物发生分解并产生在表生环境下稳定的新矿物组合的过程。例如岩石中的长石、辉石等矿物在原地发生化学分解后，形成Al₂O₃、Fe₂O₃和SiO₂等物质，若它们互相化合，并吸收部分钾、钠而形成粘土矿物。粘土矿物就是母岩发生化学风化时一起产生的。

从本质上讲，化学风化作用是富含氧及二氧化碳或有机酸的水溶液（雨水及土壤水）与矿物发生化学反应的过程。概括地说与化学风化作用有关的化学反应主要有氧化作用、水解作用、水化作用、酸的作用、胶体作用和离子交换反应等。但是对不同矿物来说，促使其分解的主要化学反应是不同的。

（1）氧化作用

氧化作用是在地壳表层最常见的一种化学反应。是含有变价元素（铁、锰）的矿物，在氧和水的作用下，它们的低价氧化物、硫化物和硅酸盐变为高价氧化物、氢氧化物和含氧盐的过程，尤其是低价铁最易氧化成高价铁，如黄铁矿氧化成赤铁矿，或含低价铁的硅酸盐（如铁橄榄石）变为赤铁矿都是明显的例证。铁橄榄石的氧化反应方程式如下：

2Fe₂SiO₄+O₂+4H₂O→2Fe₂O₃+2H₄SiO₄

（2）水解作用

水解作用是水中呈离解状态的H⁺和OH^-离子与被风化的矿物中离子发生交换的反应。即由水电离而成H⁺置换矿物中的碱金属阳离子。水解作用使矿物中的碱金属阳离子溶于水中而被带出或部分地为胶体所吸附；而矿物中的铝硅酸络阴离子将与水中的H⁺结合而成为粘土矿物而残留下来。在水解作用过程中若有碳酸的存在，反应将会进一步加强。例如白云母在不同pH值的介质中生成的各种中间矿物如下：

岩石学

在各类化合物中，弱酸盐最易水解。因此，硅酸盐岩石和碳酸盐岩石发生化学风化时，水解起着极其重要的作用，且随温度的升高，水解作用逐渐增强。

（3）水化作用

水化作用是指把水分子结合到矿物晶格中去的作用。水在矿物中呈nH₂O的形式出现。如硬石膏（CaSO₄）转变为石膏（CaSO₄·2H₂O）、赤铁矿（Fe₂O₃）转变为水赤铁矿（Fe₂O₃·nH₂O），是最常见的水化现象。

（4）酸的作用

自然界中常见的酸是碳酸和腐殖酸。虽然它们都是弱酸，但它们对许多矿物，特别是硅酸盐和铝硅酸盐矿物的分解起着极其重要的作用。这些矿物与碳酸发生反应时，其中的阳离子（如Fe²⁺、Ca²⁺、K⁺、Na⁺）常形成碳酸盐和重碳酸盐，SiO₂被分解出来。如钾长石和碳酸作用反应式为：

4KAlSi₃O₈+2CO₂+4H₂O→2Al₂Si₂O₅（OH）₄+2K₂CO₃+8SiO₂

（5）胶体作用及离子交换反应

硅酸盐和铝硅酸盐矿物遭受风化时，由于各种化学反应使矿物中Al₂O₃和SiO₂间的连结力键遭到完全破坏而被游离出来。Al₂O₃、SiO₂，以及由含铁硅酸盐矿物分解出来的Fe₂O₃，它们的溶解度都比较小而形成胶体，广泛地分布于风化带中。胶体间的相互作用、凝聚和晶化对许多表生矿物的形成起着重要的作用，如粘土矿物等。胶体还具有从介质溶液中吸附离子的能力，如带正电荷的铁和铝的氢氧化物胶体可吸附

、

、

、

等阴离子团；带负电荷的粘土胶体常吸附Be、Pb、Cu、Hg、Ag、Au等阳离子；SiO₂的胶体常吸附放射性元素等。同时，胶体吸附的离子常与介质中的离子产生交换反应。这对于地壳元素的再分配、迁移和富集起一定的影响。

3.生物风化作用

地壳表层岩石在生物的作用下所发生的破坏作用称为生物风化作用。这种作用可以是机械的，也可以是化学的。

生物的机械破坏作用主要表现在生物的生命活动上。如生长在岩石裂隙中的植物，随着植物的长大、根部变粗，使岩石裂隙扩大而引起岩石崩解；穴居动物如田鼠、蚂蚁和蚯蚓等不停地挖洞掘穴，使岩石破碎、土粒变细。

生物对岩石的化学分解要比机械破碎强烈得多。它主要通过生物的新陈代谢和生物遗体的腐烂而引起对岩石的破坏。

植物和细菌等在新陈代谢的过程中常析出硝酸、亚硝酸、碳酸、氢氧化铁和有机酸等溶液而强烈地破坏着岩石；或者生物在其生活的过程中，经常不断地从它周围的环境中吸取它所需要的养分，并排泄出它所不需要的物质。这样岩石因化学成分的改变而发生破坏。例如某些类型的硅藻的分泌物能把高岭石之类的粘土矿物分解，并吸取其分解物中的二氧化硅构成自己的硬壳；同时其分解物中的氧化铝就可相应地富集起来成为铝土矿。

生物遗体腐烂以后，能产生大量的CO₂、H₂S相有机酸。它们直接影响介质的pH值和E_h值，从而强烈影响化学风化作用的进程。

以上三种风化作用在自然界中不是孤立存在的，它们是相互联系、相互促进和相互影响的。例如岩石的机械破碎就为岩石的化学分解创造了有利条件，使化学风化作用进行得比较彻底。然而在特定的环境下，往往是某种作用占主导地位，而其他作用则居于次要的位置。例如在干燥炎热的山区或冰雪覆盖的高纬度地带，以物理风化作用为主；而在潮湿多雨气温温和的地带，化学风化作用占主导，物理风化则是次要的了。

（二）主要造岩矿物和岩石在风化过程中的变化

1.造岩矿物在风化作用中的稳定性

在风化过程中各种造岩矿物不同程度地发生变化，但它们之间的变化速度和程度却很不相同。各种造岩矿物在风化过程中变化的难易，或者说各种造岩矿物抵抗风化的能力，称为造岩矿物在风化作用中的稳定性。

造岩矿物在风化作用中的稳定性主要取决于两个因素：①矿物的化学成分和内部结构；②造岩矿物所处的风化条件，主要是气候条件。

S.S.顾迪其（S.S.Goldisb）在1938年研究了莫尔顿花岗片麻岩的风化情况后，根据造岩矿物抵抗风化的能力，按序排出（图7-1），称作造岩矿物在风化作用中的稳定系列。

图7-1 造岩矿物在风化作用中的稳定系列

从图7-1可以看出此系列与鲍温的结晶反应系列完全相同，但两者所代表的意义是不同的。稳定系列指出位于系列上部的造岩矿物抵抗风化能力弱，容易风化（如橄榄石、基性斜长石），位于系列下部的造岩矿物抵抗风化能力强，难于风化（如白云母、石英）。这是因为位于系列上部的造岩矿物是在高温、高压的条件下结晶出来的，与它后来所处的地表温度和压力条件相差很大，因此容易风化。反之位于系列下部的造岩矿物形成的温度和压力条件与后来地表的温度、压力条件差距较小而难以风化。

2.主要造岩矿物在风化过程中的变化

1）铁镁矿物：主要为Fe²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺的硅酸盐，包括橄榄石、辉石和角闪石等。它们是最易风化的造岩矿物，因为矿物中的低价铁，在地表条件下被氧化成高价铁而导致晶格破坏，矿物发生分解。在碳酸的作用下，Fe²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺等金属阳离子首先形成重碳酸盐或碳酸盐。它们其中的一部分溶解于介质中而被带出，而大部分Fe²⁺进一步氧化成含水的氧化铁堆积在原地，或者与后来游离出来的SiO₂，化合形成蛇纹石、绿泥石等矿物。SiO₂本身亦可凝聚成蛋白石、玉髓等。铁镁矿物中以橄榄石最容易风化，其次是辉石，再次为角闪石。由于它们抗风化能力弱，所以在沉积岩中保存甚少，仅在风化作用进行得不够彻底的快速沉降地区可见，或者以重矿物的形式少量出现。

2）长石类：这是地壳中分布最广的含K⁺、Na⁺、Ca²⁺的铝硅酸盐矿物。长石受水解和碳酸化作用，K⁺、Na⁺、Ca⁺等阳离子变成碳酸盐、溶于水中被带出。同时由水的离解作用产生的OH^-和部分水分子进入到已被破坏的结晶格架中发生水化作用而使晶格发生根本转变，由架状构造变为层状构造，部分SiO₂被带出，长石便转变为伊利石。伊利石在酸性介质条件下，继续分解而成为高岭石（若在碱性介质条件下则转变为蒙脱石）。高岭石进一步分解则形成氢氧化铝和蛋白石堆积。其反应过程可用下式表示：

岩石学

在风化过程中各种长石的稳定性也是很不相同的，一般是钾长石比斜长石稳定；在斜长石中，酸性斜长石比基性斜长石稳定。所以，在沉积岩中常见的是钾长石和酸性斜长石的碎屑。基性斜长石只有在地槽区并且是以物理风化为主的条件下才能保存下来，并分布在离母岩不远的地方。

3）云母类：在本类矿物中，黑云母容易风化，而白云母抵抗风化能力较强。黑云母由于水化作用分解成伊利石和绿泥石，最终变为细分散的氧化铁和氢氧化铁和高岭石等。白云母在较强的化学作用下也能分解；游离出部分K₂O和SiO₂，再经水化而变成伊利石，最终变为高岭石。

4）石英：在风化过程中石英几乎不发生化学变化，仅发生机械破碎。母岩遭受风化后，其中所含的石英几乎全部保留在风化产物中，母岩风化得愈彻底，其相对含量就愈高。

除上述几类主要造岩矿物外，还值得一提的是碳酸盐矿物的变化情况，本类矿物主要有方解石和白云石，它们在富含 CO₂的水中极易溶解，由于其硬度较小还易发生机械破碎。

3.岩石在风化过程中的变化

母岩遭受风化后，其颜色、物理性质（体积、孔隙度、机械强度）、化学成分、矿物成分和结构等方面都要发生显著的变化。

母岩遭受风化首先表现在颜色发生变化。颜色变化主要由于氧化作用造成，如低价铁氧化后使岩石出现黄色、褐色和红色；有机物氧化后使岩石的黑灰色变浅，甚至变为淡灰色或淡红色。同时由于物质及色素扩散的不均匀性，岩石风化后颜色分布也不均匀，使露头表面呈现斑点状、斑块状、不规则层纹和同心层状等。

破碎现象是母岩遭受风化后的又一明显变化。物理风化使岩石产生裂纹和裂隙，进而发生破碎。在另一方面造岩矿物遭到水化和水解作用而形成富含水的矿物。这些均会增大岩石的体积，并使其孔隙度增加。

母岩在风化过程中，矿物成分的变化主要表现为内生矿物的逐步减少和表生条件下生成的矿物如伊利石、高岭石等的增加。

由于各类型岩石中所含矿物的抵抗风化能力各不相同，因而不同类型岩石的风化情形也是很不相同的。如岩浆岩中的超基性岩、基性岩类因主要由橄榄石、辉石和基性斜长石组成，所以容易风化；酸性岩类中的钾长石、石英和酸性斜长石的稳定性较高，因而抵抗风化的能力也较强。沉积岩中的造岩矿物大都是母岩中较难风化的碎屑矿物，或者是在风化、沉积过程中生成的新生矿物，因此在风化过程中稳定程度一般都比较高。比较而言，其中以盐岩最容易风化，石灰岩、白云岩次之，最难风化的是硅质岩。变质岩的风化情况与岩浆岩相类似。

（三）风化产物的类型

母岩经受风化作用后可产生三种不同类型的产物：

1）碎屑物质：包括矿物碎屑和岩石碎屑。这类物质是母岩机械破碎的产物。

2）残余物质（不溶残积物）：即母岩在分解过程中形成的不溶物质。如粘土矿物、褐铁矿及铝土矿等。

3）溶解物质：是母岩中容易析出的元素，如Cl^-、

、K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺以及部分Fe²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Si⁴⁺等。它们在风化过程中按溶解度的大小，分别形成真溶液和胶体溶液，被流水搬运至远离母岩的湖海中。

母岩风化产物是沉积岩的主要物质成分。它的性质直接影响到沉积岩的类型。碎屑物质是碎屑岩的主要成分；不溶残积物，特别是粘土矿物是粘土岩类的基本物质；溶解物质在湖海中经过化学及生物化学的沉积作用形成各种铁、锰、铝、磷质岩石和碳酸盐岩等。

不同类型的风化产物，在地表不同地区常作有规律的分布：一般是可溶物质被运移至湖泊或海盆中，而残余物质和部分碎屑颗粒则残留在原来岩石的表层上面。残积物和经生物风化作用形成的土壤在陆地上形成一层不连续的薄壳（层），称为风化壳。根据风化壳形成的时间，可分为现代风化壳和古代风化壳，二者以第三纪作为划分的界线。由于保存条件的限制，古代风化壳较难保存到现在。

在古代地层剖面中发现的古风化壳代表被风化壳分割的上下两套地层之间曾发生过沉积间断，说明该地区在风化壳形成时期曾经发生过地壳上升。