[科普中国]-风化作用

风化作用（weathering)是指地表或接近地表的坚硬岩石、矿物与大气、水及生物接触过程中产生物理、化学变化而在原地形成松散堆积物的全过程。根据风化作用的因素和性质可将其分为三种类型：物理风化作用（physical weathering)、化学风化作用(chemical weathering)、生物风化作用(biological weathering)。

岩石是热的不良导体，在温度的变化下，表层与内部受热不均，产生膨胀与收缩，长期作用结果使岩石发生崩解破碎。在气温的日变化和年变化都较突出的地区，岩石中的水分不断冻融交替，冰冻时体积膨胀，好像一把把楔子插入岩石体内直到把岩石劈开、崩碎。以上两种作用属物理风化作用。

岩石在各种风化营力作用下，所发生的物理和化学变化的过程称为岩石风化。它包括岩石所感受的风化作用及其所产生的结果两个方面。与其它动力地质作用相比较，引起岩石风化的营力很多，但主要的是太阳热能、水溶液( 地表、地下及空气中的水) 、空气( 02及 C02等) 及生物有机体等。1

岩石中的矿物成分在氧、二氧化碳以及水的作用下，常常发生化学分解作用，产生新的物质。这些物质有的被水溶解，随水流失，有的属不溶解物质残留在原地。这种改变原有化学成分的作用称化学风化作用。

此外植物根系的生长，洞穴动物的活动、植物体死亡后分解形成的腐植酸对岩石的分解都可以改变岩石的状态与成分。

岩石风化作用与水分和温度密切相关，温度越高，湿度越大，风化作用越强；但在干燥的环境中，主要以物理风化为主，且随着温度的升高物理风化作用逐渐加强；但在湿润的环境中，主要以化学风化作用为主，且随着温度的升高化学风化作用逐渐加强。物理风化主要受温度变化影响，化学风化受温度和水分变化影响都较大。从地表风化壳厚度来看，温度高，水分多的地区风化壳厚度最大。土壤是在风化壳的基础上演变而来的。

地壳表层的岩石在阳光、风、电、大气降水、气温变化和空气等外营力作用下及生物活动等因素的影响下，会引起岩石矿物成分和化学成分以及结构构造的变化，使岩石逐渐发生破坏的过程称为风化作用。

一.风化作用（weathering)是指地表或接近地表的坚硬岩石、矿物与大气、水及生物接触过程中产生物理、化学变化而在原地形成松散堆积物的全过程。根据风化作用的因素和性质可将其分为三种类型：物理风化作用、化学风化作用、生物风化作用。

　　 二.风化作用指岩石在地表或接近地表的地方由于温度变化、水及水溶液的作用、大气及生物等的作用下发生的机械崩解及化学变化过程。风化作用一般分三类：物理风化、化学风化和生物风化作用。

此外植物根素的生长，洞穴动物的活动、植物体死亡后分解形成的腐植酸对岩石的分解都可以改变岩石的状态与成分。2

物理或机械风化造成岩石分解。机械风化的主要过程为海蚀，海蚀把碎屑物及其它微粒的大小减少。但机械风化与化学风化环环相扣，如机械风化造成的裂缝会増加进行化学风化的表面面积。而化学风化在裂缝造成的矿物亦会帮助岩石分解。

热膨胀

热膨胀（Thermalexpansion），或称为洋葱状风化（onion-skinweathering）、剥离作用（Exfoliation）、日晒风化（insolationweathering）或热冲击（thermalshock），通常在类似沙漠等有很大的每日温差的地方。温度在日间升高，在晚间则急剧下降；岩石在日间受热膨胀，在晚间冷却收缩。应力通常都会施加在外层。此应力令岩石外层以薄片状态剥落。虽然此现象由温差做成，但水气的存在令热膨胀的效果加强。3

冻融风化（Freezethaw weathering），又被称为冻裂作用（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，虽然其原因常被指为水在裂缝中结冰后膨胀而成，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薄层在增长中的底冰（icelenses）中收集，因而引起膨胀或冻胀（frostheave）。同样的现象亦发生在岩石的细孔中。她们会因为吸收邻近的液态水而不断增大。冰晶的增长引致岩石弱化，最后分裂。在矿物表面、冰及水之间的分子间作用力（Intermolecularforces）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间压力。

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°C以下破裂。实验又显示即使是在被认为是水在裂缝中结冰后膨胀的风化环境，即把岩石保持在低温或把其轮转，并维持在一定的时间上，岩石亦不会破裂。而当在一些多孔的岩石进行实验，因底冰而引致快速破裂的关键性温度带为-3°C至-6°C，比较冰点低很多。

发生地点因为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）地区及冰边缘的（periglacial）地区。易受冻结影响的岩石的例子有白垩，因其多孔的特性令冰晶可以生长。此现象可以在达特穆（Dartmoor）以突岩（tor）的形式观看到。

寒冻楔裂（Frostwedging）以前被认为是无孔岩石的风化作用的主要因素，但研究发现其重要性不及预期般高。冻裂作用，间中亦被称为冰晶生长、寒冻楔裂、冰冻楔裂（icewedging）或冻融作用当在岩石裂缝及接口的水冻结及膨胀发生。水在?22°C可以施加高至二千一百万帕斯卡（2100千克力（kilogram-force）每平方厘米）的压力。此压力通常可以比大部分的岩石的抵抗力为高，并令其破碎[1][2]。当水进入岩石裂缝冻结后，冰块向裂缝两边的墙施力，令裂缝加深及加阔。这是因为水的容量在冻结后有9%的增长。当冰块融化后，水会再流入裂缝加深的地方，当温度降低至冰点以下时再冻结，便会令裂缝更为增大。不断重复的冻融作用弱化岩石，在裂缝被破开，形成有角的石块。角状石块在山坡下集合，形成岩屑坡（talusslope）或碎石斜坡（Screeslope）。岩石被沿着裂缝被破开成为石块被称为块状分裂（blockdisintegration）。分裂的石块会因应岩石结构而出现不同的形状。

压力释放原理：在压力释放（pressurerelease），或称为风化卸荷（unloading），发生在物体以上的物质（不一定是岩石）被侵蚀作用或其它过程移走后，被移走的物质以下的岩石会以表面水平的方式膨胀及破裂。通常被移走的物质会较重，施加给其以下的岩石很大的压力，例如移动中的冰川。压力释放可能亦会引致剥离作用（exfoliation）发生。

侵入火成岩的压力释放现象

侵入火成岩（Intrusiveigneousrocks）如花岗岩在地球表面深处形成。她们因为其以上的物质承受极大的压力。当侵蚀作用移走其以上的岩石物质后，此侵入火成岩便露出表面便令其压力被释放。外围的岩石便有膨胀的趋势。此膨胀引起应力令裂痕以岩石表面的水平方向发展。经过一定时间后岩石便以片状的方式在露出表面的岩石破开分离。压力释放亦被称为剥离作用或页状剥离（sheeting）；以上作用引起岩基（batholiths）及花岗岩穹丘（granitedomes），其现象可以在达特穆（Dartmoor）找到。

水力作用水力作用（Hydraulicaction）发生在当水经由巨大的浪冲入岩石表面的裂痕时。这样在裂痕深处的一层空气便被困着，同时空气亦受到压迫而弱化岩石。当浪退后时，受到压迫的空气便会以爆发性的释放。爆发性的释放高压空气会破开在岩石表面的碎片并令岩石的裂痕加阔。

盐结晶作用

原理：盐结晶作用（Saltcrystallization），或称为盐风化（Haloclasty或Saltweathering）发生在含有盐分的溶液渗入岩石裂缝及接口后蒸发，留下盐晶体，令岩石瓦解。此盐晶在受热后膨胀，向狭窄的岩石施加压力。

因为岩石而造成的盐

盐结晶作用亦可以发生在溶液分解如白垩及石灰岩的岩石后形成硫酸钠或碳酸钠的盐溶液，并在水份蒸发后形成其相对的盐晶。

特别强力的盐种类

最有效的盐去分解岩石被证明为硫酸钠、硫酸镁及氯化钙。部分盐晶可以膨胀至三倍或更多。

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蒸发，从而产生盐结晶作用。盐结晶作用亦在岸边活跃。盐风化的例子亦可以在海堤上的蜂窝石（honeycombedstones）找到。

生物亦有可能参与物理风化（同时亦有化学风化）。地衣及藓类植物在光秃秃的岩石表面生长，做成一个更为潮湿的化学微环境。岩石被这些生物附上后会加强在岩石上表面微表层进行的物理与化学分解。大范围的幼苗发芽及植物的根部除了在岩石上裂隙施加物理压力外，亦提供一个水及化学物的渗透渠道。挖洞动物及昆虫分布在底岩附近的土壤表层亦会增加水及酸的渗透性和进行氧化过程的表面积。

有部分动植物能够释放出酸性化学物而引起化学风化。最常见的生物风化引起的化学风化形式为释放螯合物（chelating）化学物，亦为酸的一种。此化学物由植物释放，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，溶于水后造成化学风化。螯合物的过度释放会影响附近岩石与土壤，及可能引致灰化土的形成。

生物死亡后，腐烂分解形成一种腐植质(胶状的物质)，是一种有机酸，对岩石起腐蚀作用。

地壳表层岩石经机械破碎，化学风化后形成的松散物，再经过生物的化学风化作用，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叫做土壤。

化学风化（Chemicalweathering）包含岩石成分的改变，常常引致其形态的崩溃。这种风化会在一段期间反复发生。

溶解作用原理天然的降雨有些微的酸性，因为大气中的二氧化碳溶入雨水中，造成弱碳酸。在未受污染的环境，雨水的酸碱值约为5.6。因为大气中的二氧化硫及氮氧化物等气体会引起酸雨。这些氧化物与雨水起反应形成更强的酸，令酸碱值降至4.5或3.0。二氧化硫，SO2，由火山爆发或化石燃料而来，能够在雨水中成为硫酸，从而在落下的岩石上引起溶解作用。

碳酸化作用

其中一种知名的溶解作用为碳酸化作用（carbonation），此过程因为大气中的二氧化碳而引起。碳酸化作用在含有碳酸钙的岩石发生，例如石灰岩及白垩。此作用发生在雨水与二氧化碳或有机酸等结合后形成弱酸（Weakacid），弱酸与碳酸钙反应后形成重碳酸钙（calciumbicarbonate）。此作用在低温下会加速，所以是冰川风化的主要特色。

其反应如下：CO2+H2O->H2CO3

二氧化碳+水->碳酸

H2CO3+CaCO3->Ca(HCO3)2

碳酸+碳酸钙->重碳酸钙

碳酸化作用在有多重接口的石灰岩形成一种分开的石灰岩道路。碳酸化作用沿着岩石接口的反应最为强烈，令此接口加阔及加深。

水合作用，水合作用（Hydration）为化学风化的一种形式，包含H+与OH-离子与矿物分子的坚固连接。当岩石矿物吸收水份后，其增加的容量在岩石中造成物理应力。例如氧化铁（ironoxides）便会转化成氢氧化铁（ironhydroxide）及硬石膏（anhydrite）经过水合作用后便成为石膏（gypsum）。

水解作用原理：水解作用（Hydrolysis）为一种影响硅酸盐（Silicate）矿物的化学风化过程。在反应中纯水会轻微离子化，并与硅酸盐矿物起反应。反应例子如下：

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

橄榄石（olivine）（镁橄榄石（forsterite））+四个水分子离子->溶液中的离子+溶液中的硅酸（silicicacid）

实际反应在假设有足够的水去推动反应之下，以上反应引致原本矿物的完全溶解。但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。但二氧化碳则会轻易溶入水中形成弱酸，并捐出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

以上的水解反应则较为普遍。碳酸受到硅酸盐消耗，因为重碳酸盐而形成一个较为碱性的溶液。这是一个控制大气中的二氧化碳的一个重要反应，并能影响气候。

特别反应：铝硅酸盐（Aluminosilicate）在水解作用下形成第二种矿物而不是简单的放出正离子。

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）（为一种黏土矿物）+硅酸溶液+溶液中的钾（potassium）及重碳酸盐离子

氧化作用：种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）及其与氧及水的融合而成的Fe3+氢氧化物及氧化物如针铁矿（goethite）、褐铁矿（limonite）及赤铁矿（hematite）。此氧化物令岩石表面呈现出棕红色，此氧化物很易粉碎，令岩石弱化。此过程称为锈化（rusting）。2

由任何石头、砖块或混凝土制造的建筑物会受到和其它露出表面的岩石相同的风化媒介影响。而雕像、遗迹及装饰的石制品能够因为自然风化而受到严重破坏。以上过程在酸雨影响的地区上会加强。

1）未风化：岩质新鲜，偶见风化痕迹。

2）微风化：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：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，岩芯钻方可钻进。

4）强风化：结构大部分被破坏，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：结构基本破坏，但尚可辨认，有残余结构强度，可用镐挖，干钻可钻进。

6）残积土：组织结构全部破坏，已风化成土状，锹镐易挖掘，干钻易钻进，具可塑性。

物理风化是最简单的风化作用，在沙漠地区尤其明显。因为那里气温白天高达40－50℃，晚上可降到0℃以下，岩石热胀冷缩，这种胀缩在岩石表部和核部是不一样的。由于不同矿物的膨胀系数不一样，久而久之，岩石出现了裂隙，由大块变成了小块，由小块变成砂，由砂变为土，石头就烂掉了。在有化学作用和生物作用参与的情况下，风化作用进行得更快，风化的过程和产物也更丰富多彩。

最常见的风化现象是岩石的球状分化，这是因为岩石的外层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缝，沿裂缝风化最深，稜角磨得最圆。在悬崖陡坡上的岩石，因风化而发生崩落，裂解下来的石块沿山坡流动，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，称倒石锥。如果是一个平缓的山坡，崩落下来的岩块杂乱地堆积在那里，形成石滩或石海。

物理风化、化学风化和生物风化作用的综合产物是风化壳。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），如华北中奥陶统灰岩之上的风化壳、广西下二叠统灰岩之上的风化壳等。以生物风化作用为主的风化作用的综合产物是土壤；除植物外，气候在土壤形成的过程中起了重要的作用。

风化作用无处不在，无孔不入，它对人们带来的困扰，几乎可与生锈、虫蛀并列。修公路修铁路时，常可开挖出非常好的地质露头，有些现象的意义足以与“名胜古迹”媲美，吸引了中外地质学家前去研究。但几年过后，研究成果发表了，纪念碑树起来了，露头也风化了。在我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，风化层可厚达几十米。位于洞穴或石窟（著名的如云岗石窟、敦煌石窟等）的浮雕或石雕虽免于风吹雨淋之苦，仍因风化而变得斑驳陆离。埃及的狮身人面像屹立在大自然已有4000多年了，相对来说风化进行得较慢，原因之一是气候干燥，只有物理风化在起作用。而狮身人面像是从一整块灰岩上雕凿出来的，抗物理风化能力较强；第三个原因是那里风沙大，飞沙经常把它掩埋起来，保护了它免受日晒夜冻。游客们在欣赏她勃发的英姿时，哪里会想到可能昨天她还埋在飞沙中呢？

风化作用的速度主要取决于自然地理条件和组成岩石的矿物性质。

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。以物理风化作用为主，化学和生物风化为次。岩石破碎，但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。

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，故化学风化和生物风化都十分强烈，形成大量粘土，在有利的条件下可形成残积矿床。可形成较厚的土壤层。

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，受生物影响较大，化学风化作用为主。

1． 成分

(1)岩浆岩比变质岩和沉积岩易于风化。岩浆形成于高温高压，矿物质种类多(内部矿物抗风化能力差异大).

(2) 岩浆岩中基性岩比酸性岩易于风化，基性岩中暗色矿物较多，颜色深，易于吸热、散热。

(3) 沉积岩易溶岩石(如石膏、碳酸盐类等岩石)比其它沉积岩易于风化.

差异风化：在相同的条件下，不同矿物组成的岩块由于风化速度不等，岩石表面凹凸不平；或由不同岩性组成的岩层，抗风化能力弱的岩层形成相互平行的沟槽，砂岩、页岩互层，页岩呈沟槽。通过差异风化，我们可以确定岩层产状。

2． 岩石的结构构造

(1) 岩石结构较疏松的易于风化；

(2) 不等粒易于风化，粒度粗者较细者易于风化；

(3) 构造破碎带易于风化，往往形成洼地或沟谷。

球形风化： 在节理发育的厚层砂岩或块状岩浆岩中，岩石常被风化成球形或椭圆形，这种现象叫做球形风化，它是物理风化为和化学风化联合作用的结果。

球形风化的主要条件有：

(1)岩石具厚层或块状构造；

(2) 发育几组交叉裂隙；

(3)岩石难于溶解；

(4)岩石主要为等粒结构；

（5）花岗岩。

被三组以上裂隙切割出来的岩块，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。

1． 岩石经风化后部分易溶物质被水带走流失，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残积物。残积物的矿物组成、化学成分、颜色与下伏地层(原岩)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，在存在生物活动物的地区，残积物顶部发育成土壤。

风化壳：残积物和土壤在大陆地壳表层构成一层不连续的薄壳，称之为风化壳。3

2． 风化壳可由一层残积物组成，也可由几层风化分解程度不同的残积物组成，而且层与层之间常逐渐过渡而无明显分界线。由于风化作用以地表最强烈，并向深处减弱，故具垂直分带。一个完整的风化壳在剖面上，从下往上可分为以下几层：土壤层、残积层、半风化层。

3． 风化壳的厚度和成分因地而异，一般潮湿炎热气候区，风化壳厚度大，并有可能形成Fe，Mn，Al，Ni等残积矿床(风化壳型矿床)，干旱地区风化壳薄，常仅数十厘米且结构简单。古风化壳：风化壳若为后来沉积物所覆盖，则称为古风化壳。

4． 风化壳的研究意义

(1) 地壳运动与古地理：长期稳定或隆起，风化壳得以充分发育，古风化壳代表古代沉积间断，发育构造运动。

(2) 古地理：陆地，不同气候条件，风壳物征不一。

(3) 矿产：残余型矿床，残积砂矿床(金、金刚石)。

（4) 工程建设：对近代埋藏的风化壳应填重对待。某水库工程对风化壳厚度估计不够，蓄水后坝下渗漏严重。

地表和接近地表的岩石，在温度变化、水、空气及生物的作用和影响下所发生的破坏作用，称为风化作用。可分成两种主要类型： 4

1.物理风化作用：是指岩石只发生机械破碎而化学成分未改变的风化作用。物理风化的结果是形成各种碎屑物质。

2.化学风化作用：指岩石在氧、水和溶于水中的各种酸、以及生物的作用下，发生化学分解的风化作用。

3.造岩矿物和岩石在风化过程中的稳定性。

　　1) 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
　　不同种类的长石中，钾长石比斜长石稳定，酸性斜长石又较基性斜长石稳定。
　　2）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，尤其是在碳酸的作用下，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、故其风化产物多呈红色、褐色及棕色。
　　3）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。
　　4)云母类
　　白云母稳定性较黑云母高，故在沉积岩中前者较常见。白云母在化学风化作用下可以分解而转变成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，其部分阳离子则被淋滤。
　　5）粘土矿物
　　为沉积岩的重要造岩矿物。由于此类矿物是在地表条件下形成的，故在一般风化作用下只发生机械破碎，而无化学分解现象。
　　6）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。
　　岩石的风化及影响因素
　　1）矿物成分， 2）结构构造， 3）气候条件
　　岩石破碎 →Ca、Na、Mg、K带出→ 水云母或蒙脱石 → 高岭石 →含水氧化铁+蛋白石+铝土矿。
　　风化产物
　　母岩风化后形成的产物按其性质可分为三类：
　　1）碎屑物质 这是母岩机械破碎的产物。
　　2）不溶残余物质 是母岩在分解过程中新生成的矿物。
　　3）溶解物质 在化学风化过程中，母岩中活泼性较大的金属元素分解出来溶于水中，组成真溶液或胶体。