岩石力学与工程科普—风化作用

风化作用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、化学变化和生物风化而在原地形成松散堆积物的全过程。

丹霞山是世界自然遗产地“中国丹霞”的典型代表，位于南岭南麓，属于中亚热带湿润季风气候，盛行东南风，陡坡上发育形态和规模各异的风化洞穴，其中多个细小的砂岩洞穴组合的蜂窝状洞穴最具特色。

图1 丹霞山世界地质公园DEM图

图2 长老峰锦石岩寺大型层控洞穴及其内崖壁上的蜂窝状洞穴

图3 丹霞组锦石岩段的蜂窝状洞穴

丹霞山蜂窝状洞穴成因主要是盐风化（岩石孔隙(或裂隙)中的盐类结晶生长促进岩石表面颗粒分解或脱落的一种风化过程）。蜂窝状洞穴呈连片状分布在近似垂直的潮湿的砂岩崖壁上(见图2和3)，其砂岩内部的颗粒状构造增加了岩石的孔隙率,而丰富降水和高温的气候条件为蜂窝状洞穴的形成提供了有利条件。雨水渗入砂岩内部后,表层水在高温和强烈的风力作用下蒸发,而内部含水量仍然很高,利于蜂窝状洞穴的发展。此外，蜂窝状洞穴内部气温的日变化较小,夜晚温度较表面高,会使得岩石表面硬化作用加强,蜂窝状洞穴不断发育扩大。

龙门石窟位于洛阳市区南13km的龙门镇龙门山。其岩石破坏主要是因为物理、生物风化作用，化学风化作用影响相对较小。

物理风化：1、岩体的热胀冷缩：当日光照射或气温升高时，石窟所在岩体表层随温度升高很快受热膨胀，而岩体内部由于岩石的导热性很差，还未受热，因此，内部岩体与表层岩体不能同步膨胀，在内外层之间便产生与表面方向垂直的拉力；气温下降时，岩体表层又由于散热快而变冷收缩，这时岩体内部正受到由岩体表面传来的热的影响，体积正膨胀，致使岩体的外层受到张力。在上述拉张力反复作用下，便产生与岩体表面平行及垂直的裂缝，导致岩体碎裂；同时由于岩体反复增温，也增强了岩石质点的热运动，削弱质点间的联系能力，加速岩体的碎裂。2、冰劈作用：随着冻结、融化的反复进行，岩体的空隙将逐步增多、扩大，致使岩体崩裂。

生物风化作用：1、生物机械破坏为植物的根劈作用，随着植被根须的不断发育，对石窟围岩空隙施加强大的压力，劈裂岩体，进一步扩大岩体中的空隙，甚至引起围岩崩落。2、生物化学破坏方式：岩石的溶蚀破坏主要是发生了以下的化学反应：CO₃²⁻ +H2O←→ HCO₃-+OH⁻（1）和CO2 [水] + H2O←→H2CO3←→H++HCO3⁻（2），即由于水中溶有的CO2而产生的H+将使第一式中的OH⁻浓度降低，而使第一反应式向右方向进行。当渗透水流流经碳酸盐岩时，由于上述反应使岩体被溶解。

化学风化作用：主要表现为水的溶解作用及碳酸化作用。溶解于水中的离子与岩石矿物中的一些金属离子结合成易溶的碳酸盐随水迁移，从而溶蚀、扩大原有的空隙通道，加速了岩体的破坏。

图5 龙门石窟

参考文献

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供稿：蔡欢

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