风化作用的类型

风化作用的类型

岩石的风化作用可以分为三种基本类型：物理风化、化学风化和生物风化。

一、物理风化（机械风化）

岩石暴露地表或近地表因压力、温度、水的冻融和盐类的结晶等而发生崩解、破碎的过程称物理风化。它仅使岩石物理状态发生变化，孔隙度和表面积增加，而化学成分和性质并没有变化。根据产生机械破碎的原因可将物理风化分为如下几种：

1.卸荷裂隙（卸荷剥离作用）

大量的证据表明，现在位于地表的岩石以前曾被埋在地下20千米以下深度。在瑞士的阿尔卑斯山脉，据推算在最近3000万年中地表被剥蚀了大约30千米，也就是说现在出露于地表的岩石在3000万年前位于地下30千米的深度。在美国的阿伯拉契山地区，自晚古生代（3.6亿年）至少有8千米的岩石被剥蚀。在新西兰的惠灵顿地区，自三叠纪（2.5亿年）以来地表的剥蚀量约为16～24千米。

岩石自距地表以下很深的深度剥露至地表，其原有的压力环境发生了改变。上述所列距地表深度处的岩石出露于地表后，它要释放出大约1.5×10⁵～8.0×10⁵千帕的压力。典型岩石释压的弹性膨胀系数为0.1%～0.8%。在地表200米以内，地温的递减率降低，地温衡定，使减压膨胀率增加。如果岩石的四周和下部都被固定在岩石中的话，这种减压膨胀将主要发生在向上的方向上。当这种减压膨胀超过岩石的弹性变形强度时，它就会发生破裂，形成平行于地表的页理。这种作用称为页理作用。

页理作用时一种近地表现象，它在像厚层板状砂、石英岩等中最为普遍。在美国马萨诸塞州的一个花岗岩采石场中，因页理作用产生的页理层在近地表层为0.1～1米厚，而至距地表20千米处迅速增加为5米厚，而至30～40米深处厚度变至10米以上。页理虽然很小，但它破坏了岩石的整体块状结构，有利于水分和盐类溶液的进行，为进行的物理风化和化学风化创造了条件。

2.热力风化

岩石因温度变化发生剥落的过程称热力风化。地表所受的太阳辐射不仅有昼夜变化也有季节变化，这造成气温和地温也发生日变化和年变化。岩石是不良导体，所以受阳光影响的岩石温度变化也仅限于表面。当白天岩石受太阳暴晒时，岩石表面受热膨胀，而较内的部分，因其导热较差温度仍较低，膨胀较小，岩石内外这种膨胀的差异，可造成各部分受力不均，导致破碎。当夜晚时，表面因气温的降低而温度迅速下降收缩，而岩石内部的温度仍保持较高，收缩有限，这种各部分收缩上的差异也可导致受力不均，发生破碎。另外，对多数岩石来说，它们并非由单一的矿物组成，各种矿物受热的膨胀系数和冷却的收缩系数都是不一样的，组成岩石的各种矿物膨胀系数和收缩系数的差异也可导致岩石受热和变冷时各部分受力不一，发生崩解，剥落。

热力风化的强度取决于岩石温度变化的幅度和频率。幅度频率越大，热力风化越强。在荒漠地区，地表裸露，白昼的地温可高达60℃～70℃，而夜晚可降到0℃以下，地温巨大的日较差使岩石的热力风化较严重，甚至可听到岩石爆裂的声响。但在湿润地区，地表植被覆盖较好，地温的日较差较小，岩石的热风化不明显，表面剥落现象不明显。岩石热力风化的强弱还决定于岩石的组成，一般说来，单矿岩石的热力风化弱于多矿岩石。细晶多矿岩石弱于粗晶多矿岩石。

3.冻融风化

岩石由于水的周期性冻结和融化造成的机械崩解作用称冻融风化。

岩石孔隙或裂隙中的水在冻结成冰时，体积膨胀大约9%。因而它对周围的岩石可以施加很大的压力，使岩石裂隙加宽加深。据研究，在封闭条件下，－22℃的冰对围岩的压力大约是2.115×10³千克/立方厘米，而在开放条件下，其压力仅是上值的1/10。当冰融化时，水沿扩大了的裂隙更深的渗入岩石的内部，同时水量也可能增加。当再次冻结成冰时，重新对岩石施加压力，扩大裂隙。这样水的反复冻结融化，就可使岩石的裂隙不断加深加宽，以致最后破裂成碎屑。因为岩石的这种机械风化作用，主要是由冰加大岩石裂隙完成的，所以又称冰劈作用。

冻融风化能否进行，取决于水能否成冰。我们知道在标准状态下，水结成冰的温度是0℃。但是岩石裂隙和孔隙中的水并非处于标准条件下，它们一般都由于岩石和其他因素处于较大的压力下，随着压力的增加，水的冰点温度也要降低，因为即使是高压环境，水也能形成高密度冰。冻融风化的强度取决于地温在冰点上下波动的频率和幅度。低幅高频的冻融风化比高幅低频的更强烈。由此看来地温通过冰点的频率对冻融风化更具有意义。威曼将低幅高频的冻融风化称为冰岛型冻融风化；而将高幅低频的冻融风化称为西伯利亚型冻融风化。

4.盐风化

由于盐类的结晶和体积更大的新盐类的形成对围岩施加压力造成的岩石破坏作用称为盐风化。

在岩石中经常含有诸如FeS₂之类的矿物，这类矿物在暴露于富氧的地下水和潮湿的空气中时就会被氧化形成铁的氧化物。这些新生的铁的氧化物一般具有较原来矿物低的密度和大的体积。体积的增加就会对其围岩产生膨胀压力使岩石破碎。

另一类重要的盐风化是盐的结晶。当岩石孔隙和裂隙中的水溶液被蒸发时，盐类会逐渐达到饱和，盐类就会结晶析出，使体积增大。盐类结晶就会对其围岩产生膨胀压力，使裂隙扩大加深，最后使岩石破裂。

由以上可以看出尽管盐风化的结果是使岩石发生机械破碎，但在这个风化过程中有溶解、结晶、新矿物的生成等化学反应和过程发生，所以又有人将盐风化归类于化学风化。

二、化学风化

岩石在水、水溶液和空气中氧、CO₂等作用下由于溶解、水化、水解、碳酸化以及氧化等作用下发生成分和性质变化的风化作用，称为化学风化。化学风化可以通过易溶盐类的溶解使部分元素被水带走，而另一部分元素发生富集，化学风化的主要方式包括以下几种：

1.溶解作用

水是一种很好的溶剂，因为水分子的偶极性，使它能同极性型或离子型的其他分子产生相互吸引，致使将其他分子溶入其中，所以水是一种好的溶剂。矿物绝大部分都是离子型分子组成的，因此当它们遇水后，就会不同程度地被溶解，形成水溶液并随水流失。

2.水化作用

岩石中的某些矿物与水接触后，其分子可以与水分子结合形成新的含水矿物。

3.水解作用

纯水本身虽呈中性，但它离解后可部分形成H＋和OH^－离子，从而使水具有酸性反应或碱性反应能力。当一些强碱弱酸或弱酸强碱形成的盐类矿物溶于水后，其离子能和水中的H^＋或OH^－离子结合形成新的矿物。

4.碳酸化作用

自然界的水很少是纯水，实际上是一种水溶液。

5.氧化作用

在空气中，水中和地下一定的深度中都有大量的游离氧，因此氧化作用是岩石实现化学风化的一个极重要的形式。许多变价元素在地下缺氧条件下常形成低价元素矿物，当其出露地表以后，在地表氧化环境中，这些低价元素矿物极不稳定，容易被氧化形成新的矿物。

三、生物风化

生物在其生长过程中对岩石所起的物理的和化学的风化作用，称生物风化作用。因为生物风化是通过物理风化和化学风化完成的，所以有人将生物物理风化和生物化学风化分别归类于物理风化和化学风化之中，所以自然界的风化作用，实质上只有物理风化和化学风化两种基本类型。

1.生物物理风化

主要是指植物在其生长过程中，其根系对岩石施加的劈裂、穿凿和动物的挖掘作用。一般的植物根系可以深入地下几十厘米到1米左右，高等植物的根系有时可达十几米。据研究，树根对围岩施加的压力可达10千克/平方厘米～15千克/平方厘米。当植物根在岩石裂隙中生长加粗时，其施加的压力可使裂隙加宽加深，类似于冰生长对岩石的冰劈作用，所以有时又称这种生物物理风化为根劈作用。我们知道大部分啮齿类动物都以洞穴为生，其洞深有时可达距地表数米以下，动物打洞时的挖掘和穿凿活动也会加速岩石的机械崩解。

2.生物化学风化

生物在新陈代谢过程中，一方面从土壤和岩石中吸取养分，改变岩石的化学风化环境，促进元素的迁移；另一方面，它们又分泌出诸如碳酸、硝酸、各类有机酸之类的化合物，这些化合物溶解和腐蚀岩石，也可以对岩石造成破坏。生物的这种通过吸收养分和分泌化合物对岩石施加的破坏作用称为生物风化作用。各类高等生物，特别是植物对岩石的化学风化是显而易见的，但是各类微生物的作用更是不能忽视。因为它们的个体很小，又能忍耐各种环境，在距地表很深的地下和致密的岩石解理面上都可以发现它们的踪迹，它们对岩石的破坏和崩解具有更大的意义。

以上简要介绍了风化作用的基本类型，岩石风化的这三种基本类型，实质上是两种基本类型，是相互紧密联系的，它们同时进行，相互促进。物理风化作用，加大岩石的孔隙度，增加了岩石的表面积，使岩石获得了较好的渗透性和透气性，这就更越来越水分、气体和微生物等的侵入，促进化学风化作用的进行。从某种意义上说。物理风化使化学风化的前驱和必要准备。化学风化在改变岩石化学成分和性质的同时，也在改变其物理性质。一般说来，物理风化只能使颗粒破碎到一定的粒径，大致0.02毫米是其破碎粒径的下限。然而化学风化却能使岩石破碎到更小的粒径，直到胶体溶液和真溶液。从某种意义上说，化学风化使物理风化的继续和深入。