風化作用與剝蝕作用
風化作用
風化作用（weathering）是指在地表或近地表的條件下，由於氣溫、大氣、水及生物等因素的影響，使地殼或岩石圈的礦物、岩石在原地發生分解和破壞的過程。風化作用在地表極為常見，幾乎無時不有、無處不在。出露地表的岩石之所以能發生風化作用，那是因為地表以下的物理化學環境與地表是迥然不同的。地下溫度高、壓力大、缺乏遊離氧、沒有生命活動或很弱等；而地表氣溫低，且年、月、日變化頻繁，有大氣和生物的作用，特別是具有溶有各種氣體及化學組分的水溶液的作用。由於這種環境的變化，露出地表的岩石必然會發生一係列的物理、化學性質的變化來適應新的環境。風化作用的重要特征是岩石或礦物在原地遭受分解和破壞，風化的產物仍保留在原地。
一、風化作用的類型
根據風化作用的方式和特點，風化作用可分為物理風化作用、化學風化作用和生物風化作用。
（一）物理風化作用
物理風化作用（physicalweathering）是指主要由氣溫、大氣、水等因素的作用引起的礦物、岩石在原地發生機械破碎的過程。在此過程中，礦物、岩石的物質成分不發生變化，隻是從整體或大塊崩解為大小不等的碎塊。物理風化常有以下幾種方式。
1.溫差風化
是指由於岩石表層溫度周期性的變化而使岩石崩解的過程。任何物質受熱後體積發生膨脹，遇冷則體積收縮，岩石也不例外。在白天，當岩石受太陽光照射時，岩石表麵的溫度升高，表層體積就會膨脹，同時一部分熱量向岩石的內部傳遞，但由於岩石是不良的熱導體，熱量傳播得較慢，因而內部的溫度上升很慢，體積膨脹的量也很小。這樣，在岩石表層與岩石的內部之間，由於體積膨脹的差異，就形成平行岩石表麵的裂隙（圖5.1）。到了夜間，岩石表麵熱量散發較快，溫度下降，體積收縮，而內部的熱量散發慢，體積還處於膨脹的狀態，從而產生了表層收縮、內部膨脹的不協調情況。這樣，在表層也就形成了垂直岩石表麵的裂隙。久而久之，岩石表層的裂隙擴大，岩石破碎。當外層破碎之後，這種膨脹—收縮過程就不斷向岩石內部發展，最終，整塊岩石完全崩解形成碎屑。當然，這一過程是緩慢的，人們不易察覺。溫度變化的速度和幅度對溫差風化作用影響較大，變化速度愈快、幅度愈大，岩石的膨脹和收縮交替得也愈快、伸縮量也愈大，岩石破碎得也愈快，所以這種風化作用在幹旱的沙漠地區最為常見。
2.冰劈作用
是指因充填於岩石裂隙中的水結冰體積膨脹而使岩石崩解的過程。據實驗，水結冰時體積增加9.2％，可產生96MPa的壓力。當充填於岩石裂隙中的水結冰時，由於體積膨脹對周圍岩石產生壓力，使裂隙擴大；冰融後，擴大了裂隙又有水滲入，當水再次結冰時，裂隙又得到進一步的擴大。這樣，由於岩石裂隙中的水反複結冰和融化，裂隙不斷地擴大、加深，最終使岩石崩解（圖5.2）。這種風化作用在日常生活中例子就是自來水管“凍裂”。冰劈作用主要發生在高寒地區和高山地帶，尤以溫度在0℃上下波動的地區最為發育。
指充填於岩石孔隙、裂隙中含鹽分的溶液，因水溶液濃度的變化，鹽類出現結晶和溶解使岩石破碎的過程。這種風化作用常見於幹旱和半幹旱地區，其原理類似於冰劈作用。在白天，因溫度升高，岩石中含鹽分溶液的水分蒸發，鹽分過飽和而結晶出來，體積增大，對裂隙周圍產生壓力，擴大裂隙空間。如過飽和明礬溶液結晶後體積增大0.5％，對圍岩產生4MPa的壓力。在夜間，鹽類吸收大氣中或地下水的水分而溶解，溶液滲入岩石裂隙中。這種作用反複進行，也會使岩石裂隙擴大、崩解。在北方常聽人們說“牆腳被堿掉了”，實質上就是該風化作用的結果。
4.層裂或卸載作用
埋藏地殼較深處的岩石，如岩漿岩、變質岩、沉積岩，都承受上覆岩石重量而產生的靜壓力，一旦由於某種原因（地殼運動、剝蝕作用、人工采石等），上覆岩石被剝蝕掉而出露地表，岩石就因卸載而產生向上或向外的膨脹作用，從而形成一係列平行、垂直地表的裂隙，促使岩石層層剝落和崩解，這種現象又稱席理或卸載作用。
（二）化學風化作用
化學風化作用（chemicalweathering）是指岩石在原地以化學變化（反應）的方式使岩石“腐爛”、破碎的過程。在此過程中，不僅岩石發生破碎、崩解，而且在溫度及含有化學組分的水溶液影響下，岩石的物質成分也將發生變化，這與物理風化作用有本質的區別。化學風化作用通常有以下幾種方式。
1.溶解作用
指水溶液溶解岩石的某些易溶成分，使其鬆軟、破碎、崩解的過程。任何礦物都能溶於水，隻是溶解度大小不同而已，但溶解作用在易溶的礦物或岩石中作用更為明顯。在通常的情況下，最易溶於水的是鹵化物和硫酸鹽礦物，如NaCl（石鹽）；其次是碳酸鹽礦物，如方解石（CaCO3）；最難溶於水的是矽酸鹽礦物，如長石、雲母等。溶解作用的結果一方麵是易溶解的物質溶解於水溶液，並隨水溶液帶走，使岩石孔隙增加，硬度減小，易於破碎；另一方麵難溶物質殘留原地形成風化產物。
2.氧化作用
是指礦物、岩石與大氣或水中的遊離氧起化學反應形成氧化物使岩石破碎的過程，常把在地表能夠發生氧化作用的地帶稱為氧化帶。據測試，大氣中的含氧量為21％，自然界中的水溶液中含氧量常超過溶解於水中氣體總量的30％，所以地表到處充滿著氧，因此氧化作用是地殼表層最常見的化學風化作用之一，如鐵生鏽就是氧化作用的結果。
自然界中一些多價態的金屬元素，在氧化作用下很容易由低價態轉變成高價態，如Fe2＋→Fe3+、Mn2+→Mn4+、Cu→Cu2+，使其在地表的環境中更穩定。我們常見的有低價態的鐵氧化成高價態的鐵，如黃鐵礦（FeS2）在地表（氧化環境）的條件下很容易氧化成褐鐵礦（Fe2O3·nH2O）：
4FeS2＋14H2O＋13O2→2（Fe2O3·3H2O）＋8H2SO4
（黃鐵礦）（褐鐵礦）
黃鐵礦氧化成褐鐵礦後，在顏色、成分、結構上都發生了變化，礦物變得鬆軟多孔。一些含鐵金屬硫化物礦床的露頭經風化後形成紅褐色或黑褐色的外表，主要由褐鐵礦組成，俗稱“鐵帽”，它指示其下埋藏有金屬硫化物礦床，是尋找硫化物礦床的重要標誌。
水解作用是指水離解出的OH-離子與礦物離解出的陽離子，如Na+、K+等，結合形成帶OH-新礦物的過程。碳酸化作用是指當CO3溶解於水中時，形成CO32-和HCO31-離子，它們與礦物中的陽離子（K+、Na+、Ca2+）結合形成易溶於水的碳酸鹽或碳酸氫鹽的過程。在自然界，水中或多或少都溶解有CO2，所以水解作用和碳酸化作用常常是同時發生的，兩者相互促進。碳酸化作用形成碳酸鹽或碳酸氫鹽，並隨水溶液帶走，從而加速了水溶液對礦物離解的過程。以自然界分布極廣的鉀長石為例：
4K[AlSi3O8]＋2CO32-＋4H2O→2K2CO3＋Al4[Si4O10][OH]8＋8SiO2
（鉀長石）（高嶺石）（蛋白石）
4K[AlSi3O8]＋6H2O→4KOH＋Al4[Si4O10][OH]8＋8SiO2
（鉀長石）（高嶺石）（蛋白石）
鉀長石在水解和碳酸化作用過程中，K+離子與OH-或CO32-離子化合形成KOH或K2CO3被水溶液帶走；部分的SiO2析出，其中一部分以膠體的形式被水帶走，而另一部分殘留在原地凝聚成蛋白石；未析出的SiO2與Al2O3則按不同比例組合成各種粘土礦物，如高嶺石、蒙脫石等。高嶺石在地表條件下很穩定，堆積在原地，但如果在濕熱的氣候條件和含CO2、有機酸的水溶液作用下，高嶺石還可進一步水解成鋁土礦和蛋白石。
所以在潮濕炎熱的氣候條件下，鉀長石風化的最終產物是鋁土礦和蛋白石，或為含鋁質和鐵質的殘積物。斜長石在水解和碳酸化作用的分解過程與鉀長石相似。
需要指出的是，在自然界以上的各種化學風化作用過程都是緩慢的，每種化學風化作用也不是孤立存在的，它們都是相互影響，相互促進，共同破壞著地表岩石。
（三）生物風化作用
由生物的生命活動引起岩石的破壞過程稱生物風化作用（biologicalweathering）。覆蓋在地球表麵的生物圈，存在著無數的生物，它們在活動過程中必然對地球表麵的物質產生作用。據目前的研究成果表明，任何一種礦物、岩石的破壞，在某種程度上或多或少都有生物作用的參與。具體地說，生物是通過物理的和化學的兩個方麵對岩石進行破壞，因此又可分為生物物理風化作用和生物化學風化作用，但生物化學風化作用更為普遍些。由生物活動導致岩石的機械破碎過程稱生物物理風化作用，常見的一種形式就是根劈作用（圖5.3）。生長在岩石裂隙中的植物，隨著植物的長大，根係也逐漸長大膨脹，促使岩石裂隙擴大、加深，以致崩解，這種作用在植被茂盛、岩石裂隙發育的地區是非常常見的。
由於生物活動引起岩石化學成分變化而使岩石破壞的過程稱生物化學風化作用。這種作用通常是通過生物在新陳代謝過程中分泌出的物質和死亡之後腐爛分解出來的物質對岩石起化學反應完成的。生物在新陳代謝過程中，一方麵從土壤和岩石中吸取養分，而另一方麵又分泌有機酸、碳酸、硝酸等酸類物質以分解礦物，促使礦物中一些活潑的金屬陽離子（Na+、K+）遊離出來，一部分供生物吸收，另一部分隨水溶液帶走，從而使岩石破碎。生物死亡之後逐漸聚集起來，在還原環境下發生腐爛分解，形成一種暗黑色膠狀物質，稱腐殖質，它含有機酸，對礦物、岩石有著腐蝕作用，使它們分解、破碎。
總之，上述的物理、化學、生物風化作用都是具有獨立意義的，但在多數情況下，它們是相互伴生、相互影響、相互促進的。隻是在不同的地區、不同的氣候條件、不同的時期以某種風化作用為主，如在寒冷地區以冰劈作用為主，在濕熱的地區化學風化作用強烈。
二、風化作用的產物
（一）物理風化作用的產物
物理風化作用是一種純機械的破壞作用，其結果是使岩石崩解成粗細不等、棱角明顯的碎塊。如果沒有其它的地質作用（剝蝕作用），碎屑常覆蓋在原岩的表麵，其成分與原岩一致。如果地形較陡，岩石碎屑在重力的作用下，向坡下滾動或墜落，堆積在坡腳。由於慣性力的作用，粗大的碎塊滾得較遠，堆積在下部；而細小的碎塊滾得較近堆積在上部。形成上部岩石碎屑小，下部岩石碎屑粗的堆積體，稱倒石錐。
（二）化學風化作用的產物
化學風化作用的最終產物包括兩部分：一是能溶於水中的可遷移物質；一是難於遷移，堆積在原地的殘積物。
能溶於水的可遷移物質包括各種易溶鹽類、K+、Na+的氫氧化物和少部分難溶物質（如Si4+、Al3+、Fe3+、Mn4+等氧化物或氫氧化物膠體），易溶物質在水中常以真溶液形式遷移，而部分難溶物質常以膠體的形式被遷移。殘積物主要為難溶物質、岩石碎屑和風化形成的礦物，如石英碎屑、蒙脫石、高嶺石、鋁土礦、蛋白石、褐鐵礦等。
礦物和岩石在化學風化過程中是逐步分解的，由於各種礦物的物理、化學性質不同，在分解過程中難易程度也不一樣。換句話說，就是礦物的抗風化能力的強弱之別。據研究，在自然界中各類礦物抗風化能力的順序是：氧化物、氫氧化物＞矽酸鹽＞碳酸鹽＞硫化物＞鹵化物、硫酸鹽；幾種常見礦物抗風化能力的順序是：石英＞白雲母＞長石＞黑雲母＞角閃石＞輝石＞橄欖石。
表5.1元素的遷移係列
同樣，組成礦物的元素在礦物分解過程中也是逐步分離出來的。由於各種元素的化學性質不同，在析出的過程中就有難易之分。常見元素的遷移係列如表5.1所示。表中所列的1、2係列元素在化學風化過程中總是最先被析出，組成易溶鹽類被河水、地下水帶走，這些元素是構成鹵化物、硫酸鹽的主要元素。表中3、4係列元素隻能作短距離遷移或殘留原地，這兩係列元素主要組成矽酸鹽或氫氧化物礦物，所以殘積物中多含SiO2和Fe、Al的氫氧化物或含水氧化物。
（三）生物風化作用的產物
生物風化作用的產物包括兩部分：一部分是生物物理風化作用形成的礦物、岩石碎屑，在成分上與原岩相同；另一部分是生物化學風化作用的產物，其特征是在物質成分上與原岩不一樣。生物風化作用的一種重要產物就是土壤，確切地說它是物理、化學和生物風化作用的綜合產物，但尤以生物風化作用為主，使其富含腐殖質。土壤一般為灰黑色、結構鬆軟、富含腐殖質的細粒土狀物質，與一般殘積物的主要區別在於含有大量腐殖質，具有一定的肥力。
（四）風化殼
地表岩石經物理、化學、生物風化的長期作用，形成由風化產物組成的、分布於大陸基岩麵上的不連續薄殼，稱為風化殼。風化殼覆蓋在陸地表麵，由於表層和下部的岩石所經受的風化強度不一樣，表層的風化程度要深，而下部的風化程度要淺，因此，在剖麵上自上而下的風化產物在成分和結構上都有明顯的差異，所以風化殼在剖麵上可以分為若幹層。如以花崗岩的風化殼為例，一般自上而下可分為4層（圖5.4）。
Ⅰ.土壤層呈深褐灰色，質細且疏鬆，富含腐殖質，植物根係較多。原岩的礦物成分、結構基本消失。厚薄不一，一般以20～50cm較多。常是綜合風化作用的結果。
Ⅱ.殘積層呈黃褐、褐紅色，質細鬆軟，原岩的結構、構造消失，主要由粘土礦物組成，一般不含腐殖質。原岩中的黑雲母風化成蛭石，長石類礦物風化成高嶺土等。以化學風化作用為主。
Ⅲ.半風化層呈淡褐色，原岩的結構、構造部分保存，但岩石已鬆軟。岩石的部分礦物成分發生變化。
Ⅳ.基岩未風化的原岩。
實際上，不同種類岩石形成的風化殼的分層也不一樣，有的分層很完整，如花崗岩、粘土岩等，而有的風化殼隻有土壤層、殘積層，如灰岩等。在風化殼剖麵上這4層的界麵是不清晰的，呈漸變過渡，且凹凸不平，這主要受岩石的性質及引起風化作用因素的影響。風化殼的構成（分層）和特點不僅受岩石性質的影響，還受氣候條件的影響。在不同氣候條件下，由於影響風化作用因素的不同，從而產生具有不同特征的風化產物，也就構成具有不同特點的風化殼。如寒冷地區形成碎屑型風化殼、濕熱地區形成磚紅土型風化殼等。
地質曆史時期形成的風化殼稱古風化殼。古風化殼常保存在岩層或沉積物中，如華北地區下奧陶統與上石炭統之間保存有一古風化殼；黃土高原的黃土中也保存有多個古風化殼。由於古風化殼形成後受到其它地表營力的剝蝕作用，多數保存不完整，厚度也很小。
（五）土壤
土壤是指地球表麵陸地上能夠生長植物的疏鬆表層。土壤之所以能夠生長植物，是因為它具有一定的肥力。所謂土壤肥力就是指土壤具有長期不斷地供應和調節植物生長過程中所需要的養分、水分、空氣和熱量的能力。土壤一般是在風化殼（如山區土壤）和鬆散沉積層（如平原、盆地區土壤）的基礎上，經生物及其他風化作用的綜合改造而形成的。
土壤的主要組成有腐殖質、礦物質、水分和空氣。腐殖質是生物、微生物遺體在風化產物中不斷聚集腐爛後變成的，它的存在與否是土壤與其他鬆散堆積物的主要不同點。土壤中的礦物質由風化過程中形成的和殘存的各種粘土礦物以及石英、長石、角閃石、雲母等組成，這些礦物質與土壤中的腐殖質、水分和空氣相互作用，使土壤性質多變，形成複雜的肥力性狀。土壤的厚度一般50～60cm到1～2m，最厚可達10m以上。發育成熟的土壤剖麵，根據其成分、顏色和結構特點，自上而下可分為3層（圖5.5）。