1.3 风化作用

风化作用是指在地表和近地表，由于气温、大气、水溶液及生物等各种自然因素的影响和外力的作用，地壳或岩石圈的表层矿物和岩石在原地产生裂隙，逐渐发生分解、破碎及矿物成分的变化，产生各种大小、组分和形状的颗粒而丧失完整性的过程。

风化作用在地表极为常见，几乎无时不有、无处不在。出露的地表之所以会发生风化，主要是因为地表以下的物理、化学环境与地表是截然不同的。岩石风化后产物的性质与原生岩石的性质有很大的区别。一般而言，风化作用主要包括物理风化、化学风化和生物风化三类。这三类风化作用一般是同时进行且相互影响而发展的过程。

1.3.1 物理风化

物理风化指的是地表岩石在各种物理作用力的影响下，在原地发生机械破碎，由大石块分裂为小石块或更小颗粒的过程。物理风化不会改变岩石的化学成分，也不产生新矿物。发生物理风化的原因主要有以下几个方面。

1.地质构造力及卸荷作用

地壳的岩体承受着非常大的构造力，可使岩体断裂成大小不等的岩块。岩体在破碎带中会承受巨大的应力作用而破碎为小石块甚至是土粒。

此外，当岩体受到的有效围压降低时，岩体会发育一系列卸荷裂隙及节理裂隙。例如，在岩石地基、隧洞开挖的过程中，由于开挖破坏了原有的应力状态，尤其从地下深处变到地表条件时，由于上覆静压力减小而产生张应力，形成一系列与地表平行的宏、微观内部破裂面。围压的降低可能是由地表隆起、侵蚀或流体压力变化引起的。

2.温差作用

岩石受温度变化影响而产生机械破碎的原理可以从以下两方面理解。

（1）岩石是热的不良导体，在阳光、气温的影响下，由于温差作用，表层与内部的缩胀不能协调，会使岩石产生由表层向内层的层层剥落现象，此种现象即为温差剥离作用。一些岩浆岩或中厚层的岩石，温差剥离作用往往沿着裂隙从几个方向进行，造成球状或椭圆状的剥离，称为球形风化，如花岗岩和细砂岩等。在一些沙漠地区，岩石昼夜曝晒和冷冻的反复作用对其影响很大，风化作用十分强烈。

（2）岩石是由不同矿物组成的，不同的矿物受热膨胀的性质不同。当岩石受温度变化影响发生膨胀或收缩时，各种矿物的膨胀或收缩量不同，使矿物之间产生裂纹，长期反复作用，完整岩石将会破裂为各种矿物的碎屑及颗粒。

3.冰劈（冰胀）作用

在寒冷地区和高山地区，气温的日变化和年变化一般都较突出，渗入岩石裂隙中的水不断地冻融交替，冰冻时体积膨胀，产生很大的膨胀力作用，扩大岩体的裂隙，造成更深、更密的裂隙网，长期作用下，使岩石发生破碎。

4.结晶胀裂作用

在气候干旱和半干旱地区，岩石中含有的潮解性盐类（如石膏质岩石），在夜间会因吸入大气中的水分而潮解，变成溶液渗入岩石内部，并在渗入过程中将所遇到的盐类溶解。白天在烈日照晒下，水分蒸发，盐类从溶液中结晶出来，体积发生膨胀，产生很大的膨胀压力。如此反复作用，岩石的裂隙不断扩大并使其发生破裂和破碎，称为结晶胀裂作用。

5.碰撞作用

风、水流、波浪的冲击及挟带物对岩体表面的撞击等碰撞作用都可以使岩体表面发生破裂和侵蚀。

物理风化后岩石由大变小，这种量变不断积累，使巨大的岩体变成了碎散的颗粒。

物理风化作用的主要贡献是松动岩体，减小颗粒尺寸，同时增加化学风化作用和生物风化作用的有效表面积。

1.3.2 化学风化

母岩表面和碎散颗粒处于一定的自然环境中，其矿物成分在氧、二氧化碳和水等因素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，有的则属于不溶解物质残留在原地。这种改变原有化学成分的地质作用称为化学风化作用。化学风化作用不仅能使岩石发生破碎，更重要的是能使岩石的化学成分发生变化，形成新的矿物。原矿物化学成分发生变化后形成的新矿物也称为次生矿物。化学风化作用主要包括水化作用、氧化作用、水解作用和溶解作用等。

1.水化作用

水化作用是指土中的某些矿物与水接触后发生化学反应，水被吸收到矿物的晶体结构中，形成含结晶水新矿物的过程。水化作用改变了原来矿物的化学成分，同时也改变了原来岩石的结构，可使岩石因体积膨胀而发生破坏，加速风化的过程。例如，土中的硬石膏（CaSO₄）水化为含水石膏（CaSO₄·2H₂O），其化学反应式为

CaSO₄+2H₂O→CaSO₄·2H₂O

2.氧化作用

氧化作用是地球表面最为活跃的化学风化作用形式之一，主要是指大气和水中的游离氧和土中的某些矿物作用形成新矿物的过程。这种作用对氧化亚铁、硫化物、碳酸盐类矿物表现得比较突出。例如，黄铁矿（FeS₂）与水、氧气作用形成硫酸亚铁（FeSO₄）和硫酸（H₂SO₄）；硫酸亚铁（FeSO₄）与水、氧气作用形成硫酸铁［Fe₂（SO₄）₃］和褐铁矿［Fe（OH）₃］，其化学反应式为

2FeS₂+7O₂+2H₂O→2FeSO₄+2H₂SO₄

12FeSO₄+3O₂+6H₂O→4Fe₂ (SO₄ )₃+4Fe (OH)₃

3.水解作用

水解作用是指某些矿物与水接触后发生化学反应，形成带有OH^-的新矿物或化合物。具体表现为矿物溶于水后，其自身离解出的离子与水部分离解出的OH^-或H⁺之间发生置换反应，形成带有OH^-的新矿物。在此类新成分形成的过程中会发生膨胀，使岩石发生破裂。新生矿物的强度往往低于原来的无水矿物，对抵抗风化非常不利。例如，正长石 （KAlSi₃O₈）经过水解作用后，形成高岭石[Al₄ （Si₄O₁₀） （OH）₈]，其化学反应式为

4KAlSi₃O₈+6H₂O→4KOH+Al₄ (Si₄O₁₀ )(OH)₈+8SiO₂

4.溶解作用

溶解作用是化学风化另一种非常常见的形式，主要是指岩石中的某些矿物成分被水溶解，以溶液的形式流失。当水中含有一定量的二氧化碳（CO₂）或其他成分时，或当温度或压力增大时，水的溶解能力会得到加强。溶解作用使得岩石的孔隙率增加，裂隙增大、增多，使岩石遭受破坏。例如，石灰岩中的方解石（CaCO₃）遇含二氧化碳（CO₂）的水时生成重碳酸钙［Ca（HCO₃）₂］，溶解于水中而流失，使石灰岩中形成溶蚀裂隙和空洞，其化学反应式为

CaCO₃+H₂O+CO₂→Ca(HCO₃)₂

此外，化学风化作用还包括碳酸化作用等。化学风化可形成非常细微的颗粒，最主要的是黏土颗粒（小于0.005mm）及大量可溶性盐类。化学风化形成的细微颗粒，其比表面积很大，吸附水分子的能力较强。

1.3.3 生物风化

生物风化作用是指各种动植物和人类活动对岩石的破坏作用。生物在地表的风化作用非常广泛，它对岩石的破坏主要有生物的物理风化作用和生物的化学风化作用两种。生物的物理风化主要是指生物产生的机械力使岩石发生破碎。例如，植物的根系在岩石的裂隙中生长、长大及长粗的过程中，使岩石产生楔裂或崩裂。人类的爆破活动或洞穴动物的活动也属于生物的物理风化作用。生物的化学风化主要是指生物新陈代谢中析出的有机酸、生物遗体腐烂分解成的腐殖质及微生物作用对岩石产生的腐蚀、溶解和破坏作用。

图1.2所示的是附着在土颗粒表面的微生物。其中，图1.2（a）所示为黏土矿物表面附着的细菌膜形成的细菌微团体，图1.2（b）上图所示为附着在石英砂颗粒表面的细菌，图1.2（b）下图所示为附着在土粒表面的生物薄膜。

图1.2 土颗粒表面的微生物附着物（文献［54］）

上述几种常见的风化作用往往是同时存在、互相促进、相互影响的。但是在不同地区，自然条件不同，不同类型的风化作用又有主次之分。例如，在我国西北干旱大陆性地区，水分较为缺乏，而气温变化剧烈，以物理风化为主；在东南沿海地区，雨量充沛，潮湿炎热，则以化学风化为主。由于影响风化的各种自然因素在地表是最为活跃的，且随着地表向下深度增加而迅速减弱。因此，风化作用由地表向下也是逐渐减弱的，达到一定深度后，风化作用基本消失。