風化作用指地表或接近地表的巖石,在大氣、水、生物的影響下,發生物理或化學變化,風化殘余物形成松散碎屑物乃至土壤,溶解的化學物質溶解于水介質中遷移的過程。這一作用具有長期性、連續性和階段性特點。
按照風化作用的影響因素、性質和方式,可以把風化作用分為物理風化、化學風化和生物風化。在實際中,這三種風化類型常相伴而生,并相互影響和促進,共同影響巖石。風化作用主要受到礦物成分、化學成分、巖體結構和構造、地質構造、氣候及地形等內部和外部因素的影響。另外,雖然風化是一個自然過程,但人類活動,如燃燒煤炭、天然氣和石油,也可以加速這一過程。
風化是土壤形成的基礎,是自然生態系統中植物所需礦質養分的重要來源,同時也是生物地球化學循環過程的重要組成部分。風化作用不僅導致地表巖石的破碎,而且會造成地表松散物質的重組,從而形成碎屑物質、溶解物質、難溶物質等風化產物,即形成土壤的母質。而從各種固體的巖石礦物風化釋放出來的各種簡單鹽類,又為植物提供了可能吸收和利用的養料。但同時,風化作用也使堅硬致密的巖石松散破壞,使巖石的強度和穩定性大為降低,對工程建筑條件起著不良的影響。且風化作用還為滑坡、崩塌、巖堆及泥石流等不良地質現象提供了物質來源。
特點
風化作用具有長期性、連續性和階段性特點,即暴露于地表的巖石和礦物,經過長期不斷地改造,直至形成為地表條件下穩定的礦物組合為止。而由原生礦物(包括造巖礦物和礦石礦物)分解轉變為最終穩定的礦物又是分階段進行的。例如,長石的風化是按長石→絹云母→高嶺石→鋁礬土、玉髓和石英等礦物順序進行的。
分類
按照風化作用的影響因素、性質和方式,把風化作用分為物理風化、化學風化和生物風化三大類。在實際中,這三種風化類型常相伴而生,并相互影響和促進,共同影響巖石。
物理風化
物理風化,又稱機械風化,是巖石發生機械破碎,使物理狀改變,而化學成分沒有顯著變化的風化作用。地表巖石受太陽輻射能大小的影響,發生冷熱、干濕或凍融的長期反復交替,使組成巖石的顆粒物質之間的連結遭到破壞,量變的結果由大變小,由粗變細,以至于成為松散破碎狀態。隨著機械破碎程度的加強,巖石的物理力學性質也相應發生變化,如巖石孔隙度、表面積相應增大;密度、比重等相應減小。
物理風化作用的特點主要是使巖石由大塊變為小塊,由小塊變為砂和粉粒,不會引起巖石礦物成分及化學成分的改變。而促使巖石發生物理風化的自然因素主要有氣溫變化、冰劈作用和鹽類結晶等。在干熱或干寒的大陸性氣候條件下,巖石的物理風化最為顯著。物理風化的主要過程為海蝕,海蝕會減少碎屑物及其他微粒的大小。但物理風化與化學風化環環相扣,如物理風化造成的裂縫會增加進行化學風化的表面面積,為化學風化的深入發展創造了極為有利的條件。
溫度變化
日夜和季節溫度的變化可以使礦物巖石膨脹和收縮。一方面,巖石是熱的不良導體,白天受到陽光的暴曬,巖石靠近表面部分溫度增高,體積膨脹,但內部受到熱的影響卻較??;夜間,當巖石表面逐漸冷卻,內部卻因受到傳導進來的熱而膨脹,經常不斷的表里不均的膨脹與收縮,使巖石產生垂直或平行表面的裂縫,彼此脫離,層層剝落,巖石逐漸松散、破碎。
另一方面,巖石多是由兩種以上的礦物組成的,不同礦物的膨脹系數不同,在溫度變化時,各種礦物膨脹與收縮不一樣,它們之間產生內部應力,反復作用導致礦物晶粒之間產生裂縫,也能使大塊巖石崩裂破碎。此外,巖石因反復增溫,其組成質點的熱運動增強,也會削弱它們之間的聯系能力,有助于巖石碎裂。
冰劈作用
滲入巖石中的水在溫度低于0℃時,就產生冰凍現象,水在轉化成冰的過程中,體積膨脹并對周圍的巖石產生壓力,擴大巖石空隙,并向兩端延伸。如果凍結和融化反復進行,就必然使巖石的空隙逐漸增多、擴大,最終使巖石崩裂,這種過程稱為冰劈作用。在高緯度和中緯度的高山區,晝夜溫度常在0℃上下波動,充填于裂隙中的水體凍融頻繁,因而冰劈作用最為顯著,這種風化作用由水的反復凍結所致,故也稱為寒凍風化作用。也因此一般發生在在氣溫的日變化和年變化都較突出的地區。
鹽類結晶作用
鹽類結晶作用指高鹽度的地表裂隙或孔隙水在暴曬時鹽類礦物結晶導致巖石的撐裂、破碎。在降水量少、蒸發劇烈的干旱或半干旱地區,滲透到巖土裂隙中的水往往溶解了一些鹽類物質。當水分蒸發,水溶液中的鹽分濃度增大至過飽和狀態時,鹽類物質便會結晶。結晶后,體積隨之膨脹,于是對周圍巖石產生壓力,使巖土裂隙擴大或脹裂成碎塊。當夜間氣溫降低,結晶鹽類物質又從大氣中吸收水分重新變成鹽溶液,即潮解。潮解后體積縮小,再次吸取含鹽溶液來填充裂隙,使之不斷擴大,最終導致巖土脹裂。
化學風化
化學風化是指地表巖石在水、氧及二氧化碳的作用下發生化學成分變化,并產生新礦物的作用?;瘜W風化會引起巖石成分的改變,常常導致其形態的崩潰。這種風化會在一段時間內反復發生。其作用產生的物質有的被水溶解,隨水流失,有的屬不溶解物質殘留在原地。由于巖石性質及參與化學風化的物質成分不同,風化的方式也不同。主要包括溶解作用、水化作用、氧化作用及碳酸化作用。另外巖石在化學風化的同時,通常還伴隨進一步的物理風化,二者是相互促進的。在炎熱而潮濕的氣候條件下,巖石化學風化最為顯著。
溶解作用
溶解作用是化學風化過程中的一種常見形式,指的是水直接溶解巖石中礦物的作用。其結果是巖石中的可溶物質被逐漸溶解而隨水流失,難溶的物質則殘留于原地。組成巖石的所有礦物都能溶解于水中,溶解度有大有小,溶解度大的為易溶礦物,溶解度小的為難溶礦物。當巖石中的礦物被溶解,巖石孔隙會增多或增大,巖石完整性從而降低至破壞,巖石的堅實程度也降低了,巖石則更易遭受物理風化作用而破碎。
巖石在水里的溶解作用一般進行得十分緩慢,但是當水的溫度升高以及壓力增大時,水的溶解作用就比較活躍。特別是當水中含有侵蝕性的CO2而發生碳酸化作用時,水的溶解作用就會顯著增強,如在石灰巖分布地區,由于這種溶解作用經常會產生溶洞、溶穴等巖溶現象。
水化作用
水化作用是指礦物與水發生化學反應,吸收一定的水到礦物的晶體結構中,形成新的含水礦物的過程。例如硫酸鈣經水化作用后變成石膏。有些礦物與水接觸后,常吸收一定量的水形成新的礦物,其硬度降低,體積膨脹,導致原巖破壞。
水化作用產生了含水礦物。含水礦物的硬度一般低于碘化鈉礦物,同時由于在水化過程中結合了一定數量的水分子進入物質的成分之中,改變了原有礦物的成分,引起體積膨脹,對巖石也具有一定的破壞作用。
氧化作用
氧化作用,是地球表面最為活躍的風化作用形式之一,指大氣圈中的氧和水汽或溶于水中的氧與組成巖石的元素之間的化學作用。巖石中某些礦物會與空氣或水中的氧化合生成各種新成分。如巖石中的黃鐵礦氧化成褐鐵礦,同時產生對巖石腐蝕性極強的硫酸,可使巖石中的某些礦物分解形成洞穴和斑點,致使巖石破壞。地殼表層處處都進行氧化作用,但干燥地區氧化作用不強,潮濕地區氧的化學性質非?;钴S,氧化作用突出。
碳酸化作用
水中的碳酸根與礦物中的陽離子結合,原巖的礦物破壞、分解,形成易溶于水的碳酸鹽,使水溶液對礦物的離解能力加強,化學風化速度加快,這種作用稱為碳酸化作用。幾乎所有硅酸鹽類礦物都可以產生這類反應,生成黏土礦物。
生物風化
生物風化,是指礦物、巖石受生物生長及活動影響而發生的風化作用。生物風化作用分為物理方式與化學方式兩種形式。生物通過生命活動的粘著、穿插和剝離等機械活動使礦物顆粒分解,被認為是生物物理風化作用;生物通過自身分泌及死后遺體析出的酸等物質,對巖石的腐蝕稱為生物化學風化。如:巖石裂隙中生長的樹,隨著樹的生長根系發育延伸,巖石被劈裂,即屬生物物理風化;巖石表面生長的地衣分泌的有機酸腐蝕巖石,使其分解,即屬生物化學風化。
植物根素的生長,洞穴動物的活動、植物體死亡后分解形成的腐植酸對巖石的分解都可以改變巖石的狀態與成分。根劈作用是最常見的生物機械破壞作用,即根源于巖石裂隙中的植物的根須不斷變長、變粗和增多,對裂隙壁施加壓力,劈裂巖石。此外,動物也會使巖石破碎、土粒變細,如穴居動物耗子、螞蟻和蚯蚓等不停地挖洞掘穴。
生物的化學風化作用是通過生物的新陳代謝和生物死亡后的遺體腐爛分解來進行的。植物和細菌在新陳代謝中常常分泌出酸性物質腐蝕巖石。生物死亡后經過緩慢腐爛分解會形成腐殖質,它是一種有機酸,也會對巖石、礦物產生腐蝕作用。
影響因素
巖石的風化作用不僅取決于外部各種自然因素的影響,還受到巖石本身性質及地質構造的控制。在外部自然因素相同的條件下,巖石性質和地質構造的不同,會導致不相同的風化結果。此外,即使巖石相同,由于所處的地質構造部位不同,受構造影響不同,巖石風化呈現明顯的差異。總的來說,風化作用的影響因素主要包括礦物成分、化學成分、巖體結構和構造、地質構造、氣候及地形的影響。其中外界條件起著重要的控制作用,礦物本身的特性對風化過程的速度和強度發生著根本性的影響。
氣候
氣候是影響風化作用的重要因素,主要通過溫度、降水的變化以及生物繁殖狀況來實現。氣候可以控制風化作用的類型和風化速度,在不同的氣候區,風化作用的類型及其特點有明顯的不同。例如,在寒冷的極地和高山區,以物理風化作用(冰凍風化)為主,巖石風化后形成尺棱角狀的粗碎屑殘積物;在濕潤氣候區,各種類型的風化作用都有,但化學風化、生物風化作用更為顯著,巖石遭受風化后分解較徹底,形成的殘積層厚,且往往發育有較厚的土壤層;在干旱的沙漠區,以物理風化作用(溫差風化)為主,巖石風化后形成薄層具棱角狀的碎屑殘積物。
溫度方面,氣溫的高低直接影響到化學風化速度的快慢,晝夜溫差的大小影響巖石的物理風化作用。地表條件下溫度增加10℃,化學反應速度增加一倍。在晝夜溫差或寒暑變化幅度較大的地區,物理風化作用更容易發生。溫度變化的頻率比溫度變化的幅度更為重要。
降水則是通過介質的溫度變化、水溶液成分變化、植被的生長來影響物理風化、化學風化、生物風化。巖石的化學風化基本是在有水的條件下進行,降水量直接控制著水的多少及化學風化作用的強弱。而且水量的多少和水運動狀況還涉及到一部分風化產物的淋失與運移過程,直接或間接影響到巖石風化的速度。生物的繁殖狀況則直接關系到生物風化作用的進行。
植被
一方面,植被直接影響生物風化作用,植被茂盛生物風化作用強烈,植被稀少生物風化作用較弱。另一方面又間接影響物理風化作用和化學風化作用。巖石表面長滿植物,減少了巖石與空氣的直接接觸,降低巖石表面溫差變化,削弱了物理風化作用。但茂盛的植被卻帶來更多的有機酸和腐殖質,使周圍環境中水溶液更具有腐蝕能力,從而加速了化學風化作用的進程。
地形
地形可以影響風化作用的速度、深度、風化產物的堆積厚度及分布情況。例如,在地形起伏較大、陡峭、切割較深的地區,以物理風化作用為主,巖石表面風化后巖屑可不斷崩落,使新鮮巖石直接露出表面而遭受風化,且風化產物較??;在地形起伏較小、流水緩慢流經的地區,以化學風化作用為主,巖石風化徹底,風化產物較厚,在低洼有沉積物覆蓋的地區,巖石由于有覆蓋物的保護不易風化。
地形條件具體包括地勢高度、地勢起伏和山坡方向。地勢高度影響氣候的局部變化,隨地形高低的變化,會造成氣候的垂直分帶,從而導致風化作用的類型和速度均不同。中低緯度的高山區具有明顯的氣候分帶,山麓氣候炎熱,而山頂氣候寒冷,其生物界面貌顯著不同。因而,風化作用的類型和方式隨高度而變。
地勢陡緩(起伏)影響地下水位、植被發育及風化產物的保存,也影響著風化作用的進行。陡坡地下水位低,植被稀少,風化產物不易保存,而緩坡則相反,化學風化和生物風化相對強烈、風化產物較易保存。地勢起伏大的山區,或巨大的懸崖陡壁上,各種風化產物均易被其它外力作用搬開,難于在原地殘留,因而基巖裸露,風化作用快速,尤其是物理風化作用更為活躍。而地勢低緩地區的風化產物多殘留原處或只經過極短距離的運移便在低洼處堆積下來,松散的風化產物可形成較厚的覆蓋層,從而減輕溫度變化對基巖的影響,使風化作用速度減低。
另外,山坡的方向涉及到氣候和日照強度,同樣會影響風化作用。同一高度的陽坡和陰坡,風化作用強度也有差別。通常陽坡接受太陽輻射熱多,溫度高,溫差變化大,雨水多,植被好,化學風化和生物風化比較強烈;而陰坡可能常年冰雪不消,冰劈作用更為重要。
地質構造
地質構造也是促使巖石風化的重要因素。地質構造的形成是由于地殼的強烈運動而使得巖層發生扭曲或斷裂的現象。它對風化的影響主要是巖石在構造變形時生成多種節理、裂和破碎帶,破碎的巖石為各種風化因素侵入巖石內部提供了途徑,擴大了巖石與空氣、水的接觸面積,大大促進了巖石風化。因此在褶曲軸部、斷層破碎帶及其附近裂隙密集的巖石風化程度比完整的巖石嚴重。
構造運動方面,由于經受長期的剝蝕作用或堆積作用,構造運動相對穩定或相對下降的地區地形平坦,各種風化剝蝕的產物易于保留在原地,形成巨厚的松散堆積物,化學風化作用可以不斷地進行,風化程度深。但在局部地區,母巖被風化產物覆蓋,限制了物理風化作用。而在構造抬升區,剝蝕作用強烈,地面切割程度高,地形陡峭,巖石破碎。風化剝蝕的產物,特別是那些顆粒較細的產物,在其形成后容易轉移他處,風化層一般較??;顆粒較粗,甚至基巖裸露,為持續不斷地發生快速物理風化作用創造了條件,而在這些情況下,化學作用則僅具有限的作用。
巖石性質
成因
巖石的成因反映它生成時的環境和條件。風化作用實質上是由巖石生成時的環境和條件與目前它所處的環境和條件的差異造成的。如果巖石生成的環境和條件與目前地表環境和條件接近,則巖石抵抗風化能力強,反之則容易風化。所以,高溫高壓條件下形成的火成巖中的礦物就比地表常溫常壓下形成的黏土礦物穩定性差,容易風化。
一般情況下,噴出巖比淺成巖抗風化能力強,淺成巖又比深成巖抗風化能力強,沉積巖比巖漿巖和變質巖抗風化能力強。而巖漿巖、變質巖和碎屑巖又較化學巖和生物巖抗風化能力強,巖漿巖中的酸性巖較基性巖和超基性巖抗風化能力強。具體來說,由橄欖石、輝石、長石等組成的巖漿巖易風化,而由石英砂組成的沉積巖抗風化能力強。
沉積巖是在近地表環境下形成的,總的看來比較穩定。大多數沉積巖是由前期巖石風化旋回作用所形成的次生物質組成的,在簡單的成巖作用過程中,這些以前風化旋回的產物可能只受到相當輕微的變質和改造。粘土巖的化學性質也較穩定,它主要是遭受物理風化,同時它的強度低,也易受剝蝕,在風化與剝蝕共同作用下,地形上往往成為低地。而石灰巖在干寒地區以機械風化為主,在濕熱地區易遭受化學風化。硅質巖除少數非晶質結構者外,一般較難于化學風化。不同變質巖的成分不同,其風化性能也有差別。
礦物成分
巖石由礦物組成,不同的礦物抗風化能力不同。組成巖石礦物成分的化學穩定性和礦物種類的多少,是決定巖石抵抗風化能力的重要因素。按照礦物化學穩定性順序,石英化學穩定性最好,抗風化能力強;其次是正長石、酸性斜長石、角閃石和輝石;而基性斜長石、黑云母和黃鐵礦等礦物則容易被風化。
巖石的礦物成分單一的,受熱后差異膨脹較小,因而較能抵抗風化。而礦物成分復雜的巖石,因各礦物的抗風化強弱不一,部分礦物先行風化,就會促使巖石崩解。巖石由于礦物成分不同,顏色也不同,通常深色礦物風吸熱多且快,比淺色礦物容易風化。因此,單礦巖及由淺色或顏色單一礦物所組成的巖石,較復礦巖及由深色或雜色各種礦物組成的巖石抗風化能力強。
結構和構造
組成巖石的礦物粒徑(顆粒物的大?。?、孔隙發育程度、分布特征、膠結物性質和膠結程度、層理對風化作用的速度和強度都有明顯影響。
通常顆粒粗大的巖石,因顆粒表面積大,粒間空大,易于化學風化,即細粒的較粗粒的巖石抗風化能力強??锥却笄疫B通性好的巖石,由于與水溶液接觸的面積大,易遭受風化。因此,堅硬致密的巖石較疏松多孔的巖石抗風化能力強。沉積巖中鈣質膠結的巖石較之硅質和泥質膠結的巖石更容易遭受風化。
一般來說均勻、細粒結構巖石比粗粒結構巖石抗風化能力強,等粒構造比斑狀結構巖石耐風化,而隱晶質巖石最不易風化。從構造上看,具有各向異性的層理、片理狀巖石較致密塊狀巖石容易風化,而厚層、巨厚層巖石比薄層狀巖石更耐風化。
節理發育情況
巖石的節理、裂隙和破碎帶等為各種風化因素侵入巖石內部提供了途徑。首先,巖體中的裂隙破壞了巖體的完整性,使巖體碎裂,降低巖石的強度,給物理和化學風化創造了條件;其次,巖體裂隙成為了風化介質進入基巖的通道,風化介質進入巖體內才能產生各種風化作用;最后,在裂隙帶風化作用最強,離裂隙帶愈遠,風化作用愈弱。
總的來說,巖石的裂隙發育程度決定了巖石的表面積大小,即決定了巖石與水溶液、大氣的作用面積的大小。由于節理裂隙的存在,破壞了巖石的連續性和完整性,便于空氣、水溶液的流動和生物活動,增加了巖石的可滲透性,故裂隙發育的巖石更遭受風化,尤其是在兩組節理交匯的地方,風化速度快,加之有剝蝕作用的疊加,能夠形成多種多樣的地貌。
人為活動
雖然風化是一個自然過程,但人類活動可以加速這一過程。例如,燃燒煤炭、天然氣和石油會向大氣中釋放氮氧化物和二氧化硫等化學物質,當這些化學物質與陽光和水分結合時,就會變成酸,它們以酸雨的形式落回地面。酸雨能迅速風化碳酸鈣、大理石等。工業廢水排放使得水中的化學物質和巖石發生化學反應,因而也會對巖石產生破壞作用。
另外人類活動尤其是工程建設,如打隧道、筑路、采礦、建水壩等,都會大大加速工程地區巖石的風化過程。風化作用隨著開采深度增加而逐漸衰減。在同一個露天礦,同樣巖性,則上部邊坡比深部邊坡風化程度大。在中國東北和西北高原的嚴寒地區,以及南方的酷熱、多雨地帶,巖石風化破壞作用較為強烈。還有邊坡開挖同樣也會使巖石新鮮面暴露,加劇了巖石的風化作用。除此之外,人類的作用在農業地質的活動,如墾荒、砍伐森林侵占草地等,會加速對地殼覆蓋巖石和土壤的風化。
巖石風化程度劃分
《巖土工程勘察規范》(GB50021-2001)中劃分了全風化、強風化、中等風化和微風化等六種風化程度。
風化產物
風化作用不僅導致地表巖石的破碎,而且會造成地表松散物質的重組,從而形成風化作用的產物。風化作用的產物主要包括碎屑物質、溶解物質、難溶物質。這些殘余物質的類型和分布主要與地形、氣候、母巖類型及風化作用方式有關。
碎屑物質
碎屑物質包括巖石碎屑和礦物碎屑,它們主要是物理風化作用的產物,在干旱炎熱地區(如沙漠)或高寒地區(如高海拔山區)碎屑物質最易形成。也有一部分是巖石在化學風化過程中未完全分解的礦物碎屑,如石英及陡石(長石)碎屑。風化形成的碎屑物質一部分會殘留原地,另一部分則被其它外力作用搬往它處,成為碎屑沉積物的重要來源。
溶解物質
溶解物質是化學風化作用和生物風化作用的產物,主要包括兩部分;一部分是易于搬運的鉀、鈉、鈣、鎂等元素的碳酸根、硫酸鹽,氯化物等,它們常以真溶液形式隨水帶走,成為海水及湖水中可溶性鹽類的主要來源;另一部分是較易淋失的二氧化硅,它主要以膠體溶液形式隨水搬運入海、入湖,其中一部分以蛋白石形式在原地附近堆積。另外,屬于溶解物質的還有為數較少的錳和磷的氧化物等。
難溶物質
巖石中較為活潑的元素及其化合物被帶走之后,一般是相對不活潑的鐵盒鋁等元素在原地殘留下來,形成沙粒或褐鐵礦、粘土礦物以及鋁礬土等。最終稱為泥質巖的物質來源。
影響
積極
為土壤的形成奠定物質基礎
風化作用是土壤形成的基礎。土壤的發生起始于母巖的風化過程,風化作用使巖石破碎,物理化學性質改變,形成結構疏松的風化殼,其上部稱為土壤母質(成土母質)。成土母質是土壤形成的物質基礎和植物礦質養分元素(氮除外)的最初來源。它在微生物和原植體植物的作用下逐漸演變為原始的土壤,然后再經過草本植物和木本植物的熟化最終產生肥力,形成成熟土壤,這個過程稱之為成土過程。成土過程一經發生,便一定與風化過程同時進行,兩個過程是無法分離的。所以土壤的形成和發育過程,可以看作是以母質為基礎,與各個自然要素不斷進行物質和能量交換的過程。一般來說,單一類型的巖石風化通常會產生貧瘠的土壤,而多種巖石的風化物質則具有更豐富的礦物多樣性,有助于形成更肥沃的土壤。
促進風化礦床的形成和尋找
風化礦床一般是原巖或礦源層和礦床經強烈的化學風化作用和生物風化作用,在熱帶、亞熱帶,潮濕氣候條件下,某些有用元素遷移和聚集的結果。因此,風化作用促進了各種風化礦床的形成,如高嶺土、鋁礬土、次生銅和、稀土以及砂礦等礦床。
砂礦床的形成與分布與風化作用和地貌條件有關。強烈的物理風化以及化學風化可以使礦物分離,在機械分選和化學分異作用下,有些穩定的單礦物在各種不同的有利的地貌條件下富集。例如在地形切割微弱地區,通常有殘積、坡積砂礦的形成。在低山丘陵的地貌條件下,在河谷發育的壯年階段,有利于河谷砂礦的形成。
在河谷階地發育時,詳細研究階地的發育歷史和規模,研究古河谷的發育情況,有助于尋找古河谷砂礦和追索原生礦床。大量的砂礦床、風化礦床形成于大型巖溶頂盤巖石下崩地帶或溶洞中。因此,研究巖溶地貌特征,結合上述氣候和其它地貌條件的分析,能對巖溶地區尋找砂礦床、風化礦床有所效益。
維持土壤化學平衡
風化是自然生態系統中植物所需礦質養分的重要來源,同時也是生物地球化學循環過程的重要組成部分。從各種固體的巖石礦物風化釋放出來的各種簡單鹽類,為植物提供了可能吸收和利用的養料。另外,風化作用還是改變元素在地表地質體中的存在形式、使其活化轉移和進行再分配的過程。土壤中元素的遷移、粒度分布、新礦物的生成等與成土有關的特質在風化過程中不斷改變并最終達到平衡。總的來說,土壤礦物風化為土壤、也是整個生態系統中無機化合物礦質養分提供了來源,它為植物長期提供了養分,有利于保持土壤的化學平衡穩定性。
調節水熱氣,促進生態循環
參與風化作用主要是溫度的變化、大氣、水、空氣,生物等因素。風化作用加強了對水熱氣的調節作用。風化作用的分散作用使沙、土混合組成了新的體系,這對水、熱、氣在地表的重新分配和調節起很大的影響。例如,風化殼中較大的裂隙利于水、氣的通透,小的毛管孔隙又能保蓄一定量的水分。這對地表水與地下水的循環和植物的水分供給等,都帶來積極的作用。再比如說,通過人為增強巖石化學風化可以抑制大氣二氧化碳濃度的過快增長,實驗證明將碾碎的玄武巖或其他硅酸鹽礦物添加至土壤中,這些物質在化學風化過程中既能為植物生長提供必要的營養元素,也能增強對大氣二氧化碳的吸收。
另外,風化對后續各種過程——剝蝕、搬運和沉積作用以及各種地貌類型的形成和發展也帶來重大的影響。比如,風化作用結果使巖石產生破壞,不僅體積變小,而且還發生化學變化,形成與原來巖石有很大差別的風化殼,產生疏松的碎屑物質,從而為侵蝕作用提供了物質基礎。因此,風化是自然地理環境中的重要過程之一,也是地質循環中的一個重要環節。對它的認識和研究,在地球科學領域中具有重要的理論意義和實際意義。
緩沖土壤酸化
土壤礦物風化不僅緩沖了土壤和地表水的酸化,還影響著全球氣候變化。土壤中被植物吸收以及淋溶損失的鹽基離子,主要通過礦物風化和大氣輸入來補充,當礦物風化和大氣沉降進入土壤中的鹽基離子不能平衡生物吸收、侵蝕及淋溶損失的鹽基離子,土壤將發生酸化。因此,土壤風化是維持生態系統酸中和能力,緩沖土壤酸化的主要機制。
消極
影響巖石強度和穩定性
大部分巖石經風化后,原巖的物理力學性質被改變了,形成了風化殼。但這是在地質歷史時期發生的結果,其速度一般較慢,在工程使用期限內不致顯著降低巖體的穩定性。但是有的巖石,如黏土巖及含黏土質的巖石風化速度較快,它們一旦出露,經數日甚至數分鐘就開始出現風化裂隙,經數年甚至數月原巖性質就會發生顯著變異。
風化作用會削弱、破壞巖石顆粒間的連結,形成、擴大巖體裂隙,降低斷裂面的粗糙程度,產生次生粘土礦物等。它使堅硬致密的巖石松散破壞,改變了巖石原有的礦物組成和化學成分,使巖石的強度和穩定性大為降低,對工程建筑條件起著不良的影響。
間接引發自然災害
風化作用會造成坡面物質破碎,為一些自然災害提供了大量固體物質來源。如滑坡、崩塌、巖堆及泥石流等不良地質現象,大部分都是在風化作用的基礎上逐漸形成和發展起來的。風化作用能使斜坡前緣各種成因的裂隙加深加寬,斜坡上的巖體在各種風化應力,如剝離、冰脹、植物根壓等的長期作用下,其強度和穩定性不斷降低,最后促使崩塌的發生。另外,高寒地區冰劈作用廣泛發育,干旱、半干旱氣候區日溫差及年溫差較大,這些地區物理風化強烈,巖石易破碎成碎塊,崩落極為盛行。風化作用也能為泥石流提供固體物質來源,尤其是在干早、半干早氣候帶的山區,植被稀少,巖石物理風化作用強烈,在山坡和溝谷中堆積起了大量的松散碎屑物質,這成為泥石流的又一物質來源。
治理與預防
對巖石風化的預防
通過人工措施,使風化與巖體隔離開來,這樣能讓巖體免遭繼續風化,以此來減緩風化的作用強度和速度。具體體有以下幾個方法:
抹面法:用使水和空氣不能透過的材料,如如瀝青、水泥、粘土層等,覆蓋巖層。在巖石表層設置綠化、噴抹水泥砂漿、瀝青或石灰水泥砂漿封閉巖面,防止空氣、水分與巖石接觸或水分滲入,是防治巖石風化的有效措施。
膠結灌漿法:用水泥、粘土等漿液灌入巖層或裂隙中,以增強巖層的整體性和強度,降低其透水性,增強巖石抗風化能力。
排水法:為了減少具有侵蝕性的地表水和地下水對巖石中可溶性礦物的溶解及對巖石強度的影響,適當做一些排水工程。
其他:良好的植被能阻止和過濾地表移動的固體物質,使巖石侵蝕和物理風化作用銳減??梢愿鶕煌牡刭|情況、水文地質條件、氣候、地形等因素,采用營造灌木林、鋪樸草皮等辦法。
對已風化產物的治理
在基礎工程建設中,對于已經存在的嚴重風化層,若其厚度不大,施工條件簡單時,可將風化巖石全部挖除,然后將建筑物地基設置在未風化或微、弱風化的巖石上;若厚度較大不能全部挖除,則采取相應措施,如采用樁基穿透風化層落在新鮮巖石上。而邊坡、隧道工程可根據風化層厚度及風化程度采用加強支護、支擋、襯砌等措施。
參考資料 >
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地理地質概念辨析:風化作用與侵蝕作用.徐州市銅山區自然資源和規劃局 .2024-03-25
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為了“碳中和”,青藏高原上的石頭也在努力.貴州省地礦局.2024-03-27