风化作用

地壳表层的岩石在阳光、风、电、大气降水、气温变化和空气等外营力作用下及生物活动等因素的影响下，会引起岩石矿物成分和化学成分以及结构构造的变化，使岩石逐渐发生破坏的过程称为风化作用。

一.风化作用（weathering)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、化学变化而在原地形成松散堆积物的全过程。根据风化作用的因素和性质可将其分为三种类型：物理风化作用、化学风化作用、生物风化作用。

二.风化作用指岩石在地表或接近地表的地方由于温度变化、水及水溶液的作用、大气及生物等的作用下发生的机械崩解及化学变化过程。风化作用一般分三类：物理风化、化学风化和生物风化作用。

此外植物根素的生长，洞穴动物的活动、植物体死亡后分解形成的腐植酸对岩石的分解都可以改变岩石的状态与成分。

1）未风化：岩质新鲜，偶见风化痕迹。

2）微风化：结构基本未变，仅节理面有渲染或略有变色，有少量风化裂隙。

3）中等风化：结构部分破坏，沿节理面有次生矿物、风化裂隙发育，岩体被切割成岩块。用镐难挖，岩芯钻方可钻进。

4）强风化：结构大部分被破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙很发育，岩体破碎，用镐可挖，干钻不易钻进。

5）全风化：结构基本破坏，但尚可辨认，有残余结构强度，可用镐挖，干钻可钻进。

6）残积土：组织结构全部破坏，已风化成土状，锹镐易挖掘，干钻易钻进，具可塑性。

风化作用（weathering)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、化学变化而在原地形成松散堆积物的全过程。根据风化作用的因素和性质可将其分为三种类型：物理风化作用（physicalweathering)、化学风化作用(chemical weathering)、生物风化作用(biological weathering)。

岩石是热的不良导体，在温度的变化下，表层与内部受热不均，产生膨胀与收缩，长期作用结果使岩石发生崩解破碎。在气温的日变化和年变化都较突出的地区，岩石中的水分不断冻融交替，冰冻时体积膨胀，好像一把把楔子插入岩石体内直到把岩石劈开、崩碎。以上两种作用属物理风化作用。

岩石在各种风化营力作用下，所发生的物理和化学变化的过程称为岩石风化。它包括岩石所感受的风化作用及其所产生的结果两个方面。与其它动力地质作用相比较，引起岩石风化的营力很多，但主要的是太阳热能、水溶液( 地表、地下及空气中的水) 、空气( 0₂及 C0₂等) 及生物有机体等。

岩石中的矿物成分在氧、二氧化碳以及水的作用下，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，有的属不溶解物质残留在原地。这种改变原有化学成分的作用称化学风化作用。

此外植物根系的生长，洞穴动物的活动、植物体死亡后分解形成的腐植酸对岩石的分解都可以改变岩石的状态与成分。

岩石风化作用与水分和温度密切相关，温度越高，湿度越大，风化作用越强；但在干燥的环境中，主要以物理风化为主，且随着温度的升高物理风化作用逐渐加强；但在湿润的环境中，主要以化学风化作用为主，且随着温度的升高化学风化作用逐渐加强。物理风化主要受温度变化影响，化学风化受温度和水分变化影响都较大。从地表风化壳厚度来看，温度高，水分多的地区风化壳厚度最大。土壤是在风化壳的基础上演变而来的。

风化作用的速度主要取决于自然地理条件和组成岩石的矿物性质。

风化作用气候条件

气候寒冷或干燥地区，生物稀少，寒冷地区降水以固态形式为主，干旱区降水很少。以物理风化作用为主，化学和生物风化为次。岩石破碎，但很少有化学风化形成的粘土矿物，以生物风化为主形成的土壤也很薄。

气候潮湿炎热地区，降水量大，生物繁茂，生物的新陈代谢和尸体分解过程产生的大量有机酸，具有较强的腐蚀能力，故化学风化和生物风化都十分强烈，形成大量粘土，在有利的条件下可形成残积矿床。可形成较厚的土壤层。

风化作用地形条件

地形影响气候，间接影响风化作用；另一方面，陡坡上，地下水位低，生物较少，以物理风化为主。 地势平坦，受生物影响较大，化学风化作用为主。

风化作用岩石性质

1． 成分

(1)岩浆岩比变质岩和沉积岩易于风化。岩浆形成于高温高压，矿物质种类多(内部矿物抗风化能力差异大).

(2) 岩浆岩中基性岩比酸性岩易于风化，基性岩中暗色矿物较多，颜色深，易于吸热、散热。

(3) 沉积岩易溶岩石(如石膏、碳酸盐类等岩石)比其它沉积岩易于风化.

差异风化：在相同的条件下，不同矿物组成的岩块由于风化速度不等，岩石表面凹凸不平；或由不同岩性组成的岩层，抗风化能力弱的岩层形成相互平行的沟槽，砂岩、页岩互层，页岩呈沟槽。通过差异风化，我们可以确定岩层产状。

2． 岩石的结构构造

(1) 岩石结构较疏松的易于风化；

(2) 不等粒易于风化，粒度粗者较细者易于风化；

(3) 构造破碎带易于风化，往往形成洼地或沟谷。

球形风化： 在节理发育的厚层砂岩或块状岩浆岩中，岩石常被风化成球形或椭圆形，这种现象叫做球形风化，它是物理风化为和化学风化联合作用的结果。

球形风化的主要条件有：

(1)岩石具厚层或块状构造；

(2) 发育几组交叉裂隙；

(3)岩石难于溶解；

(4)岩石主要为等粒结构；

（5）花岗岩。

被三组以上裂隙切割出来的岩块，外部棱角明显，在风化作用过程中，棱角首先被风化，最后成球状。

地表和接近地表的岩石，在温度变化、水、空气及生物的作用和影响下所发生的破坏作用，称为风化作用。可分成两种主要类型：

1.物理风化作用：是指岩石只发生机械破碎而化学成分未改变的风化作用。物理风化的结果是形成各种碎屑物质。

2.化学风化作用：指岩石在氧、水和溶于水中的各种酸、以及生物的作用下，发生化学分解的风化作用。

3.造岩矿物和岩石在风化过程中的稳定性。

1) 长石类

在物理风化作用下，长石易沿解理面破碎。在化学风化作用下,受各种酸的作用而分解：

长石→ 水云母 K 、Na 、Ca2 → 高岭石（蒙脱石） SiO2→ 蛋白石 三水铝石

不同种类的长石中，钾长石比斜长石稳定，酸性斜长石又较基性斜长石稳定。

2）铁镁矿物

这类矿物的稳定性较低，其中以橄榄石最易风化，辉石次之，再其次是角闪石。在化学风化作用下，尤其是在碳酸的作用下，这类矿物首先分解出Ca2 、Mg2 、Fe2 阳离子，形成重碳酸盐，溶于水中被带走；在氧化作用下,这类矿物中的低价铁氧化成高价铁，形成含水的氧化铁矿物而残积在风化地区、故其风化产物多呈红色、褐色及棕色。

3）石英

为最稳定的造岩矿物，在风化过程中几乎只发生机械破碎，不易发生溶解。

4)云母类

白云母稳定性较黑云母高，故在沉积岩中前者较常见。白云母在化学风化作用下可以分解而转变成为水云母以至高岭石；黑云母风化后形成含水的氧化铁矿物及粘土矿物，其部分阳离子则被淋滤。

5）粘土矿物

为沉积岩的重要造岩矿物。由于此类矿物是在地表条件下形成的，故在一般风化作用下只发生机械破碎，而无化学分解现象。

6）碳酸盐矿物

主要为方解石和白云石。这类矿物在酸性水中极易溶解，而在极干燥的气候条件下，可由物理风化作用破碎成碳酸盐碎屑。

岩石的风化及影响因素

1）矿物成分， 2）结构构造， 3）气候条件

岩石破碎 →Ca、Na、Mg、K带出→ 水云母或蒙脱石 → 高岭石 →含水氧化铁 蛋白石 铝土矿。

风化产物

母岩风化后形成的产物按其性质可分为三类：

1）碎屑物质 这是母岩机械破碎的产物。

2）不溶残余物质 是母岩在分解过程中新生成的矿物。

3）溶解物质 在化学风化过程中，母岩中活泼性较大的金属元素分解出来溶于水中，组成真溶液或胶体。2100433B

1． 岩石经风化后部分易溶物质被水带走流失，余下的碎屑岩和化学风化中形成的一些新矿物便残留原地，这些残留在原地的风化产物称残积物。残积物的矿物组成、化学成分、颜色与下伏地层(原岩)有一定的关系，它们常具有棱角，无分选性，无层理，向下逐渐过渡到基岩，在存在生物活动物的地区，残积物顶部发育成土壤。

风化壳：残积物和土壤在大陆地壳表层构成一层不连续的薄壳，称之为风化壳。

2． 风化壳可由一层残积物组成，也可由几层风化分解程度不同的残积物组成，而且层与层之间常逐渐过渡而无明显分界线。由于风化作用以地表最强烈，并向深处减弱，故具垂直分带。一个完整的风化壳在剖面上，从下往上可分为以下几层：土壤层、残积层、半风化层。

3． 风化壳的厚度和成分因地而异，一般潮湿炎热气候区，风化壳厚度大，并有可能形成Fe，Mn，Al，Ni等残积矿床(风化壳型矿床)，干旱地区风化壳薄，常仅数十厘米且结构简单。古风化壳：风化壳若为后来沉积物所覆盖，则称为古风化壳。

4． 风化壳的研究意义

(1) 地壳运动与古地理：长期稳定或隆起，风化壳得以充分发育，古风化壳代表古代沉积间断，发育构造运动。

(2) 古地理：陆地，不同气候条件，风壳物征不一。

(3) 矿产：残余型矿床，残积砂矿床(金、金刚石)。

（4) 工程建设：对近代埋藏的风化壳应填重对待。某水库工程对风化壳厚度估计不够，蓄水后坝下渗漏严重。

风化作用综述

物理风化是最简单的风化作用，在沙漠地区尤其明显。因为那里气温白天高达40－50℃，晚上可降到0℃以下，岩石热胀冷缩，这种胀缩在岩石表部和核部是不一样的。由于不同矿物的膨胀系数不一样，久而久之，岩石出现了裂隙，由大块变成了小块，由小块变成砂，由砂变为土，石头就烂掉了。在有化学作用和生物作用参与的情况下，风化作用进行得更快，风化的过程和产物也更丰富多彩。

风化作用球状风化

最常见的风化现象是岩石的球状分化，这是因为岩石的外层易发生成层裂开和鳞片状剥落的缘故，兼之岩石内常有相互交错的裂缝，沿裂缝风化最深，稜角磨得最圆。在悬崖陡坡上的岩石，因风化而发生崩落，裂解下来的石块沿山坡流动，最后在山坡脚下稳定的地方堆积下来，形成上尖下圆的锥形体，称倒石锥。如果是一个平缓的山坡，崩落下来的岩块杂乱地堆积在那里，形成石滩或石海。

风化作用风化壳

物理风化、化学风化和生物风化作用的综合产物是风化壳。一个发育成熟的风化壳中，硅酸盐矿物已完全分解，形成硅及三价金属的胶体氢氧化物，产生的典型矿物是游离的氢氧化铁和氢氧化铝（褐铁矿、水赤铁矿、针铁矿、铝土矿等，俗称铁帽），如华北中奥陶统灰岩之上的风化壳、广西下二叠统灰岩之上的风化壳等。以生物风化作用为主的风化作用的综合产物是土壤；除植物外，气候在土壤形成的过程中起了重要的作用。

风化作用结果

风化作用无处不在，无孔不入，它对人们带来的困扰，几乎可与生锈、虫蛀并列。修公路修铁路时，常可开挖出非常好的地质露头，有些现象的意义足以与“名胜古迹”媲美，吸引了中外地质学家前去研究。但几年过后，研究成果发表了，纪念碑树起来了，露头也风化了。在我国南方气候炎热而潮湿的地区，化学风化作用的速度最快，裸露的岩石只需几年便因风化而变得疏松，风化层可厚达几十米。位于洞穴或石窟（著名的如云岗石窟、敦煌石窟等）的浮雕或石雕虽免于风吹雨淋之苦，仍因风化而变得斑驳陆离。埃及的狮身人面像屹立在大自然已有4000多年了，相对来说风化进行得较慢，原因之一是气候干燥，只有物理风化在起作用。而狮身人面像是从一整块灰岩上雕凿出来的，抗物理风化能力较强；第三个原因是那里风沙大，飞沙经常把它掩埋起来，保护了它免受日晒夜冻。游客们在欣赏她勃发的英姿时，哪里会想到可能昨天她还埋在飞沙中呢？

根据性质的不同，煤风化作用分为物理风化、化学风化和生物风化等三种主要类型。

煤风化作用物理风化作用

由于大气温度的变化以及煤中孔隙、裂隙水的反复冻结与融化而使煤发生的颜色变浅，硬度及强度变弱，裂隙增多、增大，结构变松，甚至完全破碎成粉末等物理性质变化和机械破坏。其影响深度有限。

煤风化作用化学风化作用

由于受大气和水中各种化学物质的影响，使煤的化学组成及工艺性质发生的变化和破坏。其影响深度较大。

煤风化作用生物风化作用

由于受生物活动的影响，使煤的物理性质和化学性质发生的变化和破坏。

煤风化作用受煤的成分和性质、煤层的埋藏条件、地表侵蚀速度、气候条件等因素的制约。

煤风化作用煤的成分和性质

腐植煤较残植煤和腐泥煤易风化;低变质煤较高变质煤易风化;镜煤和亮煤较丝炭和暗煤易风化，但在低温条件下丝炭能吸附大量的氧并放出热量而加速风化作用。此外，煤的结构、裂隙发育程度、水分和煤中黄铁矿的含量等，对煤风化作用也有一定的影响。

煤风化作用煤层的埋藏条件

煤层产状、围岩成分和性质、夹矸厚度和性质以及上覆盖层的厚度和性质等因素都影响煤层与大气和水的接触条件，从而对煤风化作用进行制约。

煤风化作用地表侵蚀速度

地表侵蚀速度越快，地形切割越陡，煤层氧化带越浅; 反之，则氧化带越深。

煤风化作用气候条件

温湿气候有利于化学风化的进行，风化深度大; 干燥气候则多以物理风化为主，风化深度小;大气温差越大，物理风化越强;大气降水影响潜水面的位置和渗滤水的含量及性质。

煤风化作用构造条件

因构造裂隙导入水、气而促使煤体发生风化、氧化。这种风化作用往往可达地下较深部位，但范围比较局限。

煤风化过程分为吸氧、次生腐植酸生成和有机物氧化分解等三个阶段。

煤风化作用吸氧阶段

煤中有机质大分子结构单元侧链上的活性基团，吸附大气中的氧，在煤的表面形成煤氧络合物，使煤的重量增大、吸湿性增强。

煤风化作用次生腐植酸生成阶段

煤氧络合物分解，放出二氧化碳、一氧化碳、水和热量。同时，由稠环和侧链组成的煤分子氧化生成腐植酸。随着风化程度的加深，次生腐植酸的含量不断增加。煤的结构变得疏松，增大了与大气、水等的反应面，为加快风化速度和加大风化深度提供了条件。

煤风化作用有机物氧化分解阶段

随着次生腐植酸的进一步氧化分解，煤中有机物含量明显降低，直至全部消失，仅剩下煤中矿物风化后的残留物。

有机质氧化生成的腐植酸、二氧化碳等酸性物质，可使煤中矿物水解，生成硅酸、铝硅酸、磷酸等，与金属离子形成有机盐类络合物，当钙离子丰富时，则可生成方解石。煤中的黄铁矿和白铁矿氧化成硫酸和硫酸铁，且与周围的钙、铝矿物作用，形成石膏、明矾等新矿物。在有大量有机质分解而造成的还原环境下，硫酸铁可再次被还原，生成次生黄铁矿。因此，在煤层露头及其附近常见有含铁明矾的白色粉末(称煤垩)，受氢氧化铁污染的次生腐植酸褐色粉末(称煤华)分布。煤垩、煤华都是重要的找煤标志。