風化作用與塊體運動

第二節(jié)風化作用與塊體運動一風化作用(weathering)

風化作用（風化過程）：地表巖石與礦物在太陽輻射、大氣、水和生物參與下理化性質發(fā)生變化，顆粒細化，礦物成分改變，從而形成新物質的過程。

風化是剝蝕的先驅，對地貌的形成、發(fā)展與地表夷平起著促進和推動作用。風化作用風化作用實質上表現(xiàn)為一系列崩解和分解崩解：巖石由大塊變成碎塊，再漸變成細粒，其形狀和大小改變了，但化學成分不發(fā)生變化。自然界中，三種風化作用通常是聯(lián)合進行與相互助長的，劃分它是為了討論方便。物理風化化學風化分解：巖石風化過程中化學成分發(fā)生變化生物風化（一）風化作用的類型

1.物理風化：又稱機械風化或崩解，它是一個巖石由整體破裂為碎屑，裂隙、空隙和比面積增加、物理性質發(fā)生顯著變化而化學性質不變的過程。

在地下深處的巖石承受巨大靜壓力，其潛在膨脹力是十分驚人。巖石從地下深處變到地表條件時由于上覆靜壓力減小而產生張應力形成一系列與地表平行的宏觀和微觀的內部破裂面。形成這種裂隙構造的作用稱為剝離作用。巖石的釋荷層狀剝落溫度風化由于晝夜溫差和季節(jié)溫差的影響造成巖石發(fā)生不均勻的熱脹冷縮而引起的。巖石通常是由多種礦物組成的，不同的礦物具有不同的膨脹系數(shù)，在溫度變化過程中會導致巖石中礦物之間的結合力減弱，最終松弛崩解。即便是成分較為均一的巖石，由于存在著巖石的各向異性，甚至是晶格結構的差異，也可以造成熱脹冷縮的差異，導致巖石的風化。溫度風化在溫差大的地區(qū)最為強烈，特別是晝夜溫差大、空氣干燥、缺少植被地地區(qū)，因此沙漠地區(qū)最為盛行。溫差風化過程凍結風化(冰劈作用)水在凍結過程中由于密度降低，體積增大，會產生巨大的破壞力。當水進入巖石的孔隙或裂隙中，如果產生凍結過程，其相應的膨脹力可以導致巖石發(fā)生解體，尤其是周期性的凍結作用，很容易把巖石破壞成較小的塊體，這種風化作用稱為凍結風化。主要發(fā)生有高緯度及高山區(qū)凍結風化示意圖巖石遭受凍結風化的現(xiàn)象

鹽類的結晶與潮解作用

由于巖石裂隙中的鹽類反復結晶、潮解，使巖石崩解的作用。多發(fā)生在干旱及半干旱地區(qū)。鹽類結晶造成的干裂美國

生物的機械風化作用植物的根系和掘地動物對巖石也會產生機械風化作用。隨著樹木的生長，其根系越來越大，同時對巖石的裂隙壁產生了極大的作用力，就像楔子一樣將巖石沿裂隙劈開，造成機械風化。各種掘地動物，如嚙齒類動物、蠕蟲動物等，也會產生機械作用。黃山的迎客松就生長在巖石的裂縫中物理風化作用產物特征：碎屑粗細不等，棱角顯著，沒有層理；多分布在分水嶺上或斜坡上；碎屑物的成分與下覆基巖成分一致。2、化學風化：是指巖石在大氣、水與生物作用下發(fā)生分解進而形成化學組成與性質不同的新物質的過程?；瘜W風化又分為：（1）水化作用（2）水解作用（3）溶解作用（4）氧化作用

化學風化作用的方式1.水化作用（hydration)

把水分子結合到礦物的晶格中的作用。水分子在礦物晶格中成為結晶水,只有在高溫下才能分離出來，因而原礦物就變成含水的新礦物。hydration實例

赤鐵礦褐鐵礦

Fe2O3+nH2OFe2O3·nH2O

硬石膏石膏

CaSO4+2H2OCaSO4

·2H2Ohydration的結果增大礦物的體積增大對圍巖的的壓力導致礦物的硬度降低，從而削弱巖石抵抗風化作用的能力化學風化作用的方式2.水解作用(hydrolysis)水體進入地表巖石，水中的氫離子與礦物中的鹽基離子發(fā)生交換形成可溶性鹽類，即礦物遇水分解的過程。水解作用的實例4K[AlSi3O8]+6H2OAl4[Si4O10](OH)8+8SiO2+4K(OH）

鉀長石高嶺石蛋白石膠體Al4[Si4O10](OH)8+nH2O2Al2O3+4SiO2+4H2O

高嶺石鋁土礦水解作用的結果

水解作用導致巖石和礦物的破壞水解時OH-離子與金屬陽離子一起進入海洋，而H+則與鋁硅酸絡陰離子結合生成難溶解的粘土礦物，殘留在大陸?；瘜W風化作用的方式3、溶解作用(solution)巖石中礦物溶解于水而產生分解的過程。

鹵化物、硫酸鹽、碳酸鹽等礦物易溶于水,常見是碳酸鹽礦物溶于含CO2的水溶液中。如CaCO3(方解石)+H2O+CO2Ca(HCO3)2

溶解作用是化學風化過程的另一種常見的形式。含有CO2或者其他酸性氣體的水，可以使巖石發(fā)生溶解。對于一些蒸發(fā)鹽類，如石膏、巖鹽等，水的溶解作用表現(xiàn)尤為明顯。溶解作用溶解作用起重要作用的地區(qū)風化作用的方式4、氧化作用(oxidation)

礦物與大氣或水中的游離氧反應，生成氧化物的過程。4FeS2(黃鐵礦)+19O2+mH2O2Fe2O3

?nH2O+8H2SO4鐵帽（gossan）的形成黃鐵礦氧化生成FeSO4FeSO4繼續(xù)氧化生成Fe2(SO4)3Fe2(SO4)3是強酸弱堿鹽，易水解成Fe(OH)3沉淀Fe(OH)3脫水形成褐鐵礦鐵帽潛水面氧化帶金屬硫化物礦脈鐵帽與地下礦藏化學風化作用殘留物的特點：松散出現(xiàn)富鐵、鋁、硅的化合物，如褐鐵礦、鋁土礦、高嶺土、蛋白石等。3、生物風化作用概念：生物的生命活動引起巖石的分解分類：生物物理風化作用：指生物活動導致巖石機械破壞的作用生物化學風化作用：生物在新陳代謝過程中產生的分泌物和生物死亡后的遺體腐爛的分解產物使巖石分解破壞的作用生物物理風化作用：根劈作用

與人有關的生物物理風化作用地衣一、氣候因素二、地形因素三、巖性因素四、地質構造因素補充：影響風化作用的因素氣候因素氣溫降雨生物活動對物理及化學風化產生影響舉例：。。。。。。潮濕炎熱地區(qū)，降水量大，生物繁茂，生物的新陳代謝和尸體分解強烈該過程產生大量有機酸，以酸性作用為主化學風化和生物風化十分強烈，速度快，礦物分解徹底舉例：。。。。。。產物以大量粘土（高嶺石）為主4K(AlSi3O8)+6H+→Al4(Si4O10)(OH)8+8SiO2+4KOH(鉀長石)

(高嶺石)

干冷地區(qū)：物理風化為主，程度差，速度慢，產物以巖石碎屑為主。以堿性作用為主產物以蒙脫石為主（Na,Ca）0.33（Al,Mg）2（Si4O10）（OH）2·nH2O已矗立于干燥的埃及3500多年，并保持完好的克雷帕特拉石柱照片克雷帕特拉石柱被搬移到空氣污染的紐約75年后的照片地形條件的影響地形的高度、起伏程度及坡向，具體影響到氣候、風化產物的保存、日照、植被等條件。山區(qū)地形條件影響最為突出由山頂?shù)缴侥_不同海撥及氣候有明顯的垂直分帶山頂：物理風化強烈。山腳：化學風化生物風化為主。地勢

陡：風化碎屑物很快剝蝕掉，易于物理風化的進行。緩：生物化學同風化為主。巖性影響三大巖類抗風化的能力排序。沉積巖：碎屑巖>化學巖、生物巖巖漿巖：酸性巖>基性巖變質巖：淺變質>深變質花崗巖石灰?guī)r巖性影響不同礦物抗風能力不同（石英、方解石）火成巖中抗風化能力增強與鮑溫反應系列相反單礦物巖石——

抗物理風化能力強。復礦物巖石——

抗物理風化能力弱，有利物理風化。石英橄欖石輝石角閃石黑云母基性斜長石中性斜長石酸性斜長石鉀長石白云母鮑溫成礦系列—礦物析出順序礦物逐漸析出抗風化能力逐漸增強巖性影響巖石的結構巖石結構較疏松的易于風化不等粒結構易于風化粒度粗者較細者易于風化；孔隙式膠結較基底式膠結易于風化膠結物成分：Si>Ca>泥……地質構造不同部位抗風化能力不同構造裂隙發(fā)育的巖層利于風化斜頂部：張裂隙發(fā)育斷層帶兩側節(jié)理裂隙…….節(jié)理與風化風化作用的產物土壤巖石經過物理風化作用、化學風化作用之后，再經過生物風化作用，形成具有礦物質、腐殖質、水和空氣的松散堆積。殘積物巖石經過長期風化作用后，形成一些在地表條件穩(wěn)定的產物，（多為鐵、鋁的氧化物）殘留原地。風化殼殘積物、土壤在陸地的地表形成的一層不連續(xù)薄殼（層）。土壤殘積層基巖風化殼巖屑型風化殼燕山大學風化殼（溫帶潮濕）磚紅土型風化殼

（二）風化殼

殘留礦物：化你學性質穩(wěn)定未經風化的物質，有自然元素、氧化物或硅酸鹽構成的巖屑等。在物理風化占優(yōu)勢的干旱半干旱和高寒地區(qū)，殘留礦物是主要風化產物。次生礦物以粘土礦物，鐵鋁含水氧化物最為常見。粘土礦物：高嶺石（溫暖濕潤氣候區(qū)）、蒙脫石（半濕潤半干旱區(qū)）、伊利石（半濕潤半干旱淋溶作用弱的地區(qū)）。鐵的氧化物最常見為褐鐵礦；鋁的含水氧化物直接基性或中性巖石風化而成。

風化殼形成條件：有利于風化作用持續(xù)進行的氣候、巖性和構造條件，如高溫多雨，溫差大，巖石多節(jié)理、裂隙，構造破裂等；有利于風化產物殘留在原地的地貌、植被、水文與地質條件，如地勢起伏和緩，地貌穩(wěn)定，植被覆蓋高，地表流水侵蝕弱，地下水流動顯著且地下水位低。（二）風化殼風化殼的基本特征（1）風化殼空間上分布呈不連續(xù)性，厚度差異也很大，厚者可達100~200m，薄者不足1m；（2）組成物質以粘土和碎屑為主，也可包括少量殘存液體；（3）結構疏松，表層分散性強，分解程度高粒徑細，中下層相反，但不具有類似沉積巖的層理；（4）發(fā)育和保存均較好的風化殼，可以劃分強度風化，中度風化和微風化三個層帶。

2.風化殼基本類型及其分布（1）熱帶，亞熱帶地區(qū)－－富鋁型酸性和硅鋁鐵酸性風化殼（高度化學風化）（2）溫帶森林帶－－硅鋁粘土型弱酸性風化殼（中度化學風化）（3）半濕潤半干旱森林草原－－碳酸鹽型中性至微堿性風化殼（輕中度化學風化）（4）干旱區(qū)－－堿性風化殼（以物理風化為主，化學風化很弱）（5）高寒區(qū)與極旱荒漠區(qū)－－殘積粗巖屑型二塊體運動與重力地貌

塊體運動：巖體和土體在重力作用及地表水地下水影響下沿坡向下運動稱為塊體運動?？煞譃楸缆?、滑落和蠕動三類。

（一）崩落與崩塌地貌定義：陡坡上的巖體與土體在重力作用下突然快速下移，稱為崩落或崩塌。特征：速度快（一般為5—200m/s）；規(guī)模差異大（小于1m3—108m3）。

崩塌下落后，崩塌體各部分相對位置完全打亂，大小混雜，形成較大石塊翻滾較遠的倒石堆。2005-9-23土壤侵蝕原理72三、崩塌形成條件

1、地形條件

地形條件包括坡度和坡地相對高度。（1）坡度：坡度對崩塌的影響最為明顯，一般大于33°的山坡不論巖屑大小都將有可能發(fā)生移動。不同巖性的山坡，形成崩塌的坡度也不完全相同。在無水情況下，一般巖屑坡的坡度休止角是30°～35°，干沙的休止角為35°～40°，粘土的休止角可達40°左右。如果為同一種巖性但其結構不同，它們的休止角也不同。例如原生黃土的結構較致密，超過50°的坡地才會發(fā)生崩塌，而次生黃土的結構較松散，30°左右就發(fā)生崩塌。（2）坡地相對高度：坡地的相對高度和崩塌的規(guī)模有關，一般當坡地相對高度超過50m時，就可能出現(xiàn)大型崩塌。2005-9-23土壤侵蝕原理732、地質條件

巖石中的節(jié)理、斷層、地層產狀和巖性等都對崩塌有直接影響。在節(jié)理和斷層發(fā)育的山坡巖石破碎，很易發(fā)生崩塌。當?shù)貙觾A向和山坡坡向一致，而地層傾角小于山坡坡度角時，常沿地層層面發(fā)生崩塌。軟硬巖性的地層呈互層時，較軟巖層易受風化，形成凹坡，堅硬巖層形成陡壁或突出成懸崖易發(fā)生崩塌。2005-9-23土壤侵蝕原理743、氣候條件

氣候可使巖石風化破碎，加快坡地崩塌形成的時間。在日溫差、年溫差較大的干旱、半干旱地區(qū)，物理風化作用較強，在較短時間內巖石就會風化破碎。例如蘭新鐵路一些新開挖的花崗巖路塹，僅四、五年時間路塹邊坡巖石就遭到強烈風化，形成崩塌。2005-9-23土壤侵蝕原理754、地震及其它

（1）地震：地震是崩塌的觸發(fā)因素。地震時能形成數(shù)量多而規(guī)模很大的崩塌體。例如1920年寧夏海原8.5級地震，有650多處發(fā)生大規(guī)模崩塌(其中有一部分是滑坡)，地震形成的崩塌分布在上萬平方公里范圍內。1970年秘魯境內的安第斯山附近發(fā)生一次大地震，當時從5000～6000m高山上傾瀉下來的巖塊和冰塊等崩塌體，連拋帶滾波及到10km以外。

（2）其它：在山區(qū)進行各種工程建設時，如不顧及自然地形條件，任意開挖、常使山坡平衡遭到破壞而發(fā)生崩塌。另外任意砍伐森林和在陡坡上開墾荒地也常引起崩塌。引起崩塌的觸發(fā)因素：暴雨、強烈的融冰化雪、爆破、地震及人工開挖坡腳等是引起崩塌的觸發(fā)因素。很多崩塌發(fā)生在暴雨時或暴雨后不久。暴雨增加了巖體負荷，破壞了巖體結構，軟化了黏土夾層，降低了巖體之間的凝聚力，加大下滑力并使上覆巖塊失去支撐而引起崩塌。地震以及不適當?shù)拇蟊剖┕ひ彩且鸨浪闹匾挠|發(fā)因素。它破壞了巖體的結構，加大了下滑力，能使原來不具備崩塌條件的山坡發(fā)生崩塌。人工過分開挖邊坡坡腳，改變了斜坡外形，使上部巖體失去支撐，也往往導致產生大規(guī)模崩塌。崩落形成兩種地貌：

A.崩塌崖壁（山坡上部）

B.巖堆【又稱倒石堆】（坡麓）

崩塌崖體坡度很大，常成懸崖峭壁。倒石堆崩塌堆積地貌：崩塌下落的大量石塊、碎屑物或土體都堆積在陡崖的坡腳或較開闊的山麓地帶，形成倒石堆（巖屑堆或巖堆）。結構：多呈松散、雜亂、多空隙、大小混雜而無層理。形態(tài)：呈半錐形一般大型顆粒更多地堆積在下部，上部多細粒物質，碎屑物質構成的坡度接近于其自然休止角。破裂壁。倒石堆的形態(tài)和規(guī)模視崩塌陡崖的高度、陡度、坡麓基坡坡度的大小與倒石堆的發(fā)育程度而不同。基坡陡，在崩塌陡崖下方多堆積成錐形倒石堆；基坡緩，多呈較開闊的扇形倒石堆。在深切峽谷區(qū)或大斷層崖下，由于崩塌普遍分布，很多倒石堆彼此相接，傍依陡崖坡麓形成帶狀倒石堆。崩塌陡崖的高度、陡度不同，崩塌體發(fā)育的規(guī)模也不一樣崩落形成的地貌崩落停止后，巖堆經風化可發(fā)育土壤和生長植被，如下圖所示：峽谷兩側最易發(fā)生崩落，巨大的崩塌巖塊常使峽谷難于通行。大規(guī)模的崩塌俗稱

山崩。如下圖：（二）滑落與滑坡地貌

1.定義：由巖石，土體或碎屑堆積物構成的山坡體在重力作用下沿軟弱面發(fā)生整體滑落的過程稱為滑坡。

2.發(fā)生條件：滑坡只有在由重力引起的下滑力超過軟弱面的抗滑力時才發(fā)生。

3.發(fā)生因素：內在因素和誘發(fā)因素（1）內在因素包括地層巖性，地質構造，坡體結構和有效臨空面等。（2）誘發(fā)因素包括降水強度、地下水、地震、地表徑流對坡麓的沖淘、坡面加積作用，以及人為的在坡地上蓄水灌溉、建房筑路時破壞坡地穩(wěn)定性等。1．巖性：滑坡主要出現(xiàn)在松散堆積層中（76%），基巖滑坡相對較少（21%）。松散堆積層中的滑坡主要和粘土有關，滑動面主要發(fā)生在粘土夾層中?；鶐r主要發(fā)生在片巖、千枚巖、頁巖、泥灰