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物理风化是指岩石在温度变化、冻融、有机体和重力等物理机械作用下崩解、破碎成大小不一碎屑和颗粒的过程。岩石由线胀和体胀系数不同的多种矿物组成,季节性或昼夜的温度变化,长期的热胀冷缩交替会使岩石不均一缩胀而逐渐破碎;岩石裂隙中水分遇冷结冰并膨胀产生的巨大压力,使岩石崩解;植物根系的楔入是岩石破裂不可忽视的动因;流水、风力产生的磨蚀、切割冲击,是常见而广泛的物理风化原因,会使岩石发生形态变化并破碎。物理风化只引起岩石在形态和体积大小的变化,但不使其矿物成分和化学组成发生明显的变化。物理风化使岩石通气透水,也为进一步的化学风化和生物风化提供条件,为土壤发育提供基础条件。物理风化是普遍存在的,但在温差较大的干旱和髙寒地区,物理风化较化学风化和生物风化作用更为强烈,是这些地区的主要风化形式。 [1]

中文名:风化作用

外文名:weathering

区 别与化学风化不同

产 物:岩石碎屑,矿物碎屑

方 式:热力风化冰劈(冰楔)

作用:易形成沙漠地区

释义

风化作用(weathering,又称侵蚀,风化):由于温度的变化、大气(氧气)、水溶液以及生物的作用, 使地表岩石或矿物在原地发生物理、化学变化的过程叫风化作用。它发生以后,原来高温高压下形成的矿物被破坏,形成一些在常温常压下较稳定的新矿物,构成陆壳表层风化层,风化层之下的完整的岩石称为基岩,露出地表的基岩称为露头。

物理风化定义:地表岩石发生机械破碎而不改变其化学作用,也不形成新矿物的作用称为物理风化。 物理风化产物:岩石碎屑、矿物碎屑。

风化方式

热力风化作用

原因:岩石为热的不良导体,白天升温、晚上降温,导致内部温度的差异,使岩石内部产生引张力,使岩石产生裂缝; 岩石是不同矿物的集合体,不同矿物的热膨胀系数不同,岩石升温产生不均匀膨胀,使岩石产生裂缝。 既是同种矿物,由于矿物排列的方向不同,也会产生差异膨胀,从而导致岩石开裂。结果使岩石层层剥落

冰劈(冰楔)作用

孔隙中的水结冰膨胀撑裂岩石,水结冰时,体积增加9%左右,所产生的压强可达2000kg /cm2 。在寒冷地区,由于昼夜温度变化较大,石材内和外表的水分在石材的孔洞、缝隙、装饰缝、安装缝之间交替冻结—融化—再冻结—再融化,由于水与冰的膨胀与收缩力反复进行,终造成石材表面和近表面的结构松动与裂隙,使石材碎裂。石材的冻融风化发生在石材孔洞较大,吸水率较大,密度相对小的品种上比较明显。

盐分结晶的撑裂作用当岩石中的水溶解了大量盐类时,一旦水分蒸发,浓度逐渐达到饱和,盐类再结晶,体积增大,从而产生很大的膨胀力,其机理与冰劈作用类似。

风化作用

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,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。   

5、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。   

6、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。 [2]

风化原理

石材在开采前和使用后,因受自然环境冷热、雨雪雾霜辐射地震等交替进行,使岩石的颗粒结构之间发生断裂、移位、拉开、折皱等形态变化,而局部的变化由表面逐渐向里,由小变大,由边部到中心、由粗变细,终使石材变成松散、 破碎状态。

与化学风化区别

物理风化,又称机械风化,是最简单的风化作用,常见的物理风化的方式有温差风化、冰劈风化、盐类结晶与潮解作用和层裂作用。物理风化作用是指使岩石发生机械破碎,而没有显著的化学成分变化的作用。    化学风化,岩石发生化学成分的改变分解,称为化学风化。例如,岩石中含铁的矿物受到水和 化学风化空气作用,氧化成红褐色的氧化铁;空气中的二氧化碳和水气结合成碳酸,能溶蚀石灰岩;某些矿物吸收水分后体积膨胀;水和岩层中的矿物作用,改变原来矿物的分子结构,形成新矿物。这些作用可使岩石硬度减弱、密度变小或体积膨胀,促使岩石分解。

现象特征

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。

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,棱角磨得最圆。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,形成石滩石海

视频

山花岗岩小型构造发育,可帮助风化作用,主要是剥脱作用

  1. [周健民.土壤学大辞典:科学出版社,2013]
  2. [ 郭宏,韩汝玢,黄槐武,谢日万,蓝日勇.广西花山岩画物理风化机理及其治理[J].文物科技研究,2004,2(00):97-106.]