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物理風化是指岩石在溫度變化、凍融、有機體和重力等物理機械作用下崩解、破碎成大小不一碎屑和顆粒的過程。岩石由線脹和體脹係數不同的多種礦物組成,季節性或晝夜的溫度變化,長期的熱脹冷縮交替會使岩石不均一縮脹而逐漸破碎;岩石裂隙中水分遇冷結冰並膨脹產生的巨大壓力,使岩石崩解;植物根系的楔入是岩石破裂不可忽視的動因;流水、風力產生的磨蝕、切割衝擊,是常見而廣泛的物理風化原因,會使岩石發生形態變化並破碎。物理風化只引起岩石在形態和體積大小的變化,但不使其礦物成分和化學組成發生明顯的變化。物理風化使岩石通氣透水,也為進一步的化學風化和生物風化提供條件,為土壤發育提供基礎條件。物理風化是普遍存在的,但在溫差較大的乾旱和髙寒地區,物理風化較化學風化和生物風化作用更為強烈,是這些地區的主要風化形式。 [1]

中文名:風化作用

外文名:weathering

區 別與化學風化不同

產 物:岩石碎屑,礦物碎屑

方 式:熱力風化冰劈(冰楔)

作用:易形成沙漠地區

釋義

風化作用(weathering,又稱侵蝕,風化):由於溫度的變化、大氣(氧氣)、水溶液以及生物的作用, 使地表岩石或礦物在原地發生物理、化學變化的過程叫風化作用。它發生以後,原來高溫高壓下形成的礦物被破壞,形成一些在常溫常壓下較穩定的新礦物,構成陸殼表層風化層,風化層之下的完整的岩石稱為基岩,露出地表的基岩稱為露頭。

物理風化定義:地表岩石發生機械破碎而不改變其化學作用,也不形成新礦物的作用稱為物理風化。 物理風化產物:岩石碎屑、礦物碎屑。

風化方式

熱力風化作用

原因:岩石為熱的不良導體,白天升溫、晚上降溫,導致內部溫度的差異,使岩石內部產生引張力,使岩石產生裂縫; 岩石是不同礦物的集合體,不同礦物的熱膨脹係數不同,岩石升溫產生不均勻膨脹,使岩石產生裂縫。 既是同種礦物,由於礦物排列的方向不同,也會產生差異膨脹,從而導致岩石開裂。結果使岩石層層剝落

冰劈(冰楔)作用

孔隙中的水結冰膨脹撐裂岩石,水結冰時,體積增加9%左右,所產生的壓強可達2000kg /cm2 。在寒冷地區,由於晝夜溫度變化較大,石材內和外表的水分在石材的孔洞、縫隙、裝飾縫、安裝縫之間交替凍結—融化—再凍結—再融化,由於水與冰的膨脹與收縮力反覆進行,終造成石材表面和近表面的結構鬆動與裂隙,使石材碎裂。石材的凍融風化發生在石材孔洞較大,吸水率較大,密度相對小的品種上比較明顯。

鹽分結晶的撐裂作用當岩石中的水溶解了大量鹽類時,一旦水分蒸發,濃度逐漸達到飽和,鹽類再結晶,體積增大,從而產生很大的膨脹力,其機理與冰劈作用類似。

風化作用

地表和接近地表的岩石,在溫度變化、水、空氣及生物的作用和影響下所發生的破壞作用,稱為風化作用。可分成兩種主要類型:


1、物理風化作用:是指岩石只發生機械破碎而化學成分未改變的風化作用。物理風化的結果是形成各種碎屑物質。   

2、化學風化作用:指岩石在氧、水和溶於水中的各種酸、以及生物的作用下,發生化學分解的風化作用。   

3、造岩礦物和岩石在風化過程中的穩定性   

1) 長石類    在物理風化作用下,長石易沿解理面破碎。在化學風化作用下,受各種酸的作用而分解:   長石→ 水雲母+K+、Na+、Ca2+→ 高嶺石(蒙脫石)+SiO2→ 蛋白石+三水鋁石   不同種類的長石中,長石比斜長石穩定,酸性斜長石又較基性斜長石穩定。  

2)鐵鎂礦物    這類礦物的穩定性較低,其中以橄欖石最易風化,輝石次之,再其次是角閃石。在化學風化作用下,尤其是在碳酸的作用下,這類礦物首先分解出Ca2+、Mg2+、Fe2+陽離子,形成重碳酸鹽,溶於水中被帶走;在氧化作用下,這類礦物中的低價鐵氧化成高價鐵,形成含水的氧化鐵礦物而殘積在風化地區、故其風化產物多呈紅色、褐色及棕色。   

3)石英    為最穩定的造岩礦物,在風化過程中幾乎只發生機械破碎,不易發生溶解。   

4)雲母類    白雲母穩定性較黑雲母高,故在沉積岩中前者較常見。白雲母在化學風化作用下可以分解而轉變成為水雲母以至高嶺石;黑雲母風化後形成含水的氧化鐵礦物及粘土礦物,其部分陽離子則被淋濾。   

5)粘土礦物    為沉積岩的重要造岩礦物。由於此類礦物是在地表條件下形成的,故在一般風化作用下只發生機械破碎,而無化學分解現象。   

6)碳酸鹽礦物    主要為方解石和白雲石。這類礦物在酸性水中極易溶解,而在極乾燥的氣候條件下,可由物理風化作用破碎成碳酸鹽碎屑。   

5、岩石的風化及影響因素    

1)礦物成分,

2)結構構造,

3)氣候條件    岩石破碎 →Ca、Na、Mg、K帶出→ 水雲母或蒙脫石 → 高嶺石 →含水氧化鐵+蛋白石+鋁土礦。   

6、風化產物   

母岩風化後形成的產物按其性質可分為三類:   

1)碎屑物質 這是母岩機械破碎的產物。   

2)不溶殘餘物質 是母岩在分解過程中新生成的礦物。    

3)溶解物質 在化學風化過程中,母岩中活潑性較大的金屬元素分解出來溶於水中,組成真溶液或膠體。 [2]

風化原理

石材在開採前和使用後,因受自然環境冷熱、雨雪霧霜輻射地震等交替進行,使岩石的顆粒結構之間發生斷裂、移位、拉開、折皺等形態變化,而局部的變化由表面逐漸向里,由小變大,由邊部到中心、由粗變細,終使石材變成鬆散、 破碎狀態。

與化學風化區別

物理風化,又稱機械風化,是最簡單的風化作用,常見的物理風化的方式有溫差風化、冰劈風化、鹽類結晶與潮解作用和層裂作用。物理風化作用是指使岩石發生機械破碎,而沒有顯著的化學成分變化的作用。    化學風化,岩石發生化學成分的改變分解,稱為化學風化。例如,岩石中含鐵的礦物受到水和 化學風化空氣作用,氧化成紅褐色的氧化鐵;空氣中的二氧化碳和水氣結合成碳酸,能溶蝕石灰岩;某些礦物吸收水分後體積膨脹;水和岩層中的礦物作用,改變原來礦物的分子結構,形成新礦物。這些作用可使岩石硬度減弱、密度變小或體積膨脹,促使岩石分解。

現象特徵

物理風化是最簡單的風化作用,在沙漠地區尤其明顯。因為那裡氣溫白天高達40-50℃,晚上可降到0℃以下,岩石熱脹冷縮,這種脹縮在岩石表部和核部是不一樣的。由於不同礦物的膨脹係數不一樣,久而久之,岩石出現了裂隙,由大塊變成了小塊,由小塊變成砂,由砂變為土,石頭就爛掉了。在有化學作用和生物作用參與的情況下,風化作用進行得更快, 風化的過程和產物也更豐富多彩。

最常見的風化現象是岩石的球狀分化,這是因為岩石的外層易發生成層裂開和鱗片狀剝落的緣故,兼之岩石內常有相互交錯的裂縫,沿裂縫風化最深,稜角磨得最圓。在懸崖陡坡上的岩石,因風化而發生崩落,裂解下來的石塊沿山坡流動,最後在山坡腳下穩定的地方堆積下來,形成上尖下圓的錐形體,稱倒石錐。如果是一個平緩的山坡,崩落下來的岩塊雜亂地堆積在那裡,形成石灘石海

視頻

山花崗岩小型構造發育,可幫助風化作用,主要是剝脫作用

  1. [周健民.土壤學大辭典:科學出版社,2013]
  2. [ 郭宏,韓汝玢,黃槐武,謝日萬,藍日勇.廣西花山岩畫物理風化機理及其治理[J].文物科技研究,2004,2(00):97-106.]