风化(weathering)是指位于地球表面或邻近地表的物质分解和变化的过程。
机械风化
机械风化(mechanicalweathering)不改变岩石的化学成分,只改变其大小与形状。
影响机械风化的因素有很多,包括温度和压力。
当水结冰时,它的体积会增大约9%.在地球表面的许多地方,比如岩石缝隙和岩层之间,会有积水。如果温度降至冰点,这些水就会结冰、膨胀,并对周围岩石施压,使得缝隙变宽。当温度升高时,岩石缝隙和岩层之间的冰又会融化。
冰劈作用
压力的影响另一个影响机械风化的因素是压力。当根系逐渐生长并向外扩张时,它们对岩石施加的压力会不断增大,进而造成岩石破裂。
从更大的范围来说,压力同样在地球内部发挥作用。在地壳深处的基岩承受着来自上方覆盖岩层的巨大压力。地下几千米深的岩石重量所带来的巨大压力可能会形成大块的岩石。当覆盖岩层随着侵蚀、采矿等情况被剥离,下方基岩所承受的压力就减轻了。于是,之前埋在地下的基岩表面就扩展、增长,形成弯曲的裂缝。
剥落经常导致圆顶形状,比如美国纽约州的默克斯汉山和加利福尼亚州约塞米蒂国家公园的半穹顶。
约塞米蒂国家公园的半穹顶岩石
化学风化
(化学风化)这些动力和岩石的相互作用会溶解一些物质或者产生一些新的矿物。新矿物与原有岩石相比,具有不同的性质。例如,赤铁矿中的铁会和氧形成氧化铁。
岩石的构成决定了它将要发生的化学风化的结果。一些矿物,比如由碳酸钙组成的方解石,会在酸性水中完全分解。
温度是化学风化的另一重要因素,这是因为在发生化学反应时,温度会影响化学反应的速率。化学反应的速率随着温度的升高而加快。
在许多化学反应中,水作为一种反应媒介,担任了一个活跃的角色。在某些化学反应中,水还可以直接与矿物发生化学反应。
氧的影响
氧是化学风化的一个重要因素。地球大气中约有2%的氧气。岩石和矿物中的铁与水和大气中的氧结合,形成含氧化铁的矿物。赤铁矿就是一种含氧化铁的常见矿物。
二氧化碳气体是生物体的自然产物。当氧化碳与大气中的水结合时,会形成一种弱酸性的碳酸,并随着降水落到地表。弱酸性降水会腐蚀和分解一些岩石,例如石灰岩腐烂的有机物和呼吸作用会产生大量的二氧化碳。当落到地面的弱酸性降水渗入地下,并与土壤中的二氧化碳结合后,碳酸便成为化学风化过程的强大动力。碳酸缓慢地与诸如石灰岩和大理石中的方解石这样的矿物发生化学反应,从而使岩石溶解。
风化速度
地球物质的自然风化过程是非常缓慢的。某些环境要素及其相互作用能够加速或减缓风化过程。
气候的主要变量包括降水量、温度和蒸发量。在一定的气候条件下,温度与降水量之间的相互作用决定了一个地区风化的速度。
化学风化的速度
在气候温暖、降水充沛、植被茂盛的地区,化学风化速度更快。这种气候条件下可以产生富含有机物的土壤。当丰富的降水和有机物中的二氧化碳结合产生大量的碳酸时,化学风化的速度就更快了。化学风化在降水丰富、气温较高的赤道地区影响最大。谭老师地理工作室综合整理
在岩缝中的水能够反复冻结和融化的地区,机械化的速度最快,寒冷干早的气候条件不利于化学风化,因为寒冷的气候会阻碍或减缓化学反应的发生,在终年寒冷的地区很少或几手不会发生化学风化。
气候对岩石风化的影响也取决于岩石的种类成分。例如,主要成分为方解石的石灰岩和太理石比主要分为石英的花岗岩和石英岩更容易被风化。
机械风化使岩石破裂成较小的碎块。当石块变小后,它们的表面积就会增加。这意味着受到化学风化影响的总表面积变得更大。风化作用对较小的岩石碎块影响较大,对独立完整的大块岩石影响较小。
位于平面的岩石在经历变化时可能会继续保留在原来的位置,而位于坡面的岩石则可能受重力影响向下移动。因此,陡峭的斜坡会加速侵蚀,并导致更多的岩石受到机械风化和化学风化。
风化作用的影响因素是水、温度以及植被,而风力侵蚀的影响因素是风。风化作用的影响因素较多,受风化作用影响的地域也较普遍,可影响到整个地表层。
风力侵蚀与风化作用的区别
风力侵蚀的对象包括岩石及其风化物,如土壤、岩屑等等。风化的对象是岩石。
风力侵蚀主要是物理方式。风化作用有物理、化学两大方式。
风化的过程往往漫长而平静,较少能看得见。
风化作用
风化作用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。
风力侵蚀
风力侵蚀是在气流冲击作用下土粒、沙粒脱离地表、被搬运和堆积的过程,简称风蚀。风对地表所产生的剪切力和冲击力引起细小的土粒与较大的团粒或土块分离,甚至从岩石表面剥离碎屑,使岩石表面出现擦痕和蜂窝,继之土粒或沙粒被风挟带形成风沙流。
风力侵蚀的对象包括岩石及其风化物,如土壤、岩屑等等。
风化的对象是岩石。
风力侵蚀主要是物理方式。
风化作用有物理、化学两大方式。
大气成分中有氧和二氧化碳,再加上水,可以跟岩石中的矿物发生化学作用,这叫化学风化。
铁生锈就是一种典型的化学风化。
大气温度的昼夜变化,会引起岩石内外热胀冷缩的差异,从而崩裂,属于物理风化
昼夜温差变化引起的岩石崩裂
新疆五彩山因物理风化破碎的地表
花岗岩虽然坚硬,也挡不住发生物理和化学作用,最终风化成球状。
花岗岩球状风化
从物理风化上来说:水有三态变化,当由水变为冰时,体积增大。小时候常有水缸和水管被冻裂,其实质就是水变为冰体积变大撑裂的,撑裂的、撑裂的、撑裂的,这叫冰劈作用,也叫冻融风化
被冻融风化劈开的岩石
高寒地区冻融风化的岩石
地衣及苔藓类生物在岩石表面生长,导致岩石表面发生物理与化学分解,这是生物风化
四川红石滩的红色是藻类生长在岩石表面
植物的根部生长在岩石中,也会导致岩石破碎
江西三清山茂密的植被生长在岩石的缝隙中
挖洞动物也会对岩石产生作用
风化受气温和降水影响很大
尤其是降水
在降水少的地方,以物理风化为主
降水多的地方,物理风化和化学风化都很强
正是因为有了水的参与才更容易发生化学作用
风化和温度、降水关系,降水多的地方,风化层深厚
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。
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。
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。
岩石性质
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。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。
影响岩石硬度的因素也可分为自然因素和工艺因素两大类:
(1)岩石中石英及其他坚硬矿物或碎屑含量愈多,胶结物的硬度越大,岩石的颗粒越细,结构越致密,则岩石的硬度越大。而孔隙度高,密度低,裂隙发育的岩石硬度将会降低。
(2)岩石的硬度具有明显的各向异性。但层理对岩石硬度的影响正好与对岩石强度的影响相反。垂直于层理方向的硬度值最小,平行于层理的硬度最大,两者之间可相差1.05~1.8倍。岩石硬度的各向异性可以很好地解释钻孔弯曲的原因和规律,并可利用这一现象来实施定向钻进。
(3)在各向均匀压缩的条件下,岩石的硬度增加。在常压下硬度越低的岩石,随着围压增大,其硬度值增长越快。
(4)一般而言,随着加载速度增加,将导致岩石的塑性系数降低,硬度增加。但当冲击速度小于10m/s时,硬度变化不大。加载速度对低强度、高塑性及多孔隙岩石硬度的影响更显著。
在测量岩石硬度的过程中,应注意区分造岩矿物颗粒的硬度和岩石的组合硬度。前者主要影响钻掘工具的寿命,而后者则对钻进中的机械钻速起重大影响。
气候对岩石风化的影响
在自然界中,气温的高低及降水量的多少等因素明显受所在地区所处的纬度、地形以及距离海洋远近等因素的控制。
在不同气候带,岩石风化的性质与特点不同;不同气候带中温度、降水量与植被之间的相互关系及其对风化作用的影响。
在两极及低纬度的高山区,气候寒冷,水的活跃程度低,植被较少,化学风化缓慢而微弱,冰劈作用极为突出,岩石易破碎成为具有棱角状的粗大碎块。
在湿热气候区,气温高,降水量大,植物茂密,微生物活跃,化学风化和生物风化进行得快速而充分,风化作用的深度达数十米以下,形成巨厚的风化层。
在干旱区,仍以物理风化为主导,化学风化较弱,岩石多风化成为棱角状碎屑;由于雨水少,蒸发强烈,易溶矿物也难于溶解。
岩石风化对气候的反作用
岩石,特别是火山活动形成的岩石,在保持地球长期气候稳定和二氧化碳在陆地、海洋和大气之间循环流动方面起着至关重要的作用。几十年来,科学家们已经知道岩石风化作用(山体和土壤中矿物质的化学分解作用)可将大气中的二氧化碳去除,并将其转化为地球表面和海洋沉积物中的稳定矿物。
地球表面的岩石会受到受化学、生物、气候和板块构造的影响,当二氧化碳与土壤和海洋中的水结合生成碳酸时,就出现了化学风化。大约95%的地壳和地幔(地壳和地核之间的厚层)是由硅酸盐矿物构成的,是大多数火成岩的主要成分,当火山物质冷却和硬化时形成,这些岩石占地球陆地表面的15%。
岩石风化作用的增强既能减缓全球变暖,又能改善土壤健康,使作物更有效地种植和加强粮食安全成为可能。在中国、印度、美国和巴西的所有农田土壤中添加细粉碎的硅酸盐岩石,如玄武岩,可能每年从大气中清除超过20亿吨的二氧化碳。
影响风化作用的因素
影响风化作用的因素主要有气候、植被、地形和岩石特征等方面。
(一)气候和植被
气候因素包括温度、降雨量和湿度,它们是控制风化作用的重要因素。
温度一方面通过控制化学反应速度来控制化学风化作用的进行,另一方面又直接影响物理风化作用,如温差风化、冰劈作用。降雨量和湿度则是通过介质的温度变化、水溶液成分的变化、植被的生长来影响物理、化学和生物的风化作用。
植被对风化作用的影响表现在两个方面:一方面直接影响生物的风化作用,埴被茂盛生物风化作用强烈,而植被稀少的地方生物风化作用就弱;另一方面又间接地影响物理风化作用和化学风化作用过程。岩石表面长满植物,减少了岩石与空气的直接接触,降低了岩石表面的温差变化,消弱了物理风化作用。但植被的茂盛却带来了更多的有机酸和腐殖质,使周围环境中水溶液更具有腐蚀能力,从而又加速了化学风化作用的进程。实际上植被对风化作用的影响与气候条件是分不开的,气候潮湿炎热,植被茂盛;而干旱、寒冷,植被稀少。
气候和植被对土壤的影响最为显著,不同的气候带都有其典型的土壤类型,当气候条件发生改变时,土壤类型也随之发生改变,因此有人把土壤称为“气候的函数”。如在寒冷潮湿的苔原气候带常形成冰沼土,在热带和温带的荒漠地区形成荒漠土,在温带落叶阔叶森地区形成棕壤和褐土。
(二)地形
地形条件包括三个方面:一是地势的高度,二是地势起伏,三是山坡的方向。
地势的高度影响气候的局部变化,中低纬度的高山区具有明显的气候垂直分带,山脚气候炎热,而山顶气候寒冷,植被特征也不一样,因而影响风化作用的类型和速度。在我国云南的大部分地区这种现象很明显。
地势的陡缓影响到地下水位、植被发育及风化产物的保存,因而也影响风化作用的进行。地势较陡的地区,地下水位低、植被较少,风化产物不易保存,使基岩不断裸露,从而加速了风化作用的进行。
(三)岩石特征
岩石特征对风化作用的影响包括岩石的成分、结构、构造和裂隙。
岩石成分不同的矿物具有不同的抗风化能力,那么由不同矿物组成的岩石其抗风化能力也就不同。如由橄榄石、辉石、长石等组成的岩浆岩容易风化,而由石英砂颗组成的沉积岩抗风化能力就很强。因此,抗风化能力较弱的矿物组成的岩石被风化后而形成凹坑,而抗风化能力强的组分相对凸出,在岩石表面就出现凹凸不平的现象,这称差异风化作用。
岩石的结构、构造组成岩石的矿物粒径、分布特征、胶结程度及层理对风化作用的速度和强度都有明显的影响。在其它条件相同的情况下,由细粒、等粒矿物组成及胶结好的岩石抗风化能力较强,风化速度较慢。
什么是盐风化?
盐风化作用(saltweathering)是陆地上普遍存在的物理风化作用,不仅导致岩石表面的破碎分解,也造成建筑石材的粉化脱落,而且在地貌形态塑造过程中扮演着重要的角色。谭老师地理工作室综合整理
然而,盐风化作用却一直被地学界忽视和误解,以至于这种普遍存在的宏观和微观地貌景观都被解释为风蚀或水蚀等其他作用的结果。
那么什么是盐风化作用呢?
我们通过下面的动画演示、景观图和几组地理题目加深对它的理解吧。
动画演示:盐风化作用
盐风化地貌
盐风化作用一直被误解为风蚀或水蚀等
盐风化作用及其地貌特征归纳
1、盐风化----盐类----岩石孔隙或裂隙----结晶;à岩石表面破碎脱落的物理风化,形成盐风化穴(tafoni)、蜂窝石构造(honeycombstructure)!
2、受影响的岩性:砂砾岩类、花岗岩类(含片麻岩、混合岩)。
3、差异风化的重要表现形式之一。
4、盐类破坏力:硫酸钠>碳酸钠、硫酸镁和氯化钠等。
6、盐风化作用的气候条件:周期性干湿交替。
盐风化现象普遍存在:不仅可以存在于海岸带和干旱的内陆区,也可以发生在相对潮湿的亚热带和干冷的两极或高山区,只是表现形式有所差别。
7、水à盐风化的重要介质。海水(海浪)、降水和雾气à盐分,水分à孔隙或裂隙à蒸发à盐类结晶à盐风化作用;过量水分流动带走盐分à减缓盐风化。水à不均一流动à盐风化(差异风化),但风化穴与水流侵蚀无关!
8、风除了携带盐类粉尘外,更主要的作用是加速了岩石表面水分蒸发,促进盐类结晶。虽然局部也可以吹走盐风化脱落的粉末,但盐风化穴的形成却与风蚀作用没有任何关系。
盐风化作用及其风化穴的形成机理
为何砂岩容易遭受盐风化作用?因为其渗透性!看看砂岩的结构示意图就容易明白。我们用西北干旱区的盐风化地貌实例进行简单的解释:
当然,在海岸带砂岩表面的盐风化作用之主要盐分是由海雾和风浪从海水中带来的,其风化穴的形成机理略有不同,但不均匀蒸发造成了不同形状的风化穴的形成。总之,蒸发量相对大的地方形成盐风化穴的中心凹进区,而蒸发相对弱的地方风化强度也弱,最终就显得突出于表面,位于风化穴的周围。
通俗地讲,盐风化作用就是因盐结晶而导致岩块表面的差异风化现象,这种差异造就了砂岩露头表面(主要是侧面)各种形态的风化穴。
中国不同气候带的盐风化地貌举例下面就将中国不同气候带的盐风化地貌实例介绍给大家。
风力侵蚀是在气流冲击作用下土粒、沙粒脱离地表、被搬运和堆积的过程,简称风蚀。风对地表所产生的剪切力和冲击力引起细小的土粒与较大的团粒或土块分离,谭老师地理工作室综合整理甚至从岩石表面剥离碎屑,使岩石表面出现擦痕和蜂窝,继之土粒或沙粒被风挟带形成风沙流。
风力侵蚀,主要发生在干旱半干旱地区,尤其是干旱地区,可以形成风蚀城堡。
风蚀地貌
风蚀作用
风吹经地表时,由于风的动压力作用,将地表的松散沉积物或者基岩上的风化产物(沙物质)吹走,使地面遭到破坏,这种作用称为吹蚀作用。风速愈大,其吹蚀作用愈强。
一般情况下,组成地表的沙质物质愈细小,愈松散、干燥,要求的启动风速愈小,受到的吹蚀亦愈强烈。
风夹带沙子贴地面运动时,风沙流中的沙粒对地表物质进行冲击、摩擦,如果岩石表面有裂隙等凹进的表面,风沙甚至可以钻进去进行旋磨,风的这种作用称为磨蚀作用。
由于风沙流是一种贴地面的沙子搬运现象,沙子的分布只限于距地表的较低高度内,故磨蚀作用也在接近地面处最为明显,所以,沙漠地区的电线杆下部可因风沙磨蚀而折断。
吹蚀作用和磨蚀作用统称风蚀作用。
风蚀地貌形态
在干早荒漠地区,风通过对地面物质的吹蚀和磨蚀作用而形成的风蚀地貌,由于岩性、岩层产状等因素的影响,具有种种不同的形态,主要的有以下几种:
石窝
石窝:是在陡峭的迎风岩壁上,经风蚀形成的许多圆形或不规则椭圆形的小洞穴和凹坑(石袋),其直径20cm左右,深可达10-15cm,有的零散分布,有的成群出现。
形成机理:
①阳光晒热岩壁,使岩石内部的矿物体积不同程度地膨胀,产生热力差别风化。
②加之岩石受热时,其内部的盐溶液顺毛细管上升到近表面的细孔中结晶,撑胀岩石,使之发生崩解。
③风吹蚀风化了的疏松岩面,形成许多浅小凹坑。以后,风沙再沿凹坑钻磨,使之不断加深扩大,逐渐发展成为石窝。
大的石窝又称为风蚀壁龛(kān),有的高可及人。这种现象在花岗岩和砂岩壁上最发育。
风蚀壁龛
风蚀蘑菇和风蚀柱
发育在水平节理和裂隙上的孤立突起的岩石,经受长期的风蚀作用以后,可形成上部大、基部小、外形很像蘑菇似的岩石,称风蚀蘑菇(蘑菇石)。谭老师地理工作室综合整理
风蚀蘑菇
形成蘑菇石的主要原因:
风沙对岩石磨蚀时,受到高度的限制。
距地面一定高度以上的高处,一气流中沙量少,磨蚀少;而近地面部分沙量多,磨蚀作用强。
长期发展下去,下部就被磨蚀得愈来愈小,磨菇石而变成蘑菇状。特别是水平成层、软硬不同的岩石,当下部的岩性较上部易于风化,易于变得疏松时,蘑菇石更易形成。
垂直裂欧发育的岩石,在风的长期吹蚀后,易形成一些孤立的柱状岩石,称为风蚀柱。
风蚀柱
风蚀谷
在干早荒漠地区,偶因暴雨产生洪流冲刷地面,可形成许多冲沟。冲沟再经长期风蚀改造,可加深和扩大成为风蚀谷。
风蚀谷无一定形状,可为狭长的壕沟,也可为宽广的谷地。谭老师地理工作室综合整理
它们沿主要风向延伸,蜿蜓曲折,长者可达数十千米。
风蚀残丘
一个由基岩组成的地面,经风化作用和暂时水流的冲刷,以及长期的风蚀作用以后,原始地面不断缩小,最后残留下一些孤立的小丘称为风残丘。
它的形状各不相同,以桌状平顶形(蚀余方山形)较多,亦有尖塔状的。
风蚀雅丹
雅丹地貌与前者不同,它不是发育在基岩上,而是发育在古代河湖相的土状堆积物中,以罗布泊洼地西北部的古楼兰附近最为典型。
古楼兰
雅丹在维吾尔语中意为“陡壁的小丘”,后来用它来泛指风蚀土墩和风蚀凹地(沟槽)的地貌组合。
雅丹地貌
雅丹地面崎岖起伏,支离破碎,高起的风蚀土墩多呈长条形分布,排列方向与主风向平行,高度多为5-10m,也有在15-20m,有长有短。
土墩物质全为粉沙、细沙和沙质黏土互层,沙质黏土往往构成土墩顶面,向下风方向倾斜。
风蚀洼地
松散物质组成的地面,经风的长期吹蚀,可形成大小不同的风蚀洼地。它们多呈椭圆形沿主风向伸展。单纯由风蚀作用造成的洼地多为小而浅的蝶形洼地。
如准噶尔盆地三个泉子干谷以北,平坦薄层沙地上分布有许多蝶形注地,直径都在50m以下,深度仅1m左右。
美国亚利桑那州的开比托高原等地,风蚀小注地长、宽仅十余米,深1m。
一些大型风蚀洼地,都是在流水侵蚀的基础上,再经风蚀改造而成的。如河西走廊的弱水(额济纳河)东西两侧,所见的许多水蚀一风蚀凹地,深度达5-10m或更大,面积可达数平方千米至数十平方千米。
较深的风蚀洼地,如以后有地下水潴育,可成为干燥区的湖泊,如我国呼伦贝尔沙地中的乌拉湖,浑善达克沙地中的查干诺尔,毛乌素沙地中的乃林淖尔等。