岩石风化与土壤形成过程

时间：2023-01-28 百科知识版权反馈

【摘要】：第一节　风化作用暴露在地表的岩石，在太阳辐射、水、生物、大气、气温变化等的影响下，岩石所遭受的破坏和分解作用，称为风化作用。引起风化作用发生的这些因素统称为风化营力。化学风化作用主要方式有碳酸盐化作用、溶解作用、水解作用、水化作用等。碳酸盐化作用在含硅酸盐矿物成分的岩石中最为普遍。水化作用是指水与岩石中的某些矿物发生反应，水分子作为一个组成部分添加入矿物之中而形成新矿物的过程。

风化作用_工程地质认识与分

第一节　风化作用

暴露在地表的岩石，在太阳辐射、水、生物、大气、气温变化等的影响下，岩石所遭受的破坏和分解作用，称为风化作用。引起风化作用发生的这些因素统称为风化营力。岩石发生的破碎或成分变化的过程称为风化。其中，被风化的地壳表层称为风化壳。在风化壳中，尚保留有原岩结构和构造的风化岩石称为风化岩，而形成的松散的岩屑和土层残留在原地称为残积土。如图9-1所示为风化作用后的岩石。

图9-1　风化作用后的岩石

一、风化作用的类型

依照风化营力的不同，风化作用可分为物理风化作用、化学风化作用和生物风化作用三类。

（一）物理风化作用

岩石在物理风化过程中，只发生机械破碎，化学成分不发生改变。其特征是岩石破坏的过程中无新矿物产生，而仅仅是发生机械破坏。引起物理风化的主要因素是温度的变化、水的冻结和盐类结晶胀裂等。

（1）温差作用。温度变化是导致岩石风化的最主要因素。由于太阳辐射能量的昼夜差异，从而引起岩石发生反复膨胀和收缩，岩石表面的裂隙不断增多、加大，最终导致岩石层层剥离，崩解为碎块（图9-2）。这一现象在昼夜温差大的沙漠地区表现得更为普遍。

图9-2　温差作用致使岩石崩解示意图

（2）冰劈作用。存在于岩石缝隙中的水如果由于气温降至0℃以下而结冰的话，那么因为结冰而导致水的体积要自由膨胀约9%，而由于裂隙两侧岩石的约束作用，水所产生的膨胀压力就作用于裂隙两侧壁上，使得存储有水的裂隙进一步加深、加大。另一方面，当气温重新回升到0℃以上的时候，在裂隙中存在的冰溶化成水，进一步向已经扩大了的裂隙深部渗透。如此反复，就会使得岩石的裂隙规模不断扩大，并最终使得岩石崩裂成碎块。其过程如图9-3所示。

图9-3　冰劈作用致使岩石崩解示意图

（3）盐类结晶和潮解作用。水并不是唯一可以堆积在岩缝里而将岩石裂开的结晶体，许多由于气候干燥而堆积在岩石裂隙中的可溶性盐类，可以同样使得岩石发生开裂现象。美国国家标准局曾对花岗岩做过一个试验，将花岗岩块体浸泡在饱和的硫酸钠溶液中（常温下17h），随后将岩块在105℃下干燥7h，如此反复，最后仅经过42次上述循环，花岗岩即告崩碎。由此可见盐类结晶和潮解对岩石的破坏力之强。

（二）化学风化作用

化学风化作用是指岩石在水、氧、二氧化碳的作用下发生化学反应，引起岩石（或矿物）化学成分发生变化，导致岩石破坏的过程。其特点是不仅改变岩石的物理状态，同时改变其化学成分，并生成新的矿物。在化学风化作用过程中，水起着重要作用，这里所提及的“水”是指自然界中溶解有多种气体（如二氧化碳）和化合物（如酸、碱、盐）的水溶液。由于岩石性质及产生化学风化作用的因素不同，作用方式也不同。化学风化作用主要方式有碳酸盐化作用、溶解作用、水解作用、水化作用等。

（1）碳酸盐化作用。二氧化碳气体是可以溶解于水的，其溶解于水后生成碳酸。因此，溶解有二氧化碳的水中会存在有，它们遇到岩石矿物中的金属离子会发生反应，生成碳酸盐，而新生成的碳酸盐类均易溶于水，最终导致岩石逐步被“溶解”。上述过程确切来讲，应该是有碳酸参与的水解作用。碳酸盐化作用在含硅酸盐矿物成分的岩石中最为普遍。例如，正长石在碳酸盐化作用下的反应式为：

4K AlSi₃ O₈＋4H ₂ O＋2CO₂─→2K ₂ CO₃＋8SiO₂＋Al₄（Si₄ O₁₀）（OH）₈

正长石　　　　　　　高岭石

反应过程当中形成的K ₂ CO₃会随水流失，其余部分生成了难溶于水的高岭石。

（2）水解作用。水解作用是指矿物与水发生反应而形成新的化合物的过程。在水解作用当中，水既是溶剂也是反应物。纯水中轻微离子所电离出的H＋和OH-会和溶于水的矿物中所离析出来的离子发生交换作用，从而使岩石的化学成分发生改变。例如，橄榄石会和水发生如下反应：

Mg₂ SiO₄＋4H-＋4OH-─→2Mg^2＋＋4OH-＋H ₄ SiO₄

橄榄石

（3）水化作用。水化作用是指水与岩石中的某些矿物发生反应，水分子作为一个组成部分添加入矿物之中而形成新矿物的过程。其作用的结果是使得矿物体积发生膨胀，对周围岩石产生压力，使得岩石破坏。

一些黏土矿物，可根据环境的潮湿程度而发生反复的水化作用和失水作用。当大雨来袭时，它们便吸收水分发生膨胀，导致将其上覆的岩石或土壤拱起，但等到气候干燥时，它们又失水收缩而引发裂痕。这就是在工程上经常引发问题的“膨胀黏土”。

（4）溶解作用。溶解作用是指岩石中的矿物被水直接溶解。自然界中多数矿物都溶于水，但是溶解的难易程度不同。最容易溶解的矿物是卤化盐类（如钾盐），其次是硫酸盐类（如石膏），再次是碳酸盐类（如石灰岩）。

溶解作用的结果是使岩石中的易溶物质逐渐溶解而随水流失，岩石的坚实程度降低，从而更容易遭受到物理风化作用而破坏。

（三）生物风化作用

岩石在生物活动的影响下所引起的破坏作用称之为生物风化作用。生物风化作用既有机械破坏又有化学分解作用，可分为生物物理风化作用和生物化学风化作用两类。例如，植物的根系生长对岩石的穿凿作用，动物的挖掘、开凿作用，人类开矿、筑路等工作均可以属生物物理风化作用；而生物新陈代谢析出的各种物质及其遗体腐烂分解过程中所产生的物质（如有机酸、碳酸、硝酸、硫化氢等）会对岩石起到腐蚀的作用，从而造成岩石的破坏属生物化学风化作用。

在自然界当中，岩石的风化往往是上述三种作用综合作用的结果。

二、风化作用的影响因素及评价方法

（一）风化作用的影响因素

影响岩石风化的因素是多方面的，总体说来有如下几个方面的影响比较突出。

1．地质因素

岩石的矿物成分差异、自身结构不同，对岩石风化作用的强弱有着重要影响。

从岩石的组成矿物来看，其矿物成分自身的化学稳定性好坏是影响岩石抵抗风化作用能力强弱的内在因素。在常见的造岩矿物中，石英的化学稳定性最好，其抗风化的能力也就最强，而方解石、白云石和基性斜长石等的化学稳定性相对较差，因而其抗风化能力也就较弱。

从岩石的结构差异的角度来看，岩石中组成矿物颗粒的粗细、均匀与否均对岩石抗风化能力有影响。通常粗粒比细粒的结构岩石更易遭受到风化，均匀的等粒结构比不均匀的斑晶结构岩石更易风化。

2．地形地貌因素

地形与地貌的差异，往往会引起风化作用强度、深度以及风化产物的堆积厚度的不同。

地形起伏较大、地貌复杂的地区，风化的强度和深度一般均较大，风化作用以物理风化为主，但由于其地形起伏较大，被剥落的岩石风化物往往会被搬离原地，因而所产生的风化产物堆积厚度往往较薄且颗粒较粗。相反的，在地形起伏较小、地势平缓的地区，风化的强度与深度一般较小，且由于其地形平缓，地表水与地下水的流速均较慢，因而风化作用以化学风化为主，同时其风化产物的堆积厚度往往较厚。在地形低洼的地区，由于岩石上往往有沉积物的覆盖反而不易遭受风化。

3．气候因素

气候因素的差异通常表现在气温、降水以及生物的繁殖方面。气温昼夜相差大的地区，其地表岩石遭受物理风化的可能性就较大，而且温度的变化还会影响到矿物之间的化学反应速度、在水中的溶解度甚至生物新陈代谢的快慢等。降水量较大的地区，一方面由于水量的增加，岩石中易溶矿物的溶解量就相应提升，从而促进了化学风化作用的进行；另一方面，多雨湿润也促进了生物的繁殖和生长，也在一定程度上加速了生物风化作用。

综上所述，影响风化作用的三个主要因素实际上是增强或减弱物理风化、化学风化、生物风化的客观条件，它们在自然界中的作用并不是各自独立的，而是相互影响的，因而岩石风化产物的生成也不能单纯地说就是某种风化作用单独作用的结果。

（二）风化作用的评价

风化作用对岩石的影响是由表及里的。正常情况下，风化作用对地表岩石的作用最为强烈，而随着影响深度的不断加深，风化作用的影响就不断减弱，直至为零。因此，在地壳表层就会形成一个由不同风化程度岩石组成的壳体，也就是风化壳。岩石的风化程度沿着风化壳的剖面是不同的，为了正确评价母岩遭受风化破坏程度，《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）将岩石风化程度按表9-1进行分类。

为了能够正确评价岩石风化程度对工程建设的影响，按表9-1中所确定岩石风化程度的不同，将岩石风化壳分为全风化、强风化、弱风化、微风化四个带（图9-4）。岩石风化带界线的正确划分，在工程实践上尤其是地基处理上有着非常重要的意义。但迄今为止，要准确地确立风化界线尚需结合具体的水文地质条件，这主要是由于各地的水文地质条件、气候、岩性均有较大差异，因此风化带的分布情况也就不尽相同。另外，在野外可根据风化岩石的特征判定风化程度（表9-2）。

三、岩石风化的治理措施

风化的治理通常有如下几种措施。

（1）挖除法。采取挖除部分对建筑物构成较大威胁的风化严重的岩层。挖除的深度应根据具体工程中岩层的风化程度、风化因素等指标予以综合确定。

（2）覆盖法。采用在岩石上覆盖防止风化营力侵袭的材料来避免风化作用的进行，如覆盖沥青、水泥、黏土层等。

表9-1　岩石按风化程度分类