风化岩石的风化程度可以划分为

7.1　风化作用

7.1.1　基本概念

无论怎样坚硬的岩石，一旦出露地表，在太阳辐射作用下并与水圈、大气圈和生物圈接触，为适应地表新的物理、化学环境，都必然会发生变化，这种变化虽然缓慢，但年深日久，岩石就会逐渐崩解、分离为大小不等的岩屑或土层。岩石的这种物理、化学性质的变化称为风化；引起岩石这种变化的作用称为风化作用；被风化的岩石圈表层称为风化壳。在风化壳中，岩石经过风化作用后，形成松散的岩屑和土层，残留在原地的堆积物称为残积土；尚保留原岩结构和构造的风化岩石称为风化岩。典型花岗岩的风化现象如图7－1所示。

图7－1　典型花岗岩的风化现象

7.1.2　风化作用的类型

1）　物理风化

物理风化是指地表岩石因温度变化和孔隙中水的冻融以及盐类的结晶而产生的机械崩解过程。它使岩石从比较完整固结的状态变为松散破碎状态，使岩石的孔隙度和表面积增大。因此，物理风化又称为机械风化。

（1）热力风化

地球表面所受太阳辐射有昼夜和季节的变化，因而气温与地表温度均有相应的变化。岩石是不良导热体，所以受阳光影响的岩石昼夜温度变化仅限于很浅的表层；而由温度变化引起岩体膨胀所产生的压应力和收缩所产生的张应力也仅限于表层。这两种过程的频繁交替遂使岩石表层产生裂缝，以至呈片状剥落。

（2）冻融风化

岩石孔隙或裂隙中的水在冻结成冰时，体积膨胀（约增大9%），因而对围限它的岩石裂隙壁施加很大的压应力（可达200MPa），使岩石裂隙加宽加深。当冰融化时，水沿扩大了的裂隙渗入到岩石更深的内部，并再次冻结成冰。这样冻结、融化频繁进行，不断使裂隙加深扩大，以至使岩石崩裂成为岩屑。这种作用又叫冰劈作用（见图7－2）。

图7－2　冰劈作用

2）化学风化

化学风化是指岩石在水、水溶液和空气中的氧与二氧化碳等的作用下所发生的溶解、水化、水解、碳酸化和氧化等一系列复杂的化学变化的过程。它使岩石中可溶的矿物逐步被溶蚀流失或渗到风化壳的下层，在新的环境下，又可能重新沉积。残留下来的或新形成的多是难溶的稳定矿物。化学风化使岩石中的裂隙加大，孔隙增多，这样就破坏了原来岩石的结构和成分，使岩层变成松散的土层。化学风化的方式主要有以下几种。

（1）溶解作用

水是一种好的溶剂。由于水分子的偶极性，它能与极性型或离子型的分子相互吸引。而矿物绝大部分都是由离子型分子所组成的，所以矿物遇水后，就会不同程度地被溶解，一些质点（离子或分子）逐步离开矿物表面，进入水中，形成水溶液而流失。

（2）水化作用

有些矿物（特别是极易溶解和易溶解盐类的矿物）和水接触后，其离子与水分子互相吸引结合得相当牢固，形成了新的含水矿物。在岩石中，大部分矿物不含水，但其中某些矿物在地表与水接触后形成的新矿物，却几乎都含水。如硬石膏水化成为石膏：

CaSO₄＋2H₂O→CaSO₄·2H₂O

为石膏后，硬度降低，比重减小，体积增大，对

硬石膏经水化成60%围岩会产生巨大的压力，从而促进物理风化的进行。

（3）水解作用

岩石中大部分矿物属于硅酸盐和铝硅酸盐，它们是弱酸强碱化合物，因而水解作用较普遍，如正长石水解成为高岭土：

K₂O·A1₂O₃·6SiO₂＋nH₂O→A1₂O₃·2SiO₂·2H₂O＋4SiO₂·（n－3）H₂O＋2KOH

（4）碳酸化作用

溶于水中的二氧化碳，形成CO^2－₃和HCO－₃离子，它们能夺取盐类矿物中的K、Na、Ca等金属离子，结合成易溶的碳酸盐而随水迁移，使原有矿物分解，这种变化称为碳酸化作用。如正长石经过碳酸化变成高岭土：

（5）氧化作用

大气中含有约21%的氧，而溶在水里的空气含氧达33%～35%，所以氧化作用是化学风化中最常见的一种，它经常是在水的参与下，通过空气和水中的游离氧而实现的。氧化作用有两方面的表现：一是矿物中的某种元素与氧结合形成新矿物；二是许多变价元素在缺氧条件下形成的低价矿物，在地表氧化环境下转变成高价化合物，原有矿物被解体。前一种情况的例子如黄铁矿经氧化后转化成褐铁矿；后一种情况的例子如含有低价铁的磁铁矿经氧化后转变成为褐铁矿。地表岩石风化后多呈黄褐色就是因为风化产物中含有褐铁矿的缘故。

3）生物风化

生物风化是指生物在其生长和分解过程中，直接或间接地对岩石矿物所起的物理和化学的风化作用。

生物的物理风化如生长在岩石裂缝中的植物，在成长过程中，根系变粗、增长和加多，它像楔子一样对裂隙壁施以强大的压力，将岩石劈裂。其他如动物的挖掘和穿凿活动也会加速岩石的破碎。

生物的化学风化作用更为重要和活跃。生物在新陈代谢过程中，一方面从土壤和岩石中吸取养分，同时也分泌出各种化合物，如硝酸、碳酸和各种有机酸等，它们都是很好的溶剂，可以溶解某些矿物，对岩石起着强烈的破坏作用。

4）风化作用类型之间的相互关系

由上可知，岩石的风化作用，实质上只有物理风化和化学风化两种基本类型，它们彼此是紧密联系的。物理风化作用加大岩石的孔隙度，使岩石获得较好的渗透性，这样就更有利于水分、气体和微生物等的侵入。岩石崩解为较小的颗粒，使表面积增加，更有利于化学风化作用的进行。从这种意义上来说，物理风化是化学风化的前驱和必要条件。在化学风化过程中，不仅岩石的化学性质发生变化，而且也包含着岩石的物理性质的变化。物理风化只能使颗粒破碎到一定的粒径，大致在中、细砂粒之间，因为机械崩裂的粒径下限为0.02mm，在此粒径以下，作用于颗粒上的大多数应力可以被弹性应变所和解而消除，然而化学风化却能进一步使颗粒分解破碎到更细小的粒径（直到胶体溶液和真溶液）。从这种意义上说，化学风化是物理风化的继续和深入。实际上，物理风化和化学风化在自然界往往是同时进行、互相影响、互相促进的。因此，风化作用是一个复杂的、统一的过程，只有在具体条件和阶段上，物理风化和化学风化才有主次之分。

7.1.3　影响风化作用的因素

1）气候因素

气候对风化的影响主要是通过温度和雨量变化以及生物繁殖状况来实现的。在昼夜温差或寒暑变化幅度较大的地区，有利于物理风化作用的进行。特别是温度变化的频率，比温度变化的幅度更为重要，因此昼夜温差大的地区，对岩石的破坏作用也大。炎夏的暴雨对岩石的破坏更剧烈。温度的高低，不仅影响热胀冷缩和水的物态，而且对矿物在水中的溶解度、生物的新陈代谢、各种水溶液的浓度和化学反应的速度等都有很大的影响。各地区降雨量的大小，在化学风化中有着非常重要的地位。雨水少的地区，某些易溶矿物也不能完全溶解，并且溶液容易达到饱和，发生沉淀和结晶，从而限制了元素迁移的可能性；而多雨地区就有利于各种化学风化作用的进行。化学风化的速度在很大程度上取决于淋溶的水量，而且雨水多又有利于生物的繁殖，从而也加速了生物风化。因此，气候基本上决定了风化作用的主要类型及其发育的程度。

2）地形因素

在不同的地形条件（高度、坡度和切割程度）下，风化作用也有明显的差异，它影响着风化的强度，深度和保存风化物的厚度及分布情况。

在地形高差很大的山区，风化的深度和强度一般大于平缓的地区；但因斜坡上岩石破碎后很容易被剥落、冲刷而移离原地，所以风化层一般都很薄，颗粒较粗，黏粒很少。

在平原或低缓的丘陵地区，由于坡度缓，地表水和地下水流动都比较慢，风化层容易被保存下来，特别是平缓低凹的地区风化层更厚。

一般说来，在宽平的分水岭地区，潜水面离地表较河谷地区深，风化层厚度往往比河谷地区的厚。强烈的剥蚀区和强烈的堆积区，都不利于化学风化作用的进行。沟谷密集的侵蚀切割地区，地表水和地下水循环条件虽好，风化作用也强烈，但因剥蚀强烈，所以风化层厚度不大。山地向阳坡的昼夜温差较阴坡大，故风化作用较强烈，风化层厚度也较厚。

3）地质因素

岩石的矿物组成、结构和构造都直接影响风化的速度、深度和风化阶段。

岩石的抗风化能力，主要是由组成岩石的矿物成分所决定的。造岩矿物对化学风化的抵抗能力是不同的，也就是说，它们在地表环境下的稳定性是有差异的。其相对稳定性如表7－1所示。

表7－1　化学风化时造岩矿物的相对稳定性

从岩石的结构上看，粗粒的岩石比细粒的容易风化，多种矿物组成的岩石比单一矿物岩石容易风化，粒度相差大的和有斑晶的都比均粒的岩石容易风化。

就岩石的构造而言，断裂破碎带的裂隙、节理、层理与页理等都是便于风化营力侵入岩石内部的通道。所以，这些不连续面（也可以称为岩石的软弱面）在岩石中的密度越大，岩石遭受风化就越强烈。风化作用会沿着某些张性的长大断裂深入到地下很深的地方，形成所谓的风化囊袋。

7.1.4　岩石风化的调查评价与防治

1）风化作用的工程意义

岩石受风化作用后，改变了物理化学性质，其变化的情况随着风化程度的轻重而不同。如岩石的裂隙度、孔隙度、透水性、亲水性、胀缩性和可塑性等都随风化程度加深而增加，岩石的抗压和抗剪强度等都随风化程度加深而降低，风化壳成分的不均匀性、产状和厚度的不规则性都随风化程度加深而增大。所以，岩石风化程度愈深的地区，工程建筑物的地基承载力愈低，岩石的边坡愈不稳定。风化程度对工程设计和施工都有直接影响，如矿山建设、大桥桥基、公路和铁路路基、厂址选择和水库坝基等地基开挖深度、浇灌基础应达到的深度和厚度、边坡开挖的坡度以及防护或加固的方法等，都将随岩石风化程度的不同而异。因此，工程建设前必须对岩石的风化程度、速度、深度和分布情况进行调查和研究。

2）岩石风化的调查与评价

岩石风化调查的主要内容如下。

①查明风化程度，确定风化层的工程性质，以便考虑建筑物的结构和施工的方法。在现场一般根据岩石的颜色、结构和破碎程度等宏观地质特征和强度，将风化层分为五个带（见表7－2）。

表7－2　岩石风化程度的划分

在现场工作基础上，还需对风化岩进行矿物组分、化学成分分析或声波测试等进一步研究，以便准确划分风化带。

②查明风化厚度和分布，以便选择最适当的建筑地点，合理地确定风化层的清基和刷方的土石方量，确定加固处理的有效措施。

③查明风化速度和引起风化的主要因素，对那些直接影响工程质量和风化速度快的岩层，必须制定预防风化的正确措施。

④对风化层的划分特别是黏土的含量和成分（蒙脱石、高岭石、水云母等）进行必要分析，因为它直接影响地基的稳定性。

3）岩石风化的防治

岩石风化的防治方法主要有如下几种。

①挖除法。适用于风化层较薄的情况，当厚度较大时通常只将严重影响建筑物稳定的部分剥除。

②抹面法。用使水和空气不能透过的材料如沥青、水泥、黏土层等覆盖岩层。

③胶结灌浆法。用水泥、黏土等浆液灌入岩层或裂隙中，以加强岩层的强度，降低其透水性。

④排水法。为了减少具有腐蚀性的地表水和地下水对岩石中可溶性矿物的溶解，适当做一些排水工程。

只有在进行详细调查研究以后，才能提出切合实际的防止岩石风化的处理措施。