风化作用指地表或接近地表的岩石,在大气、水、生物的影响下,发生物理或化学变化,风化残余物形成松散碎屑物乃至土壤,溶解的化学物质溶解于水介质中迁移的过程。这一作用具有长期性、连续性和阶段性特点。
按照风化作用的影响因素、性质和方式,可以把风化作用分为物理风化、
化学风化和生物风化。在实际中,这三种风化类型常相伴而生,并相互影响和促进,共同影响岩石。风化作用主要受到矿物成分、化学成分、岩体结构和构造、地质构造、气候及地形等内部和外部因素的影响。另外,虽然风化是一个自然过程,但
人类活动,如燃烧煤炭、天然气和石油,也可以加速这一过程。
风化是土壤形成的基础,是自然生态系统中植物所需
矿质养分的重要来源,同时也是生物地球化学循环过程的重要组成部分。风化作用不仅导致地表岩石的破碎,而且会造成地表松散物质的重组,从而形成碎屑物质、溶解物质、难溶物质等风化产物,即形成土壤的母质。而从各种固体的岩石矿物风化释放出来的各种简单盐类,又为植物提供了可能吸收和利用的养料。但同时,风化作用也使坚硬致密的岩石松散破坏,使岩石的强度和稳定性大为降低,对工程建筑条件起着不良的影响。且风化作用还为滑坡、崩塌、岩堆及泥石流等不良
地质现象提供了物质来源。
特点
风化作用具有长期性、连续性和阶段性特点,即暴露于地表的岩石和矿物,经过长期不断地改造,直至形成为地表条件下稳定的矿物组合为止。而由原生矿物(包括造岩矿物和矿石矿物)分解转变为最终稳定的矿物又是分阶段进行的。例如,
长石的风化是按长石→
绢云母→
高岭石→
铝矾土、
玉髓和
石英等矿物顺序进行的。
分类
按照风化作用的影响因素、性质和方式,把风化作用分为物理风化、
化学风化和生物风化三大类。在实际中,这三种风化类型常相伴而生,并相互影响和促进,共同影响岩石。
物理风化
物理风化,又称机械风化,是岩石发生机械破碎,使物理状改变,而化学成分没有显著变化的风化作用。地表岩石受太阳辐射能大小的影响,发生冷热、干湿或冻融的长期反复交替,使组成岩石的颗粒物质之间的连结遭到破坏,量变的结果由大变小,由粗变细,以至于成为松散破碎状态。随着机械破碎程度的加强,岩石的物理力学性质也相应发生变化,如岩石孔隙度、表面积相应增大;密度、比重等相应减小。
物理风化作用的特点主要是使岩石由大块变为小块,由小块变为砂和粉粒,不会引起岩石矿物成分及化学成分的改变。而促使岩石发生物理风化的自然因素主要有气温变化、冰劈作用和盐类结晶等。在干热或干寒的大陆性气候条件下,岩石的物理风化最为显著。物理风化的主要过程为海蚀,海蚀会减少碎屑物及其他微粒的大小。但物理风化与
化学风化环环相扣,如物理风化造成的裂缝会增加进行化学风化的表面面积,为化学风化的深入发展创造了极为有利的条件。
温度变化
日夜和季节温度的变化可以使矿物岩石膨胀和收缩。一方面,岩石是热的不良导体,白天受到阳光的暴晒,岩石靠近表面部分温度增高,体积膨胀,但内部受到热的影响却较小;夜间,当岩石表面逐渐冷却,内部却因受到传导进来的热而膨胀,经常不断的表里不均的膨胀与收缩,使岩石产生垂直或平行表面的裂缝,彼此脱离,层层剥落,岩石逐渐松散、破碎。
另一方面,岩石多是由两种以上的矿物组成的,不同矿物的膨胀系数不同,在温度变化时,各种矿物膨胀与收缩不一样,它们之间产生内部
应力,反复作用导致矿物晶粒之间产生裂缝,也能使大块岩石崩裂破碎。此外,岩石因反复增温,其组成质点的热运动增强,也会削弱它们之间的联系能力,有助于岩石碎裂。
冰劈作用
渗入岩石中的水在温度低于0℃时,就产生冰冻现象,水在转化成冰的过程中,体积膨胀并对周围的岩石产生压力,扩大岩石空隙,并向两端延伸。如果冻结和融化反复进行,就必然使岩石的空隙逐渐增多、扩大,最终使岩石崩裂,这种过程称为冰劈作用。在高纬度和中纬度的高山区,昼夜温度常在0℃上下波动,充填于裂隙中的水体冻融频繁,因而冰劈作用最为显著,这种风化作用由水的反复冻结所致,故也称为寒冻风化作用。也因此一般发生在在气温的日变化和年变化都较突出的地区。
盐类结晶作用
盐类结晶作用指高盐度的地表裂隙或孔隙水在暴晒时盐类矿物结晶导致岩石的撑裂、破碎。在降水量少、蒸发剧烈的干旱或半干旱地区,渗透到岩土裂隙中的水往往溶解了一些盐类物质。当水分蒸发,
水溶液中的盐分浓度增大至过饱和状态时,盐类物质便会结晶。结晶后,体积随之膨胀,于是对周围岩石产生压力,使岩土裂隙扩大或胀裂成碎块。当夜间气温降低,结晶盐类物质又从大气中吸收水分重新变成盐溶液,即潮解。潮解后体积缩小,再次吸取含盐溶液来填充裂隙,使之不断扩大,最终导致岩土胀裂。
化学风化
化学风化是指地表岩石在水、氧及二氧化碳的作用下发生化学成分变化,并产生新矿物的作用。化学风化会引起岩石成分的改变,常常导致其形态的崩溃。这种风化会在一段时间内反复发生。其作用产生的物质有的被水溶解,随水流失,有的属不溶解物质残留在原地。由于岩石性质及参与化学风化的物质成分不同,风化的方式也不同。主要包括溶解作用、水化作用、氧化作用及碳酸化作用。另外岩石在化学风化的同时,通常还伴随进一步的物理风化,二者是相互促进的。在炎热而潮湿的气候条件下,岩石化学风化最为显著。
溶解作用
溶解作用是
化学风化过程中的一种常见形式,指的是水直接溶解岩石中矿物的作用。其结果是岩石中的可溶物质被逐渐溶解而随水流失,难溶的物质则残留于原地。组成岩石的所有矿物都能溶解于水中,
溶解度有大有小,溶解度大的为易溶矿物,溶解度小的为难溶矿物。当岩石中的矿物被溶解,岩石孔隙会增多或增大,岩石完整性从而降低至破坏,岩石的坚实程度也降低了,岩石则更易遭受物理风化作用而破碎。
岩石在水里的溶解作用一般进行得十分缓慢,但是当水的温度升高以及压力增大时,水的溶解作用就比较活跃。特别是当水中含有侵蚀性的CO2而发生碳酸化作用时,水的溶解作用就会显著增强,如在
石灰岩分布地区,由于这种溶解作用经常会产生
溶洞、溶穴等岩溶现象。
水化作用
水化作用是指矿物与水发生化学反应,吸收一定的水到矿物的
晶体结构中,形成新的含水矿物的过程。例如
硫酸钙经水化作用后变成石膏。有些矿物与水接触后,常吸收一定量的水形成新的矿物,其硬度降低,体积膨胀,导致原岩破坏。
水化作用产生了含水矿物。含水矿物的硬度一般低于
碘化钠矿物,同时由于在水化过程中结合了一定数量的水分子进入物质的成分之中,改变了原有矿物的成分,引起体积膨胀,对岩石也具有一定的破坏作用。
氧化作用
氧化作用,是
地球表面最为活跃的风化作用形式之一,指大气圈中的氧和水汽或溶于水中的氧与组成岩石的元素之间的化学作用。岩石中某些矿物会与空气或水中的氧化合生成各种新成分。如岩石中的
黄铁矿氧化成
褐铁矿,同时产生对岩石腐蚀性极强的
硫酸,可使岩石中的某些矿物分解形成洞穴和斑点,致使岩石破坏。
地壳表层处处都进行氧化作用,但干燥地区氧化作用不强,潮湿地区氧的化学性质非常活跃,氧化作用突出。
碳酸化作用
水中的
碳酸根与矿物中的阳离子结合,原岩的矿物破坏、分解,形成易溶于水的碳酸盐,使
水溶液对矿物的离解能力加强,
化学风化速度加快,这种作用称为碳酸化作用。几乎所有
硅酸盐类矿物都可以产生这类反应,生成黏土矿物。
生物风化
生物风化,是指矿物、岩石受生物生长及活动影响而发生的风化作用。生物风化作用分为物理方式与化学方式两种形式。生物通过
生命活动的粘着、穿插和剥离等机械活动使矿物颗粒分解,被认为是生物物理风化作用;生物通过自身分泌及死后遗体析出的酸等物质,对岩石的腐蚀称为生物化学风化。如:岩石裂隙中生长的树,随着树的生长根系发育延伸,岩石被劈裂,即属生物物理风化;岩石表面生长的
地衣分泌的
有机酸腐蚀岩石,使其分解,即属生物化学风化。
植物根素的生长,洞穴动物的活动、植物体死亡后分解形成的
腐植酸对岩石的分解都可以改变岩石的状态与成分。根劈作用是最常见的生物机械破坏作用,即根源于岩石裂隙中的植物的根须不断变长、变粗和增多,对裂隙壁施加压力,劈裂岩石。此外,动物也会使岩石破碎、土粒变细,如穴居动物
耗子、蚂蚁和蚯蚓等不停地挖洞掘穴。
生物的
化学风化作用是通过生物的
新陈代谢和生物死亡后的遗体腐烂分解来进行的。植物和细菌在新陈代谢中常常分泌出酸性物质腐蚀岩石。生物死亡后经过缓慢腐烂分解会形成
腐殖质,它是一种
有机酸,也会对岩石、矿物产生腐蚀作用。
影响因素
岩石的风化作用不仅取决于外部各种自然因素的影响,还受到岩石本身性质及地质构造的控制。在外部自然因素相同的条件下,岩石性质和地质构造的不同,会导致不相同的风化结果。此外,即使岩石相同,由于所处的地质构造部位不同,受构造影响不同,岩石风化呈现明显的差异。总的来说,风化作用的影响因素主要包括矿物成分、化学成分、岩体结构和构造、地质构造、气候及地形的影响。其中外界条件起着重要的控制作用,矿物本身的特性对风化过程的速度和强度发生着根本性的影响。
气候
气候是影响风化作用的重要因素,主要通过温度、
降水的变化以及生物繁殖状况来实现。气候可以控制风化作用的类型和风化速度,在不同的气候区,风化作用的类型及其特点有明显的不同。例如,在寒冷的
极地和高山区,以物理风化作用(冰冻风化)为主,岩石风化后形成尺棱角状的粗碎屑残积物;在湿润气候区,各种类型的风化作用都有,但
化学风化、生物风化作用更为显著,岩石遭受风化后分解较彻底,形成的残积层厚,且往往发育有较厚的
土壤层;在干旱的沙漠区,以物理风化作用(温差风化)为主,岩石风化后形成薄层具棱角状的碎屑残积物。
温度方面,气温的高低直接影响到化学风化速度的快慢,昼夜温差的大小影响岩石的物理风化作用。地表条件下温度增加10℃,化学反应速度增加一倍。在昼夜温差或寒暑变化幅度较大的地区,物理风化作用更容易发生。温度变化的频率比温度变化的幅度更为重要。
降水则是通过介质的温度变化、
水溶液成分变化、植被的生长来影响物理风化、
化学风化、生物风化。岩石的化学风化基本是在有水的条件下进行,降水量
直接控制着水的多少及化学风化作用的强弱。而且水量的多少和水运动状况还涉及到一部分风化产物的淋失与运移过程,直接或间接影响到岩石风化的速度。生物的繁殖状况则直接关系到生物风化作用的进行。
植被
一方面,植被直接影响生物风化作用,植被茂盛生物风化作用强烈,植被稀少生物风化作用较弱。另一方面又间接影响物理风化作用和化学风化作用。岩石表面长满植物,减少了岩石与空气的直接接触,降低岩石表面温差变化,削弱了物理风化作用。但茂盛的植被却带来更多的
有机酸和
腐殖质,使周围环境中
水溶液更具有腐蚀能力,从而加速了
化学风化作用的进程。
地形
地形可以影响风化作用的速度、深度、风化产物的堆积厚度及分布情况。例如,在地形起伏较大、陡峭、切割较深的地区,以物理风化作用为主,岩石表面风化后岩屑可不断崩落,使新鲜岩石直接露出表面而遭受风化,且风化产物较薄;在地形起伏较小、流水缓慢流经的地区,以化学风化作用为主,岩石风化彻底,风化产物较厚,在低洼有
沉积物覆盖的地区,岩石由于有覆盖物的保护不易风化。
地形条件具体包括地势高度、地势起伏和山坡方向。地势高度影响气候的局部变化,随地形高低的变化,会造成气候的垂直分带,从而导致风化作用的类型和速度均不同。中低纬度的高山区具有明显的气候分带,山麓气候炎热,而山顶气候寒冷,其生物界面貌显著不同。因而,风化作用的类型和方式随高度而变。
地势陡缓(起伏)影响地下水位、植被发育及风化产物的保存,也影响着风化作用的进行。陡坡地下水位低,植被稀少,风化产物不易保存,而
缓坡则相反,
化学风化和生物风化相对强烈、风化产物较易保存。地势起伏大的山区,或巨大的悬崖陡壁上,各种风化产物均易被其它外力作用搬开,难于在原地残留,因而
基岩裸露,风化作用快速,尤其是物理风化作用更为活跃。而地势低缓地区的风化产物多残留原处或只经过极短距离的运移便在低洼处堆积下来,松散的风化产物可形成较厚的覆盖层,从而减轻温度变化对基岩的影响,使风化作用速度减低。
另外,山坡的方向涉及到气候和日照强度,同样会影响风化作用。同一高度的阳坡和阴坡,风化作用强度也有差别。通常阳坡接受太阳辐射热多,温度高,温差变化大,雨水多,植被好,
化学风化和生物风化比较强烈;而阴坡可能常年冰雪不消,冰劈作用更为重要。
地质构造
地质构造也是促使岩石风化的重要因素。地质构造的形成是由于
地壳的强烈运动而使得岩层发生扭曲或断裂的现象。它对风化的影响主要是岩石在构造变形时生成多种
节理、裂和破碎带,破碎的岩石为各种风化因素侵入岩石内部提供了途径,扩大了岩石与空气、水的接触面积,大大促进了岩石风化。因此在褶曲轴部、
断层破碎带及其附近裂隙密集的岩石风化程度比完整的岩石严重。
构造运动方面,由于经受长期的剥蚀作用或
堆积作用,构造运动相对稳定或相对下降的地区地形平坦,各种风化剥蚀的产物易于保留在原地,形成巨厚的松散堆积物,
化学风化作用可以不断地进行,风化程度深。但在局部地区,母岩被风化产物覆盖,限制了物理风化作用。而在构造抬升区,剥蚀作用强烈,地面切割程度高,地形陡峭,岩石破碎。风化剥蚀的产物,特别是那些颗粒较细的产物,在其形成后容易转移他处,风化层一般较薄;颗粒较粗,甚至
基岩裸露,为持续不断地发生快速物理风化作用创造了条件,而在这些情况下,化学作用则仅具有限的作用。
岩石性质
成因
岩石的成因反映它生成时的环境和条件。风化作用实质上是由岩石生成时的环境和条件与目前它所处的环境和条件的差异造成的。如果岩石生成的环境和条件与目前地表环境和条件接近,则岩石抵抗风化能力强,反之则容易风化。所以,高温高压条件下形成的火成岩中的矿物就比地表常温常压下形成的黏土矿物稳定性差,容易风化。
一般情况下,喷出岩比浅成岩抗风化能力强,浅成岩又比
深成岩抗风化能力强,
沉积岩比岩浆岩和
变质岩抗风化能力强。而岩浆岩、
变质岩和
碎屑岩又较
化学岩和生物岩抗风化能力强,岩浆岩中的酸性岩较基性岩和
超基性岩抗风化能力强。具体来说,由
橄榄石、
辉石、
长石等组成的岩浆岩易风化,而由
石英砂组成的沉积岩抗风化能力强。
沉积岩是在近地表环境下形成的,总的看来比较稳定。大多数沉积岩是由前期岩石风化旋回作用所形成的次
生物质组成的,在简单的
成岩作用过程中,这些以前风化旋回的产物可能只受到相当轻微的变质和改造。粘土岩的化学性质也较稳定,它主要是遭受物理风化,同时它的强度低,也易受剥蚀,在风化与剥蚀共同作用下,地形上往往成为低地。而
石灰岩在干寒地区以机械风化为主,在湿热地区易遭受
化学风化。硅质岩除少数非晶质结构者外,一般较难于化学风化。不同
变质岩的成分不同,其风化性能也有差别。
矿物成分
岩石由矿物组成,不同的矿物抗风化能力不同。组成岩石矿物成分的化学稳定性和矿物种类的多少,是决定岩石抵抗风化能力的重要因素。按照矿物化学稳定性顺序,
石英化学稳定性最好,抗风化能力强;其次是
正长石、酸性
斜长石、
角闪石和
辉石;而基性斜长石、
黑云母和
黄铁矿等矿物则容易被风化。
岩石的矿物成分单一的,受热后差异膨胀较小,因而较能抵抗风化。而矿物成分复杂的岩石,因各矿物的抗风化强弱不一,部分矿物先行风化,就会促使岩石崩解。岩石由于矿物成分不同,颜色也不同,通常深色矿物风吸热多且快,比浅色矿物容易风化。因此,单矿岩及由浅色或颜色单一矿物所组成的岩石,较复矿岩及由深色或杂色各种矿物组成的岩石抗风化能力强。
结构和构造
组成岩石的矿物
粒径(颗粒物的大小)、孔隙发育程度、分布特征、胶结物性质和胶结程度、层理对风化作用的速度和强度都有明显影响。
通常颗粒粗大的岩石,因颗粒表面积大,粒间空大,易于
化学风化,即细粒的较粗粒的岩石抗风化能力强。孔度大且连通性好的岩石,由于与
水溶液接触的面积大,易遭受风化。因此,坚硬致密的岩石较疏松多孔的岩石抗风化能力强。
沉积岩中钙质胶结的岩石较之硅质和泥质胶结的岩石更容易遭受风化。
一般来说均匀、细粒结构岩石比粗粒结构岩石抗风化能力强,等粒构造比斑状结构岩石耐风化,而隐晶质岩石最不易风化。从构造上看,具有各向异性的层理、片理状岩石较致密块状岩石容易风化,而厚层、巨厚层岩石比薄层状岩石更耐风化。
节理发育情况
岩石的
节理、裂隙和破碎带等为各种风化因素侵入岩石内部提供了途径。首先,岩体中的裂隙破坏了岩体的完整性,使岩体碎裂,降低岩石的强度,给物理和
化学风化创造了条件;其次,岩体裂隙成为了风化介质进入
基岩的通道,风化介质进入岩体内才能产生各种风化作用;最后,在裂隙带风化作用最强,离裂隙带愈远,风化作用愈弱。
总的来说,岩石的裂隙发育程度决定了岩石的表面积大小,即决定了岩石与
水溶液、大气的作用面积的大小。由于
节理裂隙的存在,破坏了岩石的连续性和完整性,便于空气、
水溶液的流动和生物活动,增加了岩石的可渗透性,故裂隙发育的岩石更遭受风化,尤其是在两组节理交汇的地方,风化速度快,加之有剥蚀作用的叠加,能够形成多种多样的地貌。
人为活动
虽然风化是一个自然过程,但
人类活动可以加速这一过程。例如,燃烧煤炭、天然气和石油会向大气中释放氮
氧化物和
二氧化硫等化学物质,当这些化学物质与阳光和水分结合时,就会变成酸,它们以
酸雨的形式落回地面。酸雨能迅速风化
碳酸钙、
大理石等。工业废水排放使得水中的化学物质和岩石发生
化学反应,因而也会对岩石产生破坏作用。
另外人类活动尤其是工程建设,如打隧道、筑路、采矿、建水坝等,都会大大加速工程地区岩石的风化过程。风化作用随着开采深度增加而逐渐衰减。在同一个露天矿,同样岩性,则上部边坡比深部边坡风化程度大。在中国东北和西北高原的严寒地区,以及南方的酷热、多雨地带,岩石风化破坏作用较为强烈。还有边坡开挖同样也会使岩石新鲜面暴露,加剧了岩石的风化作用。除此之外,人类的作用在农业地质的活动,如垦荒、砍伐森林侵占草地等,会加速对
地壳覆盖岩石和土壤的风化。
岩石风化程度划分
《
岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)中划分了全风化、强风化、中等风化和微风化等六种风化程度。
风化产物
风化作用不仅导致地表岩石的破碎,而且会造成地表松散物质的重组,从而形成风化作用的产物。风化作用的产物主要包括碎屑物质、溶解物质、难溶物质。这些残余物质的类型和分布主要与地形、气候、母岩类型及风化作用方式有关。
碎屑物质
碎屑物质包括岩石碎屑和矿物碎屑,它们主要是物理风化作用的产物,在干旱炎热地区(如沙漠)或高寒地区(如高海拔山区)碎屑物质最易形成。也有一部分是岩石在
化学风化过程中未完全分解的矿物碎屑,如
石英及陡石(长石)碎屑。风化形成的碎屑物质一部分会残留原地,另一部分则被其它外力作用搬往它处,成为碎屑
沉积物的重要来源。
溶解物质
溶解物质是化学风化作用和生物风化作用的产物,主要包括两部分;一部分是易于搬运的钾、钠、钙、镁等元素的
碳酸根、
硫酸盐,
氯化物等,它们常以真溶液形式随水带走,成为海水及湖水中可溶性盐类的主要来源;另一部分是较易淋失的
二氧化硅,它主要以胶体溶液形式随水搬运入海、入湖,其中一部分以
蛋白石形式在原地附近堆积。另外,属于溶解物质的还有为数较少的锰和磷的氧化物等。
难溶物质
岩石中较为活泼的元素及其化合物被带走之后,一般是相对不活泼的铁盒铝等元素在原地残留下来,形成沙粒或
褐铁矿、粘土矿物以及
铝矾土等。最终称为泥质岩的物质来源。
影响
积极
为土壤的形成奠定物质基础
风化作用是土壤形成的基础。土壤的发生起始于母岩的风化过程,风化作用使岩石破碎,
物理化学性质改变,形成结构疏松的风化壳,其上部称为土壤母质(成土母质)。成土母质是土壤形成的物质基础和植物
矿质养分元素(氮除外)的最初来源。它在微生物和
原植体植物的作用下逐渐演变为原始的土壤,然后再经过
草本植物和
木本植物的熟化最终产生肥力,形成
成熟土壤,这个过程称之为成土过程。成土过程一经发生,便一定与风化过程同时进行,两个过程是无法分离的。所以土壤的形成和发育过程,可以看作是以母质为基础,与各个自然要素不断进行物质和能量交换的过程。一般来说,单一类型的岩石风化通常会产生贫瘠的土壤,而多种岩石的风化物质则具有更丰富的矿物多样性,有助于形成更肥沃的土壤。
促进风化矿床的形成和寻找
风化矿床一般是原岩或矿源层和矿床经强烈的
化学风化作用和生物风化作用,在
热带、
亚热带,潮湿气候条件下,某些有用元素迁移和聚集的结果。因此,风化作用促进了各种风化矿床的形成,如高岭土、
铝矾土、次生铜和、稀土以及
砂矿等矿床。
砂矿床的形成与分布与风化作用和地貌条件有关。强烈的物理风化以及化学风化可以使矿物分离,在机械分选和化学分异作用下,有些稳定的单矿物在各种不同的有利的地貌条件下富集。例如在地形切割微弱地区,通常有残积、坡积砂矿的形成。在低山丘陵的地貌条件下,在河谷发育的壮年阶段,有利于河谷砂矿的形成。
在河谷阶地发育时,详细研究阶地的发育历史和规模,研究古河谷的发育情况,有助于寻找古河谷砂矿和追索原生矿床。大量的砂矿床、风化矿床形成于大型岩溶顶盘岩石下崩地带或
溶洞中。因此,研究岩溶地貌特征,结合上述气候和其它地貌条件的分析,能对岩溶地区寻找砂矿床、风化矿床有所效益。
维持土壤化学平衡
风化是自然生态系统中植物所需
矿质养分的重要来源,同时也是生物地球化学循环过程的重要组成部分。从各种固体的岩石矿物风化释放出来的各种简单盐类,为植物提供了可能吸收和利用的养料。另外,风化作用还是改变元素在地表地质体中的存在形式、使其活化转移和进行再分配的过程。土壤中元素的迁移、粒度分布、新矿物的生成等与成土有关的特质在风化过程中不断改变并最终达到平衡。总的来说,土壤矿物风化为土壤、也是整个生态系统中
无机化合物矿质养分提供了来源,它为植物长期提供了养分,有利于保持土壤的
化学平衡稳定性。
调节水热气,促进生态循环
参与风化作用主要是温度的变化、大气、水、空气,生物等因素。风化作用加强了对水热气的调节作用。风化作用的分散作用使沙、土混合组成了新的体系,这对水、热、气在地表的重新分配和调节起很大的影响。例如,风化壳中较大的裂隙利于水、气的通透,小的毛管孔隙又能保蓄一定量的水分。这对地表水与地下水的循环和植物的水分供给等,都带来积极的作用。再比如说,通过人为增强岩石化学风化可以抑制大气
二氧化碳浓度的过快增长,实验证明将碾碎的
玄武岩或其他硅酸盐矿物添加至土壤中,这些物质在化学风化过程中既能为植物生长提供必要的营养元素,也能增强对大气二氧化碳的吸收。
另外,风化对后续各种过程——剥蚀、搬运和沉积作用以及各种地貌类型的形成和发展也带来重大的影响。比如,风化作用结果使岩石产生破坏,不仅体积变小,而且还发生化学变化,形成与原来岩石有很大差别的风化壳,产生疏松的碎屑物质,从而为侵蚀作用提供了物质基础。因此,风化是
自然地理环境中的重要过程之一,也是地质循环中的一个重要环节。对它的认识和研究,在
地球科学领域中具有重要的理论意义和实际意义。
缓冲土壤酸化
土壤矿物风化不仅缓冲了土壤和地表水的酸化,还影响着全球气候变化。土壤中被植物吸收以及淋溶损失的
盐基离子,主要通过矿物风化和大气输入来补充,当矿物风化和大气
沉降进入土壤中的盐基离子不能平衡生物吸收、侵蚀及淋溶损失的盐基离子,土壤将发生酸化。因此,土壤风化是维持生态系统酸中和能力,缓冲土壤酸化的主要机制。
消极
影响岩石强度和稳定性
大部分岩石经风化后,原岩的物理力学性质被改变了,形成了风化壳。但这是在地质历史时期发生的结果,其速度一般较慢,在工程使用期限内不致显著降低岩体的稳定性。但是有的岩石,如
黏土岩及含黏土质的岩石风化速度较快,它们一旦出露,经数日甚至数分钟就开始出现风化裂隙,经数年甚至数月原岩性质就会发生显著变异。
风化作用会削弱、破坏岩石颗粒间的连结,形成、扩大岩体裂隙,降低断裂面的粗糙程度,产生次生粘土矿物等。它使坚硬致密的岩石松散破坏,改变了岩石原有的矿物组成和化学成分,使岩石的强度和稳定性大为降低,对工程建筑条件起着不良的影响。
间接引发自然灾害
风化作用会造成坡面物质破碎,为一些自然灾害提供了大量固体物质来源。如滑坡、崩塌、岩堆及泥石流等不良
地质现象,大部分都是在风化作用的基础上逐渐形成和发展起来的。风化作用能使斜坡前缘各种成因的裂隙加深加宽,斜坡上的岩体在各种风化
应力,如剥离、冰胀、植物根压等的长期作用下,其强度和稳定性不断降低,最后促使崩塌的发生。另外,高寒地区冰劈作用广泛发育,干旱、半干旱气候区日温差及年温差较大,这些地区物理风化强烈,岩石易破碎成碎块,崩落极为盛行。风化作用也能为泥石流提供固体物质来源,尤其是在干早、半干早气候带的山区,植被稀少,岩石物理风化作用强烈,在山坡和沟谷中堆积起了大量的松散碎屑物质,这成为泥石流的又一物质来源。
治理与预防
对岩石风化的预防
通过人工措施,使风化与岩体隔离开来,这样能让岩体免遭继续风化,以此来减缓风化的作用强度和速度。具体体有以下几个方法:
抹面法:用使水和空气不能透过的材料,如如
沥青、水泥、粘土层等,覆盖岩层。在岩石表层设置绿化、喷抹水泥砂浆、沥青或石灰水泥砂浆封闭岩面,防止空气、水分与岩石接触或水分渗入,是防治岩石风化的有效措施。
胶结灌浆法:用水泥、粘土等浆液灌入岩层或裂隙中,以增强岩层的整体性和强度,降低其透水性,增强岩石抗风化能力。
排水法:为了减少具有侵蚀性的地表水和地下水对岩石中可溶性矿物的溶解及对岩石强度的影响,适当做一些排水工程。
其他:良好的植被能阻止和过滤地表移动的固体物质,使岩石侵蚀和物理风化作用锐减。可以根据不同的地质情况、水文地质条件、气候、地形等因素,采用营造灌木林、铺朴草皮等办法。
对已风化产物的治理
在基础工程建设中,对于已经存在的严重风化层,若其厚度不大,施工条件简单时,可将风化岩石全部挖除,然后将建筑物
地基设置在未风化或微、弱风化的岩石上;若厚度较大不能全部挖除,则采取相应措施,如采用桩基穿透风化层落在新鲜岩石上。而边坡、隧道工程可根据风化层厚度及风化程度采用加强支护、支挡、衬砌等措施。