新大普通地质学教案10风化作用

第十章风化作用

目的与要求:要求学生掌握风化作用的特点。理解风化作用的原理。了解风化作用的概念及类型。授课内容:1、风化作用类型；2、影响风化作用的因素；3、风化作用的产物、风化壳及其研究意义重点、难点:作用原理，产物特征课时:4学时授课方法：以课堂授课为主，结合课堂讨论。外能是地球外部来源的能量，主要有太阳辐射能、日月引力能、重力能。外动力地质作用的范围只限于地表表层几米至几公里深度以内。包括风化作用、水流、冰川等外表的地质作用。矿物、岩石形成时有一定的物理、化学条件，通常是地下高温高压条件。当它们露出地表后，改变了物理、化学条件时，岩石、矿物稳定性将要受到破坏。岩石可以破碎，也可以化学分解，或形成新的矿物。风化作用：由于温度的变化、大气(氧气)、水溶液以及生物的作用，使地表岩石或矿物在原地发生物理、化学变化的过程叫风化作用。它发生以后，原来高温高压下形成的矿物被破坏，形成一些在常温常压下较稳定的新矿物，构成陆壳表层风化层，风化层之下的完整的岩石称为基岩，露出地表的基岩称为露头。第一节风化作用的类型一、物理风化（机械风化）作用1．定义：岩石和矿物发生机械破碎而不改变其化学成分的风化作用，称为机械风化作用，它是由于温度变化及岩石空隙中水和盐分的物态变化引起的，特征:●机械风化与破碎●不能改变化学成分,不会形成新矿物●温差大的沙漠、戈壁及干寒地区表现明显2.物理风化四方式作用方式主要有：1）岩石的热胀冷缩温度昼夜变化、季节变化。日变化影响最大，内陆干旱沙漠地区，昼夜温差变化、物理风化最强烈。如西北沙漠地区，白天47℃，晚上-3℃，相差50℃.(1)不同矿物胀缩系数不一，相互脱落。石英31×10-6，长石17×10-6，(2)表里不一。白天，表面受晒膨胀，晚上，表面冷缩，内部受热开始胀。★夏季新疆沙漠地区、冰达坂的实例(昼夜温差达60-70多度).2)冰劈作用(干寒区)●岩石裂隙中的水结冰后体积会增大，达到一定限度后岩石就会崩解滚落。●条件：a.岩石有贯通的空隙，可使水渗入并流动（封闭空隙如气孔不行）；b.有足够的水分；c.温度常在冰点上下波动。★干寒区（乌市）的马路、道路与经济发展3）层裂或卸载作用fracture&unloading深部岩石上升减压会造成向上或向外的膨涨,产生与地面平行的膨胀节理.★黄山没有层理的花岗岩区;新疆凝灰岩地区;南方采石场。4）盐分结晶撑裂作用●岩石中多含盐类,这些盐分在晚上因吸收大气水分会潮解,并渗入岩石内部，溶解所经岩石中盐分。白天烈日照晒,使地下水沿岩石裂隙上升蒸发,岩石中盐分饱和结晶、撑裂岩石。●如此反复,使岩石崩解。●发生在蒸发量大于降水量的半干旱地区。机械风化作用可以形成倒石锥地貌。二、化学风化作用1.特征:●不仅破坏岩石，而且使其化学成分变化、并形成新矿物。●岩石在水、氧、二氧化碳作用下,产生化学分解。●温湿的南方地区表现明显。氧、水溶液不仅使地表附近的岩石发生破碎，而且使它们的化学成分发生改变，这就是化学风化作用。通过化学反应，使那些在地表条件下不稳定的矿物变成另一种新的矿物(它适应地表环境)。2.化学风化五种方式1）溶解作用使矿物发生部分溶解分化的作用。任何矿物都溶于水，只是溶解度有大有小。●易溶物质的流失将导致岩石空隙加大,加速剥蚀。●大多数矿物可溶解于水，但溶解度不同。每公斤25度的纯水中，可溶解：1/340g云母,1/115g滑石,1.5/100g方解石,2.1g硬石膏,320g岩盐●影响溶解度的因素：温度、压力、PH值。CaCO3+CO2+H2O-->Ca(HCO3)2方解石(重碳酸钙)2）水化作用有些矿物吸引一定数量的水。石膏+H2O-->硬石膏●矿物加水会形成含水矿物(CaSO4+2H2O=CaSO4·2H2O),从而使体积膨胀、硬度降低。●有些矿物能吸收一定水参加到矿物品格中，形成含水分子的矿物。3）水解作用水和矿物相结合的一种化学反应。正长石+H2O-->高岭石+。.●弱酸强碱盐或强酸弱碱盐,遇水会解离成带不同电荷的离子，这些离子分别与水中的H+、OH-发生反应，形成含OH-的新矿物，称为水解。●水解：钾长石→高岭土(富集)+SiO2(带走)+K(OH)(带走)进一步水解：高岭土→铝土矿(耐火材料富集)+SiO2(带走)4）碳酸化作用含CO2的水溶液和某些矿物中K、Na、Ca等金属阳离子结合,可形成随水迁移的碳酸盐矿物。如钾长石+H2O+CO2→高岭土（富集）+8SiO2+2K2CO3●斜长石易碳酸化,可使很硬的花岗岩被瓦解！●碳酸钾有利于植物生长,因而花岗岩地区(富长石)植被发育。5）氧化作用矿物被氧化后可形成新矿物；在地表富氧条件下某些矿物中的元素可从低价变为高价。如黄铁矿或磁铁矿→褐铁矿（见P．136）●松散褐铁矿及反应中产生的硫酸,导致岩石破坏。●地表褐铁矿常是地下大矿的表层标志,称为铁帽。●含黄铁矿较多的岩石不宜作建筑、装潢材料。●暗色矿物黑云母、角闪石含量高的花岗岩，容易风化，不是好的建筑材料。空气中1/5氧黄铁矿FeS2(++)氧化成褐铁矿Fe2O3.H2O(3+)，由铜黄色变为褐红色，颜色变深，结构变疏松。在地表称铁帽，地下连着矿床。经过彻底的化学风化作用，一切活泼的元素均从矿物中风化出来并随水流失，只有性质稳定的元素舅Fe，Mn，Al，Ni等才残留原地，如果这些元素富集到具有工业价值时，就成为残余矿床。三、生物风化作用生物的生命活动过程和尸体腐烂分解过程对岩石的破坏作用有机械和化学两种方式：1.生物的机械风化作用植物根对岩石的破坏，如苏州天平山花岗岩中的根劈、天山雪莲的根劈snowlotus，蚯蚓等钻洞，人类活动如挖洞、采矿等对岩石进行破碎。2.生物的化学风化作用生物死亡后，腐烂分解形成一种腐植质(胶状的物质)，是一种有机酸，对岩石起腐蚀作用。地壳表层岩石经机械破碎，化学风化后形成的松散物，再经过生物的化学风化作用，增加了有机物质---腐殖质，这种具有腐殖质、矿物质、水和空气的松散物质叫做土壤。第二节影响风化作用的因素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。一、气候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。北方:花岗岩(低山、圆滑的山头);灰岩(高山)南方:花岗岩(高山峻岭),灰岩(低山溶洞)二、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。三、岩石的特征1.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。3.节理发育者易风化:试剑石、石桌(苏州虎丘），鲫鱼背（黄山）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。球状风化：节理包围的碎块，在化学风化（水溶液）、物理风化（温度变化）下，棱角消失，圆化成球状；以化学风化为主。花岗岩、闪长岩、辉长岩、厚层砂岩,块状、等粒岩石易形成球状风化;与结核的区别是成分是否一致。第三节风化作用的产物、风化壳及其研究意义一．风化产物的类型1.不同的岩石有不同的风化产物2.风化产物构成a.碎屑:机械风化的碎块b.易溶物质：Ka，Na，Ca，Mgc.难溶物质：Fe，Al3.研究风化产物的目的:推测母岩的性质、寻找原生矿体Au,Cu,Ni等.二．残积物：岩石风化后残留原地的物质,以风化壳为标志。岩石经风化后部分易熔物质被水带走流失，余下的碎屑岩和化学风化中形成的一些新矿物便残留原地，这些残留在原地的风化产物称残积物.残积物的矿物组成、化学成分、颜色与下伏地层(原岩)有一定的关系，它们常具有棱角，无分选性，无层理，向下逐渐过渡到基岩，在存在生物活动物的地区，残积物顶部发育成土壤.三、风化壳风化壳：残积物和土壤在大陆地壳表层构成一层不连续的薄壳，称之为风化壳.2.风化壳可由一层残积物组成，也可由几层风化分解程度不同的残积物组成，而且层与层之间常逐渐过渡而无明显分界线。由于风化作用以地表最强烈，并向深处减弱，故具垂直分带。一个完整的风化壳在剖面上，从下往上可分为以下几层：层1：未经风化的基岩.层2：半风化层，岩石机械破碎成碎块.层3：残积层，物理和化学风化，由下而上，风化程度由浅至深，碎屑颗粒由大变小.层4：土壤层，经受长期物理风化、化学风化和生物风化作用，形成土壤。在没有生物风化作用的地区土壤层缺失.3.风化壳的厚度和成分因地而异，一般潮湿炎热气候区，风化壳厚度大，并有可能形成Fe，Mn，Al，Ni等残积矿床(风化壳型矿床)，干旱地区风化壳薄，常仅数十厘米且结构简单。古风化壳：风化壳若为后来沉积物所覆