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地貌学 山西五台山 第八章风化作用与坡地重力地貌 人们通常用 海枯石烂不变心 来表示对爱情的忠贞 实际上海会枯 石也会烂 引起石烂的原因就是 风化作用风化后的物质在重力和水等因素作用下 容易顺坡向下运动 形成 坡地重力地貌 Photographfrom 第一节风化作用与风化壳 一 风化作用 一 概念暴露到地表的岩石 所处环境与原来有较大差别 必然引起岩石发生变化以适应新的环境 同时 风化破碎后的岩石又形成一些在常温常压条件下稳定的产物 这就是风化作用 weathering 即地壳表层的岩石 在大气和水的联合作用以及温度变化和生物活动的影响下 所发生的一系列崩解和分解作用 岩石的风化作用是一种长期的 持续的普遍而极其缓慢的作用过程 二 实质地下深处的岩石在出露或接近地表后 为适应地表常温常压的新环境 必然发生的一种变化过程 三 分类通常分为物理风化 化学风化 1 物理风化概念 岩石发生物理疏松崩解等机械破坏的过程 一般不引起化学成分的改变 以温度变化为主要影响因素 破坏只使岩石由大块变为小块 再变成细沙 细粉 最后变成岩土 引起物理风化的主要原因有 1 岩石卸荷释重引起的剥离作用 形成于地壳深处的岩石 后来受到地壳抬升 释放了原来受压的应力 由此引起岩体膨胀 当膨胀超过弹性限度 岩石就发生破裂 在花岗岩分布地区由于岩石完整 物质均匀 破裂面少 因而这种原因引起的物理风化最常见 岩石卸荷释重引起物理风化PhotographbyPeterL Kresan 花岗岩经物理风化后片状剥落PhotographbyPeterL Kresan 2 外来晶体的挤压作用 又称冰劈或冰楔作用 如图 冰辟作用形成过程 存在于岩石裂隙中的水 在气温达到冰点凝固结冰时体积膨胀 使岩石裂隙加宽加深 冰融化时 水沿着扩大了的裂隙向更深处渗入 再次冻结 如此反复 以致把岩石崩解成碎块 冰辟作用在气温常在0 上下变化的亚寒带潮湿地区最显著 3 因温度变化引起岩石体积发生膨胀与收缩作用 右图 左边揭示了风化的原因 侧重了温度变化对岩石的破坏作用 右边显示了风化的过程 4 生物活动参与下的机械破坏作用 根劈 地下各种动物把地下岩屑带到地表 如图 直接在岩石上打洞 Photographfrom 2 化学风化 1 概念位于地表的岩石矿物在水 大气 生物的相互作用下 发生氧化 溶解 水解 水化等一系列化学反应 因而改变了岩石的物理性质和化学成分 甚至形成新的矿物 破坏岩石原来的结构 使岩石疏松甚至逐渐变成松散的土层 2 影响因素 水 地表化学风化过程中最活跃的因素大气 氧气 二氧化碳温度 影响化学风化进行的速度 3 分类化学风化分溶解 水解 水化 氧化 碳酸盐化 生物化学风化等 溶解 水对矿物直接溶解作用 增加岩石孔隙 破坏岩石结构 削弱岩石抗风化能力 有利于物理风化作用进行 水解 矿物与水发生反应而分解一些弱酸强碱或强酸弱碱的岩类矿物离解 和水中游离的H 和OH 结合产生新矿物 陆壳中的花岗岩分布最广 所以 长石 花岗岩主要成分之一 水解也最普遍 如下式 K2O Al2O3 6SiO2 3H2O Al2O3 2SiO2 2H2O 2KOH 4SiO2正长石固体新矿物液体胶体 水化 水与一些不含水的矿物相结合 水参与到矿物晶格中 并改变其分子结构 形成新矿物 如下式 CaSO4 硬石膏 2H2O CaSO4 2H2O 石膏 水化作用的结果是改变矿物物理性质 硬度下降 密度减小 体积增大 有利于物理风化进一步进行 碳酸盐化作用 在石灰岩地区最明显 碳酸与岩石中的金属离子发生反应形成碳酸盐化作用 如下式 CaCO3 H2O CO2 Ca HCO3 2方解石重碳酸钙 2KAlSi3O3 2H2O CO2 H4Al2Si2O9 K2CO3 4SiO2正长石固体矿物真溶液胶体 氧化作用 氧是强烈的氧化剂 常通过空气和水中的游离氧进行氧化作用 氧化作用随温度上升而加剧 许多变价元素在地下缺氧条件常形成低价元素的矿物 出露地表后 在氧化环境下易氧化为高价元素的新矿物 以适应新环境 易氧化的元素多为金属元素 尤其是铁 生物化学风化作用 生物新陈代谢过程中分泌出各种化合物 例如 碳酸 硝酸 有机酸等 它们对岩石起强烈的腐蚀作用 甚至在岩石表面溶蚀成许多根的印痕 生物化学风化中的微生物作用尤为重要 事实上 矿物的氧化 还原作用都是在微生物参与下进行的 四 风化作用小结1 风化作用总的结果削弱破坏岩石颗粒间的连接 形成 扩大岩体裂隙 降低断面的粗糙程度 产生次生粘土矿物等 从而降低岩体的强度和稳定性 PhotographbyPeterL Kresan 2 各种风化作用关系 1 区别物理风化只机械破坏物理性质 由大变小 不改变化学性质 不产生新矿物 化学风化发生化学反应 改变化学成分 产生新矿物 2 联系物理风化是基础和先导 化学风化反过来促进物理风化的进行和深入 由于岩性 构造 气候 流水等条件不同 同一地点风化程度不完全相同 产生差异风化现象 二 主要岩石的风化特点及岩石地貌特征 一 影响岩石风化特征与风化速度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 岩石所处的环境条件1 气候地表各处的气温 降水及生物状况都受该地区气候的影响 而气温影响着岩石的机械破碎程度 化学风化速度 生物风化的进程 降水关系到水的活跃程度 生物的生长状况直接影响生物风化作用 因此 气候是影响岩石风化的重要因素 气候是受纬度 地势 海洋等因素控制 具有分带性 在不同气候带上 岩石风化特点明显不同 2 地形条件地形条件包括地势的高度 起伏程度以及坡向三个方面 地势高度和坡向影响气候条件 间接影响风化作用 地势起伏程度影响岩石风化速率 如在地势起伏大的地区 岩石表层风化后 不易留在原处 不断下坠 使新鲜岩石裸露 从而加快了风化速率 在地势起伏小的地区 岩石风化物多残留在原处 覆盖在岩石表层 减弱了内层岩石的风化 二 岩石的特征环境条件是影响岩石风化的外因 岩石性质是影响风化的内因 1 岩石成分岩石抗风化能力的强弱与它所含矿物的成分和数量有密切关系 主要造岩矿物中抵抗风化能力由小到大的次序是 橄榄石 钙长石 辉石 角闪石 钠长石 黑云母 钾长石 白云母 粘土矿物 石英 铝和铁的氧化物 矿物在风化过程中的稳定性与鲍文反应系列中矿物晶出的顺序是对应的 2 岩石的结构 构造岩石中矿物或碎屑物颗粒的粗细 分选程度及胶结程度等结构特征决定着岩石的致密程度和坚硬程度 从而影响到岩石的风化 如疏松多孔或粗粒多孔的岩石显然比细粒致密而坚硬的岩石易于风化 薄层岩石 具有层理 片理构造的岩石 水分和空气易侵入层理或片理而加速其风化 3 节理发育状况节理的存在有利于水溶液的流动和生物活动 以致节理多的岩石容易风化 尤其是在几组节理交汇的地方 节理把岩石分割成多面体的小块 小岩块的棱和隅角与外界接触面积增大 则从多个方向受到温度和水溶液等因素的作用 使岩石破坏程度加重 破坏深度加强 久之棱角消失 变成球形 这种现象叫球状风化 它是物理风化和化学风化共同作用的结果 以化学风化为主 矿物成分 结构 构造及节理状况不同的岩石共生在一起 它们抵抗风化的能力不一致 则抗风化能力强的岩石突出 抗风化能力弱的岩石凹入 该现象称为差异风化 二 主要造岩矿物在风化过程中的变化不同矿物化学成分 结构构造不同 风化产物也必有区别 1 石英硬度大 溶解度小 很难风化 是地表最稳定的矿物 2 长石类矿物长石的硬度也较高 其物理风化作用较难 在一定条件下 常会发生化学风化作用 钾长石 斜长石受水和二氧化碳的影响 都会遭受风化 其中斜长石比正长石更易风化 3 云母类矿物其中黑云母比白云母容易风化 黑云母常发生化学风化 形成铁的氢氧化物 以及粘土矿物 而白云母较稳定 当风化条件很强时 也会风化成水云母或高岭土 4 铁镁类矿物易发生化学风化 形成铁镁氧化物及粘土矿物 故在沉积岩中很少见到铁镁矿物 5 粘土矿物为形成于地表条件下的次生矿物 性质稳定 一般情况下很难风化 但在强烈的化学风化条件下 还要进一步分解 6 碳酸盐矿物在湿热气候区容易发生化学风化 7 硫化物很容易发生化学风化 常常发生氧化作用形成硫酸和硫酸盐 三 主要岩石的风化特点及岩石地貌特征不同矿物组成的岩石在外界条件下 风化特点也会不同 1 花岗岩在植被覆盖时 物理风化强烈 易崩解成碎粒 在湿热条件下 化学风化强烈 石英保留为砂粒 长石风化为粘粒 形成砂中带粘的风化物 花岗岩常有数组节理 易形成球状风化现象 但在北方 化学风化较弱 易形成险峻的山峰 2 玄武岩较花岗岩易风化 风化产物粘细 由于含磁铁矿 风化后形成硬壳 成为影响作用生长的因素 如化学风化不强 易形成陡峭山坡 3 页岩易发生物理风化 化学风化为粘土矿物 其中夹有页岩碎片 进一步风化可形成肥沃土壤 4 砂岩抗风化能力强 风化物与原岩性质相近 含砂量高 松散 易透水 5 石灰岩主要成分CaCO3 易溶解 风化物质地粘细 含钙质丰富 酸性弱 发育的土地肥力较差 6 石英岩风化最难 以机械破碎为主 沿节理易形成陡峭山峰 发育成土壤肥力差 7 大理岩其由碳酸盐矿物组成 在湿热气候区 主要发生化学风化 风化土层浅薄 而在干旱区 则难于风化而形成陡峭的地形 球状风化 球状风化 风化作用无处不在 Photographfrom 狮身人面像能保留 4000多年 原因何在 Photographfrom 花岗岩块状风化 三 风化壳 一 概念风化作用对岩石的破坏首先从地表开始 逐渐向地壳内部深入 正常情况下 愈接近地表的岩石风化程度越深 向深处则风化程度越低 直至过渡到不受风化 新鲜岩石 这样在地壳表层形成一个由风化岩石构成的层 一般称为风化壳 二 垂直分带性根据风化程度 风化特征以及其物理力学特性的不同 可将风化壳自上而下划分为4个带 如右图 新鲜未风化的岩层 风化裂隙和块石带 风化碎石带 土壤层 风化土层各风化带之间都是逐步过渡的 没有明显的界线 三 发育阶段1 物理风化阶段 有机质少 岩屑型风化壳 2 化学风化阶段 以地表湿热 能彻底风化的花岗岩地区为例 1 早期 硅铝酸盐型及硅铝 碳酸盐型风化壳 硅铝酸盐中的碱金属和碱土金属 钾 钠 钙 镁等 与溶液中的Cl SO42 离子结合 形成氯化物 硫酸盐 氯化物极易被水淋溶带走 常在地表较低处富集 碳酸盐较难溶 常在原地富集 多呈黄 灰黄色 类似黄土状 又称黄土风化壳 2 中期 硅铝粘土型风化壳或高岭土型风化壳 风化壳进一步发育 碳酸盐也被大量淋失 甚至一些溶为胶体状的SiO2也开始迁移 硅铝酸盐被分解为高岭土 蒙脱石等粘土矿物残留在原地 含铁质多呈灰色 3 晚期 铁铝型风化壳或砖红壤风化壳 风化作用进行得比较彻底 硅酸盐已全部被分解 可迁移的元素基本都被迁出 仅残留难迁移的铁铝化合物 例如 Al2O3 Fe2O3及耐风化的石英 四 影响因素1 气候 控制岩石化学风化作用最普遍最主要的因素 2 地貌 1 地面起伏较大 新构造运动较强烈的山区 剥蚀作用较强 残积物易被蚀去 不利风化壳发育 主要残留一些风化碎屑 2 低洼处 是风化碎屑物不断堆积的场所 也不利风化壳的形成和保存 3 准平原 分水岭鞍部及较平坦地区 剥蚀不强 地壳又长期稳定 有可能发育巨厚的残积型风化壳 3 岩性和时间 1 不同岩性地区 原地残积的风化壳在结构及新形成的次生矿物成分上都会有显著差异 2 风化作用持续时间长短直接影响风化壳的发育程度 3 不同地区 因自然环境不同 发育的风化壳亦有差别 湿热地区风化较彻底 风化壳剖面较完整 冷干地区风化壳不发育 仅停留在风化早期 剖面也比较简单 第二节坡地重力地貌 一 概念坡面上的风化碎屑 不稳定土体 岩体主要在重力并常有水分参与的作用下 以单个落石 碎屑流或整块土体 岩体沿坡向下运动所导致的一系列独特的地貌 由于移动物质多系块体形式 也称块体运动 二 研究意义具有突发性 破坏性大等特点 尤其在山区 加强坡地重力地貌的研究无论对我国还是我省都有十分重要的意义 二 分类 一 蠕动 十分缓慢的移动现象 二 崩塌 重力作用 突然 急剧 三 滑坡 重力和水 整体下滑 1 崩塌在陡峻山坡上巨大的隆起或鼓起或碎屑层在本身重力作用下突然急剧倾倒 崩塌 在坡角处堆积倒石堆或碎屑流等 如图 PhotographbyPeterL Kresan 60多米的山体突然崩塌 近1 5万立方米的石头倾泻而下 掩盖了整条高速公路 最大的石块足足有800立方米 Photographfrom 案例 浙江甬台温高速公路崩塌 2 滑坡坡面上大量土体 岩体或其它碎屑堆积 主要是在重力和水的作用下 沿着一定滑动面整体下滑的现象 1 滑坡的形态滑坡的要素a 滑坡体b 滑坡床c 滑坡面和滑坡带d 滑坡壁e 滑坡台阶f 滑坡舌g 滑坡洼地与滑坡湖h 滑坡裂缝 2 滑坡的影响因素a 岩土类型及性质b 地质构造和岩体构造c 水的作用d 地震e 人工活动 发育阶段 1 蠕动变形阶段 2