chap6风化作用与土壤

1、本章主要内容：本章主要内容：概述概述物理风化作用物理风化作用化学风化作用化学风化作用风化作用的速度风化作用的速度土壤简介土壤简介第第6 6章章 风化作用与土壤风化作用与土壤风化作用：风化作用：由于温度的变化、以及大气、水溶液、生物由于温度的变化、以及大气、水溶液、生物的作用，使岩石在原地发生物理、化学变化的过程。的作用，使岩石在原地发生物理、化学变化的过程。 所形成的产物不发生显著位移。这与所形成的产物不发生显著位移。这与侵蚀侵蚀/剥蚀作用剥蚀作用（运动的地质（运动的地质营力如风、流水、冰川等将岩石颗粒移离原地）有明显区别。营力如风、流水、冰川等将岩石颗粒移离原地）有明显区别。 主要发生在主要

2、发生在地表或近地表地表或近地表处，向下逐渐减弱以至停止处，向下逐渐减弱以至停止 风化层：岩石遭受风化作用后形成的一层风化产物（碎屑、风化层：岩石遭受风化作用后形成的一层风化产物（碎屑、 蚀变物、残留物）蚀变物、残留物） 基岩基岩: 风化层之下未遭受风化作用的岩石风化层之下未遭受风化作用的岩石风化作用：风化作用：由于温度的变化、以及大气、水溶液、生物由于温度的变化、以及大气、水溶液、生物的作用，使岩石在原地发生物理、化学变化的过程。的作用，使岩石在原地发生物理、化学变化的过程。风化作用风化作用物理风化作用物理风化作用化学风化作用化学风化作用岩石在风化营力作用下发生岩石在风化营力作用下发生机械破碎

3、机械破碎岩石在氧、水溶液作用下发生岩石在氧、水溶液作用下发生矿物分解矿物分解/ /蚀蚀变变产物：岩石碎块、碎屑产物：溶解物、新生物、残留物 剥离作用剥离作用 冰劈作用（冰冻风化作用）冰劈作用（冰冻风化作用） 层裂作用层裂作用 根劈作用根劈作用岩石在风化营力作用下发生岩石在风化营力作用下发生机械破碎机械破碎 昼夜昼夜/季节温度变化季节温度变化 岩石表面和内部不均匀膨胀收缩岩石表面和内部不均匀膨胀收缩 岩石表层呈鳞片状层层脱落岩石表层呈鳞片状层层脱落F 冰劈冰劈倒石锥倒石锥F 昼夜温度在冰点上下变化昼夜温度在冰点上下变化 岩石裂缝中的水结冰、体积膨胀（岩石裂缝中的水结冰、体积膨胀（9） 岩石破裂崩

4、解岩石破裂崩解冰冻风化冰冻风化作用作用 高纬度地区、中纬度高山区最甚高纬度地区、中纬度高山区最甚倒石锥倒石锥倒石锥倒石锥F 深部岩石被抬升、出露地表深部岩石被抬升、出露地表 因因“卸载卸载”导致岩石体积膨胀（外层较内部膨胀更甚）导致岩石体积膨胀（外层较内部膨胀更甚） 形成平行地表的裂隙（层状节理）形成平行地表的裂隙（层状节理）F “生物物理风化作用生物物理风化作用” 生长在裂隙中的植物的根系使裂隙生长在裂隙中的植物的根系使裂隙 扩大、引起岩石崩解扩大、引起岩石崩解表面积表面积 6 6 m2 2单个砾石，边长约为单个砾石，边长约为 1 1 m沿裂缝破裂开沿裂缝破裂开表面积表面积 12 12 m2

5、 28 8个碎块，每个边长约为个碎块，每个边长约为 0.5 0.5 m体积体积 (0.5) (0.5)3 3 8 = 8 = 1 1 m3 3体积体积 1 1 m3 3碎块大小为原始岩块大小的碎块大小为原始岩块大小的1/21/2表面积表面积 2 2碎块大小为原始岩块大小的碎块大小为原始岩块大小的1/41/4表面积表面积 4 4碎块大小为原始岩块大小的碎块大小为原始岩块大小的1/81/8表面积表面积 8 8 氧化作用氧化作用 溶解作用溶解作用 水解作用水解作用岩石在岩石在氧氧、水溶液水溶液作用下发生作用下发生矿物分解矿物分解/ /蚀变蚀变1 1）氧化作用）氧化作用 空气中约空气中约2121是氧气

6、是氧气 在潮湿空气中氧化作用很强在潮湿空气中氧化作用很强 有机化合物、低价氧化物、有机化合物、低价氧化物、 硫化物最易遭受氧化作用硫化物最易遭受氧化作用如黄铁矿（如黄铁矿（FeS2）在水的参在水的参与下很快会被氧化成与下很快会被氧化成褐铁矿褐铁矿（Fe2O3nH2O）众多含铁矿物如众多含铁矿物如铁镁硅酸盐铁镁硅酸盐矿物矿物（辉石、闪石、黑云母、（辉石、闪石、黑云母、橄榄石）在有水参与时会氧化橄榄石）在有水参与时会氧化成成褐铁矿褐铁矿。氧化作用形成的褐铁矿使岩石染色成砖红色氧化作用形成的褐铁矿使岩石染色成砖红色2 2）溶解作用）溶解作用 酸性溶液使岩石、矿物分解破坏的过程酸性溶液使岩石、矿物分解

7、破坏的过程 空气中的空气中的 CO2 使雨水呈弱酸性使雨水呈弱酸性（pH 5.5-6) 土壤中生物的呼吸作用及有机质的腐烂产生土壤中生物的呼吸作用及有机质的腐烂产生CO2 、形成、形成碳酸碳酸及及有机酸有机酸 燃烧化石燃料（煤、石油、天然气）会释放出燃烧化石燃料（煤、石油、天然气）会释放出 CO2、NO2、SO2， 形成形成“酸雨酸雨”（pH 2-4)有些矿物可被完全溶解：有些矿物可被完全溶解： CaCOCaCO3 3 CO CO2 2 H H2 2O CaO Ca2 2 HCO HCO3 3 有些矿物在溶液作用下被变成新的矿物有些矿物在溶液作用下被变成新的矿物（如长石（如长石 高岭石）高岭石

8、）空气中的部分空气中的部分CO2溶解在雨溶解在雨滴中，形成碳滴中，形成碳酸（酸（H2CO3）一小部分一小部分H2CO2离子化，形成离子化，形成氢离子氢离子(H)和和重碳酸根离子重碳酸根离子(HCO3),使雨使雨滴略显酸性滴略显酸性略显酸性的水略显酸性的水将长石中的钾将长石中的钾离子和二氧化离子和二氧化硅溶解出来硅溶解出来把长石变为粘把长石变为粘土矿物高岭石土矿物高岭石溶出的钾离子溶出的钾离子(K)和重碳酸和重碳酸根离子根离子(HCO3)进入地下水或进入地下水或河流河流长石的溶解过程长石的溶解过程Fig. 6.2土壤层中的被溶蚀的长石土壤层中的被溶蚀的长石酸雨的效果：酸雨的效果：风化前风化前酸雨

9、的效果：酸雨的效果：风化后风化后3 3）水解作用）水解作用 矿物遇水后结构改变、形成带矿物遇水后结构改变、形成带OH的新矿物的新矿物 当水中溶有当水中溶有CO2时，水解作用加速进行时，水解作用加速进行如长石的水解：如长石的水解： KAISi KAISi3 3O O8 8 H H2 2O AIO AI4 4(Si(Si4 4O O1010)(OH)(OH)8 8 SiO SiO2 2 KOHKOH ( (正长石正长石) ) ( (高岭石高岭石) )在湿热气候条件下高岭石还会继续水解，最后形成铝土矿和二氧化硅。在湿热气候条件下高岭石还会继续水解，最后形成铝土矿和二氧化硅。二氧化硅呈胶体溶液带走，残

10、留下铝土矿：二氧化硅呈胶体溶液带走，残留下铝土矿： AI AI4 4(Si(Si4 4O O1010)(OH)(OH)8 8 H H2 2O AIO AI2 2O O3 3 H H2 2O O SiO SiO2 2 ( (高岭石高岭石) ) ( (铝土矿铝土矿) ) 岩石性质岩石性质 气候条件气候条件 构造条件构造条件高寒、干燥地区：高寒、干燥地区：生物稀少、降水呈固态或很少盛行物理风化作用生物稀少、降水呈固态或很少盛行物理风化作用炎热、潮湿地区：炎热、潮湿地区：生物繁茂、降水充沛、温度高化学风化作用强烈生物繁茂、降水充沛、温度高化学风化作用强烈矿物成分与化学成分：矿物成分与化学成分：晶体格架

11、稳定性；单矿岩晶体格架稳定性；单矿岩/复矿岩；矿物颜色复矿岩；矿物颜色 风化作用速度、程度、产物风化作用速度、程度、产物裂缝发育程度：裂缝发育程度：裂缝发育便于水溶液和生物活动，更易风化裂缝发育便于水溶液和生物活动，更易风化差异风化差异风化- -相同风化条件下，由于岩石相同风化条件下，由于岩石性质不同（抗风化能力不同）性质不同（抗风化能力不同）表现出的不同风化程度表现出的不同风化程度差异风化差异风化地表地表地表地表金刚石金刚石金刚石管金刚石管风化作用使风化作用使金刚石富集金刚石富集金刚石由金刚石由“金刚石管金刚石管”（从上地幔升起的碎裂的超基性岩柱）带至地表。金（从上地幔升起的碎裂的超基性岩柱

12、）带至地表。金刚石在形成时散布于金刚石管内；超基性岩在地表被风化剥蚀，抗风化的金刚石在形成时散布于金刚石管内；超基性岩在地表被风化剥蚀，抗风化的金刚石形成富集。刚石形成富集。“ “ 球状风化球状风化 ” ” 物理风化与化学风化共同作用的结果物理风化与化学风化共同作用的结果 形成于形成于有几组交叉裂隙有几组交叉裂隙的的厚层砂岩厚层砂岩和和块状岩浆岩块状岩浆岩岩块的棱角处更易发生化学风化岩块的棱角处更易发生化学风化（流体有更多的接触面）（流体有更多的接触面）球状风化球状风化球状风化球状风化 球状风化球状风化 “魔鬼的弹子魔鬼的弹子”，澳大利，澳大利亚亚受节理控制的风化作用受节理控制的风化作用硬石膏

13、层中被溶解扩大的节理硬石膏层中被溶解扩大的节理含有机质并能使植物生长的未固结的风化层。含有机质并能使植物生长的未固结的风化层。 “风化壳风化壳”：残留原地的风化产物（残积物）土壤：残留原地的风化产物（残积物）土壤 生物作用（生物风化）对土壤形成十分重要生物作用（生物风化）对土壤形成十分重要 肥沃的土壤需数百年时间才能形成肥沃的土壤需数百年时间才能形成A层层B层层C层层表层土（富含有机质）表层土（富含有机质）可溶性矿物被淋滤掉的土壤；可溶性矿物被淋滤掉的土壤；富含粘土和不可溶矿物富含粘土和不可溶矿物很少有机质；从很少有机质；从A层溶解的层溶解的矿物在该层沉淀下来矿物在该层沉淀下来破裂和风化的基岩

14、破裂和风化的基岩 淋余土（淋余土（pedalferpedalfer） 钙层土钙层土 （pedocalpedocal） 红土红土 （lateritelaterite）重要的成壤因素重要的成壤因素u 母岩性质母岩性质u 气候气候u 时间时间u 动植物动植物u 坡度坡度温度和降水温度和降水有机质有机质时间较长时间较长 土壤层较厚土壤层较厚过陡过陡 很少很少/ /无土壤无土壤影响土壤肥力、风化速度影响土壤肥力、风化速度薄土壤层薄土壤层薄土壤层薄土壤层厚土壤层厚土壤层厚土壤层厚土壤层温暖气候腐殖质和被淋滤的土壤腐殖质和被淋滤的土壤（存在石英和粘土矿物）（存在石英和粘土矿物）含铁和铝的氧化物沉淀；含铁和铝的氧化物沉淀；所有可溶性物质（如碳酸盐）所有可溶性物质（如碳酸盐）都被淋滤移去都被淋滤移去花岗岩基岩花岗岩基岩高氧化铁和氧化铝含量高氧化铁和氧化铝含量 充沛雨水向下有效淋滤充沛雨水向下有效淋滤 土层厚土层厚干旱气候腐殖质和被淋滤的土壤腐殖质和被淋滤的土壤沉淀出碳酸钙球粒和团块（钙盐）