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化学风化

化学风化(chemical weathering)岩石发生化学成分的改变分解,称为化学风化。例如,岩石中含铁的矿物受到水和 化学风化空气作用,氧化成红褐色的氧化铁;空气中的二氧化碳和水气结合成碳酸,能溶蚀石灰岩;某些矿物吸收水分后体积膨胀;水和岩层中的矿物作用,改变原来矿物的分子结构,形成新矿物。这些作用可使岩石硬度减弱、密度变小或体积膨胀,促使岩石分解

化学风化(chemical weathering)岩石在水、二氧化碳、氧气等多种因素作用下,改变化学成分和形成新物质的过程。岩石经过水及其中的二氧化碳的溶解、水解、水化和氧化等一系列作用,使某些复杂的物质变成简单的物质,原来不含水的、难溶解的物质变成含水的、易溶解的物质,使岩石颗粒进一步变小、变细。一般来讲,在湿热地区,化学风化作用占主导地位。 [1]

自然界的岩石都形成于特定的地质条件下,在高温,高压,少游离氧的条件下处于相对稳定状态。岩石一旦出露或接近地表,接受太阳的辐射热,并与大气圈,水圈和生物圈相接触时,岩石不再保持稳定,而发生一系列的变化,如崩裂,分解成地表稳定的新矿物。这种使岩石在原地发生物理状态或化学成分变化的破坏作用叫风化作用。通常将自地面往下一定深度有风化作用的地带称作风化带。根据风化作用的因素、作用方式和性质,一般将其分为物理风化作用,化学风化作用和生物风化作用三种类型。 化学风化是地壳表面岩石在水及水溶液的作用下发生化学分解的作用。主要有溶解、水化、水解、氧化和碳酸化等几种。如各种碳酸盐岩可以溶解于含有CO2的水中。水化是指水直接参加到矿物中去,使某些矿物变成含水矿物,如硬石膏变为石膏等。氧化是指岩石在空气和水中游离氧的作用下,使其中低价元素转变为高价元素、低价化合物转变为高价化合物,如黄铁矿中的低价铁变为含高价铁的褐铁矿等。水解是指矿物与离解的水相遇引起分解的作用。如花岗岩中的正长石在湿热气候条件下,形成KOH溶液及SiO2胶体,随水流失;另外形成不溶于水的高岭石。4K[AlSi3O8]+6H2O 4KOH+ Al4[Si4O10][OH]8+8 SiO2高岭石高岭石进一步分解变为铝矾土:Al4[Si4O10][OH]8+n H2O 2 Al2 O3?n H2O+4 SiO2+ 4H2O铝矾土+4SiO2+4H2O岩石的化学风化和物理风化是互相联系和互相促进的,但在炎热多雨的气候条件下,化学风化特别显著。

化学风化作用中表现最突出的是氧化作用和水及水溶液的作用

氧化作用主要是游离氧造成,它使低价元素变成高价元素,低价化合物变成高价化合物。含有低价铁的硅酸盐、硫化物最易受氧化作用影响。如黄铁矿氧化形成褐铁矿,其中的硫氧化后形成H2SO4并流失。水的作用主要有水化作用(水与矿物反应生成水合矿物,如赤铁矿变为褐铁矿)、水解作用(水电解生成的H+、OH-造成岩石破坏)。当水中含有溶质,尤其是酸性物质时,水的破坏作用就明显加强,其中最常见的是CO2溶于水形成碳酸的溶蚀作用。在地表或接近地表的条件下,岩石矿物在原地发生化学变化并可产生新矿物的过程叫化学风化作用。 化学风化作用的主要因素是氧和水溶液,其进行的方式主要有氧化作用和水溶液的作用。自然界的的水都是水溶液,它溶解有多种气体和化合物,除具有溶解、水化和水解性能,还具碳酸化作用的能力。

化学风化作用破坏了原有矿物、岩石,产生了新的矿物岩石,其最终产物只有少数几种,如残余红土、残余高岭石等。其原因在于化学风化作用过程受元素化学性质的支配,一切活泼元素都从矿物中风化出来并随水流失,只有性质稳定的元素才残留原地。右图为化学风化造成的红土型地貌。

岩石的地球化学特征是影响化学风化作用的主要因素。不同的岩石由于化学成分的不同,其化学活动性也明显不同(主要表现在原子价、离子半径、离子亲和力、化合能力和极化能力等方面),容易被氧化、溶解的岩石出露区,总是化学风化作用较为强烈的地段。同一岩石中由于不同矿物成分的差异,也会造成风化作用的差异。

有机界的作用是化学风化过程中另一个重要的因素。在坚硬的岩石表面出现生物(微生物、苔藓等)起,化学风化的作用就开始了。由于生物吸收的成分与岩石的成分有较大的差异,造成了岩石的风化。同时,生物的新陈代谢过程所产生的氧气、有机酸等物质,加速了化学风化的进程。

气候与环境同样是影响化学风化过程的重要因素。干燥炎热的气候使得氧化作用容易进行,潮湿的气候则使得溶解作用、水解作用易于发生。地形会影响气候条件,山地的垂直分带现象会影响温度风化作用和生物风化作用的进行。山的阴坡和阳坡因为日照的条件不一样,在阳坡一面通常温度风化作用较为强烈。地下水的性质特征、地球化学场、构造活动性等环境因素也都影响化学风化作用的进程。 [2] [3]

岩体化学风化在空间上具有高度的非连续性,这种非连续性广泛存在于从宏观、细观到微观的所有尺度。宏观结构面是化学风化最主要的发生场所;风化岩体内,新鲜岩块被沿结构面内法线方向发育的腐蚀带包围,呈斑点状分散于腐岩中。微缝等细观损伤普遍存在于各类岩石中;化学风化从岩块内不同空间位置的水力有效空隙向三维空间扩展,决定了细观尺度上化学风化的非连续性。矿物溶解是在晶体中具有过剩表面能的缺陷位置优先发生,因而具有显著的微观非连续性。由于非连续特性,化学风化可增大水岩界面,提升矿物溶解反应的规模及速率。通过对既有损伤的扩展及在损伤空间堆积残余物,化学风化具有分离裂化岩体、岩块及造岩矿物的重要作用,这种作用可使以新鲜岩石为主的岩体大规模脱离母岩,而堆积于坡脚的岩石块体在化学风化的继续作用下,可裂解为更小的岩屑或矿物碎屑,为向水体搬运创造条件,从而极大地促进斜坡夷平及地貌重塑进程。 [2]


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