自然环境系统学自然地理 (17).pdf
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1、风化过程风化过程风化过程风化过程使地表及一定深度的岩石发生破碎,并分解为矿物颗粒或溶于水中。风化过程包括物理风化(机械)和化学风化。它们之间相互作用,并常常以协同和共同的方式组合在一起对岩体进行风化。风化过程不包括搬运过程,只是简单地制造风化物质。风化物通过水、风、波浪、冰等动力介质(均受重力影响),进行侵蚀和搬运过程。就大多数地区而言,基岩上表面不断遭受风化作用,产生的破裂岩层就是风化层风化层(regolith)o伴随风化层连续的风化、搬运和堆积过程,形成了地表松散物质图1(a)。有些地区,风化层可能缺失或未发育,地表有未风化的基岩露头。基岩基岩或岩床是风化层风化和土壤发育的母岩,对于相对年
2、轻的土壤来说,都可以通过土壤矿物成分的相似性找到母岩源地。例如,图1(c)中沙子的颜色及特征表明它身后的母岩就是源地。火星上的沉积物同样也具有风化母质特征图1(d)。像沙粒这种未固结的碎屑物被称作沉积物,它与风化岩共同构成土壤发育的母质。图图1 风化层、土壤及其母质风化层、土壤及其母质1.风化过程的影响因子风化过程的影响因子风化过程有很多影响因子。支配风化速率的主要因子包括以下方面。l 岩石成分和构造岩石成分和构造(节理节理):风化作用很大程度上受基岩特性影响:坚硬或松软、可溶解或不可溶解、破碎或未破碎。岩石节理对风化过程很重要。节理(joints)是指岩体的破裂或裂隙,不包括裂隙两侧岩体发生
3、位移的状态(否则是断裂)。这些通常较为平坦的节理,增大了岩体的表面积,加快了物理和化学风化速率。l 气候气候:降水、温度、冻融交替是风化过程中最重要的影响因子。l 地下水地下水:地下水埋深、土壤和岩石构造内部的地下水运动,都对风化过程有影响。l 坡向坡向:坡面的地理方位,不论坡面指向东南西北哪个方向,都会对阳光、风和降水产生影响。阴坡与阳坡相比,阴坡寒冷湿润,植被较多。在中纬度和高纬度地区,坡向效应尤其显著。l 植被植被:尽管植被能使地面避免雨滴直接撞击,其根系对土壤也有固定作用;但植物腐烂后,产生的有机酸可参与化学风化。当植物根系扎入岩体缝隙中,根系产生的压力迫使岩隙张裂,为风化过程提供了更
4、大的表面空间图3(a)。你可能看到过树根使混凝土抬升和破裂,导致一部分人行道或车道被破坏。在风化过程的分析中,尺度很重要。微尺度研究揭示的是气候与风化之间一种更为复杂的关系,这与以前的观点不同。对于产生实际风化反应的岩石表面,这种小尺度的风化过程在任何气候条件下都不是单一的物理或化学过程,而是二者皆有。土壤水分(吸着水和毛管水)可激活化学风化过程,即使最干燥的景观也一样。1为了方便学习,可以把风化过程划分成几部分,但风化影响因子是共同发挥作用的,就像音乐合奏一样。就自然的复杂性而言,物理风化和化学风化过程通常是一起发生的。当然,对于风化过程中的各种因子来说,时间因子是关键,因为在风化过程中各种
5、因子的作用都是长期的。2.物理风化过程物理风化过程岩石发生破碎或崩解但未发生化学变化的过程,就是物理风化或机械风化。物理风化使岩石破碎,为化学风化作用提供了更大表面积。一块岩石破裂为八个小岩块后,其表面积增加一倍,更利于风化过程。接下来,将阐述以下三种物理风化过程:冰劈作用、结晶作用、解压节理。冰劈作用 水冻结后,体积可增加9%。这种膨胀产生的巨大机械作用力,就是冰劈作用(frost action)或称冻裂作用,这种作用力可以超过岩石抗拉强度图2(b)。水的重复冻结(膨胀)和融化(缩小)过程导致岩石碎裂。在潮湿低温气候(大陆湿润气候和亚北极气候)和极地气候环境中,冻结作用很重要,地处高原气候带
6、的高海拔山区也有冰劈作用。在北极和亚北极气候带,冰劈作用在土壤状态成因中占主导地位。图图2 物理风化的例子物理风化的例子冰的作用始于小裂口,之后裂口逐渐扩大直至岩石开裂或劈裂。图3中的岩块,就是沿节理和断裂产生的节理块状崩解。这种风化作用被称为冰楔作用(frost wedging),它将破裂的岩块挤胀分开。破裂和断裂作用塑造的岩块形态各不相同,这取决于岩体构造。图3(a)中,板状岩体下的软质支撑岩在差异风化过程中风化速度较快。2图图3 物理风化形成的节理岩块物理风化形成的节理岩块 冰劈作用在许多文明发展史中发挥着重要作用,因为它是采石作业的一种动力。在美国西部,早期的开发者在岩石上钻孔,并在钻
7、孔中灌水,然后堵住。经过几个月的寒冬,冻结的冰体使大块岩石沿钻孔所确定的网格胀裂破开;到了春天,人们就把这些岩块运到城镇用作建筑材料。冰劈作用还能破坏路面、造成水管破裂。就山区探险而言,春天可谓是一个风险期。当气温升高、冰雪融化之时,新破碎的岩块碎片会不经意地掉落下来,甚至可能引发岩体滑坡。欧洲阿尔卑斯山的这种报道很多,而且有增加趋势。掉落的岩块可能会在碰撞中造成物理性粉碎另一种3形式的物理风化(岩崩,图4)。图图4 岩崩岩崩 盐晶作用(盐风化)尤其是干旱区,干燥天气使水分积聚于岩体表面。水分蒸发时,水中溶解的矿物就会造成晶体生长结晶析出。随着时间的推移,晶体增长膨胀所施加的作用力足以使单个矿
8、物颗粒分离而导致岩石崩解。这种盐晶增长(或晶体析出)也是物理风化的一种方式。在美国西南部的科罗拉多高原,咸水缓慢地从岩层中流出。当咸水蒸发时,盐的晶体析出造成砂粒松散;之后,又经水力和风力的侵蚀搬运完成了整个地形的塑造过程。砂岩崖壁上发育有很深的凹槽,尤其是不透水岩层(如页岩)上面的砂岩。1000多年以前,美国原著居民将整个村庄修建在风化的崖壁龛中,包括科罗拉多州的梅萨维德和亚利桑那州的谢伊峡谷(图5)。4图图5 砂岩砂岩的物理风化的物理风化解压节理 在高压作用下,地下深层岩浆是怎样上涌形成了深成岩体火成侵入岩?这些深成岩体是岩浆缓慢冷却所形成的粗晶粒花岗岩。伴随由此导致的地壳抬升,上覆风化层
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