土壤学课件：第二章岩石风化和风化类型.ppt

第二章 岩石风化和风化类型内容提要l 三种风化作用类型l 影响风化作用因素l 风化产物三种类型l土壤形成的五大因素l土壤形成实质第一节 风化作用（风化过程）地表的岩石在大气和水的联合作用以及温度变化和生物活动影响下，所发生的一系列崩解和分解作用岩石发生风化作用的原因岩石处在它生成的环境条件下是稳定的（处于一种平衡状态），但条件发生变化，为了适应新的环境，必然发生变化，以达到适应新环境的新平衡这种变化是慢长的，如果环境不断发生变化，则岩石或风化物可能一直在变化一、风化作用的概念一、岩石风化作用的类型 （一）物理风化 岩石发生疏松、崩解等机械破坏过程，只造成岩石结构、构造的改变，一般不引起化学成分的变化的过程称为物理风化见下图）岩石的层状剥落示意图寒裂风化风化作用引起物理风化作用的因素很多，主要有： 冰劈作用 进入岩石裂缝中的水反复融化与冻结，对岩面产生劈裂作用而引起 风和流水的作用 主要风和流水把岩石表层剥落的碎屑吹走、冲走及磨蚀 热力作用 岩石受热后引起表层和内部热胀冷缩不同引起球状风化冰劈作用 冰川作用 冰川底部和两侧的岩石会受到冰川的压力和磨蚀作用而破碎 卸荷作用 指由岩石卸荷释重而引起的剥离作用。

在花岗岩分布区最为常见 玉龙雪山冰川槽（二）化学风化作用l岩石和矿物在大气，水及生物的相互作用下发生的化学成分和矿物组成的变化，称化学风化引起化学风化作用的主要因素有l 溶解作用 指岩石矿物溶解于水的作用 水化作用 指水分子与矿物化合生成含水矿物的化学作用 水解作用 指矿物与水发生反应而分解的作用 氧化作用 岩石中的很多矿物都能被自然界的氧氧化生成新矿物 碳酸化作用 碳酸与岩石中的金属离子发生反应形成碳酸盐的作用称之为碳酸化作用这种现象在石灰岩地区最为常见1）溶解作用 水是一种极性溶剂，岩石中的矿物都是无机盐， 虽然占绝大部分的硅酸盐和铝硅酸盐矿物溶解度很小， 但很大的地质年代中，水溶解的规模是相当大的， 况且地表的水常常溶有CO2、NO2以及有机酸等， 这样大大提高了水的溶解能力风化作用（2）水化作用 指无水矿物与水结合成为含水矿物的作用 CaSO42H2O CaSO4.2H2O2Fe2O33H2O 2Fe2O3.nH2O 赤铁矿 褐铁矿 风化作用（）水解和碳酸化作用水解2KAlSi3O83H2O Al2Si2O5(OH) 4SiO22KOH 钾长石 高岭石碳酸化水解作用2KAlSi3O8CO22H2O AlSi2O5(OH)4SiO2K2CO3 CO2溶于水时，对碳酸盐的溶解力，较纯水增强几十倍。

水解和碳酸化作用的实质，矿物中的盐基离子被子氢离子取代风化作用 CaCO3 H2CO3 Ca(HCO3) 2 溶解度很低 溶解度较高 平衡的变化：(1)当CO2充足时，且有一定的湿度，平衡一直向右(2)当湿度较小，Ca(HCO3) 2脱水并放出CO2，平衡向左进行H2O+CO2)石笋石灰岩的风化风化作用自然界的许多石灰岩溶洞不断地进行着以上反应， 形成千姿百态的地如石笋、石钟乳、石柱、石林等，（）氧化作用 空气中的氧在有水的条件下，氧化能力很强2FeS22H2O7O2 FeSO42H2SO4湿润的条件下含铁、硫的矿物（含变价元素）普遍地进行着氧化过程深色矿物（因含二价铁）容易风化风化作用（三）生物风化作用 岩石和矿物在生物影响下发生的物理和化学变化称生物风化作用生物风化作用主要有两个方面：生物的机械破碎作用 由生物的生命活动引起的岩石机械破碎作用(物理风化)例如：根劈作用（图）微生物、植物根系、动物等，在岩石风化初期主要是低等生物如细菌、真菌、 地衣等根 劈 作 用根劈作用生物的化学分解作用 有些生物在生命活动中靠分泌酸类物质分解岩石，从中吸取营养物质上述3种风化类型之间相互影响，相互联系,只是在不同的外界条件下各有侧重。

风化作用实质上表现为一系列崩解和分解风化作用崩解：岩石由大块变成碎块，再渐变成细粒，其形状和大小改变了，但化学成分不发生变化 自然界中，三种风化作用通常是联合进行与相互助长的， 划分它是为了讨论方便物理风化化学风化分解：岩石风化过程中化学成分发生变化生物风化1. 内因（岩石的性质）岩石本身的性质以及组成岩石的矿物纯度影响着风化的速度和强度 组成岩石的矿物成分和性质岩石的结构 岩石的构造岩石特征有无层理、片理结构及垂直节理等二、影响风化作用强弱的因素（1）组成岩石的矿物成分和性质 组成岩石的矿物颜色、颗粒大小 组成岩石的矿物的化学结构 即稳定性 注：在外界环境条件大致相同的情况下，常见的各种矿物抗风化的稳定性顺序如下：石英白云母正长石斜长石黑云母角闪石辉石橄榄石（结合矿物结晶顺序图）影响因素（）岩石的结构隐晶或等粒细粒的稳定性大于等粒粗粒或斑状（物理风化） 但是一当岩石破碎崩解，细粒由于表面积大，容易受到水、空气、CO2等化学物质作用而发生化学风化岩石的构造坚硬而致密结构的岩石，比疏松多孔的岩石抗风化能力强，有层理、片理、节理和裂隙的岩石，水分、空气容易侵入而引起风化影响因素岩石的形成环境与所处环境差别越大越容易风化。

l岩浆岩、变质岩主要是在高温高压下形成的，在 地表极易风化；l沉积岩抗风化能力比岩浆岩等强；l花岗岩、片麻岩露头多呈疏松分解状态；l砂岩露头则常常保持良好影响因素总 结2. 外因（岩石所处的环境条件） （1）气候 ：控制风化作用的类型和速度 a.极地气候区 b.沙漠干旱气候区 c.温带湿润气候区 d.热带炎热气候区（2）地形和植被：地形可影响风化作用的速度、 深度及风化产物的堆积厚度和分布状况影响因素土壤矿物风化强度指数1）原理 土壤矿物质脱盐基，脱硅，富铁铝化的程度，可表明其分解迁移的强度2）矿物风化程度的量度指标：土壤学中采用土体中某些化学元素被淋溶的程度来表示风化强度l硅铁铝率：即SiO2/R2O3摩尔数比率该值小，表明脱硅富铝化过程强l迁移系数：Km=（任一土层的x/AI2O3）/（母质（岩）层中x/AI2O3 ） x代表K、Ca、Na、Mg、Fe等元素 Km小于1表示该元素在该土层有淋溶，反之有富集 以AI2O3 为标准是因其为土壤中最为稳定的的化合物3土壤矿物风化强度指数l风化指数：Jackson按矿物在环境中的稳定度由小到大划分为13级，称为稳定指数风化指数标准矿物矿物类型稳定度出现土层备注1石膏原生矿物易溶存在于未风化层矿质 养分结晶2方解石3橄榄石辉石风化快存在于弱风化幼年土层具有丰富的矿质 养分4黑云母5长石6石英风化缓慢正常土壤中之黏土矿物矿质 养分以交换吸附态存在7伊利石次生矿物8蛭石9蒙脱石10高岭石11三水铝石风化极为缓慢热带 极古老土壤矿质 养分贫乏12赤铁矿13锐钛矿次生矿物l原生矿物在风化和成土过程中新形成的矿物称为次生矿物，它包括简单盐类、次生氧化物和铝硅酸盐类。

它们是土壤矿物中最细小的部分，具有活动的晶格、呈现高度分散性，并具有强烈的吸附代换性能、能吸收水分和膨胀，因而具有明显的胶体特性，又称为黏土矿物如图2-4、 2-5、2-6、2-7、2-8所示3次生矿物l许多次生矿物是在原生矿物分解过程中，因晶体结构尚未完全解体而降解形成的新矿物一个系列为：l具体分解过程见下图 吸水脱钾脱钾脱硅正长石水化云母蒙脱石高岭石彻底分解铁铝氧化物3图2-4 不同地理环境中次生矿物形成的一般模式次生矿物的类型类型形成过程矿物名称分布易溶盐类原生矿物脱盐基土壤溶液中易溶盐析出碳酸盐、重碳酸盐、硫酸盐、氯化物干旱半干旱区和大陆性季风气候区及滨海次生氧化物类原生矿物脱盐基、水解和脱硅形成二氧化硅氧化铝氧化铁、氧化锰酸性介质SiO2聚凝高湿高温风化高湿高温潴育次生铝硅酸盐原生矿物化学风化基本构造单元：硅氧四面体和铝氧八面体AI2O32SiO22H2OAI2O34SiO22H2O+nH2OOH4Ky（AI4Fe4）Mg4Mg6（Si8-yAIy）O20硅铁铝率2，氢健硅铁铝率4硅铁铝率4 在相同的外界条件下，不同的矿物和岩石表现出风化的难易程度不同，这是由于矿物、岩石本身内在的化学组成、结晶构造不同而造成的。

地壳岩石中最普遍的矿物是原生硅酸盐类和石英，它们的化学结构中的基本单位是硅氧四面体第二节 矿物岩石的成分、结构及其稳定性37 （一）层状硅酸盐粘土矿物1. 层状硅酸盐矿物的晶体构造颗 粒晶 层晶 片基本结构单元基本结构单元有：u 硅氧四面体u 铝氧八面体图2-5 铝硅酸盐类矿物的基本结构单元示意图 3图2-6 铝硅酸盐类矿物的基本结构单元示意图 340 Si OAlOH41 硅氧片铝氧片 硅氧四面体的联结主要有以下几种类型：（一）岛状结构 （二）单链结构 （三）双链结构 （四）层状结构 （五）架状结构3 这种四面体相互联结的程度与矿物的稳定性有密切关系从硅氧四面体的联结程度来看，矿物稳定性大小，即风化难易的次序是：架状结构 层状结构 双链结构 单链结构 岛状结构（石英、长石）（云母、滑石） （角闪石） (辉石) （橄榄石）3 总的来看，矿物抵抗风化的能力和稳定性的大小，主要和四面体的连接程度、盐基性强弱四面体与铝氧四面体的相对含量有关原生硅酸盐矿物稳定性的实际情况和上述原一致的 3图2-2 土壤矿物的风化及稳定性序列图 3粘土矿物的构造特征l层状铝硅酸盐的基本构造单元为硅氧四面体和铝氧八面体，二者组合为l1：1型、l2：1型l2：1：1型，l从而使土壤在性质上表现出极大的差异。

1：1型粘土矿物的构造示意图由于硅片和铝片都带有负电荷，不稳定，必须通过重叠化合才能形成稳定的化合物 1:1型单位晶层由一个硅片和一个铝片构成 2：1型粘土矿物的构造图2:1型单位晶层由两个硅片夹一个铝片构成 2：1：1型粘土矿物的构造图2:1:1型单位晶层在2:1单位晶层的基础上多了一个八面体片水镁片或水铝片， 4、同晶替代 指硅酸盐矿物的中心离子被电性相同、大小相近的其它离子所代替而矿物晶格构造保持不变的现象 发生同晶替代后，硅酸盐矿物产生负电荷 (二) 硅酸盐矿物的种类 1、高岭(石)组(Kaolinite ) 包括高岭石、埃洛石、珍珠陶土等 特点： (1) 1:1型 单位晶胞（层）化学式：Al4Si4O10(OH)8 SiO2/Al2O3=4/2=2 硅铝铁率：土壤粘粒部分的SiO2和Fe2O3、Al2O3（R2O3）含量的分子比 硅铝率：土壤粘粒部分SiO2和Al2O3的分子比 硅铁率：土壤粘粒部分SiO2和Fe2O3的分子比 例：某土壤粘粒部分SiO2含量为41.89%，Al2O3含量33.27%，Fe2O3含量11.85%，计算其硅铝铁率、硅铁率解： 41.89 33.27 SiO2的分子含量 0.698 Al2O3的分子含量 0.326 60 102 11.85 SiO2 0.698 Fe2O3的分子含量 0.074 1.75 160 R2O3 0.326+0.074 硅铝铁率可以反映土壤母质的化学风化程度 硅铝铁率还可以反映土壤的成土过程和保肥能力 (2) 膨胀性小 晶层间距约0.72nm,硅片和铝片之间存在氢键 (3) 电荷数量少 同晶替代极少 (4) 颗粒较大（有效直径0.22m） 可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性弱 2、蒙脱石组(Montmorillonite) 包括蒙脱石、绿脱石、蛭石等 特点： (1) 2:1型 单位晶胞的理论化学式：Al4Si8O20(OH)4nH2O 蒙脱石理论硅铝率SiO2/Al2O3=8/2=4 (2) 膨胀性大 晶层以分子引力联结，晶层间距： 蒙脱石0.962.14nm 蛭石0.961.45nm (3) 电荷数量大 同晶替代现象普遍 (4) 颗粒较细，呈片状 可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性显著，对耕作不利 蒙脱石在我国北方土壤分布较广，蛭石分布在风化不太强而排水良好的土壤中 3、水化云母(伊利石)组(Hydromica)（又称2 :1型非膨胀性矿物） 特点： (1) 2 :1型 单位晶胞化学式： K2(AlFeMg)4。