高中地球科学/风化

课程目标

定义物理风化和化学风化。
讨论风化作用的因素。
举例说明每种风化类型的例子。

什么是风化？

风化是将固体岩石转变为沉积物的过程。地质学家用沉积物这个词来描述所有不同大小的岩石颗粒。沉积物包括非常大的岩石块，如巨石或砾石，但也包括沙子以及更小的颗粒，称为粉砂和粘土。在风化过程中，岩石被分解和腐蚀。化学成分发生分解，岩石的分解发生在岩石被分解成碎片时。一旦碎片从岩石中分离出来，侵蚀就是将这些碎片移动的过程。重力是岩石碎片移动的一种方式，因为破碎的岩石碎片从高处坠落或翻滚到低处。重力导致大小不一的碎片从悬崖上坠落，以及河流和溪流中的水从山顶流向海洋。风和冰川也会将岩石碎片从一个地方移动到另一个地方。风将沙子大小及更小的岩石碎片带到空中。冰川可以移动各种大小的颗粒，从非常大的巨石到最小的碎片。

风化发生在地球表面。大多数岩石的形成是在非常高的温度和压力下形成的。这与地球表面低温低压的环境大不相同。当岩石到达地球表面时，风化会导致它们发生形态变化。新的形态将包括在地球表面低温低压下稳定的矿物质。因此，虽然地球上强大的力量，例如那些来自板块构造的力量，正在努力建造像喜马拉雅山脉这样的巨大山脉或像富士山这样的雄伟火山，但风化的力量逐渐磨损岩石，将曾经高耸的山脉变成丘陵，甚至平原。北美东海岸的阿巴拉契亚山脉曾经和喜马拉雅山脉一样高！那么发生了什么事呢？

没有人能目睹数百万年山脉的缓慢形成，也无法目睹这些山脉的逐渐消亡。但是，您可能已经能够骑自行车或走在一条全新的路边或路上。你的体验是什么？新的道路或路边光滑平坦。如果建造得当，就不会有任何裂缝或颠簸。光滑的表面会一直保持那样吗？当然，数百万年后，它将完全消失，但我们不必等那么久。如果您生活在冬天寒冷的地区，您可能只需要等一年就能看到变化。接下来我们将讨论哪种风化作用将这条全新的、光滑平坦的路边变成了粗糙或有裂缝、有裂缝或有隆起的地方（图 9.1）。

物理风化

物理风化（也称为物理风化）是岩石分解成更小碎片的过程。这些更小的碎片将与较大的岩石完全相同，只是碎片更小。这意味着岩石在没有改变其成分的情况下，在机械上（或物理上）发生了变化。较小的碎片将具有相同的矿物质，比例与原始岩石完全相同。你实际上可以用“从旧块上切下一块”这句话来描述物理风化！物理风化的主要因素是水、风、冰和重力。您将看到这些因素如何将岩石分解成更小的碎片。

岩石可以分解成更小碎片的主要方法有两种。在寒冷气候中最常见的方法称为冰劈作用。冰劈作用是任何定期循环在冰点以上和以下的气候中的主要物理风化形式（图 9.2）。发生这种情况的一些地方包括地球的两极地区和中纬度地区。它也发生在较高海拔的较冷气候中，如山区。

**图 9.2**：水渗入岩石的裂缝和断裂中。当它结冰时，它会膨胀，从而将岩石分开。

这是它的工作原理。当水从液体变成固体（冰）时，它的体积会增加。这是一个非常不寻常的特性。大多数物质在从液体变为固体时会收缩（变小），但水却恰恰相反。如果您曾经将装满水的冰块托盘一直装到顶部然后放入冰箱，您可能已经体验过这种现象。冰块将比您最初放入的水量大得多。您可能还犯过将您喜欢的苏打水放入冰箱中快速冷却的错误。如果您将饮料在冰箱中放的时间过长，它会膨胀到足以弯曲或爆开罐头。冰劈作用发生的原因相同。水渗入岩石的裂缝和断裂中，然后在水结冰时膨胀。冰占用的空间比水更多，这会将岩石分开，将岩石物理地分解成碎片。冰劈作用会迅速将大量的岩石分解，在每天夜间和白天都超过和低于冰点的地区，以及在随季节循环的地区，大量岩石会被分解。冰劈作用会很快将大量的岩石分解。在每天夜间和白天都超过和低于冰点的地区，以及在随季节循环的地区，大量岩石会被分解。

磨蚀作用是另一种物理风化形式。磨蚀作用可以在任何地方发生。需要的只是岩石与另一块岩石碰撞。当岩石沿着山坡或悬崖翻滚时，重力会导致磨蚀作用。当水中携带的颗粒碰撞并相互碰撞时，流动的水会导致磨蚀作用。强风可以拾起沙粒，用这些沙粒冲击表面。最后，冰川中的冰携带着许多岩石碎片。当冰川移动时，嵌入冰中的岩石碎片会刮擦下面的岩石。沿着山间溪流翻滚的破碎岩石或被拍打到海岸上的海浪来回抛掷，由于磨蚀作用，它们的尖锐或锯齿状边缘会被磨平并变得圆滑。如果您曾经收集过海滩玻璃或溪流中的鹅卵石，那么您就受益于磨蚀作用。

科学家谈论了几种其他的物理风化类型，但冰劈作用和磨蚀作用是最重要的两种类型。如果没有这两种物理风化类型，很少有岩石会分解，这也会减缓化学风化的速度。有时，生物元素可以完成物理风化的工作。这可能发生在植物的根系逐渐生长到岩石的裂缝或断裂中，并逐渐变大，将裂缝撑开。穴居动物在挖掘食物或为自己创造生活空间时也会分解岩石。当然，如今人类在建造房屋、道路、地铁或开采用于建筑或其他用途的石材时，经常会进行物理风化作用。

实际上，每当发生物理风化时，它都会加速化学风化的速度。这是因为当岩石分解成更小的碎片时，碎片的表面积会增加（图 9.3）。由于暴露了更多的表面，化学风化发生的场所也更多了。假设您想在寒冷的一天喝一些热巧克力。您可以想象将一大块巧克力溶解在牛奶或热水中是多么困难。也许您可以用一些更小的巧克力块，比如巧克力片，来制作热巧克力，但将粉末添加到牛奶中要容易得多。这是因为碎片越小，它们的表面积就越大，越容易溶解在牛奶中。

化学风化

地球表面发生的另一种重要风化类型是**化学风化**。化学风化与机械风化不同，因为这种风化类型会改变岩石的成分，而不仅仅是改变岩石碎片的大小。这意味着一种矿物会变成另一种矿物。化学风化发生的原因是，大多数矿物在地球深处的高压或高温下形成。当岩石到达地球表面时，它们现在处于非常低的温度和压力下。这与它们形成时的环境截然不同。地球表面的环境如此不同，以至于这些矿物不再稳定。这就是化学风化的开始。在地球深处形成的矿物必须转变为在地球表面稳定的矿物。化学风化很重要，因为它开始了将固体岩石转变为我们种植食物所需的土壤以及我们需要的用于衣物和药物的植物的过程。化学风化的运作方式是通过导致岩石发生变化的化学反应。

化学风化的类型很多，因为化学风化的媒介很多。您可能还记得机械风化是由多种媒介引起的，例如水、风、冰和重力。好吧，水也是化学风化的媒介，所以它是一个双重媒介！化学风化的另外两个重要媒介是二氧化碳和氧气。我们将逐一讨论这些媒介。

构成地球大部分地壳的矿物被称为硅酸盐矿物。这些矿物主要由八种元素组成：氧 (O)、硅 (Si)、铝 (Al)、铁 (Fe)、镁 (Mg)、钙 (Ca)、钾 (K) 和钠 (Na)。当发生化学风化时，构成矿物的元素会发生反应形成新的矿物。在最低温度和压力下形成的矿物（最接近地球表面的情况）最稳定，而从非常热的岩浆或在非常高的压力下形成的矿物最不稳定。钠、钙、钾和镁实际上很容易溶解在水中。铁与氧气发生反应，留下硅、氧和铝原子结合形成新的矿物，如粘土矿物。

水是一种奇妙的分子。它有一个非常简单的化学式 H₂O，这意味着它仅由两个氢原子与一个氧原子键合而成。尽管它很容易记住，但就它能做的一切而言，水还是相当非凡的。水是一种极好的溶剂。水分子结合的方式使水能够吸引许多其他元素，将它们从它们的化合物中分离出来并溶解它们。水是一种如此好的溶剂，以至于某些类型的岩石实际上可以完全溶解在水中。其他矿物通过将其结构中加入水而发生变化。

**水解**是矿物与水之间的化学反应。当此反应发生时，水本身会分离成离子。这些离子会抓住其他离子，将它们溶解在水中。随着溶解的元素被带走，我们说这些元素已经被**淋溶**了。通过水解，像钾长石这样的矿物会转变为粘土矿物。一旦粘土矿物形成，它们就会在地球表面稳定下来。

二氧化碳 (CO₂) 在雨滴穿过大气中的空气时与水结合。这会形成一种弱酸，称为碳酸。这种情况经常发生，以至于碳酸是一种在自然界中很常见的弱酸。这种酸会溶解岩石。它还会缓慢地改变新车的油漆或侵蚀雕塑和纪念碑。当我们向空气中添加污染物时，正常情况会变得更糟。每当我们燃烧任何化石燃料时，它都会向空气中添加氧化亚氮。当我们燃烧富含硫的煤炭时，它会向空气中添加二氧化硫。当氧化亚氮和二氧化硫与水发生反应时，它会形成硝酸和硫酸。这是酸雨的两个主要成分。酸雨加速了化学风化。

**氧化**是当氧气与地球表面的元素发生反应时发生的化学反应类型。氧气在化学上具有很强的反应活性。您可能最熟悉的一种氧化类型是当铁与氧气发生反应时会产生锈蚀（图 9.4）。许多矿物富含铁。当铁氧化时，它们会分解，形成新的化合物。氧化铁会使土壤呈现红色。植物和动物也会导致化学风化。当植物根部吸收可溶性离子作为养分时，某些元素会发生交换。植物根部和细菌腐烂在呼吸过程中会使用二氧化碳。

差异风化

风化速率取决于多种因素。不同类型的岩石的风化速率不同。某些类型的岩石，如花岗岩，非常耐风化。岩浆岩往往风化缓慢，因为水很难渗透到其中。其他类型的岩石，如石灰岩和大理石，很容易风化，因为它们很容易溶解在弱酸中。更耐风化的岩石会保留在地表并形成山脊或丘陵。怀俄明州的魔鬼塔是一个有趣的例子，说明了不同类型的岩石的风化速率不同（图 9.5）。随着周围岩石的较软物质被磨损，火山中心的坚硬部分仍然存在。不同的矿物也会以不同的速度风化。有些矿物会完全溶解在水中。随着耐风化性较差的矿物溶解，岩石表面会变得坑坑洼洼，变得粗糙。当耐风化性较差的矿物溶解时，耐风化性较强的矿物颗粒会从岩石中释放出来。

最重要的是，一个地区的氣候会影响风化。氣候由一个地区的温度加上它接收的降雨量决定。随着降雨量的增加，溶解速率和化学反应的数量也会增加。一般来说，随着降雨量的增加，风化程度也会增加。请记住，水是机械风化和化学风化的媒介，因此当没有水可用时，风化速率会大大减慢。干尸和冰冻是两个令人惊叹的保存例子。这两种情况都发生在没有液态水的情况下。因此，干燥的气候会产生最低的风化速率，其次是极冷的气候，无论它接收的降雨量是多少。最高的风化速率会发生在潮湿且温暖或炎热的气候中。随着一个地区温度的升高，化学反应速率也会增加。每升高 10°C 的平均温度，化学反应速率就会翻倍。气候越温暖，它拥有的植被类型就越多，生物风化速率就越大。这是因为植物和细菌在较温暖的温度下生长和繁殖得更快。如果你想记住这些例子，想想如果你想让你的三明治保存一段时间，你会把它放在哪里。它在你的午餐盒里会坏得有多快？如果你想保存从杂货店买来的食物一个星期或更长时间，你会把它放在哪里？

有些资源实际上是通过风化的作用来为我们集中的。在热带气候中，强烈的化学风化会带走所有可溶性矿物，只留下溶解性最差的成分。氧化铝，铝土矿就是这样形成的，是我们生产铝的主要矿石来源。流动的水的作用也可以浓缩较重的矿物，如金。这个过程推动了 1800 年代北美西部淘金热。

课程总结

机械风化将现有的岩石分解成更小的碎片，而不会改变岩石的成分。
冰劈和磨蚀是机械风化的两个重要过程。
机械风化的主要媒介是流动的水、风、冰川冰和重力。
化学风化会分解或分解现有的岩石，形成在地球表面稳定的新矿物。
水、二氧化碳和氧气是化学风化的重要媒介。
不同类型的岩石的风化速率不同。更耐风化的岩石会保留更长时间。

复习题

说出两种机械风化类型。解释每种类型如何分解岩石。
化学风化的三种媒介是什么？分别举一个例子。
哪种气候类型最有可能产生最大的风化程度？解释一下。
光滑均匀的表面比不均匀、破碎的表面风化得更快吗？
哪种岩石最适合用来建造纪念碑？

词汇表

磨损: 一种机械风化作用，发生在岩石相互撞击的时候。
化学风化: 一种分解岩石的风化作用；在高温高压下形成的矿物会转变为在地表稳定的矿物。
侵蚀: 风化物质被水、风、冰或重力搬运的过程。
水解: 矿物与水之间的化学反应，其中氢离子或氢氧根离子取代矿物中的阳离子。
冻融风化: 一种机械风化作用，发生在水结冰时膨胀，将岩石楔开。
淋溶: 溶解的矿物质被带到土壤中较低层的过程。
物理风化: 一种使岩石破碎的风化作用；较大的岩石被分解成更小的碎片，其成分与原始岩石相同。
氧化: 一种化学风化作用，其中氧气与元素发生反应；发生在原子或离子失去电子时。
沉积物: 风化岩石的碎块；最大的碎块是砾石或卵石，然后是沙子、粉砂和黏土大小的颗粒。

思考点

除了岩石之外，还有哪些类型的表面受到风化的影响？
如果地球上没有风化作用，地球表面会是什么样子？
你认为如果没有水溶解元素，你今天还会活着吗？
在三个截然不同的气候中，相同成分的岩石会以相同的方式风化吗？

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