历史地质学/化学风化
化学风化是指岩石通过化学过程分解成沉积物的过程。
不了解化学的读者可以跳过本文中的化学式，只需注意反应的结果，如以下总结部分所述。结果本身是不可跳过的：了解化学风化对于回答诸如：“为什么沙子主要由石英组成？”和“黏土来自哪里？”等基本问题至关重要。
化学风化的主要作用剂是
水。一些矿物，例如岩盐，很容易溶解在水中；其他矿物，例如辉石，也会溶解，但速度要慢得多。
碳酸。雨水和地下水不是纯水；一些水分子会与大气中的二氧化碳（雨水的情况）或细菌和植物根部产生的二氧化碳（地下水的情况）发生反应，生成碳酸，如下所示
氧气。这是一种高度活性的化学物质，大气中存在如此多的氧气，是因为生物过程不断地产生氧气，并且缺乏它尚未反应的物质。
在本节中，我们将研究一些常见矿物如何受到化学风化的影响。我们根据矿物对化学风化的敏感程度，从最敏感到最耐受的顺序排列了清单。
岩盐。当然，盐会溶解在水中。这就是为什么你不太可能在除沙漠环境以外的地方看到岩盐的原因。
石膏。与岩盐一样，石膏也溶解在水中；类似的评论也适用于它。
方解石。你应该从之前的文章中回忆起来，方解石是形成石灰石及其变质对应物大理石的矿物。它可以溶解在水中；它还会与碳酸发生如下反应
石灰石易于溶解（相对于其他矿物而言），形成了以石灰岩为基础的地区的独特地形，例如地下充满钟乳石的洞穴；地表塌陷形成的漏斗；河流消失在地下或从地下涌出成为泉水。这被称为喀斯特地形。
这也是大理石墓碑虽然外观漂亮，但不是长期的良好投资的原因。
硅酸盐矿物。对于硅酸盐矿物，我们观察到，熔点更高的基性矿物（在火成岩文章中的图表中位于右侧的那些矿物）比酸性低温矿物更容易受到化学风化的影响。这将反映在我们下面列出它们的顺序。
橄榄石。这种基性矿物的化学式为 (Mg,Fe)2SiO4。回想一下，公式中的 (Mg,Fe) 表示它是一种固溶体，其中不同数量的镁或铁可以发挥相同的化学作用。它与碳酸发生如下反应
与石灰石一样，矿物的组成部分现在完全溶解在水中，没有残留的矿物。
另一方面，铁橄榄石可以与水和大气中的氧气发生如下反应
而赤铁矿可以进一步与水发生如下反应
赤铁矿和针铁矿在水中都非常不溶：它们是残留矿物。正是这些氧化铁使许多土壤呈现红色或黄色。
辉石。典型的岩石形成辉石的化学式为 (Mg,Fe)SiO3。它可以与碳酸发生如下反应
与橄榄石类似，矿物的组成部分溶解在水中。但是，与橄榄石类似，铁辉石可以与氧气和水反应生成残余矿物赤铁矿。
同样，赤铁矿可以变成针铁矿。
云母和角闪石是长英质和中性岩石的次要成分，它们经历着更为复杂的反应。（有关云母中的黑云母和角闪石的详细信息，请参阅此处和此处。）
总之，生成的残余矿物是粘土矿物；氧化铁；以及，在黑云母的情况下，还有吉布斯石 (Al(OH)3)，它通常与粘土一起发现。
钾长石和钠长石产生残余的粘土矿物。例如，钾长石产生高岭石（以及各种溶解物质）的反应如下所示。
- 4KAlSi3O8 (钾长石) + 4H2CO3 (碳酸) + 2H2O (水) → Al4Si4O10(OH)8 (高岭石) + 4K+ (钾离子) + 4HCO3- (碳酸氢离子) + 8SiO2 (溶解石英)
由于钠在化学上几乎与钾无法区分（有关更多详细信息，请参阅地质化学一文），钾长石的反应方式类似。
石英是最稳定的硅酸盐矿物。这就是石英砂作为沉积物如此常见的原因；当火成岩的所有其他成分要么溶解要么转化为粘土时，石英颗粒会保留下来。这就是为什么没有大颗粒沙子的原因：这种颗粒的最大尺寸受到花岗岩和类似岩石中形成的石英晶体的大小限制。
但是，需要注意的是，石英砂岩容易受到化学风化的影响，因为虽然石英颗粒本身具有抵抗力，但将它们粘合在一起的矿物可能没有抵抗力。
粘土矿物对化学风化具有很强的抵抗力，因为如我们所见，它们是化学风化的产物，并且像所有矿物一样，它们在其形成条件下是稳定的。
氧化铁。如我们所见，它们是基性矿物（如橄榄石和辉石）中含铁形式的化学风化产物。我们已经注意到，赤铁矿可以通过氧化转化为针铁矿。
一旦氧化铁形成，除了转化为另一种氧化铁之外，几乎不会发生任何变化；这些被认为是所有常见矿物类别中最稳定的。
总结
[edit | edit source]化学风化完成其作用后留下的残余矿物是石英、粘土矿物、少量氧化铁，有时还有一些吉布斯石。矿物的其他成分会溶解；它们通常会被河流带到海里，在那里它们会增加海水中的溶解矿物质含量。
我们可以注意到，大多数陆地形成的沉积物实际上是石英砂、粘土或两者的混合物。这表明化学风化作用比机械风化和侵蚀作用更占主导地位。如果砂或泥只是通过花岗岩的机械破碎而产生的，那么它们将含有 60% 的长石；但事实并非如此。当我们在砂中发现任何相当数量的长石（如长石砂岩）时，我们可以推断，机械过程与化学过程的比例高于正常水平。
我们怎么知道？
[edit | edit source]化学风化过程非常缓慢，因此有理由怀疑我们是否知道它们是否真的发生了。
首先，我们知道它们应该发生。根据化学理论，在化学风化发生的条件下，上述化学方程式右侧描述的情况比左侧描述的情况更稳定；因此，所描述的反应应该发生。
我们可以加速那些在自然界中涉及弱、高稀释碳酸的反应，并用更强的东西代替它，比如盐酸 (HCl)。原则上，这唯一应该带来的区别（除了明显地用氯离子代替碳酸氢根离子之外）是，由于盐酸更容易释放氢离子，因此反应速度会更快。因此，例如，我们可以使用盐酸将钾长石转化为粘土，方法如下。
这个过程发生的足够快，我们可以观察到它正在发生。或者，为了在更自然的环境下进行实验，你可以将矿物样本埋藏在潮湿的酸性土壤中，化学风化在那里发生的最快，然后将它们放置几年，看看它们发生了什么变化；它们不会完全风化，但如果这个过程涉及一种矿物转化为另一种矿物，而不是仅仅溶解，那么化学变化可以在矿物表面观察到。
在没有任何人工干预的情况下，我们可以找到自然发生的岩石，它们似乎正在风化：例如，玄武岩等镁铁质岩石的外表面通常可以观察到生锈，这是由于铁辉石转化为氧化铁。同样，花岗岩巨石也会有风化外壳，在巨石的外侧，外部的长石部分转化为粘土，而内部的长石仍然相对完整。在热带土壤中，可以找到花岗岩巨石，其中长石已经变得如此“腐烂”成粘土，以至于可以用脚踢碎巨石。在显微镜下，长石晶体看起来会被腐蚀和坑洼。或者，如果一条公路切口或铁路切口穿过一座山（这总是让地质学家高兴的事件），那么由于靠近山顶的岩石风化程度更高，我们可以从未风化的岩石到完全风化的岩石（风化残积土）取一系列样本，就像这项研究中对黑云母风化的研究一样。
我们可以观察到风化对古老墓碑或用于建筑的石材的影响；正如你所料，这在石灰石或大理石中最为明显。在这些情况下，我们通常可以肯定，这些石头几乎没有受到仅仅由物理过程造成的损害，例如沙尘暴的磨损、潮汐作用、河流中的搬运等等。
最后，我们可以注意到，我们描述的过程解释了沉积物的性质：它们解释了为什么沉积物中有这么多石英砂和粘土；它们解释了，正如我们已经看到的那样，沙粒的大小；它们解释了构成砂岩中沙粒的胶结物的矿物的来源；它们解释了海水中的矿物的来源，这些矿物以溶解的离子形式存在。
总之：这些过程应该会发生；我们可以模拟它们发生；而我们在自然界中看到的情况正是它们发生后我们应该看到的情况。