01 风化与剥蚀作用——沉积岩的形成过程-备战高考地理之探讨大学地理知识

这是一份01 风化与剥蚀作用——沉积岩的形成过程-备战高考地理之探讨大学地理知识，共9页。试卷主要包含了沉积岩的形成过程等内容，欢迎下载使用。
风化与剥蚀作用——沉积岩的形成过程1暴露在地壳表部的岩石，在地球发展过程中，不可避免地要遭受到各种外力作用的剥蚀破坏，经过破坏而形成的碎屑物质在原地或经搬运沉积下来，再经过复杂的成岩作用而形成岩石，这些由外力作用所形成的岩石就是沉积岩。沉积岩的物质主要来源于先成岩石(无论是火成岩、变质岩和先成的沉积岩)风化作用和剥蚀作用的破坏产物，包括碎屑物质、溶解物质和新生物质；除此还包括生物遗体、生物碎屑以及火山作用的产物。这些物质在低洼的地方沉积下来，总称为沉积物。各种沉积物最初都是松散的，经过漫长的时代，上覆沉积物越来越厚下边沉积物越埋越深，经过压固、脱水、胶结等成岩作用，逐渐变成坚固、成层的岩石。现在未胶结的较新的松散沉积物，也包括在广义的沉积岩范畴之内。沉积岩是在地壳发展过程中，在外力作用支配下，形成于地表附近的自然历史产物。地表环境十分复杂(如海陆分布、气候条件、生物状况等)，同一时代不同地区或同一地区不同时代，其地理环境往往不同，从而所形成的沉积岩也互有差异，各种沉积岩都毫无例外地记录下当时的地理环境信息。因此，沉积岩是重塑地球历史和恢复古地理环境的重要依据。按质量计，沉积岩只占地壳的5%，但因沉积岩覆盖于地壳表层，分布十分广泛。因此，在大陆部分有75%的面积出露沉积岩，而在大洋底则几乎全部为新老沉积层所覆盖。沉积岩层中蕴藏着煤、石油、铁、锰、铝土、磷、石膏、盐、钾盐、石灰岩等矿产资源。特别是盐类矿产和可燃有机能源矿产几乎全部蕴藏在沉积层中。一、沉积岩的形成过程沉积岩的形成过程一般可以分为先成岩石的破坏(风化作用和剥蚀作用)、搬运作用、沉积作用和硬结成岩作用等几个互相衔接的阶段。但这些作用有时是错综复杂和互为因果的，如岩石风化为剥蚀创造条件，而风化层被剥蚀后又为新鲜岩石的继续风化提供条件；风化、剥蚀的产物是搬运作用的物质对象，而岩石碎屑在搬运过程中又可作为进行剥蚀作用的“武器”；物质经搬运而后沉积，而沉积物又可受到剥蚀破坏重新搬运，如此等等，不一而足。现将各阶段分别叙述如下。(一)先成岩石的破坏引起岩石的破坏有风化作用和剥蚀作用。1.风化作用暴露于地表或接近地表的各种岩石，在温度变化、水及水溶液的作用大气及生物作用下在原地发生的破坏作用，称为风化作用。风化作用使地壳表层岩石逐渐崩裂、破碎、分解，同时也形成新环境条件下的新稳定矿物。风化作用是破坏地表和改造地表的先行者，是使地表不断变化的重要力量，是沉积物质的重要来源之一。(1)风化作用的类型:一般分为物理风化作用、化学风化作用和生物风化作用等3种类型。①物理风化作用是指地表和靠近地表岩石因温度变化等在原地发生机械破坏而不改变化学成分、不形成新矿物的作用。这种作用又称机械风化作用。物理风化作用的方式主要有温差风化、冰冻风化、层裂等。温差风化日夜和季节温度变化可使岩石膨胀和收缩。岩石是热的不良导体，在白天受阳光曝晒，温度增高，表面体积膨胀，但内部很少受到热力的影响；夜间，当岩石表面逐渐冷缩，内部却因受到白天传导进来的热力影响而膨胀。如此经常不断地表里不均地膨胀与收缩，一方面产生垂直岩石表面的裂隙，另一方面产生平行岩石表面的裂隙，彼此脱离，层层剥落，岩石就破碎了(图3-64,图3-65)。冰冻风化填充于岩石裂隙和孔隙中的水分因冰冻使岩石机械破碎，称为冰冻风化。实际上这也是由温度变化间接使岩石破碎的现象。在高寒、高山及季节变化显著的地区，常在一年或一日之内，发生冰冻及解冻现象。水结冰以后体积约增加1/11，在裂隙和封闭孔隙中可产生巨大的压力(960kg/ cm2)，从而可以撑开和扩大裂隙；气温上升，冰融成水，继续向裂隙深处渗透。这样一冻一解，反复进行，足可把岩石劈开崩碎，因此裂隙中的冰冻作用犹如一把砍石利斧，故亦称为冰劈作用。层裂作用——位于地下深处的岩石，因承受上覆岩石的巨大静压力，处于坚实致密状态。这种岩石随着上覆岩石被剥蚀而出露地表，重负顿释，体积膨胀，因而可产生平行于地表的裂隙，称为卸荷裂隙；如果是具有层理的沉积岩石，层与层之间也可张开。这样，便助长了岩石的机械破碎。这种现象称为层裂作用。化学风化作用是指地表和接近地表的岩石因与水溶液、气体等发生化学反应而在原地不仅改变其物理状态，而且也可改变其化学成分、发生化学分解，并可形成新矿物的作用。水是引起化学风化作用的重要因素，特别是在水中溶有CO2、O₂等气体成分，其作用便更加显著。化学风化作用主要有以下方式:溶解作用水在自然界普遍存在，水与岩石相遇，其中的一些矿物可以溶解。矿物溶解的难易主要决定于矿物的溶解度，因此矿物分易溶矿物和难溶矿物。一般说来，其难易顺序如下:K、Na等的氯化物>Ca”、Mg等的氯化物和硫酸盐>Ca*、Mg等的碳酸盐>Fe*、AI、Si**等的氧化物和硅酸盐。若以常见造岩矿物论，其溶解度大小顺序如下:方解石>白云石>橄榄石>辉石>角闪石>斜长石>钾长石>黑云母>白云母>石英。矿物的溶解度除与矿物本身的化学组成有关外，还与水温、压力、CO2含量、pH等有关。岩石受到溶解作用、其中易溶矿物随水流失，而难溶矿物则残留原地，同时岩石中孔隙增加，变得松散软弱，为进行物理风化作用提供了有利条件。水化作用又称水合作用，即物质与水相结合的作用。如矿物与水作用，水可以直接参加到某些矿物中去，形成结晶水，产生新的含水矿物，例如硬石膏(CaSO4)变成石膏(CaS·2HO)、赤铁矿(Fe)变成褐铁矿(FeO[OH]·nHO)等。同时水化作用形成的新矿物，往往体积膨胀，对周围岩石产生很大压力(如硬石膏变成石膏，体积可增大30%)，从而引起岩石的机械破碎。水解作用即矿物与水相遇，引起矿物分解并形成新矿物的作用。由于水中常有一部分水分子离解成H及OH离子，从而使水成为具有活泼离子，化学活动性很强的溶液。各种弱酸强碱或强酸弱碱的盐类矿物溶于水后也出现离解现象，其中离解物可与水中的H或OH离子发生化学反应。如矿物中的K*、Na*、Ca*、Mg*等阳离子很容易被水中的OH离子夺取结合，原矿物被分解破坏，同时又形成一些新的矿物。如钾长石在水解作用下，一方面形成KOH溶液(K与OH结合)随水流失，一方面析出SiO2胶体或随水流失，或胶凝形成蛋白石(SiO2·nHO)，其余部分则可形成难溶的高岭石残留于原地。这只是一个例子，实际上各种硅酸盐类、其他盐类都可在水解作用下发生分解和产生新的矿物。碳酸化作用自然界基本没有纯水，水中常含有各种酸类(碳酸、硫酸、硝酸等)，可加速对各种岩石的破坏作用。特别是含有碳酸的水对岩石的破坏作用更为普遍。例如，碳酸盐在含有CO₂的水中，就会转变为重碳酸盐，其溶解度比碳酸盐大十几倍到几十倍。又如，水中溶有CO2，与水结合形成碳酸，其碳酸根CO3极易与矿物中的K、Na、Ca、Mg等阳离子化合成易溶碳酸盐类，从而使矿物的离解能力增加、加速化学反应过程。仍以钾长石为例，其中K与CO3化合成 K2CO3随水流失，析出的部分SiO2胶体或随水流失或胶凝成蛋白石，同时形成的难溶的高岭石则残留于原地。这一过程比起前述单纯水解过程要快得多。在湿热气候条件下，高岭石还可继续分解，析出其中的SiO形成铝土矿(Al2O3～nH2O)而残留于原地。总之，在地壳中分布很广的铝硅酸盐(各种长石等)、铁镁硅酸盐(橄榄石、辉石、角闪石、黑云母等)及其他矿物在水解作用及碳酸化作用下，最终都要彻底分解，形成易溶碳酸盐(流失)、SiO₂胶体(流失或沉淀)和不溶的黏土矿物(高岭石等)、铝土矿物以及褐铁矿等(残留原地)。氧化作用 在大气和水中含有大量游离氧，大气中占21%，溶于水的气体中氧占33%~35%。岩石中矿物在氧的作用下，使其中低价元素变为高价元素，低价化合物变为高价化合物，这种作用称氧化作用。在地壳表层氧化作用普遍而强烈，形成氧化带。氧化带的下界面称氧界面，大约和地下潜水面的位置相当。在这界面以上进行氧化作用，在这界面以下进行还原作用。氧化带的深浅各地不一，主要与岩石破碎程度、气候、地下水位等有关。例如，岩石裂隙发育、气候干燥、地下水位深，则氧化带也深，可达到地下1km；若岩石完整，气候潮湿，地下水位浅或者在沼泽地带及冻土地区，氧化带就浅，氧界面可能就在地表附近。许多含有变价元素的矿物，在缺氧条件下形成低价元素化合物；在氧化带则被氧化形成高价化合物。最易氧化的是低价氧化物、硫化物。例如黄铁矿在含有游离氧的水中，首先其中S变成S*并组成SO4其中的F2+与 SO4化合形成铁矾(FeSO·nH_O)；接着铁矾被氧化、水解，F**变成Fe3而形成稳定的褐铁矿(Fe[OH]3)并残留于原地。此外，含低价铁的硅酸盐类及其他矿物，都可被氧化破坏，变成含高价铁的赤铁矿或褐铁矿，许多矿物和岩石的风化面常染成红、褐色，就是这种缘故。③生物风化作用是由于生物作用使岩石在原地发生破坏的作用。因为在地壳表层、大气圈和水圈中都有生物存在，在其成长、新陈代谢和死亡过程中，都可引起岩石的破碎和分解，所以生物风化作用是普遍的，也是在已知各星体中只有地球才有的一种独特的地质作用。生物风化作用的方式可分为两种:生物物理风化作用如穴居地下的蚯蚓、蚂蚁、鼹鼠、黄鼠、田鼠等。经常挖洞钻土，破坏土层。所谓“蝼蚁之穴可溃千里之堤”，也说明其破坏力量之大。又如植物根系可以伸入岩石裂隙生长，对岩石可产生10~15kg/cm的压力，足可劈开岩石，并使裂隙不断扩大加深(图3-66)。生物化学风化作用 如各种藻类、苔藓、地衣等在生长过程中，经常分泌有机酸、碳酸、硝酸等，分解岩石，吸取营养。特别是微生物的生物化学风化作用更为强烈，有人统计微生物对岩石的总分解力大大超过动植物的总分解力。此外，动植物死亡后可分解出CO2、H2S和各种有机酸，在还原环境中植物死亡还可形成腐殖质，使岩石被腐蚀破坏。例如，把1g钾长石放入有腐殖质的10%的氨水溶液中，密封后经2~3天钾长石即可完全分解，而形成高岭石。腐殖质和矿物中的阳离子可形成腐殖酸盐，以胶体状态随水流失。腐殖质还可使氧化物还原，如使难溶于水的Fe，还原为可溶的 FeO，加速岩石的分解破坏。生物风化作用所以重要，不仅在于它可破坏分解矿物岩石，而且还在于它参与形成矿物质和有机质共存的新物质--土壤。关于土壤的知识此处从略。(2)风化作用的相互关系:上述物理的、化学的、生物的风化作用，实际上并不是孤立进行的，而是一个互相联系互相影响的统一过程。物理风化使岩石逐渐崩裂破碎，产生、扩大和加深岩石裂隙，并增大岩石的表面积，有利于水溶液、气体和生物渗进岩石中，为化学风化提供了有利条件，从而加速风化的进程，扩大风化范围;反过来，由于岩石的化学分解，一方面使岩石变得松软，降低抵抗机械破坏的能力，另一方面因有些矿物经水化作用变为含水矿物，体积膨胀，产生很大的压力，这些都为物理风化提供了有利条件。不过，必须说明以下两点。第一，物理、化学风化虽然常同时进行，互相影响，但物理风化使岩石破碎到一定程度，即无能为力。据实验，岩石碎屑粒径小于0.02 mm，大多即不再发生机械崩裂。但化学风化却可继续使碎屑分解，最后形成胶体及真溶液。由此可见，物理风化是化学风化的“开路先锋”，而化学风化使物理风化继续深入。第二，在一定自然地理条件下，常常是以某一种风化作用占主导地位，例如，在高寒和干燥地区往往以物理风化作用为主，而在潮湿炎热地区则以化学风化作用占优。(3)影响风化作用的因素:风化作用的程度、速度和深度决定于岩石的性质和外界条件。①岩石性质是风化作用的内因，在相同地理条件下，岩性不同，其风化结果也不同。a.深色岩石比浅色岩石更容易受到温度变化的影响。b.火成岩和变质岩多是在地下较高温度和较大压力条件下形成的，故当其暴露于地表时，往往比形成于地表环境的沉积岩更易受到风化。火成岩的造岩矿物，在鲍温反应系列(图3-56)中先结晶的高温矿物比后结晶的低温矿物更容易风化。c.复矿物成分的岩石比单一矿物组成的岩石更容易受到破坏(如:花岗岩由石英、长石、黑云母等组成，它们的比热、膨胀系数等物理特征各不同，各种矿物颗粒在温度变化情况下胀缩不均，容易分崩离析;同时,各种矿物抵抗风化的能力也不相同，如石英是最稳定矿物，在风化过程中几乎不发生分解只有机械破碎,形成石英砂;而长石、黑云母等则极易化学分解)。d.易溶岩石(各种碳酸盐岩)比不溶岩石容易受到破坏。e.岩石中矿物颗粒的粗细、均匀程度、胶结物成分、层理厚薄等也都能影响到风化的方式和进程，如颗粒粗细不均、胶结物为易溶成分，层理薄而松脆等容易受到风化破坏。f.岩石中节理和裂隙发育情况，对于风化作用的影响很大，节理和裂隙是水溶液、气体和生物活动的通道和场所，可以促进风化作用。有些岩石如花岗岩、辉绿岩等常被三组近于直交的节理切成若干方块，在棱和角的地方，岩石的自由表面积最大，首先遭受风化，棱角逐渐消失变成球形，这种现象称为球状风化(图3-67)。在野外还经常看到这种风化球体由表及里岩石层层剥落的现象，称为页状剥离作用(图3-68)。②气候条件对于风化作用的方式和速度影响很大，特别是气温和降水与风化作用的关系尤为密切。众所周知，化学反应速度随温度升高而变快(在地表条件下温度升高1℃,化学反应速度可增加为原来的2~3倍)，而水分往往是化学反应的媒介和因素，故在湿热气候条件下，化学风化作用、生物风化作用特别显著、彻底，风化层厚度可达70~80m。在高山及高寒地区，冰冻风化特别强烈，化学风化则非常微弱。在干旱及沙漠地区，温差风化十分显著，化学风化和生物风化都不明显。③ 地形条件对风化的影响也很大，而且影响到风化作用的类型、速度、风化层的厚度等方面。在地形陡峭的高山地区，因温差大、冰冻现象显著，常以物理风化为主，且风化碎屑在重力作用下很容易脱离母岩，而经常暴露出新鲜岩石继续遭受风化，风化速度较快，但风化产物在原地不易保存。在地形起伏较小或山麓地带，风化产物不易搬走，在物理风化的基础上往往经历长期的彻底的化学风化，风化层的厚度也较大。在沉积物覆盖的低洼或平原地区，其下基岩受到保护，不易遭受风化作用。有时同一山体，其阳坡和阴坡由于太阳辐射、温差变化以及湿度状况等各不相同，风化情况也常有差异。(4)风化产物:任何暴露地表的岩石和矿物，都不可避免地要遭受风化作用的破坏。表3-8以花岗岩为例说明了不同化学组成的矿物在风化作用中的变化。在化学风化作用比较弱的情况下，正长石和斜长石也可以形成碎屑。岩石的风化产物可以归纳为3大类:①碎屑物质包括岩石碎屑和矿物碎屑，在矿物碎屑中最常见的是化学性质稳定的石英碎屑;在干旱气候条件下也常见到长石碎屑;此外，碎屑成分中也可见到白云母、石榴子石等。碎屑物质主要是岩石物理风化的产物，有时也可能是化学风化未完全分解的产物。碎屑物质是构成沉积岩中碎屑岩类的主要成分。② 溶解物质主要是化学风化和生物化学风化的产物。岩石中的 K’ 、Na*、Ca2*、Mg2*等阳离子，常与水溶液中的COCIOHSO”等阴离子结合，形成碳酸盐、氯化物、氢氧化物、硫酸盐等易溶盐类，以真溶液的形式随水迁移流失。从岩石分解出来的SiO₂、Al2O3、FeO等，在一定条件下也可以呈胶体溶液流失。如SiO2，在碱性溶液(pH>7)、Al2O3在强碱性或强酸性溶液(pH>11或pH<4)、Fe在强酸性溶液(pH<2~3)中可以作远距离迁移。这些物质在一定条件下沉积下来，便构成沉积岩中化学岩的主要成分。③ 难溶物质包括上述SiO2、Al、Fe2O3等，除在特定条件下一部分迁移流失外，大部分相对富集起来，形成高岭土、铝土、赤铁矿、褐铁矿等不溶的次生矿物，它们是构成沉积岩中黏土岩及其他岩类的主要成分。地表岩石经长期风化作用后，由物理风化形成的碎屑物质、由化学风化形成的难溶物质以及由生物风化形成的土壤等这些风化作用的综合产物，在一定条件下残留于原地，形成松散的堆积物，称为残积物。残积物的成分决定于母岩的成分，如花岗岩风化后的残积物中常包含石英砂粒、由长石变成的高岭土或黏土、由黑云母变成的褐铁矿等。残积物的厚度常取决于地形条件。地形平缓的山麓、山坡以及平坦的山顶等，保留较厚的残积物。残积物中的碎屑多具棱角，分选不好，层理不清。残积物的风化程度，一般是自上而下由深变浅的。(5)风化壳:地壳表层在风化作用下，形成一层薄的残积物外壳，称为风化壳，它不连续地覆盖于基岩之上。风化作用的进程因地因时而异，但其作用的总方向是使岩石彻底分解成适应地表环境的稳定状态。风化作用的进程或方向，首先是岩石遭受物理风化，发生机械破碎;其次是岩石中K、 Na、Ca、Mg、CI、S等元素的溶失;接着是Si、 Al、Fe的富集，并合成高岭土等黏土矿物;最后是黏土矿物的进一步分解，失去 SiO，而使Al、 Fe更加富集，并分别形成铝土矿和铁矿，使残积物染成砖红色。因此在适当气候和地形条件下，发育良好的风化壳在垂直剖面上常显示清楚的分带性，即自下而上，风化程度越来越深，可划分出若干有规律的层次(图3-69)。由于气候和其他条件因地而异，并非所有风化壳都能风化到最后阶段，而且风化作用的方式和强度也不一样，因此常形成不同类型的风化壳。一般可以划分为4种类型:①碎屑型风化壳主要由碎屑物组成，碎屑颗粒多具棱角，自上而下由细变粗，逐渐过渡为母岩。这种风化壳一般是寒冷气候条件下以物理风化为主的产物。②硅铝-硫酸盐、碳酸盐型风化壳多是在干旱、半干旱气候条件下，荒漠或草原带形成的，一般处于化学风化作用的初期阶段。岩石中的K Na、Ca、Mg等元素形成易溶盐类淋失，而其中一部分较难溶的硫酸盐、碳酸盐等则因气候干旱而残留富集于风化壳中，其标志矿物为石膏、方解石;有时因气候特别干旱还可以残留NaCl、天然碱等;因水呈碱性，还可形成水云母黏土，但铁、铝等元素尚未析出，风化壳厚度一般不大。③硅铝黏土型风化壳又称高岭土型风化壳，多是在温湿气候条件下形成的，处于化学风化作用中期阶段。岩石中的K、Na、Ca、Mg等元素全部被析出，Si也大量被析出迁移，水溶液呈酸性，使硅酸盐和铝硅酸盐矿物分解，形成高岭石、蒙脱石等黏土矿物，风化壳厚度可达数十米。④砖红土型风化壳是在湿热气候条件下化学风化作用达到晚期、母岩彻底分解后的产物。母岩中硅酸盐、铝硅酸盐矿物全部被分解，可迁移元素也全部析出淋失，而Si、Al、Fe则形成氧化物如铝土矿、赤铁矿、褐铁矿、蛋白石等，因富含铁质，风化壳呈红色，故称砖红土型风化壳，这种作用称为砖红土化作用，风化壳厚度一般很大，可达百米左右。风化壳可以被保存在地层内，称为古风化壳。研究风化壳有一定的理论意义和实际意义。风化壳的表层为土壤层，其肥力和性质与风化壳的类型密切相关，如中国南方的红壤便面临着如何改良的问题。风化壳中常含有一定的砂矿、高岭土、铝土、铁矿等，有时根据风化壳中某些元素的丰度和残余铁矿(称为铁帽)，可以探寻基岩中的原生矿床。在水利和工程建设中也要注意风化壳的厚度、特点和稳定性等。对于古风化壳的研究，可以恢复一个地区的古气候、古地理等情况。2. 剥蚀作用风化作用是一切外力作用的开端，岩石遭受风化之后，给风、流水、地下水、冰川、湖泊、海洋等外动力对岩石的破坏提供了物质条件。各种外力在运动状态下对地面岩石及风化产物的破坏作用，总称为剥蚀作用。剥蚀作用在破坏地壳组成物质的同时，也在不断改变着地球表面的形态。剥蚀作用实际上包括风的吹蚀作用、流水的侵蚀作用、地下水的潜蚀作用、海水的海蚀作用和冰川的冰蚀作用等。但从剥蚀作用的性质来看，可以分为机械剥蚀作用和化学剥蚀作用两种方式。(1)机械剥蚀作用:指风、流水、冰川、海洋等对地表物质的机械破坏作用。如风的吹蚀作用是很强大的破坏作用，它一方面吹起地表风化碎屑和松散岩屑(称吹飏作用)，一方面还挟带着岩屑磨蚀岩石(称磨蚀作用)。流水的侵蚀作用更为普遍，因为在占大陆面积90%的地方，都受到流水作用的影响。流水也和风一样，它的强大动能不仅冲刷着地表风化的或松散的岩矿碎屑(称冲蚀作用)，而且水流还挟带着碎屑作为工具进一步磨蚀着岩石(称磨蚀作用)。在占大陆面积约10%的地方分布着冰川，冰川的冰蚀作用也很强大，100m厚的冰川，底部就要承受90000~96000kg/m的压力运动着的冰川，特别是挟带着大量岩屑石块(称冰碛)的冰川，就像耕地的犁耙一样，破坏着冰川谷壁或谷底的岩石(称刨蚀作用)。海水的海蚀作用也极为显著，海浪拍打海岸岩石，其压力强度能达38m，所以海岸岩石在海浪直接冲击之下，再加上以所挟带的岩屑碎块为武器，破坏速度是相当迅速的。(2)化学剥蚀作用:除去风、冰川等外，流水、地下水、湖泊、海洋等对岩石还进行着溶解等方式的破坏作用，称为溶蚀作用。特别是在石灰岩、白云岩地区，这种作用更为显著，通称喀斯特作用(曾称岩溶作用)。剥蚀作用和风化作用都是破坏地表岩石的强大力量。二者不同之处主要在于前者是各种介质在运动中对地表岩石进行破坏，而后者是环境条件在相对稳定的状态下对岩石的破坏。但二者互相依赖，互相促进，岩石风化有利于剥蚀，而风化产物被剥蚀后又便于继续风化，从而加剧了地表岩石的破坏作用，并源源不断地为沉积岩的形成提供物质来源。