01-風化與剝蝕作用-沉積巖的形成過程

風化與剝蝕作用——沉積巖的形成過程1暴露在地殼表部的巖石，在地球發(fā)展過程中，不可避免地要遭受到各種外力作用的剝蝕破壞，經(jīng)過破壞而形成的碎屑物質(zhì)在原地或經(jīng)搬運沉積下來，再經(jīng)過復雜的成巖作用而形成巖石，這些由外力作用所形成的巖石就是沉積巖。沉積巖的物質(zhì)主要來源于先成巖石(無論是火成巖、變質(zhì)巖和先成的沉積巖)風化作用和剝蝕作用的破壞產(chǎn)物，包括碎屑物質(zhì)、溶解物質(zhì)和新生物質(zhì)；除此還包括生物遺體、生物碎屑以及火山作用的產(chǎn)物。這些物質(zhì)在低洼的地方沉積下來，總稱為沉積物。各種沉積物最初都是松散的，經(jīng)過漫長的時代，上覆沉積物越來越厚下邊沉積物越埋越深，經(jīng)過壓固、脫水、膠結(jié)等成巖作用，逐漸變成堅固、成層的巖石?，F(xiàn)在未膠結(jié)的較新的松散沉積物，也包括在廣義的沉積巖范疇之內(nèi)。沉積巖是在地殼發(fā)展過程中，在外力作用支配下，形成于地表附近的自然歷史產(chǎn)物。地表環(huán)境十分復雜(如海陸分布、氣候條件、生物狀況等)，同一時代不同地區(qū)或同一地區(qū)不同時代，其地理環(huán)境往往不同，從而所形成的沉積巖也互有差異，各種沉積巖都毫無例外地記錄下當時的地理環(huán)境信息。因此，沉積巖是重塑地球歷史和恢復古地理環(huán)境的重要依據(jù)。按質(zhì)量計，沉積巖只占地殼的5%，但因沉積巖覆蓋于地殼表層，分布十分廣泛。因此，在大陸部分有75%的面積出露沉積巖，而在大洋底則幾乎全部為新老沉積層所覆蓋。沉積巖層中蘊藏著煤、石油、鐵、錳、鋁土、磷、石膏、鹽、鉀鹽、石灰?guī)r等礦產(chǎn)資源。特別是鹽類礦產(chǎn)和可燃有機能源礦產(chǎn)幾乎全部蘊藏在沉積層中。一、沉積巖的形成過程沉積巖的形成過程一般可以分為先成巖石的破壞(風化作用和剝蝕作用)、搬運作用、沉積作用和硬結(jié)成巖作用等幾個互相銜接的階段。但這些作用有時是錯綜復雜和互為因果的，如巖石風化為剝蝕創(chuàng)造條件，而風化層被剝蝕后又為新鮮巖石的繼續(xù)風化提供條件；風化、剝蝕的產(chǎn)物是搬運作用的物質(zhì)對象，而巖石碎屑在搬運過程中又可作為進行剝蝕作用的“武器”；物質(zhì)經(jīng)搬運而后沉積，而沉積物又可受到剝蝕破壞重新搬運，如此等等，不一而足?，F(xiàn)將各階段分別敘述如下。(一)先成巖石的破壞引起巖石的破壞有風化作用和剝蝕作用。1.風化作用暴露于地表或接近地表的各種巖石，在溫度變化、水及水溶液的作用大氣及生物作用下在原地發(fā)生的破壞作用，稱為風化作用。風化作用使地殼表層巖石逐漸崩裂、破碎、分解，同時也形成新環(huán)境條件下的新穩(wěn)定礦物。風化作用是破壞地表和改造地表的先行者，是使地表不斷變化的重要力量，是沉積物質(zhì)的重要來源之一。(1)風化作用的類型:一般分為物理風化作用、化學風化作用和生物風化作用等3種類型。①物理風化作用是指地表和靠近地表巖石因溫度變化等在原地發(fā)生機械破壞而不改變化學成分、不形成新礦物的作用。這種作用又稱機械風化作用。物理風化作用的方式主要有溫差風化、冰凍風化、層裂等。溫差風化日夜和季節(jié)溫度變化可使巖石膨脹和收縮。巖石是熱的不良導體，在白天受陽光曝曬，溫度增高，表面體積膨脹，但內(nèi)部很少受到熱力的影響；夜間，當巖石表面逐漸冷縮，內(nèi)部卻因受到白天傳導進來的熱力影響而膨脹。如此經(jīng)常不斷地表里不均地膨脹與收縮，一方面產(chǎn)生垂直巖石表面的裂隙，另一方面產(chǎn)生平行巖石表面的裂隙，彼此脫離，層層剝落，巖石就破碎了(圖3-64,圖3-65)。冰凍風化填充于巖石裂隙和孔隙中的水分因冰凍使巖石機械破碎，稱為冰凍風化。實際上這也是由溫度變化間接使巖石破碎的現(xiàn)象。在高寒、高山及季節(jié)變化顯著的地區(qū)，常在一年或一日之內(nèi)，發(fā)生冰凍及解凍現(xiàn)象。水結(jié)冰以后體積約增加1/11，在裂隙和封閉孔隙中可產(chǎn)生巨大的壓力(960kg/cm2)，從而可以撐開和擴大裂隙；氣溫上升，冰融成水，繼續(xù)向裂隙深處滲透。這樣一凍一解，反復進行，足可把巖石劈開崩碎，因此裂隙中的冰凍作用猶如一把砍石利斧，故亦稱為冰劈作用。層裂作用——位于地下深處的巖石，因承受上覆巖石的巨大靜壓力，處于堅實致密狀態(tài)。這種巖石隨著上覆巖石被剝蝕而出露地表，重負頓釋，體積膨脹，因而可產(chǎn)生平行于地表的裂隙，稱為卸荷裂隙；如果是具有層理的沉積巖石，層與層之間也可張開。這樣，便助長了巖石的機械破碎。這種現(xiàn)象稱為層裂作用?；瘜W風化作用是指地表和接近地表的巖石因與水溶液、氣體等發(fā)生化學反應而在原地不僅改變其物理狀態(tài)，而且也可改變其化學成分、發(fā)生化學分解，并可形成新礦物的作用。水是引起化學風化作用的重要因素，特別是在水中溶有CO2、O?等氣體成分，其作用便更加顯著?；瘜W風化作用主要有以下方式:溶解作用水在自然界普遍存在，水與巖石相遇，其中的一些礦物可以溶解。礦物溶解的難易主要決定于礦物的溶解度，因此礦物分易溶礦物和難溶礦物。一般說來，其難易順序如下:K、Na等的氯化物>Ca”、Mg等的氯化物和硫酸鹽>Ca*、Mg等的碳酸鹽>Fe*、AI、Si**等的氧化物和硅酸鹽。若以常見造巖礦物論，其溶解度大小順序如下:方解石>白云石>橄欖石>輝石>角閃石>斜長石>鉀長石>黑云母>白云母>石英。礦物的溶解度除與礦物本身的化學組成有關外，還與水溫、壓力、CO2含量、pH等有關。巖石受到溶解作用、其中易溶礦物隨水流失，而難溶礦物則殘留原地，同時巖石中孔隙增加，變得松散軟弱，為進行物理風化作用提供了有利條件。水化作用又稱水合作用，即物質(zhì)與水相結(jié)合的作用。如礦物與水作用，水可以直接參加到某些礦物中去，形成結(jié)晶水，產(chǎn)生新的含水礦物，例如硬石膏(CaSO4)變成石膏(CaS·2HO)、赤鐵礦(Fe)變成褐鐵礦(FeO[OH]·nHO)等。同時水化作用形成的新礦物，往往體積膨脹，對周圍巖石產(chǎn)生很大壓力(如硬石膏變成石膏，體積可增大30%)，從而引起巖石的機械破碎。水解作用即礦物與水相遇，引起礦物分解并形成新礦物的作用。由于水中常有一部分水分子離解成H及OH離子，從而使水成為具有活潑離子，化學活動性很強的溶液。各種弱酸強堿或強酸弱堿的鹽類礦物溶于水后也出現(xiàn)離解現(xiàn)象，其中離解物可與水中的H或OH離子發(fā)生化學反應。如礦物中的K*、Na*、Ca*、Mg*等陽離子很容易被水中的OH離子奪取結(jié)合，原礦物被分解破壞，同時又形成一些新的礦物。如鉀長石在水解作用下，一方面形成KOH溶液(K與OH結(jié)合)隨水流失，一方面析出SiO2膠體或隨水流失，或膠凝形成蛋白石(SiO2·nHO)，其余部分則可形成難溶的高嶺石殘留于原地。這只是一個例子，實際上各種硅酸鹽類、其他鹽類都可在水解作用下發(fā)生分解和產(chǎn)生新的礦物。碳酸化作用自然界基本沒有純水，水中常含有各種酸類(碳酸、硫酸、硝酸等)，可加速對各種巖石的破壞作用。特別是含有碳酸的水對巖石的破壞作用更為普遍。例如，碳酸鹽在含有CO?的水中，就會轉(zhuǎn)變?yōu)橹靥妓猁}，其溶解度比碳酸鹽大十幾倍到幾十倍。又如，水中溶有CO2，與水結(jié)合形成碳酸，其碳酸根CO3極易與礦物中的K、Na、Ca、Mg等陽離子化合成易溶碳酸鹽類，從而使礦物的離解能力增加、加速化學反應過程。仍以鉀長石為例，其中K與CO3化合成K2CO3隨水流失，析出的部分SiO2膠體或隨水流失或膠凝成蛋白石，同時形成的難溶的高嶺石則殘留于原地。這一過程比起前述單純水解過程要快得多。在濕熱氣候條件下，高嶺石還可繼續(xù)分解，析出其中的SiO形成鋁土礦(Al2O3～nH2O)而殘留于原地?？傊?，在地殼中分布很廣的鋁硅酸鹽(各種長石等)、鐵鎂硅酸鹽(橄欖石、輝石、角閃石、黑云母等)及其他礦物在水解作用及碳酸化作用下，最終都要徹底分解，形成易溶碳酸鹽(流失)、SiO?膠體(流失或沉淀)和不溶的黏土礦物(高嶺石等)、鋁土礦物以及褐鐵礦等(殘留原地)。氧化作用在大氣和水中含有大量游離氧，大氣中占21%，溶于水的氣體中氧占33%~35%。巖石中礦物在氧的作用下，使其中低價元素變?yōu)楦邇r元素，低價化合物變?yōu)楦邇r化合物，這種作用稱氧化作用。在地殼表層氧化作用普遍而強烈，形成氧化帶。氧化帶的下界面稱氧界面，大約和地下潛水面的位置相當。在這界面以上進行氧化作用，在這界面以下進行還原作用。氧化帶的深淺各地不一，主要與巖石破碎程度、氣候、地下水位等有關。例如，巖石裂隙發(fā)育、氣候干燥、地下水位深，則氧化帶也深，可達到地下1km；若巖石完整，氣候潮濕，地下水位淺或者在沼澤地帶及凍土地區(qū)，氧化帶就淺，氧界面可能就在地表附近。許多含有變價元素的礦物，在缺氧條件下形成低價元素化合物；在氧化帶則被氧化形成高價化合物。最易氧化的是低價氧化物、硫化物。例如黃鐵礦在含有游離氧的水中，首先其中S變成S*并組成SO4其中的F2+與SO4化合形成鐵礬(FeSO·nH_O)；接著鐵礬被氧化、水解，F(xiàn)**變成Fe3而形成穩(wěn)定的褐鐵礦(Fe[OH]3)并殘留于原地。此外，含低價鐵的硅酸鹽類及其他礦物，都可被氧化破壞，變成含高價鐵的赤鐵礦或褐鐵礦，許多礦物和巖石的風化面常染成紅、褐色，就是這種緣故。③生物風化作用是由于生物作用使巖石在原地發(fā)生破壞的作用。因為在地殼表層、大氣圈和水圈中都有生物存在，在其成長、新陳代謝和死亡過程中，都可引起巖石的破碎和分解，所以生物風化作用是普遍的，也是在已知各星體中只有地球才有的一種獨特的地質(zhì)作用。生物風化作用的方式可分為兩種:生物物理風化作用如穴居地下的蚯蚓、螞蟻、鼴鼠、黃鼠、田鼠等。經(jīng)常挖洞鉆土，破壞土層。所謂“螻蟻之穴可潰千里之堤”，也說明其破壞力量之大。又如植物根系可以伸入巖石裂隙生長，對巖石可產(chǎn)生10~15kg/cm的壓力，足可劈開巖石，并使裂隙不斷擴大加深(圖3-66)。生物化學風化作用如各種藻類、苔蘚、地衣等在生長過程中，經(jīng)常分泌有機酸、碳酸、硝酸等，分解巖石，吸取營養(yǎng)。特別是微生物的生物化學風化作用更為強烈，有人統(tǒng)計微生物對巖石的總分解力大大超過動植物的總分解力。此外，動植物死亡后可分解出CO2、H2S和各種有機酸，在還原環(huán)境中植物死亡還可形成腐殖質(zhì)，使巖石被腐蝕破壞。例如，把1g鉀長石放入有腐殖質(zhì)的10%的氨水溶液中，密封后經(jīng)2~3天鉀長石即可完全分解，而形成高嶺石。腐殖質(zhì)和礦物中的陽離子可形成腐殖酸鹽，以膠體狀態(tài)隨水流失。腐殖質(zhì)還可使氧化物還原，如使難溶于水的Fe，還原為可溶的FeO，加速巖石的分解破壞。生物風化作用所以重要，不僅在于它可破壞分解礦物巖石，而且還在于它參與形成礦物質(zhì)和有機質(zhì)共存的新物質(zhì)--土壤。關于土壤的知識此處從略。(2)風化作用的相互關系:上述物理的、化學的、生物的風化作用，實際上并不是孤立進行的，而是一個互相聯(lián)系互相影響的統(tǒng)一過程。物理風化使巖石逐漸崩裂破碎，產(chǎn)生、擴大和加深巖石裂隙，并增大巖石的表面積，有利于水溶液、氣體和生物滲進巖石中，為化學風化提供了有利條件，從而加速風化的進程，擴大風化范圍;反過來，由于巖石的化學分解，一方面使巖石變得松軟，降低抵抗機械破壞的能力，另一方面因有些礦物經(jīng)水化作用變?yōu)楹V物，體積膨脹，產(chǎn)生很大的壓力，這些都為物理風化提供了有利條件。不過，必須說明以下兩點。第一，物理、化學風化雖然常同時進行，互相影響，但物理風化使巖石破碎到一定程度，即無能為力。據(jù)實驗，巖石碎屑粒徑小于0.02mm，大多即不再發(fā)生機械崩裂。但化學風化卻可繼續(xù)使碎屑分解，最后形成膠體及真溶液。由此可見，物理風化是化學風化的“開路先鋒”，而化學風化使物理風化繼續(xù)深入。第二，在一定自然地理條件下，常常是以某一種風化作用占主導地位，例如，在高寒和干燥地區(qū)往往以物理風化作用為主，而在潮濕炎熱地區(qū)則以化學風化作用占優(yōu)。(3)影響風化作用的因素:風化作用的程度、速度和深度決定于巖石的性質(zhì)和外界條件。①巖石性質(zhì)是風化作用的內(nèi)因，在相同地理條件下，巖性不同，其風化結(jié)果也不同。a.深色巖石比淺色巖石更容易受到溫度變化的影響。b.火成巖和變質(zhì)巖多是在地下較高溫度和較大壓力條件下形成的，故當其暴露于地表時，往往比形成于地表環(huán)境的沉積巖更易受到風化?；鸪蓭r的造巖礦物，在鮑溫反應系列(圖3-56)中先結(jié)晶的高溫礦物比后結(jié)晶的低溫礦物更容易風化。c.復礦物成分的巖石比單一礦物組成的巖石更容易受到破壞(如:花崗巖由石英、長石、黑云母等組成，它們的比熱、膨脹系數(shù)等物理特征各不同，各種礦物顆粒在溫度變化情況下脹縮不均，容易分崩離析;同時,各種礦物抵抗風化的能力也不相同，如石英是最穩(wěn)定礦物，在風化過程中幾乎不發(fā)生分解只有機械破碎,形成石英砂;而長石、黑云母等則極易化學分解)。d.易溶巖石(各種碳酸鹽巖)比不溶巖石容易受到破壞。e.巖石中礦物顆粒的粗細、均勻程度、膠結(jié)物成分、層理厚薄等也都能影響到風化的方式和進程，如顆粒粗細不均、膠結(jié)物為易溶成分，層理薄而松脆等容易受到風化破壞。f.巖石中節(jié)理和裂隙發(fā)育情況，對于風化作用的影響很大，節(jié)理和裂隙是水溶液、氣體和生物活動的通道和場所，可以促進風化作用。有些巖石如花崗巖、輝綠巖等常被三組近于直交的節(jié)理切成若干方塊，在棱和角的地方，巖石的自由表面積最大，首先遭受風化，棱角逐漸消失變成球形，這種現(xiàn)象稱為球狀風化(圖3-67)。在野外還經(jīng)?？吹竭@種風化球體由表及里巖石層層剝落的現(xiàn)象，稱為頁狀剝離作用(圖3-68)。②氣候條件對于風化作用的方式和速度影響很大，特別是氣溫和降水與風化作用的關系尤為密切。眾所周知，化學反應速度隨溫度升高而變快(在地表條件下溫度升高1℃,化學反應速度可增加為原來的2~3倍)，而水分往往是化學反應的媒介和因素，故在濕熱氣候條件下，化學風化作用、生物風化作用特別顯著、徹底，風化層厚度可達70~80m。在高山及高寒地區(qū)，冰凍風化特別強烈，化學風化則非常微弱。在干旱及沙漠地區(qū)，溫差風化十分顯著，化學風化和生物風化都不明顯。③地形條件對風化的影響也很大，而且影響到風化作用的類型、速度、風化層的厚度等方面。在地形陡峭的高山地區(qū)，因溫差大、冰凍現(xiàn)象顯著，常以物理風化為主，且風化碎屑在重力作用下很容易脫離母巖，而經(jīng)常暴露出新鮮巖石繼續(xù)遭受風化，風化速度較快，但風化產(chǎn)物在原地不易保存。在地形起伏較小或山麓地帶，風化產(chǎn)物不易搬走，在物理風化的基礎上往往經(jīng)歷長期的徹底的化學風化，風化層的厚度也較大。在沉積物覆蓋的低洼或平原地區(qū)，其下基巖受到保護，不易遭受風化作用。有時同一山體，其陽坡和陰坡由于太陽輻射、溫差變化以及濕度狀況等各不相同，風化情況也常有差異。(4)風化產(chǎn)物:任何暴露地表的巖石和礦物，都不可避免地要遭受風化作用的破壞。表3-8以花崗巖為例說明了不同化學組成的礦物在風化作用中的變化。在化學風化作用比較弱的情況下，正長石和斜長石也可以形成碎屑。巖石的風化產(chǎn)物可以歸納為3大類:①碎屑物質(zhì)包括巖石碎屑和礦物碎屑，在礦物碎屑中最常見的是化學性質(zhì)穩(wěn)定的石英碎屑;在干旱氣候條件下也常見到長石碎屑;此外，碎屑成分中也可見到白云母、石榴子石等。碎屑物質(zhì)主要是巖石物理風化的產(chǎn)物，有時也可能是化學風化未完全分解的產(chǎn)物。碎屑物質(zhì)是構(gòu)成沉積巖中碎屑巖類的主要成分。②溶解物質(zhì)主要是化學風化和生物化學風化的產(chǎn)物。巖石中的K’、Na*、Ca2*、Mg2*等陽離子，常與水溶液中的COCIOHSO”等陰離子結(jié)合，形成碳酸鹽、氯化物、氫氧化物、硫酸鹽等易溶鹽類，以真溶液的形式隨水遷移流失。從巖石分解出來的SiO?、Al2O3、FeO等，在一定條件下也可以呈膠體溶液流失。如SiO2，在堿性溶液(pH>7)、Al2O3在強堿性或強酸性溶液(pH>11或pH<4)、Fe在強酸性溶液(pH<2~3)中可以作遠距離遷移。這些物質(zhì)在一定條件下沉積下來，便構(gòu)成沉積巖中化學巖的主要成分。③難溶物質(zhì)包括上述SiO2、Al、Fe2O3等，除在特定條件下一部分遷移流失外，大部分相對富集起來，形成高嶺土、鋁土、赤鐵礦、褐鐵礦等不溶的次生礦物，它們是構(gòu)成沉積巖中黏土巖及其他巖類的主要成分。地表巖石經(jīng)長期風化作用后，由物理風化形成的碎屑物質(zhì)、由化學風化形成的難溶物質(zhì)以及由生物風化形成的土壤等這些風化作用的綜合產(chǎn)物，在一定條件下殘留于原地，形成松散的堆積物，稱為殘積物。殘積物的成分決定于母巖的成分，如花崗巖風化后的殘積物中常包含石英砂粒、由長石變成的高嶺土或黏土、由黑云母變成的褐鐵礦等。殘積物的厚度常取決于地形條件。地形平緩的山麓、山坡以及平坦的山頂?shù)?，保留較厚的殘積物。殘積物中的碎屑多具棱角，分選不好，層理不清。殘積物的風化程度，一般是自上而下由深變淺的。(5)風化殼:地殼表層在風化作用下，形成一層薄的殘積物外殼，稱為風化殼，它不連續(xù)地覆蓋于基巖之上。風化作用的進程因地因時而異，但其作用的總方向是使巖石徹底分解成適應地表環(huán)境的穩(wěn)定狀態(tài)。風化作用的進程或方向，首先是巖石遭受物理風化，發(fā)生機械破碎;其次是巖石中K、Na、Ca、Mg、CI、S等元素的溶失;接著是Si、Al、Fe的富集，并合成高嶺土等黏土礦物;最后是黏土礦物的進一步分解，失去SiO，而使Al、Fe更加富集，并分別形成鋁土礦和鐵礦，使殘積物染成磚紅色。因此在適當氣候和地形條件下，發(fā)育良好的風化殼在垂直剖面上常顯示清楚的分帶性，即自下而上，風化程度越來越深，可劃分出若干有規(guī)律的層次(圖3-69)。由于氣候和其他條件因地而異，并非所有風化殼都能風化到最后階段，而且風化作用的方式和強度也不一樣，因此常形成不同類型的風化殼。一般可以劃分為4種類型:①碎屑型風化殼主要由碎屑物組成，碎屑顆粒多具棱角，自上而下由細變粗，逐漸過渡為母巖。這種風化殼一般是寒冷氣候條件下以物理風化為主的產(chǎn)物。②硅鋁-硫酸鹽、碳酸鹽型風化殼多是在干旱、半干旱氣候條件下，荒漠或草原帶形成的，一般處于化學風化作用的初期階段。巖石中的KNa、Ca、Mg等元素形成易溶鹽類淋失，而其中一部分較難溶的硫酸鹽、碳酸鹽等則因氣候干旱而殘留富集于風化殼中，其標志礦物為石膏、方解石;有時因氣候特別干旱還可以殘留NaCl、天然堿等;因水呈堿性，還可形成水云母黏土，但鐵、鋁等元素尚未析出，風化殼厚度一般不大。③硅鋁黏土型風化殼又稱高嶺土型風化殼，多是在溫濕氣候條件下形成的，處于化學風化作用中期階段。巖石中的K、Na、Ca、Mg等元素全部被析出，Si也大量被析出遷移，水溶液呈酸性，使硅酸鹽和鋁硅酸鹽礦物分解，形成高嶺石、蒙脫石等黏土礦物，風化殼厚度可達數(shù)十米。④磚紅土型風化殼是在濕熱氣候條件下化學風化作用達到晚期、母巖徹底分解后的產(chǎn)物。母巖中硅酸鹽、鋁硅酸鹽礦物全部被分解，可遷移元素也全部析出淋失，而Si、Al、Fe則形成氧化物如鋁土礦、赤鐵礦、褐鐵礦、蛋白石等，因富含鐵質(zhì)，風化殼呈紅色，故稱磚紅土型風化殼，這種作用稱為磚紅土化作用，風化殼厚度一般很大，可達百米左右。風化殼可以被保存在地層內(nèi)，稱為古風化殼。研究風化殼有一定的理論意義和實際意義。風化殼的表層為土壤層，其肥力和性質(zhì)與風化殼的類型密切相關，如中國南方的紅壤便面臨著如何改良的問題。風化殼中常含有一定的砂礦、高嶺土、鋁土、鐵礦等，有時根據(jù)風化殼中某些元素的豐度和殘余鐵礦(稱為鐵帽)，可以探尋基巖中的原生礦床。在水利和工程建設中也要注意風化殼的厚度、特點和穩(wěn)定性等。對于古風化殼的研究，可以恢復一個地區(qū)的古氣候、古地理等情況。2.剝