地大工程地质学基础第四章 岩石风化(课件)

1－糜棱岩和角砾岩；2－碎裂岩； 3－强风化岩及其底板界线； 4－弱风化岩及其底板界线； 5－微风化和新鲜岩体
1－强风化岩体及其底板界线； 2－弱风化岩体及其底板界线； 3－微风化和新鲜岩体；4－岩脉； 5－花岗-闪长岩
球形风化现象
地形
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地形条件既可直接影响岩石的风化作用，又可通 过对气候及水文地质条件的影响，间接地影响岩 体的风化。在不同地形条件下（高度、坡度、切 割程度等），风化作用的类型、风化速度、风化 程度、风化壳厚度及其空间分布是不同的。地形 不同还影响沟谷侧侵作用和残积物滞留条件。 高度
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岩浆岩：酸性岩（花岗岩）>中性岩（闪长岩、安山岩）> 岩浆岩：酸性岩（花岗岩）>中性岩（闪长岩、安山岩）>基性岩（玄武 岩）> 岩）>超基性岩（橄榄岩）； 变质岩：浅变质岩>中等变质岩> 变质岩：浅变质岩>中等变质岩>深变质岩； 沉积岩：抗风化能力大于岩浆岩、变质岩，风化厚度一般不大。 沉积岩：抗风化能力大于岩浆岩、变质岩，风化厚度一般不大。 斜长石：在碱性环境下蚀变顺序为，绢云母→绿泥石、蛭石→ 斜长石：在碱性环境下蚀变顺序为，绢云母→绿泥石、蛭石→蒙脱石； 在酸性环境下为高岭石化； 黑云母：水化脱钾、氧化→ 黑云母：水化脱钾、氧化→水云母化； 辉石、角闪石：水解→绿泥石→蒙脱石； 辉石、角闪石：水解→绿泥石→ 白云母： 伊利石→蒙脱石→ 白云母：→伊利石→蒙脱石→高岭土； 石英： 硅酸→石髓→ 石英：→硅酸→石髓→次生石英。
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主要矿物的蚀变趋势为： 主要矿物的蚀变趋势为：
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一般情况下岩石风化的最终产物常表现为石英、高岭土、氧化 一般情况下岩石风化的最终产物常表现为石英、高岭土、氧化 铁、铝土矿的组合。
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化学成分
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活动性强的元素：K、Na等，经风化后，易脱离母岩随水溶 活动性强的元素：K Na等，经风化后，易脱离母岩随水溶 液流失 n 活动性弱的元素：Fe、Al、Si等，经风化后，易于停留在原 活动性弱的元素：Fe、Al、Si等，经风化后，易于停留在原 处 n 同一种元素，所组成的化合物不同，岩石的抗风化能力也不 同，如方解石中的含钙化合物易风化，而斜长石中的含钙化 合物较稳定 单一矿物组成的岩石抗风化能力较强：单矿岩>复矿岩（因 单一矿物组成的岩石抗风化能力较强：单矿岩> 为导热性、膨胀性较均一） n 矿物成分相同：等粒结构>不等粒结构（胀缩性） 矿物成分相同：等粒结构> n 细粒结构岩石抗风化能力较强（因为比表面积大，连结力较 强） n 成分相近的碎屑沉积岩的抗风化能力与胶结物性质有关：Si 成分相近的碎屑沉积岩的抗风化能力与胶结物性质有关：Si 质胶结>Ca质胶结> 质胶结>Ca质胶结>泥质胶结
岩性因素
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岩体的抗风化能力与其形成环境、矿物成分及结构构 造关系极为密切。当成岩环境与地表环境差异愈大时， 原岩风化变异愈强烈，即岩石的抗风化能力愈弱。
矿物成分 n 化学成分 n 结构特征
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Hale Waihona Puke 矿物成分n nn
岩石抗风化能力的大小，主要决定于组成岩石的矿物成分。 在地表环境下，常见造岩矿物的抗风能力是不同的。一般情况 下，矿物在风化过程中的稳定性由大到小的顺序是:氧化物>硅 下，矿物在风化过程中的稳定性由大到小的顺序是:氧化物> 酸盐>碳酸盐和硫化物。当岩石中不稳定矿物含量较多时，其抗 酸盐>碳酸盐和硫化物。当岩石中不稳定矿物含量较多时，其抗 风化能力较弱；相反，则其抗风化能力较强。最稳定的造岩矿 物是石英 物是石英 各类岩石的抗风化能力由大到小的顺序如下： 各类岩石的抗风化能力由大到小的顺序如下：
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钾长石→绢云母→水云母→ 钾长石→绢云母→水云母→高岭石； 辉石→角闪石→绿泥石→水绿泥石→蒙脱石→ 辉石→角闪石→绿泥石→水绿泥石→蒙脱石→多水高 岭石→ 岭石→高岭石； 黑云母→蛭石→蒙脱石→ 黑云母→蛭石→蒙脱石→高岭石。
总之：在整个风化剖面上，风化程度不同的岩石表 现出不同的物理、矿物组合特征。从地表至深部新 鲜基岩，风化是逐渐过渡的。
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海拔高地区：以物理风化为主 海拔低地区：以化学风化为主，风化速度较快 陡坡地段：风化速度较大，风化壳较薄 缓坡地段：风化速度较慢，风化壳较厚
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坡度
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其它因素
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地壳运动：特点控制着风化作用发生的总趋势 地壳运动：特点控制着风化作用发生的总趋势
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地壳强烈上升的地区：风化速度较快，但易遭外力侵 蚀剥蚀，风化壳厚度往往并不大。 地壳长期处于相对稳定的地区：岩体与风化营力接触 的时间较长，风化变异彻底， 的时间较长，风化变异彻底，风化壳分布广泛，厚度 也较大。 也较大。
四、研究意义及目的
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由于风化作用使岩体矿物成分与化学成分产生变化，岩石 的结构、构造改变，完整性遭到破坏，恶化了岩体的工程 性质。因此，在工程选址、岩土体稳定、地基处理、灾害 防治、工程造价等方面都有重要意义。 根据岩石风化的程度及空间分布，选择最适于修建建筑的 根据岩石风化的程度及空间分布，选择最适于修建建筑的 场址，进行合理布局 根据风化岩石的物理力学性质及其与建筑物类型、等级、 荷载性质及大小的适应性，确定合理的建基面高程、确定 荷载性质及大小的适应性，确定合理的建基面高程、确定 持力层 根据岩石风化速度、风化程度及各风化带岩石的物理力学 性质，确定各类开挖边坡的合理坡角； 根据风化产物的特性（破碎程度、坚固性等）及场地工程 地质条件，选择地下洞室施工开挖的设备及方法，确定对 地质条件，选择地下洞室施工开挖的设备及方法，确定对 已风化岩石的处理措施 已风化岩石的处理措施 根据岩石风化速度、风化营力、风化作用类型及影响因素 等，确定岩基暴露的安全期限与预防风化的措施，如确定 基坑、路堑保持开场状态的安全期限，选择防止岩石风化 基坑、路堑保持开场状态的安全期限，选择防止岩石风化 的措施等
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降雨（湿度）：为岩石化学风化提供了必需的水溶液，控 降雨（湿度）：为岩石化学风化提供了必需的水溶液，控 制着风化营力的性质和强度，影响风化作用类型及风化速 度。
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在降雨量小而蒸发量大的干旱地区，多为物理风化。 在潮湿多雨地区，则以化学风化为主，风化较强烈，风化速度较快， 风化深度大。
不同气候条件下风化作用的类型和强度、风化产物的性 质等均不相同。
第四章
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岩石风化的工程地质研究
概述 影响岩石风化的因素 风化壳的垂直分带 防治岩石风化的措施
第一节 第二节 第三节 第四节
一、定义
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风化：岩石在各种风化营力作用下，发生的物理 和化学变化过程。造成岩体风化的营力主要指太 和化学变化过程。造成岩体风化的营力主要指太 阳能、地表与地下水、空气及生物等。 风化壳：遭受风化的岩石圈表层。它是原岩在一 定的地质历史时期各种因索综合作用的产物。表 层不同深度的岩石，遭受风化程度的不同，形成 不同成分和结构的多层残积物，由此构成了的复 杂风化壳剖面。不同岩石，不同地区，风化壳有 很大差别。其厚度很大差别，厚者可达几百米。 地壳表层保留的主要为现代时期形成的风化壳。 当风化壳形成后，被后来的堆积物掩埋，被保留 下来成为古风化壳。
二、风化类型
按照风化营力及其引起的岩石变异的方式不同，风 化作用一般分为物理风化、化学风化和生物风化三种。 物理风化：由于温度变化、水的冻融、盐类结晶、植 物理风化：由于温度变化、水的冻融、盐类结晶、植 物根劈等力的作用下，引起岩石的机械破碎，而不伴 物根劈等力的作用下，引起岩石的机械破碎，而不伴 随有化学成分和矿物成分明显变化的现象。 随有化学成分和矿物成分明显变化的现象。 其结果既破坏了岩石的结构构造，降低了岩石的强 度，又为化学风化开了方便之门。 主要发生在干旱寒冷的地区，如我国西北的干旱寒 冷及高山寒冷地区，风化深度相对较小，一般小于 10m 。
分带的原则
为工程建筑目的而进行的风化壳垂直分带应考虑 以下原则： n 充分反应各风化带岩石变化的客观规律，反应各风 化带岩石所具有的不同特征。 n 分带的标志应有代表性、又明确，便于掌握 n 将定性与定量结合起来 n 分带数目既不要过多，也不太少。 三分法、四分法、五分法 目前地矿与水利水电部门多采用四分法：剧风化带 （全风化带）、强风化带、弱风化带、微风化带
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化学风化：岩石在水、氧及有机体等作用下所发生的 化学风化：岩石在水、氧及有机体等作用下所发生的 一系列化学变化过程，引起岩石结构构造、矿物成分 一系列化学变化过程，引起岩石结构构造、矿物成分 和化学成分的变化。 和化学成分的变化。 其实质是原岩中较活泼的元素发生迁移，较稳定的 其实质是原岩中较活泼的元素发生迁移， 元素残留原地，原生矿物不断变异，与新环境相适应 元素残留原地，原生矿物不断变异，与新环境相适应 的次生矿物不断形成的过程。 次生矿物不断形成的过程。 在风化过程中，化学反应的方式较复杂，有氧化、 还原、水化、水解、碳酸化、硫酸化、去碳等。以水 化、溶解、水解和氧化作用最为常见。 多发生于温暖潮湿的地方，风化深度可达百米以上。 生物风化：既有物理风化特点，又具有化学风化特征。 生物新陈代谢产生有机质或机械破坏，如释放大 量有机物、酸及CO2 ，加强水溶液溶解能力 。 量有机物、酸及CO2
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人类活动 人工开挖基坑、边坡、隧洞、砍伐森林等，将已 风化的岩体或覆盖层挖除，使得风化微弱甚至新 鲜岩体裸露，并与活跃的风化营力直接接触从而 加剧了岩体风化。
分带的可能性
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岩体的风化程度总是在地表比较强烈，从地表向 下至岩体内部，风化程度逐渐变弱，直至新鲜基 岩，即风化壳在铅直剖面上具有分带性。 不同深度岩石与风化营力接触时间和程度不同， 风化营力多是由表及里的。 矿物风化具有阶段性，如主要硅酸盐矿物风化转 变的阶段为：