第五章讲稿外营力及其地貌

第五章外营力及其地貌地球外营力按其发生的序列则可分为风化作用、剥蚀作用、搬运作用、沉积作用和成岩作用。

风化作用是地貌外力的起始环节，岩石只有在风化作用下崩解破碎，才能在重力和各种流体作用力——流水、风、冰川、波浪和洋流等的作用下发生运动，塑造各种外营力地貌。

外营力地貌主要有重力地貌、流水地貌、喀斯特地貌、风沙地貌、黄土地貌、冰川地貌、冰缘地貌、海岸地貌等。

外营力在内营力作用的基础上对陆地地表进行精细、相比于内营力作用通常快得多的雕刻和塑造，形成千姿百态的地表形态。

第一节风化作用与块体运动地球表层的岩石，在太阳辐射、大气、水及生物的作用下，其物理、化学性质不断地发生着变化，并形成新的物质的过程，叫风化作用。

一、风化作用（一）风化作用类型风化作用可以分为机械风化、化学风化和生物风化。

1．机械风化机械风化是指岩石崩解、破碎而使其物理性质发生变化的过程。

机械风化和化学风化是可以磨损岩石和矿物的两个过程。

这两种类型的风化在地球地貌的塑造中同时发生作用。

岩石和矿物分解成更小的碎片的过程称为机械风化，也叫做物理风化。

在机械风化中，岩石的化学成分没有发生变化，仅仅是岩石的大小以及某些情况下形状方面发生变化。

影响机械风化的因素有很多，主要是温度和压力。

（1）温度温度在机械风化中扮演着一个重要角色。

当水结冰时，它的体积会增加大约9％。

因此，冰比液态水多占大约9％的空间。

在地球表面的许多地方，岩石缝隙和岩层之间总会聚集一定量的水。

如果温度下降到水的冰点，这些水就会结冰、膨胀，并对周围岩石施压，这可能会造成岩石的开裂。

随后，当温度升高时，岩石缝隙和岩层之间的冰会融化。

水在岩石的缝隙间发生的这种反复融化和冻结的现象称为冻融作用。

早春时在我国北方的很多公路上出现的坑洞，也是冻融作用的结果。

（2）压力压力是机械风化的另一个因素。

在地壳深处的基岩承受着来自上方覆盖岩层的压力。

一旦覆盖岩层被剥离，下方基岩所承受的压力就减小了，以前埋在地下的基岩表面于是就扩展、增长，形成弯曲的裂缝。

这些裂缝，亦称联结点，在平行于岩石的表面产生。

压力的减少也使得已有的基岩裂缝加宽。

岩石的外层会随着时间的推移逐渐剥落，就像洋葱的外皮被一层层剥去那样。

这种岩石外层剥落的过程称为剥落。

剥落经常导致圆顶形状的形成。

岩层的减压作用有时是惊人的。

例如，在一个深井中，当上覆岩层中的几层被移开时，突然的减压作用可能会造成大片岩石从矿井隧道的岩壁上爆裂脱落。

2．化学风化化学风化是岩石和矿物由于化学反应而发生化学成分变化的过程。

重要的化学风化动力包括水、氧气、二氧化碳和酸。

岩石和水之间的化学反应导致新矿物的形成以及可溶性物质的析出。

新的矿物和原岩有不同的性质。

例如，铁链上的锈和铸造铁链的铁有着不同的化学成分。

从某种程度上说，岩石的构成决定了它们将要发生化学风化的效果。

一些矿物，比如方解石，可能会完全被溶解。

含有方解石的岩石，例如石灰岩和大理石，同样会受到化学风化作用的严重影响。

建筑物和由这些岩石做成的纪念碑，很容易表现出由于风化作用造成的磨蚀痕迹。

温度是化学风化的另一种重要因素，这是因为在发生化学反应时，温度影响化学反应的速率。

通常，化学反应速率随温度的升高而加快。

在其他条件相同的情况下，温度每升高10℃，其化学风化的速率就会加倍。

（1）水水因为能溶解很多种矿物和岩石，而成为化学风化作用中一个重要的动力。

在一些化学反应中，水担任一个活跃的角色，而在另一些化学反应中，水只是作为介质出现。

水和其他物质间发生的反应称为水解反应。

硅酸盐矿物分解时会有水解反应发生，例如钾长石分解后成为高岭石，以及土壤中常见的细颗粒黏土矿物。

（2）氧气同水一样，氧气能与其他物质结合。

氧气和其他物质的化学反应称为氧化。

地球大气层中约有2l％的氧气。

岩石和矿物中的铁随时能与大气中的氧结合，形成含氧化铁的矿物。

含有单质铁的常见矿物包括磁铁矿、角闪石、黑云母和黄铁矿。

（3）二氧化碳大气中对化学风化过程起作用的另一种气体是二氧化碳，它是生物体在呼吸作用的过程中产生的。

当二氧化碳与大气中的水结合时，就会形成弱酸性的碳酸，并随着降水降落到地表上。

碳酸与诸如石灰岩和大理石中的方解石这样的矿物发生化学反应，从而使岩石溶解。

例如，在石灰岩溶洞，就是由于碳酸溶解石灰岩中的方解石而形成的。

碳酸也会影响硅酸盐矿物，例如云母和长石，这种影响是通过与矿物中的一些元素，如镁和钙，发生反应而产生的。

这种化学风化过程的结果是形成了黏土矿物。

在有腐烂的有机物质和植物呼吸作用产生高含量二氧化碳的地方，土壤中有高浓度的碳酸积累。

当落到地面的降水渗入地下，并与二氧化碳结合时，就会产生大量碳酸而参与化学风化过程。

（4）酸雨另一种化学风化的动力是酸雨，酸雨主要是由于人类活动而被释放到大气中的二氧化硫和氮氧化物的氧化作用造成的。

二氧化硫来自工业上化石燃料的燃烧和机动车尾气排放的氮氧化物。

这两种气体与氧气及大气中的水结合形成硫酸和硝酸。

我们通常使用pH来描述溶液的酸碱性。

正常降雨的pH大约为5.6，而酸雨的pH低于5.6。

由于酸性物质会危害许多生命体，并对非生命体造成破坏，因此酸雨给自然界带来了很大的危害。

它对湖中的鱼类和水生植物的生存造成严重的影响。

多数淡水湖的自然酸碱度在6～8之间。

这些湖中可以生长许多两栖动物、水生无脊椎动物和鱼。

然而，当湖水变得太酸时，物种的多样性就会减少。

与其他种类相比，林蛙能生存在酸性的环境里。

3．生物风化生物风化是指岩石在生物作用下，其物理性质和或化学性质发生变化的过程。

实际上，生物风化包括生物物理风化和生物化学风化。

生物对岩石的机械破碎作用，叫做生物物理风化。

比如，随着植物的生长，生长在岩石裂隙中的植物加速了岩石破碎的过程。

生物生长过程中，释放出一些化学物质与岩石发生化学反应，使岩石的化学性质发生变化的过程，叫生物化学风化。

比如，生物呼吸释放出二氧化碳，二氧化碳溶解于水生成碳酸，生物残体分解生成腐质酸，它们对岩石的溶蚀、溶解作用，即为生物化学风化。

腐烂的有机物和植物的根会产生二氧化碳，与水结合产生酸，提高风化速度。

（二）影响风化速度的因素地球物质的自然风化过程是非常缓慢的，比如，1 cm厚的石灰岩的风化也许需要 2 000年的时间，而大多数岩石的风化速度更加缓慢。

某些环境因素及其相互作用能够加速或减慢风化过程。

1．气候一个地区的气候是影响地球物质化学风化速度的主要因素。

气候的变量包括降水量、温度和蒸发量。

温度和降水量之间的相互作用会对一个地区的风化作用产生最大的影响。

在气候温暖、降水量丰沛、植被茂盛的地区，化学风化更容易发生。

这种气候条件下可产生厚实且富含有机物的土壤。

当丰富的降水与有机物中的二氧化碳结合产生高水平的碳酸时，化学风化的过程就变得更快了。

2．岩石的表面积物理风化使岩石破裂成较小的碎块。

当石块变小后，它们的表面积就会增加。

这意味着参加化学风化的总表面积变得更多。

3．地形和其他的因素地球物质覆盖着地表的坡面和平面。

位于平面的物质在它们经历变化时可能会保持在原来的位置，而在坡面的物质由于重力的原因，更有可能产生移动。

当地表物质向坡底移动，其下部的岩石表面会暴露在外，从而提高了风化的可能性。

花岗岩有三组相互正交的原生节理。

它们把岩体分割成许多长方形或近似正方形的岩块。

由于化学风化，特别集中在三组节理相交会的棱角部位，当经过一段时间之后，棱角即逐渐圆化，方形岩块逐渐变为球形岩块，这种现象称为球状风化。

在球状风化进行迅速情况下，球状岩块变小、变少，而被大量风化砂泥碎屑所包围，这样如受流水的强烈侵蚀，则风化泥沙被冲刷搬走，只残留或大或小的球形石块，它们或散铺在地面或互相堆迭在一起。

个别大石球栖息在岩坡上，似乎摇摇欲坠，称为摇摆石（图5.1）。

图5.1 福建东山岛上的摇摆石从地质循环角度看，风化作用为沉积岩的形成准备了沉积物质，它们经过搬运堆积和成岩作用后形成沉积岩。

有的岩石在一定的气候和地形条件下，经过风化作用形成风化矿场，例如高岭土、铝土矿、次生铜和镍、稀土及砂矿等。

风化壳形成后，可能被新的堆积物覆盖，或在平缓的地形条件下保存下来成为古风化壳，这可以反映古气候和古地理环境的特征。

二、风化壳风化产物虽经风化与剥蚀而依然残留原地覆盖于母岩表面者，即是风化壳或称残积物。

也有人把被搬运后再堆积的风化产物称为堆积风化壳。

风化壳尤其是厚层风化壳的形成必须具有两个方面的基本条件。

一是有利于风化作用持续进行的气候、岩性和构造条件，如高温多雨，温度较差大，岩石多节理、裂隙，构造破裂显著等。

二是有利于风化产物残留原地的地貌、植被、水文与水文地质条件，如地势起伏和缓，地貌较稳定，植被覆盖度高、地表流水侵蚀较弱、地下水流动显著且地下水位较低等。

（一）风化壳的基本特征1．分布不连续各地风化作用强度与风化产物就地残留的条件不同，风化壳空间分布上呈不连续性，厚度差异也很大，厚者可达100～200 m，薄者不足1 m。

2．以粘土和碎屑为主组成物质以粘土和碎屑为主，也可包括少量残存液体。

3．无层理结构疏松，表层分散性强，分解程度高，粒径细，中下层相反，但不具有类似沉积岩的层理。

4．可划分三个层带发育和保存均较好的风化壳，可以划分强度风化、中度风化和微风化三个层带。

以红色风化壳为例，强度风化带氧化作用强，代表性稳定矿物为铁铝氧化物，粘土矿物主要是高岭土，颜色棕红、有新生块体和铁质化现象。

中度风化带位于强度风化带之下，水呈垂直运动，氧化及淋滤作用较弱，但水解作用强，为高岭土及过渡性粘土矿物组成的夹碎屑粘土层。

微风化带接近母岩并为潜水层，水化和淋滤作用强，粘土矿物以水云母、绿泥石为主，本质上仍属疏松岩石。

（二）风化壳基本类型及其分布高温多雨的热带、亚热带地区，风化作用可全年进行，矿物分解最彻底，风化壳厚度最大，代表性风化产物为铁锰氢氧化物、铝的氢氧化物和高岭土类新生粘土矿物，K、Na、Ca、Mg和淋失强烈。

富铝型酸性风化壳和硅铝铁型酸性风化壳为典型的风化壳类型。

前者主要分布SiO2于热带，铝铁高度富集，并可形成铁、镍风化矿床。

后者广泛分布于热带、亚热带，铝铁分离不及前者显著，硅与铝形成高岭土类粘土矿物。

以花岗岩为母岩的风化壳常形成优质高岭土及稀土元素风化矿床，以石灰岩为母岩的风化壳则质粘、少硅、多铝，下层含钙质。

温带森林带的水热状况均不如热带亚热带，水分循环、生物循环、淋滤作用相对减弱，仅碱金属与碱土金属淋失较强，其他阳离子很少淋失，总体上属中度化学风化、代表性产物为高岭土类粘土矿物。

风化壳较薄，含褐铁矿、颜色棕或黄，多属硅铝粘土型弱酸性风化壳类型。

半湿润半干旱森林草原与草原带淋溶作用较弱，水的垂直运动自上而下与自下而上交替进行，广泛发育碳酸盐型中性至微碱性风化壳，色浅、层薄，含钙质、硅铝铁氧化物、蒙脱石类粘土矿物、黄土和少量岩屑，化学风化轻至中度。