土木工程地质：风化作用类型及其影响因素

（一）物理风化作用

在地表或接近地表条件下，岩石矿物在原地发生机械破碎而不改变其化学成分的过程叫物理风化作用。引起物理风化作用的主要因素是岩石释重和温度变化，此外，岩石裂隙水的冻结与融化，盐类的结晶与潮解等，也能促使岩石发生物理风化作用。

1.岩石释重

无论是岩浆岩、变质岩还是沉积岩，在其形成后，都可以因为上覆巨厚的岩层而承受巨大的静压力。一旦上覆岩层遭受剥蚀而卸荷时，岩石释重，随之产生向上或向外的膨胀作用，形成一系列与地表平行的节理。处于地下深处承受巨大静压力的岩石，其潜在的膨胀力是十分惊人的。在一些矿山，当岩石初次临空时，膨胀是如此迅速，以致碎片炸裂飞出。岩石释重所形成的节理，为水和空气活动提供了通路，使它们的风化作用更有效。

2.温度变化

由于岩石是热的不良导体，白天岩石在阳光照射下，表层首先升温，热向岩石内部传递很慢，就使岩石内外出现温差，各部分膨胀不同，形成与表面平行的风化裂隙。到了夜晚，白天吸收的太阳辐射热继续以缓慢速度向岩石内部传递，内部仍在缓慢地升温膨胀，而岩石表面却迅速散热降温，体积收缩，于是形成与表面垂直的径向裂隙。久而久之，这些风化裂隙日益扩大，增多，导致岩石层层剥落，最后崩解成碎块。

图3-1　冰劈作用

温度变化的速度和幅度，特别是变化速度，对物理风化作用的强度起着重要影响。温度变化速度愈快，收缩与膨胀交替愈快，岩石破裂愈迅速，因而温度日变化对物理风化的影响最大，年变化影响较小。

3.冰劈

岩石空隙或裂隙中的水在冻结成冰时，体积膨胀（约增大9%），因而对围限它的岩石裂隙壁施加很大的压应力（可达200MPa），使岩石裂隙加宽加深。当冰融化时，水沿扩大后裂隙流入到岩石更深的内部，并再次冻结成冰，这种冻结、融化频繁进行，不断使裂隙加深扩大，以致使岩石崩裂成为岩屑。这种作用又称为冰劈作用，如图3-1所示。

4.晶胀

岩石空隙中的水，往往溶解有大量的盐分。当水分蒸发，水溶液中的盐分浓度增大至过饱和时，盐分将再结晶。盐分结晶，体积随之膨胀，于是对周围岩石产生压力，并使空隙加大，导致岩石崩解。

可以看出，物理风化的结果，首先是岩石整体性遭到破坏，随着风化程度的增加，逐渐成为岩石碎屑和松散的矿物颗粒。由于碎屑逐渐变细，使热力方面的矛盾逐渐缓和，因而物理风化随之相对削弱，但同时随着碎屑与大气、水、生物等营力接触的自由表面不断增大，使风化作用的性质发生相应的转化，在一定条件下，化学风化作用将在风化过程中起主要作用。

（二）化学风化作用

化学风化是指岩石在水、氧、二氧化碳以及酸类等各种营力的影响下，所引起的破坏作用。其主要特点是化学营力，对岩石进行各种化学分解，使岩石的化学成分发生改变，并产生新的次生矿物。但最基本的是自然界的水，几乎所有的反应都是在水的参与下进行的。化学风化作用的主要方式：溶解作用、水化作用、水解作用、氧化作用和碳酸作用。

1.溶解作用

水能直接溶解组成岩石的矿物，使岩石遭到破坏。最容易溶解的是卤化盐类（岩盐、钾盐），其次是硫酸盐类（石膏及无水石膏），再其次是碳酸盐类（石灰岩、白云岩等）。其他岩石也溶解于水，但程度都很低。岩石与水长期接触，岩石中的可溶性矿物就逐渐被水溶解。岩石在水里的溶解速度一般都比较缓慢，但是在有利的条件下，如水的温度升高以及压力增大时，水的溶解作用就会显著增强。在可溶岩分布的地区，由于水对岩石的溶解作用，常常形成溶沟、溶洞等各种岩溶现象。

2.水化作用

水化作用是水与岩石中的某种矿物成分化合成为含水化合物的过程。如无水石膏经水化作用变成石膏。

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水化作用的结果产生了水化矿物。含水矿物硬度低于无水矿物，同时由于在水化过程中，结合了一定数量的水分子成为物质的成分之一，改变了原有的矿物成分，引起体积膨胀。如无水石膏经水化作用变成石膏，其体积增加60%，这种压力对周围岩石也有一定破坏作用。

3.水解作用

纯水本身是中性的，但仍具有离解性，即部分能离解成为H＋离子和OH－离子，而一些弱酸强碱或强酸弱碱所形成的盐类矿物，在水中也能成为阴、阳离子，因此某些矿物溶于水后，其离子能和水中的H＋离子或OH－离子结合而形成新的矿物。

岩石中大部分矿物属于硅酸盐和铝硅酸盐类，它们是弱酸强碱的化合物，因而水解作用也比较普遍，如正长石水解成为高岭土的现象。

可以看出，正长石的强碱性钾盐与水的OH－根化合成为易溶的KOH随水流走，其中分解出来的SiO2在有强碱钾盐的盐性溶液中不能凝聚下来，而成为胶体溶液被带走，结果只有高岭土被残存下来。

4.碳酸化作用

碳酸化作用是某些物质与CO2发生反应而生成碳酸盐化合物的过程。岩石中的某些矿物本来是不易与水起化学反应的，但水中溶有CO2时，则化学反应显著增强，并生成碳酸盐，溶于水中被带走，结果使岩石遭到破坏。如花岗岩中的正长石受到长期碳酸盐化作用时，则发生如下反应

正长石中的K与CO2、H2O生成K2CO3溶解于水，随水流失，胶体的硅酸失水变成石英矿物，残留下来的只有高岭土，这样花岗岩也就被分解破坏了。

此外，碳酸盐类的岩石，如石灰岩、白云岩等，经碳酸化作用可以从比较难溶于水的碳酸盐转变为容易溶解的重碳酸盐，因而加强了水对岩石的溶解作用。例如

CaCO3＋CO2＋H2O--→Ca（HCO3）2

5.氧化作用

氧化作用是化学风化作用中最常见的一种，它经常在水的参与下，通过在空气和水中的游离氧来实现的。许多变价元素在地下缺氧的条件下，常形成低价元素的矿物，在地表氧化环境下，这些低价元素矿物极不稳定，容易氧化为高价元素的新矿物，以适应新的环境，如黄铁矿经氧化后成为褐铁矿。

从以上化学风化作用的主要方式和产生风化作用的主要营力，可以看出，化学风化作用在温暖、潮湿的地区最为活跃，进行的也比较彻底。

（三）生物风化

生物风化是指生物在其生长和分解过程中，直接或间接地对岩石矿物所起的物理和化学的风化作用。

生物的物理风化，如生长在岩石裂缝中的植物，在成长过程中，根系变粗、增长和加多，它像楔子一样对裂隙壁施以强大的压力（1～1.5MPa），将岩石壁裂，其他如动物的挖掘和穿越活动也会加速岩石的破碎。

生物的化学风化作用更为重要和活跃。生物在新陈代谢过程中，一方面从土壤和岩石中吸取养分；另一方面也分泌出各种化合物，如硝酸、碳酸和各种有机酸等，它们都是很好的溶剂，可以溶解某些矿物，对岩石起着强烈破坏作用。