第一节 风化作用
风化作用（weathering）是指在地表或近地表的条件下，由于气温、大气、水及生物等因素的影响，使地壳或岩石圈的矿物、岩石在原地发生分解和破坏的过程。风化作用在地表极为常见，几乎无时不有、无处不在。出露地表的岩石之所以能发生风化作用，那是因为地表以下的物理化学环境与地表是迥然不同的。地下温度高、压力大、缺乏游离氧、没有生命活动或很弱等；而地表气温低，且年、月、日变化频繁，有大气和生物的作用，特别是具有溶有各种气体及化学组分的水溶液的作用。由于这种环境的变化，露出地表的岩石必然会发生一系列的物理、化学性质的变化来适应新的环境。风化作用的重要特征是岩石或矿物在原地遭受分解和破坏，风化的产物仍保留在原地。
一、风化作用的类型
根据风化作用的方式和特点，风化作用可分为物理风化作用、化学风化作用和生物风化作用。
（一）物理风化作用
物理风化作用（physical weathering）是指主要由气温、大气、水等因素的作用引起的矿物、岩石在原地发生机械破碎的过程。在此过程中，矿物、岩石的物质成分不发生变化，只是从整体或大块崩解为大小不等的碎块。物理风化常有以下几种方式。
1.温差风化
是指由于岩石表层温度周期性的变化而使岩石崩解的过程。任何物质受热后体积发生膨胀，遇冷则体积收缩，岩石也不例外。在白天，当岩石受太阳光照射时，岩石表面的温度升高，表层体积就会膨胀，同时一部分热量向岩石的内部传递，但由于岩石是不良的热导体，热量传播得较慢，因而内部的温度上升很慢，体积膨胀的量也很小。这样，在岩石表层与岩石的内部之间，由于体积膨胀的差异，就形成平行岩石表面的裂隙。到了夜间，岩石表面热量散发较快，温度下降，体积收缩，而内部的热量散发慢，体积还处于膨胀的状态，从而产生了表层收缩、内部膨胀的不协调情况。这样，在表层也就形成了垂直岩石表面的裂隙。久而久之，岩石表层的裂隙扩大，岩石破碎。当外层破碎之后，这种膨胀—收缩过程就不断向岩石内部发展，最终，整块岩石完全崩解形成碎屑。当然，这一过程是缓慢的，人们不易察觉。温度变化的速度和幅度对温差风化作用影响较大，变化速度愈快、幅度愈大，岩石的膨胀和收缩交替得也愈快、伸缩量也愈大，岩石破碎得也愈快，所以这种风化作用在干旱的沙漠地区最为常见。
2.冰劈作用
是指因充填于岩石裂隙中的水结冰体积膨胀而使岩石崩解的过程。据实验，水结冰时体积增加9.2％，可产生96MPa的压力。当充填于岩石裂隙中的水结冰时，由于体积膨胀对周围岩石产生压力，使裂隙扩大；冰融后，扩大了裂隙又有水渗入，当水再次结冰时，裂隙又得到进一步的扩大。这样，由于岩石裂隙中的水反复结冰和融化，裂隙不断地扩大、加深，最终使岩石崩解。这种风化作用在日常生活中例子就是自来水管“冻裂”。冰劈作用主要发生在高寒地区和高山地带，尤以温度在0℃上下波动的地区最为发育。
指充填于岩石孔隙、裂隙中含盐分的溶液，因水溶液浓度的变化，盐类出现结晶和溶解使岩石破碎的过程。这种风化作用常见于干旱和半干旱地区，其原理类似于冰劈作用。在白天，因温度升高，岩石中含盐分溶液的水分蒸发，盐分过饱和而结晶出来，体积增大，对裂隙周围产生压力，扩大裂隙空间。如过饱和明矾溶液结晶后体积增大0.5％，对围岩产生4MPa的压力。在夜间，盐类吸收大气中或地下水的水分而溶解，溶液渗入岩石裂隙中。这种作用反复进行，也会使岩石裂隙扩大、崩解。在北方常听人们说“墙脚被碱掉了”，实质上就是该风化作用的结果。
4.层裂或卸载作用
埋藏地壳较深处的岩石，如岩浆岩、变质岩、沉积岩，都承受上覆岩石重量而产生的静压力，一旦由于某种原因（地壳运动、剥蚀作用、人工采石等），上覆岩石被剥蚀掉而出露地表，岩石就因卸载而产生向上或向外的膨胀作用，从而形成一系列平行、垂直地表的裂隙，促使岩石层层剥落和崩解，这种现象又称席理或卸载作用。
（二）化学风化作用
化学风化作用（chemical weathering）是指岩石在原地以化学变化（反应）的方式使岩石“腐烂”、破碎的过程。在此过程中，不仅岩石发生破碎、崩解，而且在温度及含有化学组分的水溶液影响下，岩石的物质成分也将发生变化，这与物理风化作用有本质的区别。化学风化作用通常有以下几种方式。
1.溶解作用
指水溶液溶解岩石的某些易溶成分，使其松软、破碎、崩解的过程。任何矿物都能溶于水，只是溶解度大小不同而已，但溶解作用在易溶的矿物或岩石中作用更为明显。在通常的情况下，最易溶于水的是卤化物和硫酸盐矿物，如NaCl（石盐）；其次是碳酸盐矿物，如方解石（CaCO3）；最难溶于水的是硅酸盐矿物，如长石、云母等。溶解作用的结果一方面是易溶解的物质溶解于水溶液，并随水溶液带走，使岩石孔隙增加，硬度减小，易于破碎；另一方面难溶物质残留原地形成风化产物。
2.氧化作用
是指矿物、岩石与大气或水中的游离氧起化学反应形成氧化物使岩石破碎的过程，常把在地表能够发生氧化作用的地带称为氧化带。据测试，大气中的含氧量为21％，自然界中的水溶液中含氧量常超过溶解于水中气体总量的30％，所以地表到处充满着氧，因此氧化作用是地壳表层最常见的化学风化作用之一，如铁生锈就是氧化作用的结果。
自然界中一些多价态的金属元素，在氧化作用下很容易由低价态转变成高价态，如Fe2＋→Fe3+、Mn2+→Mn4+、Cu→Cu2+，使其在地表的环境中更稳定。我们常见的有低价态的铁氧化成高价态的铁，如黄铁矿（FeS2）在地表（氧化环境）的条件下很容易氧化成褐铁矿（Fe2O3·nH2O）：
4FeS2＋14H2O＋13O2→2（Fe2O3·3H2O）＋8H2SO4
（黄铁矿） （褐铁矿）
黄铁矿氧化成褐铁矿后，在颜色、成分、结构上都发生了变化，矿物变得松软多孔。一些含铁金属硫化物矿床的露头经风化后形成红褐色或黑褐色的外表，主要由褐铁矿组成，俗称“铁帽”，它指示其下埋藏有金属硫化物矿床，是寻找硫化物矿床的重要标志。
水解作用是指水离解出的OH-离子与矿物离解出的阳离子，如Na+、K+等，结合形成带OH-新矿物的过程。碳酸化作用是指当CO3溶解于水中时，形成CO32-和HCO31-离子，它们与矿物中的阳离子（K+、Na+、Ca2+）结合形成易溶于水的碳酸盐或碳酸氢盐的过程。在自然界，水中或多或少都溶解有CO2，所以水解作用和碳酸化作用常常是同时发生的，两者相互促进。碳酸化作用形成碳酸盐或碳酸氢盐，并随水溶液带走，从而加速了水溶液对矿物离解的过程。以自然界分布极广的钾长石为例：
4K[AlSi3O8]＋2CO32-＋4H2O→2K2CO3＋Al4[Si4O10][OH]8＋8SiO2
（钾长石） （高岭石） （蛋白石）
4K[AlSi3O8]＋6H2O→4KOH＋Al4[Si4O10][OH]8＋8SiO2
（钾长石） （高岭石） （蛋白石）
钾长石在水解和碳酸化作用过程中，K+离子与OH-或CO32-离子化合形成KOH或K2CO3被水溶液带走；部分的SiO2析出，其中一部分以胶体的形式被水带走，而另一部分残留在原地凝聚成蛋白石；未析出的SiO2与Al2O3则按不同比例组合成各种粘土矿物，如高岭石、蒙脱石等。高岭石在地表条件下很稳定，堆积在原地，但如果在湿热的气候条件和含CO2、有机酸的水溶液作用下，高岭石还可进一步水解成铝土矿和蛋白石。
所以在潮湿炎热的气候条件下，钾长石风化的最终产物是铝土矿和蛋白石，或为含铝质和铁质的残积物。斜长石在水解和碳酸化作用的分解过程与钾长石相似。
需要指出的是，在自然界以上的各种化学风化作用过程都是缓慢的，每种化学风化作用也不是孤立存在的，它们都是相互影响，相互促进，共同破坏着地表岩石。
（三）生物风化作用
由生物的生命活动引起岩石的破坏过程称生物风化作用（biological weathering）。覆盖在地球表面的生物圈，存在着无数的生物，它们在活动过程中必然对地球表面的物质产生作用。据目前的研究成果表明，任何一种矿物、岩石的破坏，在某种程度上或多或少都有生物作用的参与。具体地说，生物是通过物理的和化学的两个方面对岩石进行破坏，因此又可分为生物物理风化作用和生物化学风化作用，但生物化学风化作用更为普遍些。由生物活动导致岩石的机械破碎过程称生物物理风化作用，常见的一种形式就是根劈作用。生长在岩石裂隙中的植物，随着植物的长大，根系也逐渐长大膨胀，促使岩石裂隙扩大、加深，以致崩解，这种作用在植被茂盛、岩石裂隙发育的地区是非常常见的。
由于生物活动引起岩石化学成分变化而使岩石破坏的过程称生物化学风化作用。这种作用通常是通过生物在新陈代谢过程中分泌出的物质和死亡之后腐烂分解出来的物质对岩石起化学反应完成的。生物在新陈代谢过程中，一方面从土壤和岩石中吸取养分，而另一方面又分泌有机酸、碳酸、硝酸等酸类物质以分解矿物，促使矿物中一些活泼的金属阳离子（Na+、K+）游离出来，一部分供生物吸收，另一部分随水溶液带走，从而使岩石破碎。生物死亡之后逐渐聚集起来，在还原环境下发生腐烂分解，形成一种暗黑色胶状物质，称腐殖质，它含有机酸，对矿物、岩石有着腐蚀作用，使它们分解、破碎。
总之，上述的物理、化学、生物风化作用都是具有独立意义的，但在多数情况下，它们是相互伴生、相互影响、相互促进的。只是在不同的地区、不同的气候条件、不同的时期以某种风化作用为主，如在寒冷地区以冰劈作用为主，在湿热的地区化学风化作用强烈。
二、风化作用的产物
（一）物理风化作用的产物
物理风化作用是一种纯机械的破坏作用，其结果是使岩石崩解成粗细不等、棱角明显的碎块。如果没有其它的地质作用（剥蚀作用），碎屑常覆盖在原岩的表面，其成分与原岩一致。如果地形较陡，岩石碎屑在重力的作用下，向坡下滚动或坠落，堆积在坡脚。由于惯性力的作用，粗大的碎块滚得较远，堆积在下部；而细小的碎块滚得较近堆积在上部。形成上部岩石碎屑小，下部岩石碎屑粗的堆积体，称倒石锥。
（二）化学风化作用的产物
化学风化作用的最终产物包括两部分：一是能溶于水中的可迁移物质；一是难于迁移，堆积在原地的残积物。
能溶于水的可迁移物质包括各种易溶盐类、K+、Na+的氢氧化物和少部分难溶物质（如Si4+、Al3+、Fe3+、Mn4+等氧化物或氢氧化物胶体），易溶物质在水中常以真溶液形式迁移，而部分难溶物质常以胶体的形式被迁移。残积物主要为难溶物质、岩石碎屑和风化形成的矿物，如石英碎屑、蒙脱石、高岭石、铝土矿、蛋白石、褐铁矿等。
矿物和岩石在化学风化过程中是逐步分解的，由于各种矿物的物理、化学性质不同，在分解过程中难易程度也不一样。换句话说，就是矿物的抗风化能力的强弱之别。据研究，在自然界中各类矿物抗风化能力的顺序是：氧化物、氢氧化物＞硅酸盐＞碳酸盐＞硫化物＞卤化物、硫酸盐；几种常见矿物抗风化能力的顺序是：石英＞白云母＞长石＞黑云母＞角闪石＞辉石＞橄榄石。
表5.1 元素的迁移系列
同样，组成矿物的元素在矿物分解过程中也是逐步分离出来的。由于各种元素的化学性质不同，在析出的过程中就有难易之分。常见元素的迁移系列如表5.1所示。表中所列的1、2系列元素在化学风化过程中总是最先被析出，组成易溶盐类被河水、地下水带走，这些元素是构成卤化物、硫酸盐的主要元素。表中3、4系列元素只能作短距离迁移或残留原地，这两系列元素主要组成硅酸盐或氢氧化物矿物，所以残积物中多含SiO2和Fe、Al的氢氧化物或含水氧化物。
（三）生物风化作用的产物
生物风化作用的产物包括两部分：一部分是生物物理风化作用形成的矿物、岩石碎屑，在成分上与原岩相同；另一部分是生物化学风化作用的产物，其特征是在物质成分上与原岩不一样。生物风化作用的一种重要产物就是土壤，确切地说它是物理、化学和生物风化作用的综合产物，但尤以生物风化作用为主，使其富含腐殖质。土壤一般为灰黑色、结构松软、富含腐殖质的细粒土状物质，与一般残积物的主要区别在于含有大量腐殖质，具有一定的肥力。
（四）风化壳
地表岩石经物理、化学、生物风化的长期作用，形成由风化产物组成的、分布于大陆基岩面上的不连续薄壳，称为风化壳。风化壳覆盖在陆地表面，由于表层和下部的岩石所经受的风化强度不一样，表层的风化程度要深，而下部的风化程度要浅，因此，在剖面上自上而下的风化产物在成分和结构上都有明显的差异，所以风化壳在剖面上可以分为若干层。如以花岗岩的风化壳为例，一般自上而下可分为4层。
Ⅰ.土壤层 呈深褐灰色，质细且疏松，富含腐殖质，植物根系较多。原岩的矿物成分、结构基本消失。厚薄不一，一般以20～50cm较多。常是综合风化作用的结果。
Ⅱ.残积层 呈黄褐、褐红色，质细松软，原岩的结构、构造消失，主要由粘土矿物组成，一般不含腐殖质。原岩中的黑云母风化成蛭石，长石类矿物风化成高岭土等。以化学风化作用为主。
Ⅲ.半风化层 呈淡褐色，原岩的结构、构造部分保存，但岩石已松软。岩石的部分矿物成分发生变化。
Ⅳ.基岩 未风化的原岩。
实际上，不同种类岩石形成的风化壳的分层也不一样，有的分层很完整，如花岗岩、粘土岩等，而有的风化壳只有土壤层、残积层，如灰岩等。在风化壳剖面上这4层的界面是不清晰的，呈渐变过渡，且凹凸不平，这主要受岩石的性质及引起风化作用因素的影响。风化壳的构成（分层）和特点不仅受岩石性质的影响，还受气候条件的影响。在不同气候条件下，由于影响风化作用因素的不同，从而产生具有不同特征的风化产物，也就构成具有不同特点的风化壳。如寒冷地区形成碎屑型风化壳、湿热地区形成砖红土型风化壳等。
地质历史时期形成的风化壳称古风化壳。古风化壳常保存在岩层或沉积物中，如华北地区下奥陶统与上石炭统之间保存有一古风化壳；黄土高原的黄土中也保存有多个古风化壳。由于古风化壳形成后受到其它地表营力的剥蚀作用，多数保存不完整，厚度也很小。
（五）土壤
土壤是指地球表面陆地上能够生长植物的疏松表层。土壤之所以能够生长植物，是因为它具有一定的肥力。所谓土壤肥力就是指土壤具有长期不断地供应和调节植物生长过程中所需要的养分、水分、空气和热量的能力。土壤一般是在风化壳（如山区土壤）和松散沉积层（如平原、盆地区土壤）的基础上，经生物及其他风化作用的综合改造而形成的。
土壤的主要组成有腐殖质、矿物质、水分和空气。腐殖质是生物、微生物遗体在风化产物中不断聚集腐烂后变成的，它的存在与否是土壤与其他松散堆积物的主要不同点。土壤中的矿物质由风化过程中形成的和残存的各种粘土矿物以及石英、长石、角闪石、云母等组成，这些矿物质与土壤中的腐殖质、水分和空气相互作用，使土壤性质多变，形成复杂的肥力性状。土壤的厚度一般50～60cm到1～2m，最厚可达10m以上。发育成熟的土壤剖面，根据其成分、颜色和结构特点，自上而下可分为3层。
A.表土层 有机质丰富，由于腐殖质的积聚常呈暗色，为黑、灰、浅灰色，是耕作的对象。在该层的上部，腐殖质相对富集，颜色也相对较暗，被称为腐殖质层；该层下部，由于风化和水的向下淋滤作用，造成物质的淋溶，颜色较上部要浅，被称为淋溶层或淋滤层。
B.淀积层或心土层 有机质较表土层低，由于雨水不断渗入，从上层淋滤下来的部分物质在这里沉淀。淀积的物质主要有氧化铁、氧化铝、腐殖质、石膏和碳酸钙等。本层很少受到耕作的影响，但是其性质在很大程度上决定土壤肥力。
C.母质层 受生物风化或改造作用较弱，在基岩风化壳剖面中相当于残积层和半风化层，在松散沉积物剖面中相当于未受生物改造或改造很弱的沉积层，该层与淀积层呈过渡关系。
在不同地区、不同气候条件下土壤的特征是不一样的，土壤的类型与分布主要与气候带有关。主要的土壤类型有红壤、黄壤、棕壤、褐土、黑土、黑钙土、粟钙土、荒漠土、冰沼土、水稻土和盐碱土等。不同的土壤类型可反映其形成时的不同气候环境，如我国东北地区分布的黑土与黑钙土主要形成于温带—寒温带气候，我国南方地区分布的红壤与黄壤主要形成于热带—亚热带的湿热气候，我国西北地区分布的粟钙土和盐碱土主要形成于干旱或半干旱气候。土壤不仅现在可以形成，在地质历史时期也可形成，那称为古土壤，它们保存在沉积物或岩层中，古土壤是研究和恢复古气候、古环境的重要依据。
三、影响风化作用的因素
影响风化作用的因素主要有气候、植被、地形和岩石特征等方面。
（一）气候和植被
气候因素包括温度、降雨量和湿度，它们是控制风化作用的重要因素。
温度一方面通过控制化学反应速度来控制化学风化作用的进行，另一方面又直接影响物理风化作用，如温差风化、冰劈作用。降雨量和湿度则是通过介质的温度变化、水溶液成分的变化、植被的生长来影响物理、化学和生物的风化作用。
在地表的不同气候带，气候条件相差很大。在两极及高寒地区，气温低，植被稀少，地表水以固态的形式存在为主，所以在该地区以物理风化作用为主，尤以冰劈作用盛行为特征，而化学风化作用和生物风化作用很弱。在干旱的沙漠地带，植被稀少，气温日、月变化大，降雨量少，空气干燥，所以化学风化作用和生物风化作用非常之弱，而以物理风化作用为主，如温差风化、盐类的结晶和潮解作用是这些地区风化作用的主要形式。在低纬度的炎热潮湿气候区，雨量充沛，植被茂盛，温度高，空气潮湿，所以化学反应的速度较快，故化学风化作用和生物风化作用显著，风化作用的深度往往达数米。如果这些地区气候在较长时间内保持稳定，岩石的分解作用便能向纵深方向发展，形成巨厚的风化产物。这种气候条件也是形成风化矿产——铝土矿最有利的条件。
植被对风化作用的影响表现在两个方面：一方面直接影响生物的风化作用，埴被茂盛生物风化作用强烈，而植被稀少的地方生物风化作用就弱；另一方面又间接地影响物理风化作用和化学风化作用过程。岩石表面长满植物，减少了岩石与空气的直接接触，降低了岩石表面的温差变化，消弱了物理风化作用。但植被的茂盛却带来了更多的有机酸和腐殖质，使周围环境中水溶液更具有腐蚀能力，从而又加速了化学风化作用的进程。实际上植被对风化作用的影响与气候条件是分不开的，气候潮湿炎热，植被茂盛；而干旱、寒冷，植被稀少。
气候和植被对土壤的影响最为显著，不同的气候带都有其典型的土壤类型，当气候条件发生改变时，土壤类型也随之发生改变，因此有人把土壤称为“气候的函数”。如在寒冷潮湿的苔原气候带常形成冰沼土，在热带和温带的荒漠地区形成荒漠土，在温带落叶阔叶森地区形成棕壤和褐土。
（二）地形
地形条件包括三个方面：一是地势的高度，二是地势起伏，三是山坡的方向。
地势的高度影响气候的局部变化，中低纬度的高山区具有明显的气候垂直分带，山脚气候炎热，而山顶气候寒冷，植被特征也不一样，因而影响风化作用的类型和速度。在我国云南的大部分地区这种现象很明显。
地势的陡缓影响到地下水位、植被发育及风化产物的保存，因而也影响风化作用的进行。地势较陡的地区，地下水位低、植被较少，风化产物不易保存，使基岩不断裸露，从而加速了风化作用的进行。
阳坡、阴坡的风化作用类型和强度也不一样。阳坡日照时间长，湿度较高，植被较多，所以风化作用较强烈。如喜马拉雅山南坡面临印度洋，气候炎热、潮湿，化学和生物风化作用很强烈，而北坡干、冷，主要发育物理风化作用。
（三）岩石特征
岩石特征对风化作用的影响包括岩石的成分、结构、构造和裂隙。
岩石成分 不同的矿物具有不同的抗风化能力，那么由不同矿物组成的岩石其抗风化能力也就不同。如由橄榄石、辉石、长石等组成的岩浆岩容易风化，而由石英砂颗组成的沉积岩抗风化能力就很强。因此，抗风化能力较弱的矿物组成的岩石被风化后而形成凹坑，而抗风化能力强的组分相对凸出，在岩石表面就出现凹凸不平的现象，这称差异风化作用。
岩石的结构、构造 组成岩石的矿物粒径、分布特征、胶结程度及层理对风化作用的速度和强度都有明显的影响。在其它条件相同的情况下，由细粒、等粒矿物组成及胶结好的岩石抗风化能力较强，风化速度较慢。
裂隙 岩石的裂隙发育使岩石与水溶液、空气的接触面积增大，增强水溶液的流通性，从而促进风化作用的进行。如果一些岩石的矿物分布均匀，如砂岩、花岗岩、玄武岩等，并发育有三组近于互相垂直的裂隙，把岩石切成许多大小不等的立方形岩块，在岩块的棱和角处自由表面积大，易受温度、水溶液、气体等因素的作用而风化破坏掉，经一段时间风化后，岩块的棱、角消失，在岩石的表面形成大大小小的球体或椭球体，这种现象称球形风化作用。
研究风化作用具有很重要的意义。在风化作用过程中，一些难溶的元素或物质在原地及其附近堆积起来可富集成有用的矿产，如铁矿、铝土矿、镍矿等。据目前的资料统计，与风化作用有关的铝土矿占世界总储量的85％；风化作用还可形成一些找矿志如“铁帽”等。研究古风化壳对了解一个区域的地壳发展历史很重要，因古风化壳代表了较长时间的陆上环境，反映了地壳的一次上升运动。土壤是气候的函数，研究古土壤（主要是第三纪及第四纪的古土壤，更老的古土壤难于辨认）有助于恢复古气候、古地理环境。由于风化的岩石强度减弱、透水性增加，对工程建筑极为不利，所以在修建大型工程时要了解风化壳的分布和厚度以及被风化岩石的强度等，以便采取相应的措施以保证工程的质量。此外，风化壳及风化作用研究对于农林业种植及国土利用也具有现实意义。