风化作用地球的外部系统.pptx

龟卧高台第二篇 地球的外部系统目的了解外动力地质作用的结果削高补低从地质学的角度分析现今地表各种作用的过程和产物利用“将今论古”的方法，推测地质历史上地表演化历史和过程地质作用概述地质作用在自然界中所发生的一切可以改变固体地球物质组成、构造和地表形态的作用地质作用的三重概念：能、营力、作用方式营力：由能量转化而成的，能够发生地质作用的力根据能量来源可以划分为：内动力地质作用和外动力地质作用Geological Process(地质作用)ExternalProcesses(外动力地质作用）外动力地质作用）Erosion-rocksarebrokendown(weathered)intosmallfragmentswhicharethencarriedbywind,water,iceandgravity.ExternalbecauseerosionoperatesattheEarthssurface.Theenergysourceforthisprocessissolarandgravitational.InternalProcesses(内动力地质作用内动力地质作用)Processesthatproducemagmas,volcanoes,earthquakesandbuildmountainranges.EnergycomesfromtheinterioroftheEarth,Mostfromradioactivedecay-nuclearenergy.地质作用的方式地质作用相互关系Some Geologic Rates地质上的变形速率CuttingofGrandCanyon2km/3m.y.=1cm/15yrUpliftofAlps5km/10m.y.=1cm/20yr.OpeningofAtlantic5000km/180m.y.=2.8cm/yr.UpliftofWhiteMtns.(N.H.)Granites8km/150m.y.=1cm/190yr.Some Geologic RatesMovementofSanAndreasFault5cm/yr=7m/140yr.MovementofKunlunFaultMovementofAltynTaghFault0.8cm/yr=GrowthofMt.St.Helens3km/30,000yr=10cm/yr.DepositionofNiagaraDolomite100m/1m.y.=1cm/100yr.ProcessesrangefromthosethatoccurrapidlytothosethatoccurslowlyExamplesofslowprocessesFormationofrocksChemicalbreakdownofrocktoformsoil(weathering)Chemicalcementationofsandgrainstogethertoformrock(diagenesis)Recrystallizationtorocktoformadifferentrock(metamorphism)Constructionofmountainranges(tectonism)ErosionofmountainrangesExamplesoffasterprocessesBeacherosionduringastorm.ConstructionofavolcanicconeLandslides(avalanches)DustStormsmudflows第四章 风化作用(Wethering)Weathering（风化作用）（风化作用）SincemanyrocksandmineralsareformedunderconditionspresentdeepwithintheEarth,whentheyarrivenearthesurfaceasaresultofupliftanderosion,theyencounterconditionsverydifferentfromthoseunderwhichtheyoriginallyformed.AmongtheconditionspresentneartheEarthssurfacethataredifferentfromthosedeepwithintheEarthare:LowerTemperature(NearthesurfaceT=0-50oC)LowerPressure(NearthesurfaceP=1toseveralhundredatmospheres)Higherfreewater(thereisalotofliquidwaternearthesurface,comparedwithdeepintheEarth)Higherfreeoxygen(althoughO2isthemostabundantelementinthecrust,mostofitistiedupbondedintosilicateandoxideminerals-atthesurfacethereismuchmorefreeoxygen,particularlyintheatmosphere).Becauseofthesedifferingconditions,mineralsinrocksreactwiththeirnewenvironmenttoproducenewmineralsthatarestableunderconditionsnearthesurface.MineralsthatarestableunderP,T,H2O,andO2conditionsnearthesurfaceare,inorderofmoststabletoleaststable:Ironoxides,Aluminumoxides-suchashematiteFe2O3,andgibbsiteAl(OH)3.铁的氧化物和铝的氧化物：赤铁矿和水铝矿Quartz*石英ClayMinerals粘土矿物Muscovite*白云母AlkaliFeldspar*碱性长石Biotite*黑云母Amphiboles*角闪石Pyroxenes*辉石Ca-richplagioclase*富钙斜长石Olivine*橄榄石Weatheringistheprocessesthatcausethebreakdownofrocks,eithertoformnewmineralsthatarestableonthesurfaceoftheEarth,ortobreaktherocksdownintosmallerparticles.Geologistsrecognizetwocategoriesofweatheringprocesses1.PhysicalWeathering-disintegrationofrocksandmineralsbyaphysicalormechanicalprocess.2.ChemicalWeathering-chemicalalterationordecompositionofrocksandminerals.风化是矿物和岩石的物理破碎崩解、化学分解和生物分解等复杂过程的综合。“风化”被广泛用于地球科学的许多分支学科，但“风化”一词并不能反映出这一复杂过程的全部。风化作用可以相对的划分出物理风化和化学风化。4.1 Physical WeatheringPhysical Weathering物理风化Physical WeatheringPhysical WeatheringDevelopmentofJoints(节理发育节理发育)Jointsformasaresultofexpansionduetocoolingorreliefofpressureasoverlyingrocksareremovedbyerosion.JointsformfreespaceinrockbywhichotheragentsofchemicalorphysicalweatheringcanenterHeat(热热)-Dailyheatingandcoolingofrocks;suddenexposuretohightemperature,suchasinaforestorgrassfiremaycauseexpansionandeventualbreakageofrock.PlantandAnimalActivities(植物)-Plantrootscanextendintofracturesandgrow,causingexpansionofthefracture.Animalsburrowingormovingthroughcrackscanbreakrock.FrostWedging(冰楔作用冰楔作用)-Uponfreezing,thereisanincreaseinthevolumeofthewater.Asthewaterfreezesitexpandsandexertsaforceonitssurroundings.Frostwedgingismoreprevalentathighaltitudeswheretheremaybemanyfreeze-thawcycles.温度风化昼夜温差和季节温差热胀冷缩岩石中矿物的差异岩石的各向异性同一矿物的晶格差异机械风化外部营力作用使岩石发生机械破坏冻结风化植物根系Frost Wedging Frost Wedging 冻 结 风 化 示 意 图Asthewaterfreezesitexpandsandexertsaforceonitssurroundings.Frostwedgingismoreprevalentathighaltitudeswheretheremaybemanyfreeze-thawcycles.岩石遭受冻结风化的现象植物的根劈作用Plantrootscanextendintofracturesandgrow,causingexpansionofthefracture.黄山的迎客松就生长在岩石的裂缝中4.2 Chemical WeatheringChemical Weathering化 学 风 化Types of Chemical Weathering ReactionsTypes of Chemical Weathering Reactions Oxidation-Sincefreeoxygen(O2)ismorecommonneartheEarthssurface,itmayreactwithmineralstochangetheoxidationstateofanion.ThisismorecommoninFe(iron)bearingminerals,sinceFecanhaveseveraloxidationstates,Fe,Fe+2,Fe+3.DeepintheEarththemostcommonoxidationstateofFeisFe+2.Pyroxene辉石Magnetite磁铁矿 Quartz4.2.1 化学风化的方式及过程氧化作用是地球表面最为活跃的风化作用形式之一，氧化作用通常使一些具有多种化学性质的元素由低价氧化物转变为高价氧化物。如：FeS2+nO2+mH2OFeSO4Fe2(SO4)3Fe2O3nH2O氧化作用Types of Chemical Weathering ReactionsTypes of Chemical Weathering ReactionsHydrolysis-H+orOH-replacesanioninthemineralLeaching-ionsareremovedbydissolutionintowater.IntheexampleabovewesaythattheK+ionwasleached.Dehydration-removalofH2OorOH-ionfromamineral.CompleteDissolution-allofthemineraliscompletelydissolvedbythewater.Orthoclase正长石Kaolinite高岭石Goethite针铁矿Hematite赤铁矿复杂的水解作用对于硅酸盐类和铝硅酸盐类岩石的风化具有特别重要的意义。这种作用过程包括分解矿物、带出某些元素、与氢氧离子组合、水化作用等，如长石通过中间形式形成高岭石的过程：K(AlSi3O8)(K,H3O)Al2(OH)2(AlSi4O10)Al4(OH)8(Si4O10)水解作用溶解作用是化学风化过程的另一种常见的形式。含有CO2或者其他酸性气体的水，可以使岩石发生溶解。对于一些蒸发盐类，如石膏、岩盐等，水的溶解作用表现尤为明显。溶解作用水化作用是指水与原生矿物组合并形成新矿物的过程，如：CaSO4+2H2OCaSO42H2O无水石膏与石膏之间在一定条件下是可逆的。水化作用化学风化作用类型氧化作用矿物中的低价元素与大气和水中的游离氧化合变为高价元素的作用水化作用有些矿物与水作用时，能够吸收水份作为自己的组成部分，形成含水的新矿物溶解作用矿物溶于水的过程水解作用矿物的离解物与水中的H+、OH离子发生化学反应，形成新矿物4.2.2 酸雨的形成及破坏作用酸雨是指pH值5.6的降水酸雨是最严重的污染之一，世界上的许多地方都发生过酸雨事件。酸雨是工厂排放的酸性气体，造成空气污染，并经过复杂的大气物理化学过程，通过大气降雨的形式重新返回地面。酸雨中所含的酸性物质主要是硫酸和硝酸。煤炭燃烧排出的二氧化硫和石油燃烧排出的氮氧化物是酸雨形成的主要原因。大气降水的酸度过高，可能会使生态系统受到破坏，毁坏森林、干扰农作物的光合作用，甚至造成毁灭性的破坏。一九八二年六月十八日，重庆市下了一场酸雨，使郊区2万亩水稻叶片突然枯黄，几天后局部枯死。酸雨还能腐蚀金属结构、破坏建筑物、加速风化作用的进程酸雨可使土壤、湖泊、河流酸化，导致水生生物的结构发生变化，破坏生态平衡。一些发达国家在发展中曾经造成湖泊的严重酸化，导致鱼类死亡。我国酸雨主要分布在长江以南、青藏高原以东地区，酸雨的破坏逐年加重，区域也在逐渐扩大，造成了严重的经济损失。据统计，酸雨造成的损失每年高达20亿元以上。4.3 Factors that Influence Factors that Influence WeatheringWeathering风化作用的影响因素Rock Type and Structure（岩石的类型、结构）Slope（倾斜度）Climate（气候）Special Animals（动物）Time（时间）4.3 影响化学风化作用的因素岩石的特征有机界的作用环境与气候4.3.1 岩石性质对风化作用的影响Rock Type and StructureDifferent rocks are composed of different minerals,and each mineral has a different susceptibility to weathering.Bedding planes,joints,and fractures,all provide pathways for the entry of water.A rock with lots of these features will weather more rapidly than a massive rock containing no bedding planes,joints,or fractures.4.3.1.1岩石的地球化学特征影响化学风化作用的主要因素。不同的岩石由于化学成分的不同，其化学活动性也明显不同（主要表现在原子价、离子半径、离子亲和力、化合能力和极化能力等方面），容易被氧化、溶解的岩石出露区，总是化学风化作用较为强烈的地段。同一岩石中由于不同矿物成分的差异，也会造成风化作用的差异。白云质灰岩中的刀砍状、太婆脸构造4.3.1.2 岩石的结构构造对风化作用的影响岩石中的一些原生的次生的构造将影响风化作用的进程，形成一些特殊的风化地貌。Surface Area and WeatheringSpheroidalWeathering(球形风化球形风化)Ifjointsandfracturesinrockbeneaththesurfaceforma3-dimensionalnetwork,therockwillbebrokenintocubelikepiecesseparatedbythefractures.Watercanpenetratemoreeasilyalongthesefractures,andeachofthecube-likepieceswillbegintoweatherinward.Therateofweatheringwillbegreatestalongthecornersofeachcube,followedbytheedges,andfinallythefacesofthecubes.Suchprogressionofweatheringisreferredtoasspheroidalweathering.spheroidalweathering（球形风化示意图）岩石中经常存在一些原生的或次生的节理，节理的交会处是风化作用容易进行的地方，并逐渐地形成球形风化。spheroidalweatheringspheroidalweatheringJoints and Spheroidal Weatheringspheroidalweathering板状风化岩石中的原生流面构造形成了板状风化4.3.1.3 岩石的物质成分对风化作用的影响岩石的物质成分不但影响了化学风化的过程，也同样影响了物理风化的过程。岩石中不同的物质成分具有不同的物理特征，还会形成不同的结构、构造，形成差异风化。differentialweathering(差异风化差异风化)Iftherearelargecontrastsinthesusceptibilitytoweatheringwithinalargebodyofrock,themoresusceptiblepartsoftherockwillweatherfasterthanthemoreresistantportionsoftherock.Thiswillresultindifferentialweathering.differentialweathering(差异风化)Differential Weatheringdifferentialweatheringdifferentialweathering4.3.2 Slope and AnimalsSlope-Onsteepslopesweatheringproductsmaybequicklywashedawaybyrains.Ongentleslopestheweatheringproductsaccumulate.Ongentleslopeswatermaystayincontactwithrockforlongerperiodsoftime,andthusresultinhigherweatheringrates.Animals-burrowingorganismslikerodents,earthworms,&ants,bringmaterialtothesurfacewereitcanbeexposedtotheagentsofweathering.化学风化过程中有机界的作用是另一个重要的因素。在坚硬的岩石表面出现生物（微生物、苔藓等）起，化学风化的作用就开始了。由于生物吸收的成分与岩石的成分有较大的差异，造成了岩石的风化。同时，生物的新陈代谢过程所产生的氧气、有机酸等物质，加速了化学风化的进程。布满苔藓的雕像4.3.3 ClimateClimate-High amounts of water and higher temperatures generally cause chemical reactions to run faster.Thus warm humid climates generally have more highly weathered rock,and rates of weathering are higher than in cold dry climates.Example:limestones in a dry desert climate are very resistant to weathering,but limestones in a tropical climate weather very rapidly.气候与环境同样是影响化学风化过程的重要因素。干燥炎热的气候使得氧化作用容易进行，潮湿的气候则使得溶解作用、水解作用易于发生。地形会影响气候条件，山地的垂直分带现象会影响温度风化作用和生物风化作用的进行。山的阴坡和阳坡因为日照的条件不一样，在阳坡一面通常温度风化作用较为强烈。地下水的性质特征、地球化学场、构造活动性等环境因素也都影响化学风化作用的进程。不同环境中化学风化的速度迥然不同4.3.4 TimeTime-since a rate is how fast something occurs in a given amount of time,time is a crucial factor in weathering.Depending on the factors above,rates of weathering can vary between rapid and extremely slow,thus the time it takes for weathering to occur and the volume of rock affected in a given time will depend on slope,climate,and animals.4.4 Results of WeatheringWeathering风化作用的产物Weathering Rinds(风风化化壳壳)-a rock mayshowanouterweatheredzoneandaninnerunweathered zone in the initial stages ofweathering.Theouterzoneisknownasaweatheringrind.4.4 风化作用的产物岩石遭受风化作用后其最终结果是形成各种风化作用的产物。残积物 未移动的残留在援敌的风化 产物倒石堆 风化作用崩落的碎石、泥砂和其他残积物构成的锥形堆积物，分选性、磨圆度都很差风化壳 岩石圈上部各种残积物的总和倒石堆4.4.1 风化壳风化壳残积物在地壳表层分布很广泛，它不连续地覆盖在地壳基岩上，形成一层薄的外壳由于岩石中矿物的抗风化能力不同，随着风化作用的进行，风化壳将保留某些特殊的矿物或成分，形成特殊的矿产降水量越大，风化作用越强烈古风化壳对古气候、古环境及构造活动等具有指示意义风化壳厚度与环境因素的对应关系研究不同地区、不同构造单元中风化壳的不同性质和发育程度，对工程建筑具有重要意义，尤其是工程的地基处理，对工程的稳定性至关重要。如高层建筑物、铁路路基的地基稳定，水库库底的渗漏问题等，都需要对风化壳进行详细的调查研究。古风化壳对古气候、古环境及构造活动等具有指示意义由于岩石中矿物的抗风化能力不同，随着风化作用的进行，风化壳将保留某些特殊的矿物或成分，形成特殊的矿产。4.4.2 风化作用的相关矿产残积型沙矿：如锡石、金刚石、自然金、铂等残余型矿床：如高岭土矿、铝土矿、钴土矿等风化壳型铁矿是风化壳矿产最重要的矿产类型之一风化壳矿床通常与基岩地分布范围一致，是寻找原生矿床的标志残积型金刚石的形成4.4.3 土 壤具有肥力、含有有机成分，并有特殊结构类型的陆地表面层称为土壤SoilsSoilsareanimportantnaturalresource.Theyrepresenttheinterfacebetweenthelithosphereandthebiosphere-assoilsprovidenutrientsforplants.Soilsconsistofweatheredrockplusorganicmaterialthatcomesfromdecayingplantsandanimals.腐殖质聚集层（A）具有大量的植物残骸，其主导作用是腐殖质的积聚残积层（B）主要是土壤层的内部风化，以物质的带出为主导，大多存在粘土矿物淋积层（C）主要积聚从其他层带来的物质母岩（D）未经土壤形成作用的岩石土壤的分层ABCD土壤的剖面soil profileWhen a soil develops on a rock,a soil profile develops as shown right.Important termsCaliche(钙积层)-CalciumCarbonate(Calcite)thatformsinaridsoilsintheK-horizonbychemicalprecipitationofcalcite.Laterites(红土层红土层)-Inhumidtropicalclimatesintenseweatheringinvolvingleachingoccurs,leavingbehindasoilrichinFeandAloxides,andgivingthesoiladeepredcolor.Paleosols(古土壤古土壤)-Ifasoilisburiedrapidly,forexamplebyavolcaniceruption,thesoilmaybepreservedinthegeologicrecordasanancientsoilcalledapaleosol.What Determines Soil Type Climate Vegetation Drainage Time Parent Material Residual-Transported Least Important Factor for Mature Soils Typical Soil Profile Spodosol(灰土)Ultisols(老成土)Typical Soil Profile思 考 题物理风化的过程是怎样进行的？化学风化过程中，岩石发生了那些化学反应？影响风化作用的因素是什么？什么是风化壳？它在地质研究中有什么意义？什么是土壤？其剖面如何?