风化的产物
物理风化是一种纯粹的机械破坏,导致岩石崩解成粗细不一、棱角明显的碎块。如果没有其他地质作用(如剥蚀作用),碎屑往往覆盖在原岩表面,其成分与原岩一致。如果地势较陡,岩屑在重力作用下沿斜坡滚下或落下,堆积在坡脚。由于惯性的作用,粗碎屑滚得远,堆积在下部,细碎屑滚得近,堆积在上部,形成上部有小岩屑,下部有粗岩屑的堆积体,称为堆石锥(或堆石桩)(图5-5)。
图5-5堆石锥(或堆石桩)的形状和结构示意图
(引自田明中学,2009年)
(2)化学风化产物
化学风化的最终产物包括两部分:一是可溶于水的可移动物质;一是难以在原地迁移积累。
水溶性可迁移物质包括各种可溶性盐、K+和Na+的氢氧化物以及少量不溶性物质(如Si4++、Al3++、Fe3 ++和Mn4++的氧化物或氢氧化物胶体)。可溶性物质在水中往往以真溶液的形式迁移,而一些不溶性物质往往以胶体的形式迁移。残留物主要是不溶物、岩屑和风化形成的矿物,如应时岩屑、蒙脱石、高岭石、铝土矿、蛋白石和褐铁矿。
矿物和岩石在化学风化过程中逐渐分解。由于各种矿物的物理化学性质不同,分解过程的难易程度也不同。换句话说,矿物的抗风化能力是不同的。据研究,自然界中各种矿物的抗风化能力顺序为:氧化物、氢氧化物>硅酸盐>碳酸盐>硫化物>卤化物和硫酸盐。几种常见矿物的抗风化能力顺序为:应时>白云母>长石>黑云母>角闪石>辉石>橄榄石。
组成矿物的元素也是在矿物分解的过程中逐渐分离出来的。由于各种元素的化学性质不同,在沉淀过程中存在困难。常见元素的迁移系列见表5-1。表中所列的1,2系列元素在化学风化过程中总是先析出,可溶性盐类被河水和地下水带走,是卤化物和硫酸盐的主要元素。在表中,第3和第4系列的元素只能迁移一小段距离或留在原地。这两个系列的元素主要由硅酸盐或氢氧化物矿物组成,所以残渣中主要含有二氧化硅和铁、铝的氢氧化物或水合氧化物。
表5-1元素的迁移系列
(根据аи Lerman,1975,简化)
(3)生物风化产物
生物风化的产物包括两部分:一部分是生物物理风化形成的矿物和岩石碎屑,与原岩成分相同;另一部分是生物化学风化的产物,其特点是物质成分与原岩不同。生物风化的一个重要产物是土壤,土壤是物理、化学和生物风化的综合产物,但尤其是生物风化,使其富含腐殖质。一般来说,土壤是一种细粒土状物质,灰黑色,结构松软,富含腐殖质。与一般残留物的主要区别在于,它含有大量的腐殖质,具有一定的肥力。
④风化壳
地表岩石经过长期的物理、化学和生物风化作用,形成由风化产物组成的不连续薄壳,分布在大陆的基岩面上,称为风化壳。风化壳覆盖着地表。由于地表岩石和下部岩石的风化强度不同,地表的风化程度较深,而下部的风化程度较浅。因此,剖面上自上而下的风化产物在成分和结构上有明显的差异,风化壳在剖面上可分为几层。比如花岗岩风化壳,从上到下可分为四层(图5-6)。
图5-6风化贝壳剖面图
ⅰ-土层;ⅱ—残余层;ⅲ—半风化层;ⅳ—基岩
(1)土层
深棕灰色,细而疏松,富含腐殖质,有许多植物根。原岩的矿物成分和结构基本消失。粗细不等,一般20 ~ 50 cm为多。往往是综合风化的结果。
(2)残留层
呈黄褐色和红褐色,细而软,原岩的结构和构造消失。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,长石矿物风化成高岭土。主要是化学风化。
③半风化层
呈浅褐色,原岩结构构造部分保存,但岩石较软。岩石的某些矿物成分发生了变化。
(4)基岩
未受干扰的原始岩石。
实际上,不同种类的岩石形成的风化壳分层是不一样的,有的层是完整的,比如花岗岩、粘土岩,有的风化壳只有土层和残积层,比如石灰岩。
在风化壳剖面上,这四层界面不清晰,渐变过渡,不均匀,主要受岩石性质和引起风化因素的影响。风化壳的组成(分层)和特征不仅受岩石性质的影响,还受气候条件的影响。在不同的气候条件下,由于影响风化的因素不同,产生了不同特征的风化产物,也就构成了不同特征的风化壳体。比如寒冷地区形成碎屑风化壳,湿热地区形成砖红壤风化壳。
地质历史时期形成的风化壳称为古风化壳。古风化壳往往保存在岩层或沉积物中,如华北地区下奥陶统和上石炭统之间有一个古风化壳;黄土高原的黄土中也有许多古老的风化壳。由于古风化壳形成后受到其他地表力量的侵蚀,大部分保存不完整,厚度很小。
(5)土壤
土壤是指地球表面疏松的表层,植物可以在此生长。土壤之所以能生长植物,是因为它有一定的肥力。所谓土壤肥力,是指土壤具有长期供应和调节植物生长过程中所需的养分、水分、空气和热量的能力。土壤一般是在风化壳(如山地土壤)和松散沉积物(如平原、盆地土壤)的基础上,经过生物和其他风化作用的综合改造而形成的。
图5-7土壤剖面示意图
a——表层土;b-沉积层;c-母材料层
土壤的主要成分是腐殖质、矿物质、水和空气。腐殖质是由风化产物中的生物和微生物遗骸堆积腐烂而成,它的存在是土壤与其他松散堆积物的主要区别。土壤中的矿物由各种粘土矿物、应时、长石、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,使土壤性质发生变化,形成复杂的肥力性质。土壤厚度一般为50 ~ 60 cm至1 ~ 2 m,最厚可达10 m以上,成熟土壤剖面根据其成分、颜色和结构特征,自上而下可分为三层(图5-7)。
(1)表土
富含有机质,由于腐殖质的堆积,常呈深色、黑色、灰色、浅灰色,是耕作的对象。在这一层的上部,腐殖质比较丰富,颜色也比较暗,称为腐殖质层;这一层的下部,颜色比上部浅,因水的风化和向下淋溶,称为淋溶层或淋溶层。
(2)沉积层或核心土层
有机质比表层土低,上层淋溶出来的一些物质,因为雨水的不断渗透,沉积在这里。主要沉积物质是氧化铁、氧化铝、腐殖质、石膏和碳酸钙。这一层很少受到耕作的影响,但其性质在很大程度上决定了土壤肥力。
(3)母质层
受生物风化或改造影响较弱,在基岩风化壳段相当于残积层和半风化层,在松散沉积层段相当于无生物改造或改造较弱的沉积层,与沉积层呈过渡关系。
在不同的地区和不同的气候条件下,土壤的特性是不同的。主要土壤类型有红壤、黄壤、棕壤、褐土、黑土、黑钙土、石灰土、荒漠土、冰川沼泽土、水稻土和盐碱地。土壤的类型和分布主要与气候带有关。不同的土壤类型可以反映其形成时不同的气候环境。如分布于东北的黑土、黑钙土主要形成于温带-寒温带气候,分布于华南的红壤、黄壤主要形成于热带-亚热带湿润气候,分布于西北的粟钙土、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,在地质和历史时期也可以形成。它们被称为古土壤。它们保存在沉积物或岩层中,是研究和恢复古气候、古环境的重要依据。