1.土壤矿物质的风化过程 裸露在地表的岩石矿物在大气圈、水圈、生物圈的综合作用下,不仅改变了原有物理性状,而且也改变了原有的化学组成和性质,甚至形成新的矿物,这种复杂的变化过程,称为风化过程。根据风化的性质可把风化过程分为物理风化、化学风化、生物风化三种类型。它们在自然界中不是孤立的,而是相辅相成,同时同地进行的,只是由于条件不同,风化程度有强弱区别而已。
1)物理风化:物理风化又称机械崩解作用,主要是由于温度的变化、水分的冻结、碎石劈裂以及风力、流水、冰川的摩擦力等物理因素引起的,结果是使岩石矿物由大变小,由粗变细,矿物在化学性质和组成上均未发生变化,物理风化过程在温度变化剧烈的干燥地区较突出。
2)化学风化:参与化学风化的因子有水、二氧化碳和氧,其中以水的作用最为突出。
(1)水的溶解作用 没有一种岩石或矿物是完全不溶于水的,CO2 遇水产生H2CO3,可加强水对岩石矿物的溶解作用,例如Ca3(PO4)2不溶于水,但是经过碳酸作用可生成能溶于水的CaH4(PO4)2:
Ca3(PO4)2+2H2O+2CO2→CaH4(PO4)2+2CaCO3
(2)水化作用 岩石矿物的化学成分,可以与水分子结合在一起,成为含水的化合物,例如:
石膏的水化 CaSO4+2H2O→CaSO4·2H2O
氧化铁的水化 2Fe2O3+3H2O→2Fe2O3·3H2O
水化的结果往往使矿物膨胀失去光泽、变松,促进其风化作用的进行。
(3)水解作用 这是水的最主要的作用,使矿物风化更为彻底。水解作用主要决定于水离解出的[H+]。当水中有CO2时可生成H2CO3。在碳酸溶液中,加强H+的作用,即离解为H+和HCO3-而使[H+]增多,在水解过程中根据其分解顺序可分为几个阶段。以正长石为例:
首先,脱盐基作用:H+交换出矿物中的盐基离子形成可溶性盐而被淋溶:
K2Al2Si6O16+H2CO3→KHAl2Si6O16+KHCO3 |
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(正长石) |
(酸性铝硅酸) |
KHAl2Si6O16+H2CO3→H2Al2Si6O16+KHCO3 |
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(游离铝硅酸) |
其次,脱硅作用:矿物中硅以游离硅的氧化物离析,并开始淋溶:
H2Al2Si6O16+H2CO3→H2Al2Si2O8·2H2O+4SiO2+CO2 |
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(高岭土) |
最后,富铝化作用:矿物被彻底分解,硅酸继续淋溶,氢氧化铝富集:
H2Al2Si2O8+4H2O→2Al(OH)3+2H2SiO3
上述过程实质上是H+代换盐基离子的过程。而这些过程虽有先后顺序性,但又非截然分开,在自然界往往是同时进行的。
(4)氧化作用 矿物质中的一些非氧化态矿物,最容易发生氧化,氧化促使矿物分解,同时使被氧化矿物活化,从而促进其发生迁移转化。以黄铁矿为例:
2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+2H2SO4
硫酸亚铁进一步氧化:
6FeSO4+3H2O+11/2O2→2Fe2(SO4)3+2Fe(OH)3
Fe2(SO4)3可进一步水解生成Fe(OH)3和硫酸:
Fe2(SO4)3+6H2O→2Fe(OH)3+3H2SO4
上述生成物中的硫酸是强烈的氧化剂,它能使原生岩石受到深度的化学风化,硫酸破坏碳酸盐和铝硅酸盐物质,形成硫酸盐类物质,并加入地球化学迁移。硫化物和许多硫酸盐的溶解度较低,可残留在土层中生成“铁帽”,成为寻找金属硫化矿床的重要线索。
3)生物风化:岩石经过物理风化和化学风化后,成为疏松多孔隙的碎屑物,可以贮存一些水分和养分,成为生物的生存条件,最初是低等植物,以后是高等绿色植物逐渐定居其上。这对岩石的风化起到了促进作用,一方面是根系穿插的机械作用促进了物理风化,另一方面根系及微生物分泌CO2和有机酸等加速了化学风化。
2.矿物分解的阶段性 岩石风化过程虽然是一个连续的渐变过程,但根据其代表性矿物可以划分出不同的风化阶段(表1-4)。