高中地球科學/風化
- 定義物理風化和化學風化。
- 討論風化作用的因素。
- 舉例說明每種風化型別的例子。
風化是將固體岩石轉變為沉積物的過程。地質學家用沉積物這個詞來描述所有不同大小的岩石顆粒。沉積物包括非常大的岩石塊，如巨石或礫石，但也包括沙子以及更小的顆粒，稱為粉砂和粘土。在風化過程中，岩石被分解和腐蝕。化學成分發生分解，岩石的分解發生在岩石被分解成碎片時。一旦碎片從岩石中分離出來，侵蝕就是將這些碎片移動的過程。重力是岩石碎片移動的一種方式，因為破碎的岩石碎片從高處墜落或翻滾到低處。重力導致大小不一的碎片從懸崖上墜落，以及河流和溪流中的水從山頂流向海洋。風和冰川也會將岩石碎片從一個地方移動到另一個地方。風將沙子大小及更小的岩石碎片帶到空中。冰川可以移動各種大小的顆粒，從非常大的巨石到最小的碎片。
風化發生在地球表面。大多數岩石的形成是在非常高的溫度和壓力下形成的。這與地球表面低溫低壓的環境大不相同。當岩石到達地球表面時，風化會導致它們發生形態變化。新的形態將包括在地球表面低溫低壓下穩定的礦物質。因此，雖然地球上強大的力量，例如那些來自板塊構造的力量，正在努力建造像喜馬拉雅山脈這樣的巨大山脈或像富士山這樣的雄偉火山，但風化的力量逐漸磨損岩石，將曾經高聳的山脈變成丘陵，甚至平原。北美東海岸的阿巴拉契亞山脈曾經和喜馬拉雅山脈一樣高！那麼發生了什麼事呢？
沒有人能目睹數百萬年山脈的緩慢形成，也無法目睹這些山脈的逐漸消亡。但是，您可能已經能夠騎腳踏車或走在一條全新的路邊或路上。你的體驗是什麼？新的道路或路邊光滑平坦。如果建造得當，就不會有任何裂縫或顛簸。光滑的表面會一直保持那樣嗎？當然，數百萬年後，它將完全消失，但我們不必等那麼久。如果您生活在冬天寒冷的地區，您可能只需要等一年就能看到變化。接下來我們將討論哪種風化作用將這條全新的、光滑平坦的路邊變成了粗糙或有裂縫、有裂縫或有隆起的地方（圖 9.1）。
物理風化（也稱為物理風化）是岩石分解成更小碎片的過程。這些更小的碎片將與較大的岩石完全相同，只是碎片更小。這意味著岩石在沒有改變其成分的情況下，在機械上（或物理上）發生了變化。較小的碎片將具有相同的礦物質，比例與原始岩石完全相同。你實際上可以用“從舊塊上切下一塊”這句話來描述物理風化！物理風化的主要因素是水、風、冰和重力。您將看到這些因素如何將岩石分解成更小的碎片。
岩石可以分解成更小碎片的主要方法有兩種。在寒冷氣候中最常見的方法稱為冰劈作用。冰劈作用是任何定期迴圈在冰點以上和以下的氣候中的主要物理風化形式（圖 9.2）。發生這種情況的一些地方包括地球的兩極地區和中緯度地區。它也發生在較高海拔的較冷氣候中，如山區。
這是它的工作原理。當水從液體變成固體（冰）時，它的體積會增加。這是一個非常不尋常的特性。大多數物質在從液體變為固體時會收縮（變小），但水卻恰恰相反。如果您曾經將裝滿水的冰塊托盤一直裝到頂部然後放入冰箱，您可能已經體驗過這種現象。冰塊將比您最初放入的水量大得多。您可能還犯過將您喜歡的蘇打水放入冰箱中快速冷卻的錯誤。如果您將飲料在冰箱中放的時間過長，它會膨脹到足以彎曲或爆開罐頭。冰劈作用發生的原因相同。水滲入岩石的裂縫和斷裂中，然後在水結冰時膨脹。冰佔用的空間比水更多，這會將岩石分開，將岩石物理地分解成碎片。冰劈作用會迅速將大量的岩石分解，在每天夜間和白天都超過和低於冰點的地區，以及在隨季節迴圈的地區，大量岩石會被分解。冰劈作用會很快將大量的岩石分解。在每天夜間和白天都超過和低於冰點的地區，以及在隨季節迴圈的地區，大量岩石會被分解。
磨蝕作用是另一種物理風化形式。磨蝕作用可以在任何地方發生。需要的只是岩石與另一塊岩石碰撞。當岩石沿著山坡或懸崖翻滾時，重力會導致磨蝕作用。當水中攜帶的顆粒碰撞並相互碰撞時，流動的水會導致磨蝕作用。強風可以拾起沙粒，用這些沙粒衝擊表面。最後，冰川中的冰攜帶著許多岩石碎片。當冰川移動時，嵌入冰中的岩石碎片會刮擦下面的岩石。沿著山間溪流翻滾的破碎岩石或被拍打到海岸上的海浪來回拋擲，由於磨蝕作用，它們的尖銳或鋸齒狀邊緣會被磨平並變得圓滑。如果您曾經收集過海灘玻璃或溪流中的鵝卵石，那麼您就受益於磨蝕作用。
科學家談論了幾種其他的物理風化型別，但冰劈作用和磨蝕作用是最重要的兩種型別。如果沒有這兩種物理風化型別，很少有岩石會分解，這也會減緩化學風化的速度。有時，生物元素可以完成物理風化的工作。這可能發生在植物的根系逐漸生長到岩石的裂縫或斷裂中，並逐漸變大，將裂縫撐開。穴居動物在挖掘食物或為自己創造生活空間時也會分解岩石。當然，如今人類在建造房屋、道路、地鐵或開採用於建築或其他用途的石材時，經常會進行物理風化作用。
實際上，每當發生物理風化時，它都會加速化學風化的速度。這是因為當岩石分解成更小的碎片時，碎片的表面積會增加（圖 9.3）。由於暴露了更多的表面，化學風化發生的場所也更多了。假設您想在寒冷的一天喝一些熱巧克力。您可以想象將一大塊巧克力溶解在牛奶或熱水中是多麼困難。也許您可以用一些更小的巧克力塊，比如巧克力片，來製作熱巧克力，但將粉末新增到牛奶中要容易得多。這是因為碎片越小，它們的表面積就越大，越容易溶解在牛奶中。
地球表面發生的另一種重要風化型別是**化學風化**。化學風化與機械風化不同，因為這種風化型別會改變岩石的成分，而不僅僅是改變岩石碎片的大小。這意味著一種礦物會變成另一種礦物。化學風化發生的原因是，大多數礦物在地球深處的高壓或高溫下形成。當岩石到達地球表面時，它們現在處於非常低的溫度和壓力下。這與它們形成時的環境截然不同。地球表面的環境如此不同，以至於這些礦物不再穩定。這就是化學風化的開始。在地球深處形成的礦物必須轉變為在地球表面穩定的礦物。化學風化很重要，因為它開始了將固體岩石轉變為我們種植食物所需的土壤以及我們需要的用於衣物和藥物的植物的過程。化學風化的運作方式是透過導致岩石發生變化的化學反應。
化學風化的型別很多，因為化學風化的媒介很多。您可能還記得機械風化是由多種媒介引起的，例如水、風、冰和重力。好吧，水也是化學風化的媒介，所以它是一個雙重媒介！化學風化的另外兩個重要媒介是二氧化碳和氧氣。我們將逐一討論這些媒介。
構成地球大部分地殼的礦物被稱為矽酸鹽礦物。這些礦物主要由八種元素組成：氧 (O)、矽 (Si)、鋁 (Al)、鐵 (Fe)、鎂 (Mg)、鈣 (Ca)、鉀 (K) 和鈉 (Na)。當發生化學風化時，構成礦物的元素會發生反應形成新的礦物。在最低溫度和壓力下形成的礦物（最接近地球表面的情況）最穩定，而從非常熱的岩漿或在非常高的壓力下形成的礦物最不穩定。鈉、鈣、鉀和鎂實際上很容易溶解在水中。鐵與氧氣發生反應，留下矽、氧和鋁原子結合形成新的礦物，如粘土礦物。
水是一種奇妙的分子。它有一個非常簡單的化學式 H2O，這意味著它僅由兩個氫原子與一個氧原子鍵合而成。儘管它很容易記住，但就它能做的一切而言，水還是相當非凡的。水是一種極好的溶劑。水分子結合的方式使水能夠吸引許多其他元素，將它們從它們的化合物中分離出來並溶解它們。水是一種如此好的溶劑，以至於某些型別的岩石實際上可以完全溶解在水中。其他礦物透過將其結構中加入水而發生變化。
**水解**是礦物與水之間的化學反應。當此反應發生時，水本身會分離成離子。這些離子會抓住其他離子，將它們溶解在水中。隨著溶解的元素被帶走，我們說這些元素已經被**淋溶**了。透過水解，像鉀長石這樣的礦物會轉變為粘土礦物。一旦粘土礦物形成，它們就會在地球表面穩定下來。
二氧化碳 (CO2) 在雨滴穿過大氣中的空氣時與水結合。這會形成一種弱酸，稱為碳酸。這種情況經常發生，以至於碳酸是一種在自然界中很常見的弱酸。這種酸會溶解岩石。它還會緩慢地改變新車的油漆或侵蝕雕塑和紀念碑。當我們向空氣中新增汙染物時，正常情況會變得更糟。每當我們燃燒任何化石燃料時，它都會向空氣中新增氧化亞氮。當我們燃燒富含硫的煤炭時，它會向空氣中新增二氧化硫。當氧化亞氮和二氧化硫與水發生反應時，它會形成硝酸和硫酸。這是酸雨的兩個主要成分。酸雨加速了化學風化。
**氧化**是當氧氣與地球表面的元素髮生反應時發生的化學反應型別。氧氣在化學上具有很強的反應活性。您可能最熟悉的一種氧化型別是當鐵與氧氣發生反應時會產生鏽蝕（圖 9.4）。許多礦物富含鐵。當鐵氧化時，它們會分解，形成新的化合物。氧化鐵會使土壤呈現紅色。植物和動物也會導致化學風化。當植物根部吸收可溶性離子作為養分時，某些元素會發生交換。植物根部和細菌腐爛在呼吸過程中會使用二氧化碳。
差異風化
[edit | edit source]風化速率取決於多種因素。不同型別的岩石的風化速率不同。某些型別的岩石，如花崗岩，非常耐風化。岩漿岩往往風化緩慢，因為水很難滲透到其中。其他型別的岩石，如石灰岩和大理石，很容易風化，因為它們很容易溶解在弱酸中。更耐風化的岩石會保留在地表並形成山脊或丘陵。懷俄明州的魔鬼塔是一個有趣的例子，說明了不同型別的岩石的風化速率不同（圖 9.5）。隨著周圍岩石的較軟物質被磨損，火山中心的堅硬部分仍然存在。不同的礦物也會以不同的速度風化。有些礦物會完全溶解在水中。隨著耐風化性較差的礦物溶解，岩石表面會變得坑坑窪窪，變得粗糙。當耐風化性較差的礦物溶解時，耐風化性較強的礦物顆粒會從岩石中釋放出來。
最重要的是，一個地區的氣候會影響風化。氣候由一個地區的溫度加上它接收的降雨量決定。隨著降雨量的增加，溶解速率和化學反應的數量也會增加。一般來說，隨著降雨量的增加，風化程度也會增加。請記住，水是機械風化和化學風化的媒介，因此當沒有水可用時，風化速率會大大減慢。乾屍和冰凍是兩個令人驚歎的儲存例子。這兩種情況都發生在沒有液態水的情況下。因此，乾燥的氣候會產生最低的風化速率，其次是極冷的氣候，無論它接收的降雨量是多少。最高的風化速率會發生在潮溼且溫暖或炎熱的氣候中。隨著一個地區溫度的升高，化學反應速率也會增加。每升高 10°C 的平均溫度，化學反應速率就會翻倍。氣候越溫暖，它擁有的植被型別就越多，生物風化速率就越大。這是因為植物和細菌在較溫暖的溫度下生長和繁殖得更快。如果你想記住這些例子，想想如果你想讓你的三明治儲存一段時間，你會把它放在哪裡。它在你的午餐盒裡會壞得有多快？如果你想儲存從雜貨店買來的食物一個星期或更長時間，你會把它放在哪裡？
有些資源實際上是透過風化的作用來為我們集中的。在熱帶氣候中，強烈的化學風化會帶走所有可溶性礦物，只留下溶解性最差的成分。氧化鋁，鋁土礦就是這樣形成的，是我們生產鋁的主要礦石來源。流動的水的作用也可以濃縮較重的礦物，如金。這個過程推動了 1800 年代北美西部淘金熱。
課程總結
[edit | edit source]- 機械風化將現有的岩石分解成更小的碎片，而不會改變岩石的成分。
- 冰劈和磨蝕是機械風化的兩個重要過程。
- 機械風化的主要媒介是流動的水、風、冰川冰和重力。
- 化學風化會分解或分解現有的岩石，形成在地球表面穩定的新礦物。
- 水、二氧化碳和氧氣是化學風化的重要媒介。
- 不同型別的岩石的風化速率不同。更耐風化的岩石會保留更長時間。
複習題
[edit | edit source]- 說出兩種機械風化型別。解釋每種型別如何分解岩石。
- 化學風化的三種媒介是什麼？分別舉一個例子。
- 哪種氣候型別最有可能產生最大的風化程度？解釋一下。
- 光滑均勻的表面比不均勻、破碎的表面風化得更快嗎？
- 哪種岩石最適合用來建造紀念碑？
- 磨損
- 一種機械風化作用，發生在岩石相互撞擊的時候。
- 化學風化
- 一種分解岩石的風化作用；在高溫高壓下形成的礦物會轉變為在地表穩定的礦物。
- 侵蝕
- 風化物質被水、風、冰或重力搬運的過程。
- 水解
- 礦物與水之間的化學反應，其中氫離子或氫氧根離子取代礦物中的陽離子。
- 凍融風化
- 一種機械風化作用，發生在水結冰時膨脹，將岩石楔開。
- 淋溶
- 溶解的礦物質被帶到土壤中較低層的過程。
- 物理風化
- 一種使岩石破碎的風化作用；較大的岩石被分解成更小的碎片，其成分與原始岩石相同。
- 氧化
- 一種化學風化作用，其中氧氣與元素髮生反應；發生在原子或離子失去電子時。
- 沉積物
- 風化岩石的碎塊；最大的碎塊是礫石或卵石，然後是沙子、粉砂和黏土大小的顆粒。
- 除了岩石之外，還有哪些型別的表面受到風化的影響？
- 如果地球上沒有風化作用，地球表面會是什麼樣子？
- 你認為如果沒有水溶解元素，你今天還會活著嗎？
- 在三個截然不同的氣候中，相同成分的岩石會以相同的方式風化嗎？