歷史地質學/化學風化
化學風化是指岩石透過化學過程分解成沉積物的過程。
不瞭解化學的讀者可以跳過本文中的化學式，只需注意反應的結果，如以下總結部分所述。結果本身是不可跳過的：瞭解化學風化對於回答諸如：“為什麼沙子主要由石英組成？”和“黏土來自哪裡？”等基本問題至關重要。
化學風化的主要作用劑是
水。一些礦物，例如岩鹽，很容易溶解在水中；其他礦物，例如輝石，也會溶解，但速度要慢得多。
碳酸。雨水和地下水不是純水；一些水分子會與大氣中的二氧化碳（雨水的情況）或細菌和植物根部產生的二氧化碳（地下水的情況）發生反應，生成碳酸，如下所示
氧氣。這是一種高度活性的化學物質，大氣中存在如此多的氧氣，是因為生物過程不斷地產生氧氣，並且缺乏它尚未反應的物質。
在本節中，我們將研究一些常見礦物如何受到化學風化的影響。我們根據礦物對化學風化的敏感程度，從最敏感到最耐受的順序排列了清單。
岩鹽。當然，鹽會溶解在水中。這就是為什麼你不太可能在除沙漠環境以外的地方看到岩鹽的原因。
石膏。與岩鹽一樣，石膏也溶解在水中；類似的評論也適用於它。
方解石。你應該從之前的文章中回憶起來，方解石是形成石灰石及其變質對應物大理石的礦物。它可以溶解在水中；它還會與碳酸發生如下反應
石灰石易於溶解（相對於其他礦物而言），形成了以石灰岩為基礎的地區的獨特地形，例如地下充滿鐘乳石的洞穴；地表塌陷形成的漏斗；河流消失在地下或從地下湧出成為泉水。這被稱為喀斯特地形。
這也是大理石墓碑雖然外觀漂亮，但不是長期的良好投資的原因。
矽酸鹽礦物。對於矽酸鹽礦物，我們觀察到，熔點更高的基性礦物（在火成岩文章中的圖表中位於右側的那些礦物）比酸性低溫礦物更容易受到化學風化的影響。這將反映在我們下面列出它們的順序。
橄欖石。這種基性礦物的化學式為 (Mg,Fe)2SiO4。回想一下，公式中的 (Mg,Fe) 表示它是一種固溶體，其中不同數量的鎂或鐵可以發揮相同的化學作用。它與碳酸發生如下反應
與石灰石一樣，礦物的組成部分現在完全溶解在水中，沒有殘留的礦物。
另一方面，鐵橄欖石可以與水和大氣中的氧氣發生如下反應
而赤鐵礦可以進一步與水發生如下反應
赤鐵礦和針鐵礦在水中都非常不溶：它們是殘留礦物。正是這些氧化鐵使許多土壤呈現紅色或黃色。
輝石。典型的岩石形成輝石的化學式為 (Mg,Fe)SiO3。它可以與碳酸發生如下反應
與橄欖石類似，礦物的組成部分溶解在水中。但是，與橄欖石類似，鐵輝石可以與氧氣和水反應生成殘餘礦物赤鐵礦。
同樣，赤鐵礦可以變成針鐵礦。
雲母和角閃石是長英質和中性岩石的次要成分，它們經歷著更為複雜的反應。（有關雲母中的黑雲母和角閃石的詳細資訊，請參閱此處和此處。）
總之，生成的殘餘礦物是粘土礦物；氧化鐵；以及，在黑雲母的情況下，還有吉布斯石 (Al(OH)3)，它通常與粘土一起發現。
鉀長石和鈉長石產生殘餘的粘土礦物。例如，鉀長石產生高嶺石（以及各種溶解物質）的反應如下所示。
- 4KAlSi3O8 (鉀長石) + 4H2CO3 (碳酸) + 2H2O (水) → Al4Si4O10(OH)8 (高嶺石) + 4K+ (鉀離子) + 4HCO3- (碳酸氫離子) + 8SiO2 (溶解石英)
由於鈉在化學上幾乎與鉀無法區分（有關更多詳細資訊，請參閱地質化學一文），鉀長石的反應方式類似。
石英是最穩定的矽酸鹽礦物。這就是石英砂作為沉積物如此常見的原因；當火成岩的所有其他成分要麼溶解要麼轉化為粘土時，石英顆粒會保留下來。這就是為什麼沒有大顆粒沙子的原因：這種顆粒的最大尺寸受到花崗岩和類似岩石中形成的石英晶體的大小限制。
但是，需要注意的是，石英砂岩容易受到化學風化的影響，因為雖然石英顆粒本身具有抵抗力，但將它們粘合在一起的礦物可能沒有抵抗力。
粘土礦物對化學風化具有很強的抵抗力，因為如我們所見，它們是化學風化的產物，並且像所有礦物一樣，它們在其形成條件下是穩定的。
氧化鐵。如我們所見，它們是基性礦物（如橄欖石和輝石）中含鐵形式的化學風化產物。我們已經注意到，赤鐵礦可以透過氧化轉化為針鐵礦。
一旦氧化鐵形成，除了轉化為另一種氧化鐵之外，幾乎不會發生任何變化；這些被認為是所有常見礦物類別中最穩定的。
總結
[edit | edit source]化學風化完成其作用後留下的殘餘礦物是石英、粘土礦物、少量氧化鐵，有時還有一些吉布斯石。礦物的其他成分會溶解；它們通常會被河流帶到海里，在那裡它們會增加海水中的溶解礦物質含量。
我們可以注意到，大多數陸地形成的沉積物實際上是石英砂、粘土或兩者的混合物。這表明化學風化作用比機械風化和侵蝕作用更占主導地位。如果砂或泥只是透過花崗岩的機械破碎而產生的，那麼它們將含有 60% 的長石；但事實並非如此。當我們在砂中發現任何相當數量的長石（如長石砂岩）時，我們可以推斷，機械過程與化學過程的比例高於正常水平。
我們怎麼知道？
[edit | edit source]化學風化過程非常緩慢，因此有理由懷疑我們是否知道它們是否真的發生了。
首先，我們知道它們應該發生。根據化學理論，在化學風化發生的條件下，上述化學方程式右側描述的情況比左側描述的情況更穩定；因此，所描述的反應應該發生。
我們可以加速那些在自然界中涉及弱、高稀釋碳酸的反應，並用更強的東西代替它，比如鹽酸 (HCl)。原則上，這唯一應該帶來的區別（除了明顯地用氯離子代替碳酸氫根離子之外）是，由於鹽酸更容易釋放氫離子，因此反應速度會更快。因此，例如，我們可以使用鹽酸將鉀長石轉化為粘土，方法如下。
這個過程發生的足夠快，我們可以觀察到它正在發生。或者，為了在更自然的環境下進行實驗，你可以將礦物樣本埋藏在潮溼的酸性土壤中，化學風化在那裡發生的最快，然後將它們放置幾年，看看它們發生了什麼變化；它們不會完全風化，但如果這個過程涉及一種礦物轉化為另一種礦物，而不是僅僅溶解，那麼化學變化可以在礦物表面觀察到。
在沒有任何人工干預的情況下，我們可以找到自然發生的岩石，它們似乎正在風化：例如，玄武岩等鎂鐵質岩石的外表面通常可以觀察到生鏽，這是由於鐵輝石轉化為氧化鐵。同樣，花崗岩巨石也會有風化外殼，在巨石的外側，外部的長石部分轉化為粘土，而內部的長石仍然相對完整。在熱帶土壤中，可以找到花崗岩巨石，其中長石已經變得如此“腐爛”成粘土，以至於可以用腳踢碎巨石。在顯微鏡下，長石晶體看起來會被腐蝕和坑窪。或者，如果一條公路切口或鐵路切口穿過一座山（這總是讓地質學家高興的事件），那麼由於靠近山頂的岩石風化程度更高，我們可以從未風化的岩石到完全風化的岩石（風化殘積土）取一系列樣本，就像這項研究中對黑雲母風化的研究一樣。
我們可以觀察到風化對古老墓碑或用於建築的石材的影響；正如你所料，這在石灰石或大理石中最為明顯。在這些情況下，我們通常可以肯定，這些石頭幾乎沒有受到僅僅由物理過程造成的損害，例如沙塵暴的磨損、潮汐作用、河流中的搬運等等。
最後，我們可以注意到，我們描述的過程解釋了沉積物的性質：它們解釋了為什麼沉積物中有這麼多石英砂和粘土；它們解釋了，正如我們已經看到的那樣，沙粒的大小；它們解釋了構成砂岩中沙粒的膠結物的礦物的來源；它們解釋了海水中的礦物的來源，這些礦物以溶解的離子形式存在。
總之：這些過程應該會發生；我們可以模擬它們發生；而我們在自然界中看到的情況正是它們發生後我們應該看到的情況。