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化學風化作用

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在地表或接近地表條件下,岩石、礦物在原地發生化學變化並可產生新礦物的過程叫化學風化作用。引起化學風化作用的主要因素是水和氧。自然界的水,不論是雨水、地面水或地下水,都溶解有多種氣體(如O2、CO2等)和化合物(如酸、鹼、鹽等),因此自然界的水都是水溶液。水溶液可通過溶解、水化、水解、碳酸化等方式促使岩石化學風化。氧的作用方式是氧化作用。

1溶解作用

水直接溶解岩石中礦物的作用稱為溶解作用。溶解作用的結果,使岩石中的易溶物質被逐漸溶解而隨水流失,難溶的物質則殘留於原地。岩石由於可溶物質的被溶解而致孔隙增加,削弱了顆粒間的結合力從而降低岩石的堅實程度,更易遭受物理風化作用而破碎。最容易溶解的礦物是鹵化鹽類(岩鹽,鉀鹽),其次是硫酸鹽類(石膏,硬石膏),再次是碳酸鹽類(石灰岩,白雲岩)。岩石在水裡的溶解作用一般進行的十分緩慢,但是當水的溫度升高以及壓力增大時,水的溶解作用就比較活躍。特別是當水中含有侵蝕性的CO2而發生碳酸化作用時,水的溶解作用就會顯著增強,如在石灰岩分佈地區,由於這種溶解作用經常會產生溶洞、溶穴等岩溶現象。

2水化作用

有些礦物與水接觸后和水發生化學反應,吸收一定量的水到礦物中形成含水礦物,這種作用稱為水化作用。如硬石膏經過水化作用變為石膏就是很好的例子。
CaSO4 +2H2O ®CaSO4·2H2O
硬石膏 石膏
水化作用的結果產生了含水礦物。含水礦物的硬度一般低於無水礦物,同時由於在水化過程中結合了一定數量的水分子進人物質的成分之中,改變了原有礦物的成分,引起體積膨脹,對岩石也具有一定的破壞作用。
若岩層中含有硬石膏時,當石膏發生水化作用而體積膨脹,對圍岩會產生很大的壓力,促使岩層破碎。在隧道施工中,這種壓力甚至能引起支撐傾斜、襯砌開裂,應當引起足夠的注意。

3水解作用

某些礦物溶於水后,出現離解現象,其離解產物可與水中的H和OH離子發生化學反應,形成新的礦物,這種作用稱為水解作用。例如正長石經水解作用后,開始形成的K與水中OH離子結合,形成KOH隨水流失,析出一部分SiO2可呈膠體溶液隨水流失,或形成蛋白石(SiO2·nH2O)殘留於原地;其餘部分可形成難溶於水的高嶺石而殘留於原地。
4K(AlSi3O8)+6H2O ®4KOH + 8SiO2十Al4(Si4O10)(OH)8
正長石 高嶺石

4碳酸化作用

當水中溶有CO2時,水溶液中除H和(OH)離子外,還有CO3和HCO3離子,鹼金屬及鹼土金屬與之相遇會形成碳酸鹽,這種作用稱為碳酸化作用。硅酸鹽礦物經碳酸化作用其中鹼金屬變成碳酸鹽隨水流失,如花崗岩中的正長石受到長期碳酸化作用時,則發生如下反應:
4K(AlSi3O8)+ 4H2O + 2CO2 ®2K2CO3 + 8SiO2+Al4(Si4O10)(OH)8 正長石 高嶺石

5氧化作用

礦物中的低價元素與大氣中的遊離氧化合變為高價元素的作用,稱為氧化作用。氧化作用是地表極為普遍的一種自然現象。在濕潤的情況下,氧化作用更為強烈。自然界中,有機化合物、低價氧化物、硫化物最容易遭受氧化作用。尤其是低價鐵常被氧化成高價鐵。例如常見的黃鐵礦(FeS2)在含有遊離氧的水中,經氧化作用形成褐鐵礦(Fe2O3·nH2O),同時產生對岩石腐蝕性極強的硫酸,可使岩石中的某些礦物分解形成洞穴和斑點,致使岩石破壞。
2FeS2 + 7O2 + 2H2O ®2FeSO4 + 2H2SO4
黃鐵礦 硫酸亞鐵
12FeSO4 + 3O2 + 6H2O ®4Fe2(SO4)3 + 4Fe(OH)3
硫酸鐵 褐鐵礦
Fe2(SO4)3 +6H2O ® 2Fe(OH)3 + 3H2SO4
褐鐵礦 硫酸

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