风化作用

风化作用（weathering）为岩石、土壤以及矿物等与地球大气层接触而分解。侵蚀作用包括岩石和矿物经由媒介如水、冰及重力等引起其瓦解。侵蚀作用常伴随着搬运作用，要注意两者并非相同，风化作用着重于由内而外去崩解，侵蚀作用则是由外而内去剥落。

风化作用可以分为物理性与化学性。物理性的风化作用包括因为大气情况如热力、水、冰及压力导致岩石及土壤的分解；化学性的风化作用包括与大气化学物的直接反应，或与生物产生的化学反应，最终令岩石、土壤及矿物分解。

岩石分解后的物质与有机物质结合制成土壤。土壤的矿物成分取决于母质，所以由一种岩石形成的土壤常常会缺乏一种或多种肥沃土壤所需的矿物质，而由多种岩石混合形成的土壤（如冰川、风成或冲积沉积物）常常会形成肥沃土壤。

## 物理风化

物理或机械风化造成岩石分解。机械风化的主要过程为磨损，磨损把碎屑物及其他微粒的尺寸减小。但机械风化与化学风化环环相扣，如机械风化造成的裂缝会増加进行化学风化的表面面积。而化学风化在裂缝造成的矿物亦会帮助岩石分解。

### 热膨胀

热膨胀（Thermal expansion），或称为洋葱状风化（Onion weathering）、剥离作用（Exfoliation）、日晒风化（insolation weathering）或热冲击（thermal shock），通常在类似沙漠等有很大的每日温差的地方。温度在日间升高，在晚间则急剧下降；岩石在日间受热膨胀，在晚间冷却收缩。应力通常都会施加在外层。此应力令岩石外层以薄片状态剥落。虽然此现象由温差做成，但水汽的存在令热膨胀的效果加强。

### 冻融风化（冰的风化作用）

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#### 原理

冻融风化（Freeze thaw weathering），又被称为冻裂作用（frost weathering、frost action）、冰楔作用（frost wedging）。这种风化作用在温度接近冰点的山区十分常见。霜会引起风化，虽然其原因常被指为水在裂缝中结冰后膨胀而成，其实大多数都和此现象没有关系。很久之前人类已经知道湿润的泥土在冻结时，在未冻结的地方的水会经由薄层在增长中的底冰（ice lenses）中收集，因而引起膨胀或冻胀（frost heave）。同样的现象亦发生在岩石的细孔中。它们会因为吸收邻近的液态水而不断增大。冰晶的增长引致岩石弱化，最后分裂。在矿物表面、冰及水之间的分子间作用力（Intermolecular forces）维持一层不结冰的薄层，用作运送水分及在底冰累积时造成矿物表面间压力。

#### 否定结冰膨胀导致冻融风化

实验显示白垩、砂岩及石灰岩并不会在水的名义上的冰点，即约为0°C以下破裂。实验又显示即使是在被认为是水在裂缝中结冰后膨胀的风化环境，即把岩石保持在低温或把其轮转，并维持在一定的时间上，岩石亦不会破裂。而当在一些多孔的岩石进行实验，因底冰而引致快速破裂的关键性温度带为-3°C至-6°C，较冰点低。

#### 发生地点

因为冻结而引起的风化作用主要发生在有水汽及温度在冰点上下波动的环境，如高山气候（alpine climate）地区及冰川边缘的（periglacial）地区。易受冻结影响的岩石的例子有白垩，因其多孔的特性令冰晶可以生长。此现象可以在达特穆（Dartmoor）以突岩（tor）的形式观看到。

#### 寒冻楔裂

寒冻楔裂（Frost wedging）以前被认为是无孔岩石的风化作用的主要因素，但近年来的研究发现其重要性不及预期般高。冻裂作用，间中亦被称为冰晶生长、寒冻楔裂、冰冻楔裂（ice wedging）或冻融作用当在岩石裂缝及接口的水冻结及膨胀发生。水在−22°C可以施加高至二千一百万帕斯卡（2,100千克力（kilogram-force）每平方厘米）的压力。此压力通常可以比大部分的岩石的抵抗力为高，并令其破碎。当水进入岩石裂缝冻结后，冰块向裂缝两边的墙施力，令裂缝加深及加阔。这是因为水的容量在冻结后有9%的增长。当冰块融化后，水会再流入裂缝加深的地方，当温度降低至冰点以下时再冻结，便会令裂缝更为增大。不断重复的冻融作用弱化岩石，在裂缝被破开，形成有角的石块。角状石块在山坡下集合，形成岩屑坡（talus slope）或碎石斜坡（Scree slope）。岩石被沿着裂缝被破开成为石块被称为块状分裂（block disintegration）。分裂的石块会因应岩石结构而出现不同的形状。

### 压力释放

#### 原理

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在压力释放（pressure release），或称为风化卸荷（unloading），发生在物体以上的物质（不一定是岩石）被侵蚀作用或其他过程移走后，被移走的物质以下的岩石会以表面水平的方式膨胀及破裂。通常被移走的物质会较重，施加给其以下的岩石很大的压力，例如移动中的冰川。压力释放可能亦会引致剥离作用（exfoliation）发生。

#### 侵入火成岩的压力释放现象

侵入火成岩（Intrusive igneous rocks）如花岗岩在地球表面深处形成。它们因为其以上的物质承受极大的压力。当侵蚀作用移走其以上的岩石物质后，此侵入火成岩便露出表面便令其压力被释放。外围的岩石便有膨胀的趋势。此膨胀引起应力令裂痕以岩石表面的水平方向发展。经过一定时间后岩石便以片状的方式在露出表面的岩石破开分离。压力释放亦被称为剥离作用或页状剥离（sheeting）；以上作用引起岩基（batholiths）及花岗岩穹丘（granite domes），其现象可以在达特穆（Dartmoor）找到。

### 水力作用

水力作用（Hydraulic action）发生在当水经由巨大的浪冲入岩石表面的裂痕时。这样在裂痕深处的一层空气便被困着，同时空气亦受到压迫而弱化岩石。当浪退后时，受到压迫的空气便会以爆发性的释放。爆发性的释放高压空气会破开在岩石表面的碎片并令岩石的裂痕变宽。

### 盐结晶作用

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#### 原理

盐结晶作用（Salt crystallization），或称为盐风化（Haloclasty或Salt weathering）发生在含有盐分的溶液渗入岩石裂缝及接口后蒸发，留下盐晶体，令岩石瓦解。此盐晶在受热后膨胀，向狭窄的岩石施加压力。

#### 因为岩石而造成的盐

盐结晶作用亦可以发生在溶液分解如白垩及石灰岩的岩石后形成硫酸钠或碳酸钠的盐溶液，并在水分蒸发后形成其相对的盐晶。

#### 特别强力的盐种类

最有效的盐去分解岩石被证明为硫酸钠、硫酸镁及氯化钙。部分盐晶可以膨胀至三倍或更多。

#### 发生地区

盐结晶作用通常和干旱（arid）气候有关，因为强烈的加热引起强烈蒸发，从而产生盐结晶作用。盐结晶作用亦在岸边活跃。盐风化的例子亦可以在海堤上的蜂窝石（honeycombed stones）找到。

### 生物风化

生物亦有可能参与物理风化（同时亦有化学风化）。地衣及藓类植物在光秃的岩石表面生长，做成一个更为潮湿的化学微环境。岩石被这些生物附上后会加强在岩石上表面微表层进行的物理与化学分解。大范围的幼苗发芽及植物的根部除了在岩石上裂隙施加物理压力外，亦提供一个水及化学物的渗透渠道。挖洞动物及昆虫分布在底岩附近的土壤表层亦会增加水及酸的渗透性和进行氧化过程的表面积。

## 化学风化

化学风化（Chemical weathering）包含岩石成分的改变，常常引致其形态的崩溃。这种风化会在一段期间反复发生。

### 溶解作用

#### 原理

天然的降雨有些微的酸性，因为大气中的二氧化碳溶入雨水中，造成弱碳酸。在未受污染的环境，雨水的酸碱值约为5.6。因为大气中的二氧化硫及氮氧化物等气体会引起酸雨。这些氧化物与雨水起反应形成更强的酸，令酸碱值降至4.5或3.0。二氧化硫，SO2，由火山爆发或化石燃料而来，能够在雨水中成为硫酸，从而在落下的岩石上引起溶解作用。

#### 碳酸化作用

其中一种知名的溶解作用为碳酸化作用（carbonation），此过程因为大气中的二氧化碳而引起。碳酸化作用在含有碳酸钙的岩石发生，例如石灰岩及白垩。此作用发生在雨水与二氧化碳或有机酸等结合后形成弱酸（Weak acid），弱酸与碳酸钙反应后形成重碳酸钙（calcium bicarbonate）。此作用在低温下会加速，所以是冰川风化的主要特色。

其反应如下：

CO2 + H2O -> H2CO3

二氧化碳 + 水 -> 碳酸

H2CO3 + CaCO3 -> Ca(HCO3)2

碳酸 + 碳酸钙 -> 重碳酸钙

碳酸化作用在有多重接口的石灰岩形成一种分开的石灰岩道路。碳酸化作用沿着岩石接口的反应最为强烈，令此接口加阔及加深。

### 水合作用

水合作用（Hydration）为化学风化的一种形式，包含H+与OH-离子与矿物分子的坚固连接。当岩石矿物吸收水分后，其增加的体积在岩石中造成物理应力。例如：

- 氧化铁（iron oxides）便会转化成氢氧化铁（iron hydroxide）
- 硬石膏（anhydrite）经过水合作用后便成为石膏（gypsum）。

### 水解作用

#### 原理

水解作用（Hydrolysis）为一种影响硅酸盐（Silicate）矿物的化学风化过程。在反应中纯水会轻微离子化（电离），并与硅酸盐矿物起反应。反应例子如下：

Mg2SiO4 + 4H+ + 4OH- -> 2Mg2+ + 4OH- + H4SiO4

橄榄石（olivine）（镁橄榄石（forsterite）） + 四个水分子离子 -> 溶液中的离子 + 溶液中的硅酸（silicic acid）

#### 实际反应

在假设有足够的水去推动反应之下，以上反应引致原本矿物的完全溶解。但以上反应的不真实的地方在于纯水通常不会作为H+的捐赠者。但二氧化碳则会轻易溶入水中形成弱酸，并捐出H+。由于碳酸酸性较硅酸强，故可获得酸性较弱的硅酸

Mg2SiO4 + 4CO2 + 4H2O -> 2Mg2+ + 4HCO3- + 4H4SiO4

橄榄石（镁橄榄石） + 二氧化碳 + 水 -> 溶液中的镁及重碳酸盐（bicarbonate）离子 + 溶液中的硅酸

以上的水解反应则较为普遍。碳酸受到硅酸盐消耗，因为重碳酸盐而形成一个较为碱性的溶液。这是一个控制大气中的二氧化碳的一个重要反应，并能影响气候。

#### 特别反应

铝硅酸盐（Aluminosilicate）在水解作用下形成第二种矿物而不是简单的放出正离子。

2KAlSi3O8 + 2H2CO3 + 9H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + 4H4SiO4 + 2K+ + 2HCO3-

正长石（Orthoclase）（铝硅酸盐长石（aluminosilicate feldspar）） + 碳酸 + 水 -> 高岭土（Kaolinite）（为一种黏土矿物） + 硅酸溶液 + 溶液中的钾（potassium）及重碳酸盐离子

### 氧化作用

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种种金属在风化环境中会产生氧化作用（Oxidation）。最常见的氧化作用为Fe2+（铁）及其与氧及水的融合而成的Fe3+氢氧化物及氧化物如针铁矿（goethite）、褐铁矿（limonite）及赤铁矿（hematite）。此氧化物令岩石表面呈现出棕红色，此氧化物很易粉碎，令岩石弱化。此过程称为生锈（rusting）。

### 生物风化

有部分动植物能够释放出酸性化学物而引起化学风化。最常见的生物风化引起的化学风化形式为释放螯合物（chelating）化学物，亦为酸的一种。此化学物由植物释放，用作分解其底下土壤的铝、铁成分。土壤中植物的残骸可以形成有机酸，溶于水后造成化学风化。螯合物的过度释放会影响附近岩石与土壤，及可能引致灰化土的形成。

## 建筑物的风化

由任何石头、砖块或混凝土制造的建筑物会受到和其他露出表面的岩石相同的风化媒介影响。而雕像、遗迹及装饰的石制品会因为自然风化而受到严重破坏。以上过程在受酸雨影响的地区会更加剧烈。

## 图片集

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