David R蒙哥马利达琳Zabowski (C Ugolini Rolf O Hallberg和亨利Spaltenstein
8.1介绍
地球表面是一个动态的地方。在整个地质时期,岩石海拔上升分解,转化为土壤风化过程。土壤可溶性成分释放到河流和可以在陆地侵蚀和运输直到最终可溶性和颗粒组件都存入海洋沉积盆地。一旦埋、高压力和温度逐渐把沉积物回到岩石。构造过程可以提升新岩石和再次暴露在地球表面,导致上升的恶性循环,侵蚀、沉积埋葬,再度隆起称为岩石循环。地球表面岩石循环不断地修改(图8 - 1)。土壤是地球表面的特别是活性成分。他们不仅为陆地生态系统提供营养和水分,但他们也存储和交换气体与大气,并影响地表水和地下水的运动。因此,土壤影响和生物圈的影响,大气,水圈。
土壤是一个关键组成部分岩石由于风化和循环土壤形成过程把石头变成更容易受侵蚀的材料。土壤形成的利率甚至可能限制整体侵蚀率的景观。侵蚀过程也是一个关键连接土壤之间的岩石循环生产和沉积盆地的充填。当水落到地球表面可以渗入地面和渗透到地下水位也可以跑下坡的收集到流,最终结合形成的河流。流水传输侵蚀材料直到它要么是存放在本地沉积环境或交付给海洋。如果没有这些沉积物的水槽,海洋将填满在不到100最高产量研究,如果没有源岩石隆起的大洲
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- 图8 - 1的广义周期沉积物和沉积岩。
地球系统科学ISBN 0 - 12 - 379370 x
(2000年学术出版社有限公司版权所有权利复制以任何形式的退化海洋的水平在不到50最高产量研究(荷兰,1978年,p . 146)。全球构造活动使这些场景岩石隆起和海底沉积物累积的返回回大陆通过吸积或俯冲板边缘。
材料之间的转换和交互发生的土壤,在地质沉积物、岩石、水和大气的循环上升和侵蚀全球生物——都很重要地球化学循环。在整个地质时期,例如,材料纳入沉积岩可以隐藏在长期储存海洋盆地。相比之下,风化产品在更短时间尺度排放到大气中。土壤的发展,侵蚀过程和沉积在海洋盆地在全球扮演关键角色bio-geochemical周期。
8.2风化
风化是因为岩石和矿物成为暴露于物理和化学条件,不同条件下形成的。岩石在温度和压力高于地表环境所以他们不稳定的在地球表面的温度和压力,因此容易风化。任何土壤的无机固相由很多的矿物质显示不同程度的风化易感性。这些矿物的风化程度的稳定性取决于矿物和矿物的物理和化学环境暴露在土壤或在表面条件,包括水的供应和移除或风化运输产品(盖伦和基督,1965;Rai Kittrick, 1989;科尔曼和Dethier, 1986)。
风化作用可以分为两类:物理和化学。物理风化包括固结度的变化与很少或没有化学和矿物学岩石和矿物的变化。化学风化作用包括化学和矿物组分的变化,通常作用于岩石或矿物的表面。物理风化作用增加了表面积的岩石和矿物等,化学风化作用可以以更快的速度进行。在自然界中这两个过程同时发生和难以分离(杰克逊和谢尔曼,1953;Birkeland, 1999)。
8.2.1物理风化作用
岩石和矿物打破当压力高于其抗拉强度。通常,岩石沿着关节骨折,裂缝或飞机开发了在冷却期间,构造作用沉积过程或行弱点的矿物颗粒之间的界限。当先前埋岩体暴露在地球的表面,上覆岩层压力的降低,或者卸载,使岩石膨胀。这一扩张诱导压裂,艾滋病在岩石,土壤的转换。物理风化过程扩大这些骨折或造成新的发展。
弗罗斯特楔入的撬开材料水冻结时的扩张。产生的压力冷冻水远高于许多岩石的抗拉强度;然而,这种压力可能不是通常达到自然是因为岩石不是完全饱和但包含空气间隙。水化粉碎,订购和无序化的水分子吸附在岩石表面,可能是负责过程归结为霜挤进(邓恩和Hudec, 1972;Hudec, 1974)。尽管如此,破碎基岩的存在,通常角岩屑寒冷的环境提供了足够的证据,弗罗斯特楔入工作。实验室的实验表明,反复冻融循环甚至可以产生泥级粒子(Lautridou Ozouf, 1982)。
在干旱的环境,可溶风化作用的产品不是完全从土壤,土壤中盐的解决方案可能传播以及在岩石裂缝。如果在蒸发盐浓度增加超过了饱和点,盐晶体形成和成长(古迪et al ., 1970)。盐晶体的生长在裂缝可以迫使开放性骨折。盐风化作用发生在感冒或炎热的沙漠或地区盐积累。块巨石,悬崖受到盐风化显示龋齿和漏洞,有时收购的形式,观察到的寒冷的沙漠南极洲(Ugolini, 1986)。霜和盐风化结合具有协同效应,可以更有效地分解岩石比盐或霜(威廉姆斯和罗宾逊,1981)。
日晒引起的热膨胀可能是重要的沙漠地区贫瘠的岩石和土壤表面。在一个沙漠,每日温度变化广泛,岩石快速加热和冷却。每种类型的矿物在岩石有不同的热膨胀系数。因此,当岩石加热或冷却,其矿物质不同扩张和收缩,从而导致岩石的压力和紧张,导致骨折。给油器(1969)的例子进行讨论岩石风化由于日晒。火可以开发温度远远超出日晒和非常有效的压裂岩石(Black-welder, 1927)。
植物和动物破坏和分解岩石和骨折或擦伤个人谷物或矿物质。石内的藻类生长在沙漠可能能够瓦解岩石通过收缩和肿胀(弗里德曼,1971)。地衣是有效的代理在物理风化通过扩展真菌菌丝在岩石和菌体的扩张和收缩(syer和依斯干达,1973)。高等植物根生长在岩石裂缝,最终增加压力破坏和扰乱了下层。此外,岩石和土壤的物理混合从树将是一个主要的过程发生在森林地区基岩转化为土壤。蚯蚓讨论达尔文(1896),消化和擦伤大量的土壤。哺乳动物,如摩尔,打地鼠,地松鼠隧道和挖掘大量土壤时构建洞穴(黑色和蒙哥马利,1991;巴特勒,1995)。同样,啮齿动物分解岩石和创建微粒(Ugolini和埃德蒙兹,1983)。
8.2.2化学风化作用
化学风化作用涉及到近地表条件下岩石和矿物的化学变化。土壤中矿物颗粒(见表8 - 1)是沐浴在这些矿物的溶解和沉积一层水膜取决于许多因素。首先,矿物的溶解性的潜在影响矿物风化;这很大程度上取决于内化学键的数量和力量晶格。其次,温度影响风化速率反应。第三,周围的土壤溶液的组成矿物颗粒将决定风化率;溶液的pH值、有机酸、碳酸的其他离子浓度已经在溶液中,氧化还原,com-plexing配体都能影响容易风化作用释放出来的离子可以进入解决方案。最后,水;水不仅是通用溶剂在风化环境中,但它也风化的产品的再分配的工具。土壤溶液之间的联系和矿物表面与土壤溶液含有离子的去除频率发布的风化(及其更换新的土壤溶液)都将决定如何容易矿产天气。考虑到这些因素可以确定矿物的热力学稳定性,并预测矿物的风化序列的环境(盖伦和基督,1965)。有六个基本过程,化学天气矿物质。这些溶解、水化、水解、酸解、螯合、氧化/还原。
8.2.2.1解散
解散矿物晶格时发生分解,分解成它的组成离子在水里。矿物质最受影响的地区包括盐、硫酸盐、碳酸盐。例如,方解石溶解所描述的
CaC03 - > Ca2 + + CO§~ pK = 8.4 (1)
在这种情况下,两个离子,钙离子和二氧化碳,释放到土壤溶液,能与水反应(形成碳酸氢盐或碳酸)或其他解决方案组件,或被浸出从土壤中去除。的
主要矿物 |
近似构成 |
耐气候性 |
石英 |
系数 |
- - - - - - |
钾长石 |
KAlSi3Og |
+ |
Ca, Na-plagioclase |
CaAl2Si208, NaAlSi308 |
(+ +) |
俄国人的 |
KAl3Si3O10 (OH) 2 |
+ (+) |
角闪石 |
Ca2Al2Mg2Fe3Si5022 (0 h) 2 |
+ (+) |
黑云母 |
大韩航空(毫克、铁)3 si3o10 (OH) 2 |
+ + |
辉石 |
游离钙(铝、铁)4(毫克、铁)4 si6024 |
+ + |
磷灰石 |
(3 ca3 (P04) 2) -Ca0 |
+ + |
火山玻璃 |
变量 |
+ + |
方解石 |
CaC03 |
+ + + |
白云石 |
(钙、镁)C03 |
+ + + |
石膏 |
CaS04-2H20 |
+ + + |
次生矿物 |
近似构成 |
类型 |
高岭石 |
Al2Si205 (0 h) 4 |
1:1 layer-silicate |
蛭石 |
(Al1.7Mg0.3) Si3.6Al0.4O10 (OH) 2 |
2:1 layer-silicate |
蒙脱石 |
(Ali.7Mgo.3) Si3.9Alo.iO o (OH) 2 |
2:1 layer-silicate |
亚氯酸盐 |
(Mg2.6Feo.4) Si2.5(铝/铁)1.501 o (OH) 2 |
2:1:1 layer-silicate |
水铝英石 |
(系数)^ 2 al205 - 2.5 - 3 (3) |
Pseudocrystalline,球形 |
Imogolite |
si02al203 - 2.5 - 3 |
Pseudocrystalline,股 |
Hallyosite |
Al2Si205 (0 h) 4 2 3 |
Pseudocrystalline,管状 |
三水铝矿 |
Al (OH) 3 |
氢氧化 |
针铁矿 |
FeOOH |
氢氧化物 |
赤铁矿 |
Fe203 |
氧化 |
水铁矿 |
5 fe20s-9h20 |
氧化 |
解散CaC03是由以下反应:
水+二氧化碳(g) H2C03 pK = 1.46 (2)
H2C03oHC03“+ H + pK = 6.35 (3)
H + + CO§~ oHC03”pK = -10.33(4)整体:
CaC03 (s) +水+二氧化碳Ca2 + + 2 hc03 ~
解散CaC03一致反应;整个矿物风化和结果完全溶性产品。上述反应向右推动二氧化碳分压的增加和删除的Ca和/或碳酸氢盐。任何杂质在石灰质岩石,如硅酸盐、氧化物,有机化合物,和其他残渣。碳酸氢钙和浸出随着时间的推移,这残留的下层土壤开发容易溶解的石灰岩喀斯特地形中发现的地区。这种地形的特点是主要由地下排水和众多突然山脊,裂缝,灰岩坑,洞穴。
8.2.2.2水化和水解
水是水分子的结合^)矿物,导致结构以及化学变化。这可以大大削弱一种矿物的稳定性,并使其很容易被其他形式的化学风化作用。例如,硬石膏的水化导致石膏的形成:
CaS04 + 2 h20ocas04-2h20 (6)
(无水石膏)(石膏)
石膏是一种相对可溶性矿物质,可以接受解散而无水石膏不溶性。
水解的H +或哦”,水的成分,矿物。尽管水低离解常数,它是丰富的在大多数环境中。即使小H +或哦~可能由游离水,大量的水通过土壤随着时间的推移,使水解反应极其重要。
解散,化学和结构变化可能发生水解H +离子取代或哦~可能是不同的大小,因此晶体结构强调和削弱。这方面的一个例子长石风化或针铁矿由H +:
KAlSi308 + H + -»HAlSi308 + K + (7)
(长石)
FeOOH + 3 h + - Fe3 + + 2 hzo (8)
(针铁矿)
在方程(7)中,一个改变固相是由长石风化的K +离子释放——不一致的风化作用的一个例子(不是所有风化成解决方案)。在方程(8),针铁矿完全进入solution-another全等风化的例子。这两个例子证明风化的关键属性,即几乎所有风化反应消耗H +。因此,只要抗寒耐热的矿物存在,风化反应可以帮助抵消了土壤的自然倾向,成为酸性或中和酸雨的影响。
8.2.2.3酸解
酸解是一个类似的风化水解反应,H +用于天气矿物质,但在这种情况下H +的来源不是水而是有机或无机酸。腐殖酸和富里酸(8.3.2节讨论)、碳酸、硝酸或硫酸,低分子量有机酸如草酸可以提供H +天气矿物质。所有这些酸土壤中自然发生的;除了可以添加到土壤硝酸和硫酸酸污染。有机酸是流行在上层土壤造成强烈的风化。碳酸和碳酸氢盐更重要在年轻的土壤风化,或深土壤剖面中有机酸并不普遍。
8.2.2.4螯合
除了攻击矿物质通过提供氢离子、有机酸螯合也会导致风化。螯合剂是一种配体能够与金属离子形成多个键,如铁、铝、或Ca,导致金属的环形结构合并到复杂。大型、复杂的有机酸形成的土壤可以作为螯合剂,并能够剥离金属离子从一些主要矿物质(黄,1989)。等人工螯合剂EDTA(乙二胺四乙酸)通常被用来测试土壤微量元素的可用性。一些低分子量有机酸也能够螯合金属。
8.2.2.5氧化和还原
氧化和还原反应天气矿物质通过电子的转移。矿物质含有元素可以有多个价状态如铁、锰、年代,甚至N,易受氧化还原反应。都是一个常见的反应发生在土壤铁的氧化和还原,当出现在矿物通常是在铁(II)的形式。铁(II)在父材料慢慢氧化土壤排水良好和充气(Bohn et al ., 1985;Birkeland, 1999)。在这种氧化环境下电子可以从价在矿物边缘造成中断水晶由于电荷不平衡,引发矿物边缘或解体使矿物风化更容易受到其他形式。Fe3 +发布的风化作用是不溶性和容易与氧气和水结合形成针铁矿
Fe3 + + 2 hzo FeOOH + 3 h + (9)
(针铁矿)
这发生在排水性良好的温带土壤,是方程(8)的逆转。在非常温暖排水性良好的土壤,赤铁矿形式。例如,主Fe-bearing矿物如辉石、角闪石天气通过氧化Fe3 +释放到溶液中,然后沉淀出针铁矿和赤铁矿,取决于环境。这个过程的一个重要方面是,最终释放H +和能够经受住其他矿物质。包含氧化矿物质元素可以接受在厌氧还原反应土壤使它们的天气。风化的针铁矿厌氧土壤将公布价到解决方案。
总的来说,风化控制运入的材料的化学沉积物和土壤中留下的。作为一个例子,考虑一个一般为铝硅酸盐风化反应(作声响和摩根,1995):
cation-Al-silicate + H2C03 + h2o - > HCO3 +阳离子+ H2Si04 + layer-silicate粘土
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