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带你去爬山——球形风化 精选

已有 5506 次阅读 2019-11-26 10:07 |系统分类:科普集锦

当地球化学一统江湖,成为地质学的主要研究手段后,人们将更多的注意力放于室内,昏天暗地进行各种化验分析,殚精竭虑构建多姿成因模式。对于普通地质人员而言,地质的乐趣更多在于对鬼斧神工地质现象的解读,通过野外调查、室内研究、专心阅读、讨论交流获得问题的答案更有一种心神上的满足感。新疆准噶尔盆地乌尔禾曾经报道发现大量“外星人”石球,散落于沟谷河道,千姿百态,引人瞩目(图1)。石球成分主要为砂岩,对于其成因众说纷纭,天外来客?火山成因?风化形成?根据原生地质特征,查阅相关文献后发现:其实是一种结核(concretion)。砂岩中有空隙,渗透性强,当流经砂岩中的流体遇到底部渗透性差的泥岩时,流体静滞,溶解于其中的方解石、石膏、重晶石等矿物发生沉淀,将砂岩胶结为不同形状的结核。古生物学家时有业余爱好者登门拜访,欢欣雀跃,信誓旦旦说发现了生物化石,其实正如树枝石,都是大自然的一种伪装。当朋友将乌尔禾石球照片发给我时,我曾以为是球形风化的岩石滚落山崖而成,看来也猪油熏心,被蒙蔽了双眼,但球形风化确是一种迷人的地质现象,开车经过,不驻足片刻,你就不会发现它的精致与美丽。

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1 新疆乌尔禾石球(陈鹏力提供)

球形风化是指出露于地表或近地表的岩石遭受风化作用,周边形成同心层状碎片,好似洋葱剥皮,中心为新鲜岩石“石蛋”的过程。它主要是一种化学风化,广泛见于各种气候大多数岩石中,尤其是成分均一,节理发育的火成岩,如花岗岩与玄武岩。发生球形风化的原始岩石多是节理发育的多边形石块,由于棱角突出,易受风化(角部受三个方向的风化,棱边受两个方向的风化,而面上只受一个方向的风化,图2),故棱角逐渐缩减,先是形成椭圆形,最终趋向球形。只所以呈球形是因为外形越接近球体,它的表面积越小,遭受的风化强度也就越弱。

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2 遭受风化作用的立方体模型(来自文献1

不同颜色代表不同的风化强度,红色最强,黄色次之,绿色最弱

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3 球形风化发育过程(来自网络)

大型规模的球形风化作用一般称为表皮剥落(exfoliation),常见于花岗岩中。对于小型规模的球形风化,风化物一般为薄片状,围绕新鲜的“石蛋”,但也有些为碎屑状,散落于 “石蛋”周边,引起这种差别的主要原因在于岩石矿物颗粒之间的内聚力。当矿物颗粒之间的内聚力大时,就会风化为薄层,如细粒的玄武岩与辉绿岩;当矿物颗粒之间的内聚力小时,就会风化为碎屑,如粗粒花岗岩与辉长岩。球形风化并不只发生于地表,有时达地下几十米,尤其是在热带、亚热带潮湿闷热地区。

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4 花岗岩表皮脱落(来自网络)

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5 粒玄岩球形风化,同心薄层发育(来自网络)

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6 花岗岩球形风化,周围散落碎屑(来自网络)

地质现象固然令人着迷,探讨地质现象背后的成因更是一件令人醉心的事。为了探讨成因,人类绞尽脑汁,想出了各种各样的方法,特别是对岩浆与矿床的研究,已经深入地下几十公里,甚至上百、上千公里。球形风化,恰如动物世界的一只臭虫,虽然看似微不足道,其成因认识也走过了漫长的历程。

19时期中后期,地质学家在野外就注意到某些火成岩呈球形,周围被薄层岩屑包围,好似剥了皮的洋葱,并很快认识到这种现象并非原生成因,而是风化作用的产物,称为球形风化。对于球形风化的形成,主要集中在物理作用与化学作用上,以及有无节理、温度变化是否为重要影响因素等等。Blackwelder是第一个系统研究球形风化的人,1925年,他阅读了约30篇重要文献后发现大多数作者都赞同温度变化是其主要原因的说法,特别是在沙漠与高山地区。为了确定真实情况,他将冰冷的石头投入沸腾的油锅(温度变化从15°到210°),并没有看到岩石引起任何破裂、剥落。他穿越沙漠,攀登高峰,依然没有发现明显的证据。倒是在湿润地区,温度变化不大的地方,他发现花岗岩、辉长岩、辉绿岩发育大量球形风化,甚至在地下6-7米,从而认识到球形风化主要由化学作用引起。随后的1926年,他又注意到森林大火也会引起球形风化(温度范围从200°-800°,甚至达到1200°),这也得到了其他许多地质学家的认可。1949年,Chapman全面总结了此前近百年球形风化的成因:(1)不规则岩块受到组成矿物发生的水合、碳酸盐化、氧化等化学作用引起岩石表面膨胀、碎片脱落,(2)岩石受到森林大火引起的突然、猛烈的温度变化导致岩石表面膨胀、碎片脱落。

半个世纪后,球形风化成因研究取得了从定性到定量的突破性进展。宾州大学的Fletcher等(2006)用一维模型解释了某地区闪长岩中球形风化特征,认为闪长岩中的角闪石等含铁矿物氧化导致体积膨胀,从而在反应层不断累积应变能,当应变能等于反应层中的裂隙表面能时,就会形成与表面平行的裂隙,含有氧的流体不断渗入这些新形成的裂隙,使得反应持续进行,一系列的同心薄层得以形成。与Fletcher等强调风化过程中的化学作用不同,奥斯陆大学的Jamtveit等主要从裂隙发育过程的角度出发来研究。传统观点认为,岩石中的裂隙多由冷却收缩或构造应力产生,而Jamtveit等在详细观察了大量野外露头后,得出结论断裂也可以在风化过程中形成。在新鲜的“石蛋”外层遭受一定时间膨胀与剥落后,内部积累的弹性应力大到足以将新鲜的“石蛋”进一步分割,这些被分割的岩块又各自发生球形风化,过程不断重复,使得大小不一、圆度各异的“石蛋”混合堆积在一起,形成乱石堆。这种断裂分割过程曾被前人称为twinning,并且会随着时间一直切割下去,子子孙孙无穷匮也,切割成的岩石碎块表面多为四边形,两级连续裂隙之间近乎垂直,呈“T”字型,统称为序次裂隙模式(hierarchical fracture patterns),得到了数值模型的支持(图7)。相比非空隙岩石风化物形成于“石蛋”外部边缘,渗透性岩石风化物则形成于空隙中,洋葱式裂隙为风化物生长过程中产生的应力造成,而非前者体积变化。某地多孔安山岩表现出洋葱式剥落、序次断裂模式、李泽刚环耦合的复杂模式(图8)。通常来说,无论是平衡还是非平衡效应都支持矿物在较大的空隙中生长的结论。铁的氧化物、碳酸盐岩等风化物在较大的空隙中成核、生长,生长过程中产生的应力在颗粒边界形成一套微裂隙,当应力足够大时,这套微裂隙破裂,造成更大的裂隙。然而风化产物产生的应力并不能完全通过微裂隙释放,总是在形成一些李泽刚环后(李泽刚环是渗透性流体在空隙中过饱和-成核-亏损的过程),在“石蛋”周围(包括李泽刚环)产生一系列洋葱式裂隙,这两种过程交替进行,不断重复,同时体积变化引起的应力作用于“石蛋”,将之不断分裂,最终造就了洋葱式剥落、序次断裂模式、李泽刚环耦合的复杂球形风化模式。

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7 球形风化与序次裂隙模式(来自文献2

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8 某地安山岩球形风化模式(来自文献3

首先受序次裂隙模式作用形成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区,Ⅲ区又进一步被分割为ⅢAa、ⅢAb、与ⅢB区,每个区周围的条带由李泽刚环与洋葱状断裂联合组成

2017-2018年间,我曾有幸在深圳的“后花园”大鹏半岛工作,帮助大鹏半岛国家地质公园进行火山地质科普调查。在七娘山西麓有一人为采石场,采石场底部偶然发现许多散落岩石碎块,外为同心圆状岩石碎片,内为新鲜的岩石,新鲜岩石为圆形、椭圆形,追踪发现这些岩石碎块呈带状分布,主要位于风化物底部,原生火山岩顶部。我开始以为是结核,后很快否定,认为就是球形风化,但到底这些岩石碎块是怎样形成的,始终一头雾水。我曾设想可能是沟谷中水流冲刷的产物,但看其椭圆形态,又感觉有可能是火山弹风化的产物,如果确是火山弹,就为CCTV《地理中国》栏目组将附近作为当初的火山喷口提供了更为确凿的证据。这个问题一直困扰着我,偶然间阅读到Jamtveit的文献,特别是里面提到的层序断裂模式,我再详细端详当初拍摄的那些照片,豁然开朗,看来是知识的贫穷限制了我的想象力!

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9 球形风化带位置及周边主要地质特征

铁罐上侧为CCTV《地理中国》栏目组推断火山喷口

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10 核心岩石呈椭圆状球形风化

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11 核心岩石呈近圆形球形风化

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12 核心岩石为椭圆状、圆状球形风化

很容易误认为砾石堆积而成

当一个人密切关注任何事物的那一刻,即使是一片草叶,它本身就变成了一个神秘的,令人敬畏的,难以形容的壮丽的世界。在时间的长河中,在自然的作用下,原先完整的事物多脱离了本来面貌,从而以一种更适于生存的方式傲立于世。球形风化既表征了岩石的分解,又标志着土壤的孕育,才有如今这一草一花一世界,一枝一叶一菩提。

参考文献

1.McKay Farley, Fast Spheroidal Weathering with Colluvium Deposition, A thesis submitted to the faculty of Brigham Young University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science, Department of Computer Science

Brigham Young University December 2011

2. Anja Røyne , Bjørn Jamtveit, Joachim Mathiesen, Anders Malthe-SørenssenControls on rock weathering rates by reaction-induced hierarchical fracturingEarth and Planetary Science Letters 275 (2008) 364–369

3.Bjørn Jamtveit and øyvind Hammer, Sculpting of Rocks by Reactive Fluids, Geochemical Perspective Volume 1 Number3,July 2012

4. R.C. Fletcher, H.L. Buss, S.L. BrantleyA spheroidal weathering model coupling porewater chemistry to soil thicknesses during steady-state denudationEarth and Planetary Science Letters 244 (2006) 444–457

5. Chapman, R.W., Greenfield, M.A.,Spheroidal weathering of igneous rocks. Am. J.Sci. 247(1949)407–429

6. Bjørn Jamtveit, Maya Kobchenko, Håkon Austrheim, Anders Malthe-Sørenssen,

Anja Røyne, and Henrik Svensen, Porosity evolution and crystallization-driven fragmentation during weathering of andesite, Jounrnal of Geophysical Rearch, Vol. 116(2011), B12204

7. Sarracino, Robert and Prasad, Gisela, Investigation of Spheroidal Weathering and Twinning, GeoJournal 19.1(1989), 77-83




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