B4 · 出版卷 9

化学和物理风化

Hydrolysis、oxidation、leaching、disintegration

学习目标

完成本课后，学习者应能区分物理崩解与化学转化；配平代表性水解和氧化反应；解释反应速率与搬运控制；利用相对不活动参照计算组分质量转移；区分浓度变化与质量变化；并设计观测来检验风化前缘受反应还是受搬运限制。

一段花岗质岩芯向上逐渐松散，却保留原岩结构。长石浑浊、黑云母蚀变，裂隙带铁膜；近地表只剩黏土基质中的石英颗粒。该剖面主要由物理颗粒分离、化学淋失、体积膨胀、外来黏土还是多阶段耦合形成？

保存原岩结构支持腐岩继承，却不能量化质量转移。裂隙引入含氧水，反应扩大孔隙，卸荷与温度循环又增加新表面积；相反，次生矿物也会堵塞孔隙并减慢冲洗。风化是反应—搬运耦合系统，不是一条简单向下移动的颜色界面。

物理风化在不必改变矿物身份的情况下增加表面积或分离材料，包括卸荷、热应力、冻融、盐结晶、干湿循环、根系生长、磨蚀和应力腐蚀。化学风化包括溶解、水解、氧化、还原、水合、碳酸化和沉淀。生物活动还会改变酸度、氧化还原、配体、湿度和物理通道。

钾长石水解为高岭石的简化配平反应为


2\,\mathrm{KAlSi_3O_8}+2\,\mathrm{H^+}+9\,\mathrm{H_2O}
\rightarrow
\mathrm{Al_2Si_2O_5(OH)_4}+4\,\mathrm{H_4SiO_4}+2\,\mathrm{K^+}.

方程守恒原子和电荷，却没有给出速率、饱和状态或真实产物是否为高岭石。黄铁矿氧化的简化路径为


4\,\mathrm{FeS_2}+15\,\mathrm{O_2}+14\,\mathrm{H_2O}
\rightarrow
4\,\mathrm{Fe(OH)_3}+8\,\mathrm{SO_4^{2-}}+16\,\mathrm{H^+}.

天然路径还包含中间硫铁物种、微生物、缓冲反应和次生硫酸盐。生成的酸在被中和前可加速溶解。

反应进程受矿物表面积、温度、流体组成、饱和度、停留时间和活性表面控制。供给受限系统移除风化物的速度快于新鲜基底反应；搬运受限系统保留产物或溶质，使平衡或次生沉淀更重要。水文条件还可随季节切换两种状态。

以相对不活动组分 i 为参照，组分 j 的质量转移可估算为


\tau_j=\frac{C_{j,w}C_{i,p}}{C_{j,p}C_{i,w}}-1,

其中 C 为浓度，w 与 p 分别表示风化物和母体。方法要求母体可比且 i 确实近似不活动。

风化记录应以材料性质为核心：原始组构保存、硬度、解体、裂隙密度、孔隙率、矿物替代、黏土矿物、体积密度和化学，而非只用颜色等级。新鲜母岩变异必须像风化剖面一样充分采样；一块“新鲜样”未必代表非均一侵入体或地层。

矿物学约束反应产物，孔隙水约束正在发生的搬运，固体化学则整合过去的得失。薄片、衍射、光谱和显微方法均需代表性样品及检出限。总量计算必须有体积密度。水位和氧化还原指标要重复测量，因为一次访问可能只代表暂态。

选择不活动参照时应比较多个候选及其矿物载体和剖面趋势。钛、锆等难迁移组分仍可能机械迁移、富集于耐磨颗粒或随尘土输入。比值相似不能证明同源，必要时应结合多件母岩样、结构、矿物或同位素证据。

在合成教学剖面中，母体含 2.0 wt% K 和 0.50 wt% Ti，风化样含 0.60 wt% K 和 0.50 wt% Ti。若 Ti 不活动，则


\tau_K=\frac{0.60\times0.50}{2.0\times0.50}-1=-0.70.

模型表示 K 相对 Ti 损失 70%。若风化样因石英和可溶组分移除而含 0.75 wt% Ti，结果变为 \tau_K=-0.80。解释对参照、母体等同性和分析误差敏感。

再设体积密度由 2.60 降至 1.55 t/m³，名义不活动元素由 0.50 升至 0.75 wt%。等现今体积下，其总量由 13.0 降至 11.6 kg/m³，所以浓度升高仍可能伴随质量损失，或说明等体积假设不成立。必须考虑应变和体积变化。

不能把未配平反应写成过程证据，也不能用剖面总深度在缺少年龄和剥蚀约束时推出现今反应速率。深腐岩可能古老、多期并被部分剥蚀；风化前缘可沿裂隙和矿物域强烈起伏，一根垂直岩芯不能定义完整几何。

化学蚀变指数可能受母岩组成、分选、钾加入或物质混合控制。烧失量包含多种挥发组分，不是黏土或有机碳的直接测量。氧化颜色也不能证明采样当时孔隙水一定处于氧化状态。

选择一个含长石、云母、石英和硫化物的假想岩石，绘制氧化和还原条件下原生矿物、水溶产物及可能次生相的反应网络。配平至少一个反应，并说明哪些变量控制速率与平衡。

对给定深度剖面，分别用两个候选不活动参照计算三个活动元素的 \tau，再与密度、矿物和组构保存共同作图。识别搬运输入或母体改变比渐进原地风化更合理的区间。