“球狀風(fēng)化物”成因國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

李 蒙，蔣 盛，張孫玄琦，付星輝

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710069)

球狀風(fēng)化物地理位置分布之廣，發(fā)育的巖石類型之多眾所周知。從發(fā)育的地理位置和氣候上講，不論是寒帶、溫帶、熱帶，還是干旱、潮濕的氣候都可看到。從發(fā)育的巖性上講，像花崗巖、玄武巖、片麻巖、安山巖、砂巖，輝長(zhǎng)巖，鋁土礦，以及其他一些類型的巖石中均有發(fā)現(xiàn)［1～4］。并且球狀風(fēng)化物多發(fā)育于風(fēng)化作用活躍的厚層裂隙發(fā)育地帶。對(duì)其成因研究的系統(tǒng)總結(jié)，有利于人們正確看待和認(rèn)識(shí)這種現(xiàn)象。由于球狀風(fēng)化產(chǎn)物的類型和國(guó)內(nèi)外稱呼的多樣性，本文統(tǒng)稱其為球狀風(fēng)化物，如圖1所示。

圖1 Liesegang環(huán)帶以及球狀風(fēng)化物外部與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1 國(guó)內(nèi)認(rèn)識(shí)現(xiàn)狀

對(duì)于球狀風(fēng)化物的叫法，國(guó)內(nèi)主要有:球形風(fēng)化、球狀風(fēng)化以及球形分化，俗稱其為“石蛋”、“石球粒”、“孤石”等。成因的主流認(rèn)識(shí)認(rèn)為:巖石在地表接受風(fēng)化時(shí)，棱角處受三個(gè)方向的風(fēng)化，棱邊處受兩個(gè)方向的風(fēng)化，而面上只受一個(gè)方向的風(fēng)化，故棱角逐漸縮減，最終形成球形。

國(guó)內(nèi)對(duì)于球形風(fēng)化物成因的細(xì)致研究非常少，對(duì)其現(xiàn)有認(rèn)識(shí)多是借鑒國(guó)外研究結(jié)論，也認(rèn)為其形成受巖石組成成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及外部環(huán)境的影響［5］，此外也有文章論述了卸載、巖石膨脹與球狀風(fēng)化物的關(guān)系［6］以及巖石形成球狀風(fēng)化物過程中發(fā)生的元素變化等一些方面。工程上對(duì)其關(guān)注較多，但重點(diǎn)涉及其工程力學(xué)性質(zhì)，對(duì)其成因關(guān)注較少。由于國(guó)內(nèi)相關(guān)研究和文章較少，以至于很多學(xué)者對(duì)球狀風(fēng)化物的認(rèn)識(shí)過于局限。由于球狀風(fēng)化物的類型較多，成因上相互套用的現(xiàn)象也比較常見，像溫差風(fēng)化，凍脹作用等原因強(qiáng)加在其他成因的球狀風(fēng)化物上的例子也不乏遇見，概念上也有誤將差異風(fēng)化與其混為一談的現(xiàn)象。

2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

球狀風(fēng)化物國(guó)外又稱其為L(zhǎng)iesegang環(huán)帶，Liesegang結(jié)構(gòu)(如圖1中B、C、F所示)，以及球狀風(fēng)化。國(guó)外對(duì)于球狀風(fēng)化物的研究可分為兩個(gè)方面:一方面是研究巖石形成以及破壞過程發(fā)生的變化與球狀風(fēng)化物之間的關(guān)系;另一個(gè)方面是研究巖石形成球狀風(fēng)化物過程中發(fā)生的變化，包括巖石在風(fēng)化過程中如何發(fā)展成球狀風(fēng)化物，以及球狀風(fēng)化物的物理及化學(xué)性質(zhì)。

2.1 巖石形成破壞過程控制

該方向的主要觀點(diǎn)有:巖石卸載、巖石膨脹，恒定體積改變，微裂隙以及外部壓力作用等［7］。

對(duì)花崗巖以及其他巖石的力學(xué)試驗(yàn)證明，同一巖石的強(qiáng)度極限，在不同性質(zhì)的應(yīng)力作用下差別很大。在地表及其附近的常溫常壓下，花崗巖的抗張強(qiáng)度＜抗剪強(qiáng)度＜抗壓強(qiáng)度。脆性狀態(tài)的花崗巖的抗張強(qiáng)度一般只有抗剪強(qiáng)度的1/3左右，抗壓強(qiáng)度的1/30左右［8］。對(duì)一些地區(qū)的節(jié)理組發(fā)育情況進(jìn)行研究也發(fā)現(xiàn)，張應(yīng)力產(chǎn)生的節(jié)理組往往是最晚產(chǎn)生。所以，有些學(xué)者提出了卸載作用的觀點(diǎn)。認(rèn)為，由于地殼運(yùn)動(dòng)，地質(zhì)體不斷上升，在外力作用下經(jīng)過了長(zhǎng)期風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)之后，使得深埋的巖體出露地表，巖石力學(xué)性質(zhì)也由塑性轉(zhuǎn)化為脆性。這在個(gè)過程中巖石產(chǎn)生向上或向外的膨脹，形成平行于地面的層狀裂隙，從而形成大型球狀風(fēng)化物。卸載作用多形成大型的球狀風(fēng)化物，體積相對(duì)較小的球狀風(fēng)化物也可能部分受該過程的影響。

Kenneth E Windom對(duì)玄武巖早期冷卻階段進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷卻階段有水的加入，玄武巖的熱量引起侵入的水發(fā)生汽化，導(dǎo)致水的體積發(fā)生明顯的變化［9］。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，假設(shè)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下，如果水被玄武巖熔漿加熱到500℃，蒸汽的體積將是液態(tài)水體積的3 566倍［10］。所以，Jocelyn J認(rèn)為，早期成巖時(shí)水蒸氣使巖石內(nèi)部壓力劇增，隨著玄武巖冷卻，熔巖流開始收縮產(chǎn)生收縮裂縫，之后由于內(nèi)部剩余張力作用體積發(fā)生膨脹，最后形成球狀風(fēng)化物［11］。研究花崗巖隨深度發(fā)生的體積變化時(shí)，也發(fā)現(xiàn)每大約4英里的深度變化，就可使體積變化范圍從百分之幾到千分之幾［8］。所以，卸載作用和巖石體積膨脹過程存在著一定的聯(lián)系，兩者之間并不是相互孤立的。

在巖石體積改變方式上，Robert Sarracino Dr認(rèn)為，從能量學(xué)的角度講，一塊多面體巖石以球形變化改變體積可以保證在最小的表面積下達(dá)到最大的體積變化［12］。反過來講，相同的表面積變化以球形變化可以保證其體積改變最小，這也許是內(nèi)部球狀風(fēng)化巖石內(nèi)部越來越趨向于球形的原因。

巖石在后期膨脹過程中會(huì)產(chǎn)生一些微裂隙，有學(xué)者認(rèn)為這是球狀環(huán)帶形成的因素之一。在玄武巖的相關(guān)研究中，顯微鏡下微裂隙并不是完全平行于球狀環(huán)帶，而微裂隙的形成被認(rèn)為是由于巖漿冷卻體積發(fā)生收縮產(chǎn)生的［13］。

此外，球狀風(fēng)化物發(fā)育地區(qū)普遍經(jīng)歷構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，所以，Earle F Mcbride認(rèn)為構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)力作用會(huì)對(duì)巖石產(chǎn)生了一定的影響。但是，這種應(yīng)力作用對(duì)巖石產(chǎn)生了什么樣的影響相關(guān)研究并沒有給出明確解釋［14］。

2.2 后期風(fēng)化作用控制

后期風(fēng)化作用控制的主要觀點(diǎn)有Liesegang現(xiàn)象、元素遷移、氧氣的擴(kuò)散、巖石外部形態(tài)控制以及巖石易風(fēng)化礦物膨脹導(dǎo)致球狀剝落等觀點(diǎn)。

2.2.1 Liesegang現(xiàn)象

球狀環(huán)帶(見圖1中F所示)的形成受Liesegang現(xiàn)象的控制，形成的球狀環(huán)帶就是后期球狀剝落的位置。Liesegang現(xiàn)象最早提出是由于Liesegang環(huán)帶的發(fā)現(xiàn)，Liesegang現(xiàn)象認(rèn)為重復(fù)出現(xiàn)的環(huán)帶是由于反應(yīng)物過渡飽、成核現(xiàn)象和局部沉淀與局部反應(yīng)消耗有關(guān)［15］。在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬Liesegang環(huán)的形成，發(fā)現(xiàn)環(huán)帶要么形成與顆粒的邊界，要么脫離砂質(zhì)顆粒。這種發(fā)現(xiàn)與自然界中富鐵的環(huán)帶終止于礦物顆?；蛘攮h(huán)繞它們很相似。但是，Liesegang原理有一些不好解釋的地方，就比如Liesegang環(huán)形成時(shí)如果出現(xiàn)一些不確定因素有可能形成一些其他樣式和不連續(xù)環(huán)帶以及Liesegang環(huán)帶形成的最原始機(jī)制［16］。在原始機(jī)制方面，有學(xué)者猜測(cè)這種沉淀環(huán)帶可能是微生物作用造成的［18，19］，也有學(xué)者認(rèn)為巖石環(huán)狀裂隙內(nèi)鐵物質(zhì)的積聚引起了氧化還原電位的增大，從而形成Liesegang環(huán)帶，Liesegang環(huán)帶形成之后，進(jìn)而形成球形風(fēng)化物［20］。關(guān)于Liesegang環(huán)帶的擴(kuò)散方向上也有不同觀點(diǎn)，由內(nèi)而外擴(kuò)散以及由外而內(nèi)擴(kuò)散［15］［17］［21，22］。與此相關(guān)，巖石在后期風(fēng)化過程中易遷移元素會(huì)發(fā)生遷移和再沉淀，這種遷移和再沉淀也會(huì)形成了相間的環(huán)帶［10，23，24］。此外，還有學(xué)者認(rèn)為巖石在后期風(fēng)化時(shí)，氧氣的擴(kuò)散使含氧礦物開始氧化，氧化形成的氧化物發(fā)生沉淀形成球狀環(huán)帶［25］，球狀壞帶繼續(xù)發(fā)展形成球狀風(fēng)化物。

2.2.2 巖石的外部形態(tài)控制

通過研究大量的球狀風(fēng)化野外現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)球狀風(fēng)化物的形態(tài)嚴(yán)格受到早期巖石外形的控制［12，26］，如圖2所示。但是，具體的控制機(jī)制并沒有進(jìn)行深入研究。

圖2 各種球狀風(fēng)化物類型以及原始巖石節(jié)理

2.2.3 易風(fēng)化礦物的風(fēng)化作用

巖石中的易風(fēng)化礦物在后期風(fēng)化過程中會(huì)發(fā)生膨脹，膨脹主要由一些粘土礦物造成，膨脹導(dǎo)致巖石體積增大，致使外部發(fā)生球狀脫落，表現(xiàn)出球狀風(fēng)化特征［2，4，27］。

3 討論與認(rèn)識(shí)

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究可以看出，球形風(fēng)化的成因還沒有給出一個(gè)讓人信服的結(jié)論，但是也得出了很多實(shí)際的研究結(jié)果。關(guān)于球狀風(fēng)化物形成的內(nèi)因，還局限于猜測(cè)和假設(shè)的范疇，不論是卸載作用、巖石體積膨脹還是壓力作用都沒有給出比較讓人信服的理論證據(jù)，恒定體積變化有其物理學(xué)的支持，但是對(duì)于剪節(jié)理發(fā)育地區(qū)的球形風(fēng)化似乎無法解釋。微裂隙本身也存在諸多缺陷，比如，微裂隙的產(chǎn)生是先于球狀環(huán)帶形成還是在其之后并沒有給出答案，微裂隙并不完全平行于球狀環(huán)帶也說明該觀點(diǎn)并不是形成球狀風(fēng)化物的主要原因，應(yīng)該是次要因素。在外因方面的研究，主要是從后期風(fēng)化作用對(duì)巖石的影響入手，并且詳細(xì)研究了巖石體積、密度、化學(xué)元素以及造巖礦物的變化。外因方面，對(duì)球狀風(fēng)化巖石的特征做了比較詳實(shí)的研究論述，這方面的研究程度相對(duì)來說已經(jīng)趨于完善。對(duì)于Liesegang環(huán)帶的形成機(jī)制較多學(xué)者認(rèn)為是由“一種自組織的機(jī)制”或者“一種自我組織的地質(zhì)過程”造成的，除了對(duì)其化學(xué)方面的研究，深層次上并沒有給出可信的結(jié)論。外因的研究總體重于已形成球狀風(fēng)化物特征的研究，輕于對(duì)本質(zhì)原因的探索。球狀風(fēng)化物的研究興起于四五十年代，發(fā)展成熟于八九十年代，其成因的新認(rèn)識(shí)在最近十幾年已經(jīng)沒有實(shí)質(zhì)性進(jìn)步，相關(guān)文獻(xiàn)主要是關(guān)注于其化學(xué)元素遷移變化，風(fēng)化的速率測(cè)定等上面，新的技術(shù)手段也很多，比如運(yùn)用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬［26，27］，但對(duì)成因本質(zhì)的探索并沒有實(shí)質(zhì)的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語

球狀風(fēng)化物的類型以及形成環(huán)境是多種多樣的，通過一種單一的模式試圖解決所有球狀風(fēng)化物的成因并不現(xiàn)實(shí)。應(yīng)該通過辨證分類，系統(tǒng)分析找出不同類型球狀風(fēng)化物的成因才是一種可行的途徑。球狀風(fēng)化物的研究應(yīng)該偏重于巖石形成球狀之前所發(fā)生的內(nèi)部變化，這可能是形成球狀風(fēng)化物最本質(zhì)的原因。可以通過研究相同巖性風(fēng)化程度接近，在裂隙發(fā)育地區(qū)的塊狀巖石與較大的整塊塊巖石中切取的同樣大小的巖石進(jìn)行對(duì)比研究，測(cè)試在相同條件下風(fēng)化變化的異同來得出二者存在的差異之處。或者模擬巖石在實(shí)際地質(zhì)環(huán)境下內(nèi)部的變化情況。這些方面都還有待于進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。

［1］C D Ollier.Spheroidal weathering，exfoliation and constant volume alteration［Z］.Geomorphol，1967，11(1):103 – 108.

［2］A Chatterjee B C.Raymahashay，Spheroidal weathering of Deccan Basalt:a three－mineral model［J］.Quarterly Journal of Engineering Geology，1998，31(3)，31:175 – 179.

［3］S J Fritz，D W Mohr.Chemical alteration in the micro weathering environment within a spheroidally－weathered anorthosite boulder［J］.Geochim Cosmochim Acta，1984，48(12):2527 – 2535.

［4］M T Heald，T J Hollingsworth，R M Smith.Alteration of sandstone as revealed by spheroidal weathering［J］，Sediment Petrol，1979，49(3):901–909.

［5］夏邦棟.普通地質(zhì)學(xué)［M］.北京，地質(zhì)出版社.1995.

［6］石尚群.膨脹節(jié)理及其在地貌發(fā)育中的作用［J］.南京師大學(xué)報(bào)自然科學(xué)版(地理專輯).1985.

［7］C D Ollier.Causes of spheroidal weathering［J］.Earth－Science Reviews，1971，7(3):127 –141.

［8］(澳)B E霍布斯，(美)W D明斯，(荷)D F戚廉斯.構(gòu)造地質(zhì)學(xué)綱要.石油工業(yè)出版社［M］.1982.

［9］Kenneth E Windom，Dion C Stewart，Charles P Thornton.Development of columnar－spheroidal structures by meteoric water in a New Mexico basalt［J］.Geology，1981，9(2):73－76.

［10］Kennedy G C，Holser W T.Pressure－volume－temperature and phase relations of water and carbon dioxide［J］.Geological Society of America，1966:371－383.

［11］Jocelyn J .Stress patterns and spheroidal weathering［J］.Nature physical science，1972，204(13):30－40.

［12］Robert Sarracino Dr，Gisela Prasad Dr.Investigation of spheroidal weathering and twinning［J］.GeoJournal，1989，19(1):77－83.

［13］Aminr Gindy，Ahmad J.Al－ Shakiry［J］.Journal of sedimentary petrology，1985，55(5):62—768.

［14］Earle F Mcbride.Pseudofaults resulting from compartmentalized Liesegang bands:update［J］.Sedimentology，2003，54(4):725 – 730.

［15］Liesegang R E.Geologische Diffusionen:Dresden and Leipzig，Steinkopf［J］，Germany，1913:180.

［16］Sultan R ，Ortoleva P，DePasquale F，Tartaglia P.Bifurcation of the Ostwald–Liesegang super saturation nucleation－depletion cycle［J］.Earth Sci.1990:163 – 173.

［17］Carl J D，Amstutz G C.Three－dimensional Liesegang rings by diffusion in a colloidal matrix，and their significance for the interpretation of geological phenomena:Bull［J］.Geology，1958:1467 –1468.

［18］Moses C O，Nordstrom D K，Herman J S，Mills A L.Aqueous pyrite oxidation by dissolved oxygen and by ferric iron［J］.Geochim Cosmochim，1987:1561–1571.

［19］Nordstrom D K.Aqueous pyrite oxidation and the consequent formation of secondary iron minerals［J］.Soil Science，1982:37 – 56.

［20］Singer A，Navrot J.Diffusion rings in altered basalt［J］.Chem.Geol，1970:31－41.［21］Prasad，Sarracino R S.Initial stages in spheroidal weathering［J］.Sci.Geol，1989，42:45－53.

［22］Sarracino R，Prasad G，Hoohle M.A mathematical model of spheroidal weathering［J］.Mathematical Geology.1987.19(4):269－286.

［23］S S Augustithis1，J Ottemann1.On diffusion rings and sphaeroidal weathering［J］.Chemical Geology.1966:201 – 209.

［24］S S Augustithis ，E Mposkos，A Vgenopoulos.Diffusion rings(sphaeroids)in bauxite［J］.Chemical Geology，1980，30(4):351–362.

［25］R C Fletcher，H L Buss，S L Brantley.A spheroidal weathering model coupling porewater chemistry to soil thicknesses during steady－ state denudation［J］.Earth and Planetary Science Letters，2006:444–457.

［26］R S Sarracino，G Prasad，M Hoohlo.A mathematical model of spheroidal weathering［J］.Mathematical Geology.1987，19(4):269－289.

［27］Haskins D R，Ell F G.Drakensberg basalts:their alteration，breakdown and durability［J］.Engineering Geology，1995，28:287－302.