李 蒙，趙紅格，卓魚周，高少華，董 欣

(1.西北大學地質學系，陜西 西安 710069;2.大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069)

0 引言

本次研究中所討論的球狀風化物指的是自然界巖石中球形狀的風化產(chǎn)物，這類風化產(chǎn)物分布范圍廣泛，涉及各類巖石，對其成因的探討，目前主要以國外報道為主。在簡單綜述各類球狀風化物研究現(xiàn)狀的情況下，認為所有球狀風化物類型在形成過程中都存在應力的作用，故而以剪節(jié)理發(fā)育地區(qū)為例進行分析，從應力作用的方式，進而闡明各類球狀風化物成因過程及共性。

1 國內外球狀風化物研究進展及存在的問題

1.1 國內研究現(xiàn)狀

國內研究者主要觀點認為，由于巖石各個部分受到的風化影響不同，在地表接受風化時，棱角、棱邊和表面上受到的風化影響越來越小，因而造成了風化剝落的速度差異，尖角部分由于風化速度過快逐漸被磨圓，最終巖石越來越趨向于“球狀”。在球狀風化過程中，微觀上受到巖石結構、構造、礦物成分以及礦物抗風化能力大小等因素的影響，宏觀上受到區(qū)域構造條件、水文條件、氣候、地形等因素的影響(夏邦棟，1995)。在花崗巖、玄武巖形成的球狀風化物研究中，分析了巖石內部的元素變化。工程上對其力學性質研究相當深入，不過對其成因的深層次探索卻很少涉及。

1.2 國外研究進展

國外研究球狀風化物時主要有2種方法：一種方法是研究巖石形成以及破壞過程中發(fā)生的變化，另一種是研究巖石破壞后風化改造的變化。前者主要有巖石卸載與巖石膨脹，恒定體積改變，微裂隙以及外部壓力作用等觀點(Ollier，1971;Jocelyn，1972;Sarracino et al，1989)。后者主要觀點為：Liesegang原理、元素遷移、巖石外部形態(tài)控制、巖石易風化礦物膨脹導致球狀剝落等。前者重點研究巖石所發(fā)生的物理變化，而后者主要關注巖石的化學變化，例如：內部化學元素遷移變化、巖石體積與密度變化、巖石內部造巖礦物的風化改變等(Chapman et al，1949;Augustithis et al，1966，1980;Leitch et al，1994;Patino et al，2003)。

1.3 國內外研究成果

球狀風化物分布廣泛，在各類巖石中均有發(fā)現(xiàn)，如花崗巖、玄武巖、片麻巖、安山巖、砂巖類、輝長巖、鋁土礦，以及其他一些巖石類型中(Ollier，1967;Heald et al，1979;Fritz et al，1984;Eggleton et al，1987;Chatterjee et al，1998)，具有形成的普遍性。

對同一風化巖層有裂隙與沒有裂隙部位以及相似環(huán)境有裂隙與沒有裂隙部位對比發(fā)現(xiàn)：球狀風化物只發(fā)生在有裂隙和有水通過的地方，球狀巖石幾乎只發(fā)生在厚層巖層，薄層不會發(fā)展成這種球狀形態(tài)，球狀風化多出現(xiàn)于風化作用活躍的厚層裂隙發(fā)育地帶(Gindy et al，1985;McBride，2003)，具有發(fā)育的特殊性。

在化學元素方面，球形巖石與同層沒有裂隙的巖石相比，缺少 Al、Si、Mg、K，而富 Fe、Ca，擴散環(huán)帶分為相對富鐵帶和相對貧鐵帶，說明在球狀風化物形成過程中元素確實發(fā)生了遷移變化。球狀風化巖石內部礦物確實發(fā)生了后期風化改造，易風化礦物的含量及比例影響球形風化物的發(fā)展變化(Ferry，1984;Le Pera，2000)，球狀風化物的密度、體積比新鮮巖石有較明顯的增加(Heald et al，1979;Skinnep et al，1996)。Liesegang環(huán)帶確實受巖石外形的控制，早期形成的Liesegang環(huán)帶與后期會發(fā)生交錯，早期受早期巖石外形控制，晚期受晚期巖石外形控制(Gindy et al，1985;Shahabpour，1998)。

1.4 研究過程中出現(xiàn)的問題

球狀風化物分類以及命名的多樣性：國內有球形風化、球狀風化以及球形分化等，俗稱其為“石蛋”、“石球粒”等。國外有 Liesegang phenomena，Liesegang shells，Liesegang zones，Liesegang weathering，Liesegang structures，Liesegang bands，spheroidal structures，spheroidal weathering，onion-skin weathering，concentric weathering，onion structure等形容術語。研究者大都根據(jù)自己的觀察，用直觀的方式描述這種現(xiàn)象，這也是造成名稱多樣性的原因。

根據(jù)相關文獻以及對大量野外實物及照片的分析，作者認為 Liesegang weathering與 spheroidal weathering是2種不同的現(xiàn)象。如圖1中A與B、C的區(qū)別。spheroidal weathering又分為2種情況，如圖1中B類與C類的區(qū)別。國外學者在研究這3類不同類型的風化巖石時并沒有很好地進行區(qū)分，這也可能是導致研究球狀風化物受內因和外因影響時，沒有得出一種讓人信服的觀點的原因。

圖1 不同節(jié)理類型發(fā)育的球狀風化物Fig.1 Spheroidal weathering products in different types of joint areas

2 對國內外研究成果的討論

在國內，球狀風化物的主流認識并沒有人提出什么質疑，也一直在被引用。球狀風化產(chǎn)物的形成環(huán)境比較復雜，剪節(jié)理伴生的類型，戈壁灘發(fā)育的類型，河道礫石以及早期形成的圓形礫石經(jīng)過埋藏和后期抬升出露地表形成的類型，玄武巖以及花崗巖等火山巖中受巖石解理特性而發(fā)育的球狀風化物等等。同樣是球形風化物，外形樣式如此豐富多樣，間接反映了成因上必然存在著差別。

2.1 對于國內主流認識的懷疑

球狀風化物在剪節(jié)理發(fā)育區(qū)域具有形成的普遍性。剪節(jié)理處巖石棱角分明，表面看，由于不同位置風化速度的不同導致這種現(xiàn)象似乎非常合理。但是，在剪節(jié)理發(fā)育的地區(qū)，風化的巖石球狀風化物的環(huán)帶邊界并不是明顯的均勻剝落，棱角處的環(huán)帶寬度并不比面上發(fā)育的環(huán)帶寬，這一點用風化速度的差異就解釋不通，如圖2所示。

圖2 賀蘭山小松山構造剪節(jié)理發(fā)育區(qū)細砂巖球狀風化物標本Fig.2 Fine-sandstone spheroidal weathering samples in the Xiaosongshan shear joint areas of the Helan Mountains

2.2 對Liesegang原理的懷疑

球狀風化環(huán)帶分為相對富鐵帶和相對貧鐵帶，有時風化邊界非常標準，這與Liesegang原理形成的多種環(huán)帶不符，Liesegang環(huán)帶的形狀有時很不標準，這也與圖2中樣本出現(xiàn)的現(xiàn)象不符，前人(Sarracino et al，1989)在研究時也提出了這個問題。再者，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，球狀風化環(huán)帶的淺色部分與未風化的基巖比較相似(Gindy et al，1985)。對于厚層狀巖石來說，內部成分往往較為均一。但是流體侵入巖石會有優(yōu)先侵入位置，在此位置處其風化速度應當較快，形成如此規(guī)整的風化邊界可能性比較小，但是這種球形的風化邊界卻非常普遍。后期風化是如何沿著球面侵入而沒有侵入現(xiàn)在的淺色部分，即便是淺色部分有一些裂隙允許外部物質侵入，但侵入的各項差異性之大也不能不讓人感到疑惑。

2.3 對后期風化導致球狀風化物形成的懷疑

在觀察球狀風化物時，發(fā)現(xiàn)球形風化物經(jīng)常含有一些與邊部風化程度相差明顯的核部(圖3)。巖石若是受后期風化影響，那內部未受風化或風化程度與邊部差異明顯是怎樣造成的呢?Liesegang原理認為，Liesegang環(huán)帶是形成球狀風化的早期過程，早期的Liesegang環(huán)帶就是后期球狀風化剝落的位置(Gindy et al，1985)，這種現(xiàn)象也是其解釋不通之處。

圖3 存在明顯核部的球狀風化物Fig.3 Spheroidal weathering products with obvious cores

3 球狀風化物的成因新觀點

球狀風化物多出現(xiàn)于風化作用活躍的厚層裂隙發(fā)育地帶，裂隙也就是節(jié)理。節(jié)理按類型可以分為：(1)原生節(jié)理，在成巖過程中形成，如沉積巖中因縮水而造成的泥裂或火成巖冷卻收縮形成的柱狀節(jié)理;(2)構造節(jié)理，由構造變形而成，是最常見的一類節(jié)理，分布廣泛，延伸也較長、較深;(3)非構造節(jié)理由外動力作用形成，如風化作用、山崩或地滑等引起的節(jié)理，常局限于地表淺處。

因此認為，玄武巖、花崗巖以及其他類型的火山巖中發(fā)育的球狀風化物對應于原生節(jié)理，如圖1中C1、C2所示;剪節(jié)理發(fā)育地區(qū)形成的球狀風化物對應于構造節(jié)理，如圖1中B1、B2所示;由Liesegang環(huán)帶結構形成的球狀風化物類型對應于非構造節(jié)理，如圖1中A1、A2所示。

3.1 與剪節(jié)理相關的球狀風化物成因

應力對巖石的影響，在相關的研究中已有提及(霍布斯等，1982;Ollier，1971;Jocelyn，1972)，但研究深度不夠。前人對球狀風化形成在裂隙發(fā)育的地區(qū)這一特性具有共識，已研究地區(qū)發(fā)生過構造運動也是事實(Ollier，1971;Isherwood et al，1976)。那么裂隙發(fā)育、構造運動影響與球狀風化物的形成之間到底存在著什么樣的聯(lián)系呢?

裂隙的發(fā)育與力的作用關系不言而喻，巖石形成剪節(jié)理，說明巖石的受力已經(jīng)到達并且超過巖石承受的最大應力值。對一個地區(qū)來講，產(chǎn)生節(jié)理說明該地區(qū)巖石在變形過程中整體的受力達到了巖石的破裂程度，而且沒有破裂的地方也同樣經(jīng)歷了此受力過程，其內部已經(jīng)產(chǎn)生了部分應變反應。

那么這種應變反應到底是什么樣的呢?有研究人員在材料工程力學實驗中發(fā)現(xiàn)了相關的實驗結果。圖4是工程上橋塔模型立柱壓力實驗過程中，立柱橫截面內的最大剪應力等值線分布和邊界應力分布圖像(顧紹德等，2003)。

圖4 立柱橫向切片等差線條紋最大剪應力等值線分布Fig.4 Maximum shear stress contours of isochromatic fringe for column transverse section

由圖4可以明顯地看出最大剪應力分布的環(huán)帶結構，這種力的作用與巖層受力應變的初期過程非常相似，這就是巖石內部受到剪切力之后的變化，這種變化近似于球形。鋼鐵材料與巖層比較相似，從內部來講，鋼鐵材料由碳原子與鐵原子組成，而巖石由礦物顆粒組成，兩者受力后的反應具有一定的可類比性。

圖5是筆者在西安藍田湯峪調查時發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。該地區(qū)主要分布中元古界寬坪群，節(jié)理非常發(fā)育，是秦嶺造山帶的一部分。而且該地區(qū)地熱活動異常，巖石已經(jīng)發(fā)生了變質作用。由圖5可以明顯地看出巖石在后期改造過程中內部發(fā)生的變化，而且具有明顯的環(huán)帶結構。該地區(qū)由于地熱活動異常，在巖石變形過程中礦物發(fā)生了部分重熔和定向排列，使得內部受力作用的反應更加明顯。

圖5 西安湯峪地區(qū)中元古界花崗片麻巖巖石受構造應力后形成的環(huán)帶狀結構Fig.5 Zonal structure formed from the stress of the Middle Proterozoic granite gneiss in the Tangyu area of Xi'an

通過以上實例可以看出，剪節(jié)理發(fā)育的巖層內部已經(jīng)產(chǎn)生了球狀或者似球狀的最大剪應力作用。但是在很多剪節(jié)理發(fā)育的巖層中并沒有發(fā)現(xiàn)這種明顯的現(xiàn)象，例如在一些球狀風化物中觀察到裂隙并不完全平行于球形環(huán)帶(Gindy et al，1985)。筆者認為，微裂隙多形成于后期的風化過程，早期剪應力作用時，最大剪應力經(jīng)過的部位可能使巖石內部產(chǎn)生了少量的微裂隙，但主要是使巖石內部顆粒發(fā)生了球狀細微剪切變動(圖6)，這種微細剪切環(huán)帶就是巖石后期風化的薄弱帶，也就是后期球狀剝落的位置。環(huán)帶狀的細微剪切變動不同于微裂隙，是巖石受力后，內部顆粒受環(huán)帶狀最大剪應力作用發(fā)生的顆粒彈性變動或者輕微搓動，并沒有形成或者僅僅形成少量的宏觀微裂隙。

圖6 剪節(jié)理發(fā)育地區(qū)形成球狀風化物理想簡易模型(f為最大剪應力，該“地層”為在有圍巖壓力的條件下)Fig.6 Ideal simple model for the formation of spheroidal weathering products in joint shear areas

在剪節(jié)理發(fā)育地區(qū)，筆者認為球狀細微剪切變動帶是發(fā)生球狀風化的根本原因。后期的風化剝蝕以及元素遷移，相對富鐵帶和相對貧鐵帶的分布都是在早期細微剪切變動帶的基礎上形成的，并不是后期風化作用導致球狀風化。

在節(jié)理發(fā)育的地區(qū)，只有厚層巖層才可能形成球狀風化物，這是因為巖層在受力之后，薄層不能提供較大的均勻空間使其產(chǎn)生球狀的剪切力，而厚層巖石具備這種特點。

在純凈的石英砂巖、大塊的重結晶或者比較純的石灰?guī)r中沒有發(fā)現(xiàn)球狀風化物(Gindy et al，1985;Shahabpour，1998)。這并非因為這類巖石不具有發(fā)育成球狀風化物的基礎，而是這幾類巖石內部易風化的礦物含量非常少，不易被風化，從而沒有表現(xiàn)出球狀風化的特征。

同一巖層，有水通過的裂隙發(fā)育地帶會發(fā)育形成球狀風化物;沒有水通過的裂隙發(fā)育地帶卻沒有球狀風化物形成，這并非因為沒有水通過的地帶不能夠形成球狀風化物，而是因為后者受到的風化作用相對較弱，從而沒有表現(xiàn)出球狀風化物的特征。

對于有明顯核部的球狀風化物，巖石受外部作用力發(fā)生應力擠壓過程時，由于巖石具有一定的彈性，使得由邊部到核部形變量將逐漸變小，故核部受到的影響較小，抗風化能力相對強于邊部。同樣是受到擠壓，為什么有的存在核部，有的卻沒有明顯的核部?這是由于巖石在發(fā)生變形時所處的深度等其他外部環(huán)境的不同。巖石埋藏深度較大或者有水分參與往往會發(fā)生韌性變形，這種類型和圖1中B類以及圖2表現(xiàn)的類型相似，核部發(fā)育不明顯。而發(fā)生脆性變形的巖石內部還沒有發(fā)生明顯的彈性形變就發(fā)生了破裂，故而核部在后期風化過程中保留了下來(圖3)。再者，存在明顯核部與核部不明顯的球狀風化物地區(qū)，節(jié)理形式有較大不同，核部明顯的節(jié)理區(qū)域往往較為復雜(圖3);而核部不明顯的節(jié)理區(qū)域往往節(jié)理相對簡單而又有規(guī)律，如圖1中B類。說明二者經(jīng)歷的受力過程存在明顯的差異，前者受力復雜，后者相對簡單。

是否是后期風化程度的不同造成的?筆者認為應該有這方面的因素，但是核部與邊部差異如此之大，風化程度應該是次要原因。

有一定石英含量的巖層，如砂巖、花崗巖等在受到剪切力、張力等其他類型力的過程中，內部的石英顆粒會產(chǎn)生一定的壓電效應，這種變化對后期化學元素的遷移聚集有沒有一定的控制作用，還有待于進一步研究證明。

3.2 原生節(jié)理與非構造節(jié)理中球狀風化物的成因

對于原生節(jié)理形成的球狀風化物，前人認為是因為巖石冷卻收縮造成的，或者是由于成巖時水分加入時巖石溫度非常高，使得水分氣化，體積劇烈膨脹，巖石內部遭受了強烈的擠壓作用(Kennedy et al，1966;Windom et al，1981)，例如玄武巖成巖早期的過程。他們認為這2種變化使巖石內部發(fā)生了變化，但是發(fā)生了怎樣的變化并沒有給出確切的答案。

對于非構造節(jié)理產(chǎn)生的球狀風化物，前人認為是由于Liesegang現(xiàn)象造成的，而且認為Liesegang環(huán)帶的形狀受巖石外形的控制(Heald et al，1979;Sarracino et al，1987)。但是也有人認為Liesegang環(huán)帶與后期球狀風化并沒有直接的關系(Sarracino et al，1989)。

仔細觀察這2種類型的球狀風化物，不難發(fā)現(xiàn)它們都經(jīng)歷了巖石破裂的過程，而且?guī)r石破裂的外形在很大程度上控制著2類球狀風化物的形狀。原生節(jié)理形成的塊狀巖石，無論是經(jīng)歷收縮還是擠壓的作用，棱角部分往往是受力最大和最復雜的地方，所以巖石內部變化不論是產(chǎn)生了微裂隙還是只發(fā)生了彈性變化，相對于其他部位必然是最易風化的地方。

巖石中發(fā)育的Liesegang環(huán)帶，其形狀受巖石外形控制，樣式多種多樣，不一定是球形。這也說明它與球狀風化物的形成必然不是一一對應關系。如圖1中A類所示，左上方裂隙的形成顯然控制著Liesegang環(huán)帶的發(fā)育。分析認為，裂隙的形成必然使巖石承受了最大的破壞強度，裂隙形成時周圍的應力分布也正合乎 Liesegang環(huán)帶的形成形狀。認為Liesegang環(huán)帶的形成也是受巖石破裂時應力分布的控制。

4 結論

通過以上研究分析可以看出，3種節(jié)理類型形成的球狀風化物并不屬于1種類型，球狀風化物的外形上就存在著較大的差別。但是，3種球狀風化物卻無一例外地經(jīng)過了巖石破裂的過程。3種球狀風化物受到巖石破裂時巖石應力分布的控制，應力分布的不同導致了其外形的差別。

國內外研究球狀風化物后期風化作用的影響，都只是對已形成球狀巖石特征的描述。筆者認為，不論是Liesegang原理還是后期巖石由于風化膨脹而發(fā)生球狀剝落，都只是在前期巖石應變基礎上的后期發(fā)展而已。恒定體積改變理論有其物理學理論的支撐，但是巖石發(fā)生擠壓或者膨脹時，應力的分布也同樣遵循這一理論，本質上是由于巖石體積變化的應力分布控制著體積變化的形式，這也是卸載作用對巖石影響的方式。

以材料力學實驗和野外實際證據(jù)為基礎，說明了構造剪節(jié)理發(fā)育地區(qū)環(huán)帶狀細微剪切變動存在的科學性。對于原生節(jié)理和非構造節(jié)理地區(qū)節(jié)理產(chǎn)生過程中發(fā)生的變化，尚無巖石力學實驗和材料力學實驗的依據(jù)支撐，但是其中力的作用卻如影隨形，力的作用形式也復雜多變，這方面還有待于進行更深入的力學研究。

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