剪节理发育地区球状风化物的成因分析

李 蒙，赵红格，卓鱼周，高少华，董 欣

(1.西北大学地质学系，陕西 西安 710069;2.大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)

0 引言

本次研究中所讨论的球状风化物指的是自然界岩石中球形状的风化产物，这类风化产物分布范围广泛，涉及各类岩石，对其成因的探讨，目前主要以国外报道为主。在简单综述各类球状风化物研究现状的情况下，认为所有球状风化物类型在形成过程中都存在应力的作用，故而以剪节理发育地区为例进行分析，从应力作用的方式，进而阐明各类球状风化物成因过程及共性。

1 国内外球状风化物研究进展及存在的问题

1.1 国内研究现状

国内研究者主要观点认为，由于岩石各个部分受到的风化影响不同，在地表接受风化时，棱角、棱边和表面上受到的风化影响越来越小，因而造成了风化剥落的速度差异，尖角部分由于风化速度过快逐渐被磨圆，最终岩石越来越趋向于“球状”。在球状风化过程中，微观上受到岩石结构、构造、矿物成分以及矿物抗风化能力大小等因素的影响，宏观上受到区域构造条件、水文条件、气候、地形等因素的影响(夏邦栋，1995)。在花岗岩、玄武岩形成的球状风化物研究中，分析了岩石内部的元素变化。工程上对其力学性质研究相当深入，不过对其成因的深层次探索却很少涉及。

1.2 国外研究进展

国外研究球状风化物时主要有2种方法：一种方法是研究岩石形成以及破坏过程中发生的变化，另一种是研究岩石破坏后风化改造的变化。前者主要有岩石卸载与岩石膨胀，恒定体积改变，微裂隙以及外部压力作用等观点(Ollier，1971;Jocelyn，1972;Sarracino et al，1989)。后者主要观点为：Liesegang原理、元素迁移、岩石外部形态控制、岩石易风化矿物膨胀导致球状剥落等。前者重点研究岩石所发生的物理变化，而后者主要关注岩石的化学变化，例如：内部化学元素迁移变化、岩石体积与密度变化、岩石内部造岩矿物的风化改变等(Chapman et al，1949;Augustithis et al，1966，1980;Leitch et al，1994;Patino et al，2003)。

1.3 国内外研究成果

球状风化物分布广泛，在各类岩石中均有发现，如花岗岩、玄武岩、片麻岩、安山岩、砂岩类、辉长岩、铝土矿，以及其他一些岩石类型中(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。

对同一风化岩层有裂隙与没有裂隙部位以及相似环境有裂隙与没有裂隙部位对比发现：球状风化物只发生在有裂隙和有水通过的地方，球状岩石几乎只发生在厚层岩层，薄层不会发展成这种球状形态，球状风化多出现于风化作用活跃的厚层裂隙发育地带(Gindy et al，1985;McBride，2003)，具有发育的特殊性。

在化学元素方面，球形岩石与同层没有裂隙的岩石相比，缺少 Al、Si、Mg、K，而富 Fe、Ca，扩散环带分为相对富铁带和相对贫铁带，说明在球状风化物形成过程中元素确实发生了迁移变化。球状风化岩石内部矿物确实发生了后期风化改造，易风化矿物的含量及比例影响球形风化物的发展变化(Ferry，1984;Le Pera，2000)，球状风化物的密度、体积比新鲜岩石有较明显的增加(Heald et al，1979;Skinnep et al，1996)。Liesegang环带确实受岩石外形的控制，早期形成的Liesegang环带与后期会发生交错，早期受早期岩石外形控制，晚期受晚期岩石外形控制(Gindy et al，1985;Shahabpour，1998)。

1.4 研究过程中出现的问题

球状风化物分类以及命名的多样性：国内有球形风化、球状风化以及球形分化等，俗称其为“石蛋”、“石球粒”等。国外有 Liesegang phenomena，Liesegang shells，Liesegang zones，Liesegang weathering，Liesegang structures，Liesegang bands，spheroidal structures，spheroidal weathering，onion-skin weathering，concentric weathering，onion structure等形容术语。研究者大都根据自己的观察，用直观的方式描述这种现象，这也是造成名称多样性的原因。

根据相关文献以及对大量野外实物及照片的分析，作者认为 Liesegang weathering与 spheroidal weathering是2种不同的现象。如图1中A与B、C的区别。spheroidal weathering又分为2种情况，如图1中B类与C类的区别。国外学者在研究这3类不同类型的风化岩石时并没有很好地进行区分，这也可能是导致研究球状风化物受内因和外因影响时，没有得出一种让人信服的观点的原因。

图1 不同节理类型发育的球状风化物Fig.1 Spheroidal weathering products in different types of joint areas

2 对国内外研究成果的讨论

在国内，球状风化物的主流认识并没有人提出什么质疑，也一直在被引用。球状风化产物的形成环境比较复杂，剪节理伴生的类型，戈壁滩发育的类型，河道砾石以及早期形成的圆形砾石经过埋藏和后期抬升出露地表形成的类型，玄武岩以及花岗岩等火山岩中受岩石解理特性而发育的球状风化物等等。同样是球形风化物，外形样式如此丰富多样，间接反映了成因上必然存在着差别。

2.1 对于国内主流认识的怀疑

球状风化物在剪节理发育区域具有形成的普遍性。剪节理处岩石棱角分明，表面看，由于不同位置风化速度的不同导致这种现象似乎非常合理。但是，在剪节理发育的地区，风化的岩石球状风化物的环带边界并不是明显的均匀剥落，棱角处的环带宽度并不比面上发育的环带宽，这一点用风化速度的差异就解释不通，如图2所示。

图2 贺兰山小松山构造剪节理发育区细砂岩球状风化物标本Fig.2 Fine-sandstone spheroidal weathering samples in the Xiaosongshan shear joint areas of the Helan Mountains

2.2 对Liesegang原理的怀疑

球状风化环带分为相对富铁带和相对贫铁带，有时风化边界非常标准，这与Liesegang原理形成的多种环带不符，Liesegang环带的形状有时很不标准，这也与图2中样本出现的现象不符，前人(Sarracino et al，1989)在研究时也提出了这个问题。再者，据研究发现，球状风化环带的浅色部分与未风化的基岩比较相似(Gindy et al，1985)。对于厚层状岩石来说，内部成分往往较为均一。但是流体侵入岩石会有优先侵入位置，在此位置处其风化速度应当较快，形成如此规整的风化边界可能性比较小，但是这种球形的风化边界却非常普遍。后期风化是如何沿着球面侵入而没有侵入现在的浅色部分，即便是浅色部分有一些裂隙允许外部物质侵入，但侵入的各项差异性之大也不能不让人感到疑惑。

2.3 对后期风化导致球状风化物形成的怀疑

在观察球状风化物时，发现球形风化物经常含有一些与边部风化程度相差明显的核部(图3)。岩石若是受后期风化影响，那内部未受风化或风化程度与边部差异明显是怎样造成的呢?Liesegang原理认为，Liesegang环带是形成球状风化的早期过程，早期的Liesegang环带就是后期球状风化剥落的位置(Gindy et al，1985)，这种现象也是其解释不通之处。

图3 存在明显核部的球状风化物Fig.3 Spheroidal weathering products with obvious cores

3 球状风化物的成因新观点

球状风化物多出现于风化作用活跃的厚层裂隙发育地带，裂隙也就是节理。节理按类型可以分为：(1)原生节理，在成岩过程中形成，如沉积岩中因缩水而造成的泥裂或火成岩冷却收缩形成的柱状节理;(2)构造节理，由构造变形而成，是最常见的一类节理，分布广泛，延伸也较长、较深;(3)非构造节理由外动力作用形成，如风化作用、山崩或地滑等引起的节理，常局限于地表浅处。

因此认为，玄武岩、花岗岩以及其他类型的火山岩中发育的球状风化物对应于原生节理，如图1中C1、C2所示;剪节理发育地区形成的球状风化物对应于构造节理，如图1中B1、B2所示;由Liesegang环带结构形成的球状风化物类型对应于非构造节理，如图1中A1、A2所示。

3.1 与剪节理相关的球状风化物成因

应力对岩石的影响，在相关的研究中已有提及(霍布斯等，1982;Ollier，1971;Jocelyn，1972)，但研究深度不够。前人对球状风化形成在裂隙发育的地区这一特性具有共识，已研究地区发生过构造运动也是事实(Ollier，1971;Isherwood et al，1976)。那么裂隙发育、构造运动影响与球状风化物的形成之间到底存在着什么样的联系呢?

裂隙的发育与力的作用关系不言而喻，岩石形成剪节理，说明岩石的受力已经到达并且超过岩石承受的最大应力值。对一个地区来讲，产生节理说明该地区岩石在变形过程中整体的受力达到了岩石的破裂程度，而且没有破裂的地方也同样经历了此受力过程，其内部已经产生了部分应变反应。

那么这种应变反应到底是什么样的呢?有研究人员在材料工程力学实验中发现了相关的实验结果。图4是工程上桥塔模型立柱压力实验过程中，立柱横截面内的最大剪应力等值线分布和边界应力分布图像(顾绍德等，2003)。

图4 立柱横向切片等差线条纹最大剪应力等值线分布Fig.4 Maximum shear stress contours of isochromatic fringe for column transverse section

由图4可以明显地看出最大剪应力分布的环带结构，这种力的作用与岩层受力应变的初期过程非常相似，这就是岩石内部受到剪切力之后的变化，这种变化近似于球形。钢铁材料与岩层比较相似，从内部来讲，钢铁材料由碳原子与铁原子组成，而岩石由矿物颗粒组成，两者受力后的反应具有一定的可类比性。

图5是笔者在西安蓝田汤峪调查时发现的现象。该地区主要分布中元古界宽坪群，节理非常发育，是秦岭造山带的一部分。而且该地区地热活动异常，岩石已经发生了变质作用。由图5可以明显地看出岩石在后期改造过程中内部发生的变化，而且具有明显的环带结构。该地区由于地热活动异常，在岩石变形过程中矿物发生了部分重熔和定向排列，使得内部受力作用的反应更加明显。

图5 西安汤峪地区中元古界花岗片麻岩岩石受构造应力后形成的环带状结构Fig.5 Zonal structure formed from the stress of the Middle Proterozoic granite gneiss in the Tangyu area of Xi'an

通过以上实例可以看出，剪节理发育的岩层内部已经产生了球状或者似球状的最大剪应力作用。但是在很多剪节理发育的岩层中并没有发现这种明显的现象，例如在一些球状风化物中观察到裂隙并不完全平行于球形环带(Gindy et al，1985)。笔者认为，微裂隙多形成于后期的风化过程，早期剪应力作用时，最大剪应力经过的部位可能使岩石内部产生了少量的微裂隙，但主要是使岩石内部颗粒发生了球状细微剪切变动(图6)，这种微细剪切环带就是岩石后期风化的薄弱带，也就是后期球状剥落的位置。环带状的细微剪切变动不同于微裂隙，是岩石受力后，内部颗粒受环带状最大剪应力作用发生的颗粒弹性变动或者轻微搓动，并没有形成或者仅仅形成少量的宏观微裂隙。

图6 剪节理发育地区形成球状风化物理想简易模型(f为最大剪应力，该“地层”为在有围岩压力的条件下)Fig.6 Ideal simple model for the formation of spheroidal weathering products in joint shear areas

在剪节理发育地区，笔者认为球状细微剪切变动带是发生球状风化的根本原因。后期的风化剥蚀以及元素迁移，相对富铁带和相对贫铁带的分布都是在早期细微剪切变动带的基础上形成的，并不是后期风化作用导致球状风化。

在节理发育的地区，只有厚层岩层才可能形成球状风化物，这是因为岩层在受力之后，薄层不能提供较大的均匀空间使其产生球状的剪切力，而厚层岩石具备这种特点。

在纯净的石英砂岩、大块的重结晶或者比较纯的石灰岩中没有发现球状风化物(Gindy et al，1985;Shahabpour，1998)。这并非因为这类岩石不具有发育成球状风化物的基础，而是这几类岩石内部易风化的矿物含量非常少，不易被风化，从而没有表现出球状风化的特征。

同一岩层，有水通过的裂隙发育地带会发育形成球状风化物;没有水通过的裂隙发育地带却没有球状风化物形成，这并非因为没有水通过的地带不能够形成球状风化物，而是因为后者受到的风化作用相对较弱，从而没有表现出球状风化物的特征。

对于有明显核部的球状风化物，岩石受外部作用力发生应力挤压过程时，由于岩石具有一定的弹性，使得由边部到核部形变量将逐渐变小，故核部受到的影响较小，抗风化能力相对强于边部。同样是受到挤压，为什么有的存在核部，有的却没有明显的核部?这是由于岩石在发生变形时所处的深度等其他外部环境的不同。岩石埋藏深度较大或者有水分参与往往会发生韧性变形，这种类型和图1中B类以及图2表现的类型相似，核部发育不明显。而发生脆性变形的岩石内部还没有发生明显的弹性形变就发生了破裂，故而核部在后期风化过程中保留了下来(图3)。再者，存在明显核部与核部不明显的球状风化物地区，节理形式有较大不同，核部明显的节理区域往往较为复杂(图3);而核部不明显的节理区域往往节理相对简单而又有规律，如图1中B类。说明二者经历的受力过程存在明显的差异，前者受力复杂，后者相对简单。

是否是后期风化程度的不同造成的?笔者认为应该有这方面的因素，但是核部与边部差异如此之大，风化程度应该是次要原因。

有一定石英含量的岩层，如砂岩、花岗岩等在受到剪切力、张力等其他类型力的过程中，内部的石英颗粒会产生一定的压电效应，这种变化对后期化学元素的迁移聚集有没有一定的控制作用，还有待于进一步研究证明。

3.2 原生节理与非构造节理中球状风化物的成因

对于原生节理形成的球状风化物，前人认为是因为岩石冷却收缩造成的，或者是由于成岩时水分加入时岩石温度非常高，使得水分气化，体积剧烈膨胀，岩石内部遭受了强烈的挤压作用(Kennedy et al，1966;Windom et al，1981)，例如玄武岩成岩早期的过程。他们认为这2种变化使岩石内部发生了变化，但是发生了怎样的变化并没有给出确切的答案。

对于非构造节理产生的球状风化物，前人认为是由于Liesegang现象造成的，而且认为Liesegang环带的形状受岩石外形的控制(Heald et al，1979;Sarracino et al，1987)。但是也有人认为Liesegang环带与后期球状风化并没有直接的关系(Sarracino et al，1989)。

仔细观察这2种类型的球状风化物，不难发现它们都经历了岩石破裂的过程，而且岩石破裂的外形在很大程度上控制着2类球状风化物的形状。原生节理形成的块状岩石，无论是经历收缩还是挤压的作用，棱角部分往往是受力最大和最复杂的地方，所以岩石内部变化不论是产生了微裂隙还是只发生了弹性变化，相对于其他部位必然是最易风化的地方。

岩石中发育的Liesegang环带，其形状受岩石外形控制，样式多种多样，不一定是球形。这也说明它与球状风化物的形成必然不是一一对应关系。如图1中A类所示，左上方裂隙的形成显然控制着Liesegang环带的发育。分析认为，裂隙的形成必然使岩石承受了最大的破坏强度，裂隙形成时周围的应力分布也正合乎 Liesegang环带的形成形状。认为Liesegang环带的形成也是受岩石破裂时应力分布的控制。

4 结论

通过以上研究分析可以看出，3种节理类型形成的球状风化物并不属于1种类型，球状风化物的外形上就存在着较大的差别。但是，3种球状风化物却无一例外地经过了岩石破裂的过程。3种球状风化物受到岩石破裂时岩石应力分布的控制，应力分布的不同导致了其外形的差别。

国内外研究球状风化物后期风化作用的影响，都只是对已形成球状岩石特征的描述。笔者认为，不论是Liesegang原理还是后期岩石由于风化膨胀而发生球状剥落，都只是在前期岩石应变基础上的后期发展而已。恒定体积改变理论有其物理学理论的支撑，但是岩石发生挤压或者膨胀时，应力的分布也同样遵循这一理论，本质上是由于岩石体积变化的应力分布控制着体积变化的形式，这也是卸载作用对岩石影响的方式。

以材料力学实验和野外实际证据为基础，说明了构造剪节理发育地区环带状细微剪切变动存在的科学性。对于原生节理和非构造节理地区节理产生过程中发生的变化，尚无岩石力学实验和材料力学实验的依据支撑，但是其中力的作用却如影随形，力的作用形式也复杂多变，这方面还有待于进行更深入的力学研究。

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