李 蒙，蒋 盛，张孙玄琦，付星辉

(西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室，陕西西安710069)

球状风化物地理位置分布之广，发育的岩石类型之多众所周知。从发育的地理位置和气候上讲，不论是寒带、温带、热带，还是干旱、潮湿的气候都可看到。从发育的岩性上讲，像花岗岩、玄武岩、片麻岩、安山岩、砂岩，辉长岩，铝土矿，以及其他一些类型的岩石中均有发现［1～4］。并且球状风化物多发育于风化作用活跃的厚层裂隙发育地带。对其成因研究的系统总结，有利于人们正确看待和认识这种现象。由于球状风化产物的类型和国内外称呼的多样性，本文统称其为球状风化物，如图1所示。

图1 Liesegang环带以及球状风化物外部与内部结构

1 国内认识现状

对于球状风化物的叫法，国内主要有:球形风化、球状风化以及球形分化，俗称其为“石蛋”、“石球粒”、“孤石”等。成因的主流认识认为:岩石在地表接受风化时，棱角处受三个方向的风化，棱边处受两个方向的风化，而面上只受一个方向的风化，故棱角逐渐缩减，最终形成球形。

国内对于球形风化物成因的细致研究非常少，对其现有认识多是借鉴国外研究结论，也认为其形成受岩石组成成分、结构、构造以及外部环境的影响［5］，此外也有文章论述了卸载、岩石膨胀与球状风化物的关系［6］以及岩石形成球状风化物过程中发生的元素变化等一些方面。工程上对其关注较多，但重点涉及其工程力学性质，对其成因关注较少。由于国内相关研究和文章较少，以至于很多学者对球状风化物的认识过于局限。由于球状风化物的类型较多，成因上相互套用的现象也比较常见，像温差风化，冻胀作用等原因强加在其他成因的球状风化物上的例子也不乏遇见，概念上也有误将差异风化与其混为一谈的现象。

2 国外研究现状

球状风化物国外又称其为Liesegang环带，Liesegang结构(如图1中B、C、F所示)，以及球状风化。国外对于球状风化物的研究可分为两个方面:一方面是研究岩石形成以及破坏过程发生的变化与球状风化物之间的关系;另一个方面是研究岩石形成球状风化物过程中发生的变化，包括岩石在风化过程中如何发展成球状风化物，以及球状风化物的物理及化学性质。

2.1 岩石形成破坏过程控制

该方向的主要观点有:岩石卸载、岩石膨胀，恒定体积改变，微裂隙以及外部压力作用等［7］。

对花岗岩以及其他岩石的力学试验证明，同一岩石的强度极限，在不同性质的应力作用下差别很大。在地表及其附近的常温常压下，花岗岩的抗张强度＜抗剪强度＜抗压强度。脆性状态的花岗岩的抗张强度一般只有抗剪强度的1/3左右，抗压强度的1/30左右［8］。对一些地区的节理组发育情况进行研究也发现，张应力产生的节理组往往是最晚产生。所以，有些学者提出了卸载作用的观点。认为，由于地壳运动，地质体不断上升，在外力作用下经过了长期风化、剥蚀、搬运之后，使得深埋的岩体出露地表，岩石力学性质也由塑性转化为脆性。这在个过程中岩石产生向上或向外的膨胀，形成平行于地面的层状裂隙，从而形成大型球状风化物。卸载作用多形成大型的球状风化物，体积相对较小的球状风化物也可能部分受该过程的影响。

Kenneth E Windom对玄武岩早期冷却阶段进行研究，发现，当冷却阶段有水的加入，玄武岩的热量引起侵入的水发生汽化，导致水的体积发生明显的变化［9］。相关研究发现，假设在标准大气压力下，如果水被玄武岩熔浆加热到500℃，蒸汽的体积将是液态水体积的3 566倍［10］。所以，Jocelyn J认为，早期成岩时水蒸气使岩石内部压力剧增，随着玄武岩冷却，熔岩流开始收缩产生收缩裂缝，之后由于内部剩余张力作用体积发生膨胀，最后形成球状风化物［11］。研究花岗岩随深度发生的体积变化时，也发现每大约4英里的深度变化，就可使体积变化范围从百分之几到千分之几［8］。所以，卸载作用和岩石体积膨胀过程存在着一定的联系，两者之间并不是相互孤立的。

在岩石体积改变方式上，Robert Sarracino Dr认为，从能量学的角度讲，一块多面体岩石以球形变化改变体积可以保证在最小的表面积下达到最大的体积变化［12］。反过来讲，相同的表面积变化以球形变化可以保证其体积改变最小，这也许是内部球状风化岩石内部越来越趋向于球形的原因。

岩石在后期膨胀过程中会产生一些微裂隙，有学者认为这是球状环带形成的因素之一。在玄武岩的相关研究中，显微镜下微裂隙并不是完全平行于球状环带，而微裂隙的形成被认为是由于岩浆冷却体积发生收缩产生的［13］。

此外，球状风化物发育地区普遍经历构造运动，所以，Earle F Mcbride认为构造运动中的应力作用会对岩石产生了一定的影响。但是，这种应力作用对岩石产生了什么样的影响相关研究并没有给出明确解释［14］。

2.2 后期风化作用控制

后期风化作用控制的主要观点有Liesegang现象、元素迁移、氧气的扩散、岩石外部形态控制以及岩石易风化矿物膨胀导致球状剥落等观点。

2.2.1 Liesegang现象

球状环带(见图1中F所示)的形成受Liesegang现象的控制，形成的球状环带就是后期球状剥落的位置。Liesegang现象最早提出是由于Liesegang环带的发现，Liesegang现象认为重复出现的环带是由于反应物过渡饱、成核现象和局部沉淀与局部反应消耗有关［15］。在实验室条件下模拟Liesegang环的形成，发现环带要么形成与颗粒的边界，要么脱离砂质颗粒。这种发现与自然界中富铁的环带终止于矿物颗粒或者环绕它们很相似。但是，Liesegang原理有一些不好解释的地方，就比如Liesegang环形成时如果出现一些不确定因素有可能形成一些其他样式和不连续环带以及Liesegang环带形成的最原始机制［16］。在原始机制方面，有学者猜测这种沉淀环带可能是微生物作用造成的［18，19］，也有学者认为岩石环状裂隙内铁物质的积聚引起了氧化还原电位的增大，从而形成Liesegang环带，Liesegang环带形成之后，进而形成球形风化物［20］。关于Liesegang环带的扩散方向上也有不同观点，由内而外扩散以及由外而内扩散［15］［17］［21，22］。与此相关，岩石在后期风化过程中易迁移元素会发生迁移和再沉淀，这种迁移和再沉淀也会形成了相间的环带［10，23，24］。此外，还有学者认为岩石在后期风化时，氧气的扩散使含氧矿物开始氧化，氧化形成的氧化物发生沉淀形成球状环带［25］，球状坏带继续发展形成球状风化物。

2.2.2 岩石的外部形态控制

通过研究大量的球状风化野外现象，发现球状风化物的形态严格受到早期岩石外形的控制［12，26］，如图2所示。但是，具体的控制机制并没有进行深入研究。

图2 各种球状风化物类型以及原始岩石节理

2.2.3 易风化矿物的风化作用

岩石中的易风化矿物在后期风化过程中会发生膨胀，膨胀主要由一些粘土矿物造成，膨胀导致岩石体积增大，致使外部发生球状脱落，表现出球状风化特征［2，4，27］。

3 讨论与认识

国内外相关研究可以看出，球形风化的成因还没有给出一个让人信服的结论，但是也得出了很多实际的研究结果。关于球状风化物形成的内因，还局限于猜测和假设的范畴，不论是卸载作用、岩石体积膨胀还是压力作用都没有给出比较让人信服的理论证据，恒定体积变化有其物理学的支持，但是对于剪节理发育地区的球形风化似乎无法解释。微裂隙本身也存在诸多缺陷，比如，微裂隙的产生是先于球状环带形成还是在其之后并没有给出答案，微裂隙并不完全平行于球状环带也说明该观点并不是形成球状风化物的主要原因，应该是次要因素。在外因方面的研究，主要是从后期风化作用对岩石的影响入手，并且详细研究了岩石体积、密度、化学元素以及造岩矿物的变化。外因方面，对球状风化岩石的特征做了比较详实的研究论述，这方面的研究程度相对来说已经趋于完善。对于Liesegang环带的形成机制较多学者认为是由“一种自组织的机制”或者“一种自我组织的地质过程”造成的，除了对其化学方面的研究，深层次上并没有给出可信的结论。外因的研究总体重于已形成球状风化物特征的研究，轻于对本质原因的探索。球状风化物的研究兴起于四五十年代，发展成熟于八九十年代，其成因的新认识在最近十几年已经没有实质性进步，相关文献主要是关注于其化学元素迁移变化，风化的速率测定等上面，新的技术手段也很多，比如运用数学模型进行模拟［26，27］，但对成因本质的探索并没有实质的贡献。

4 结语

球状风化物的类型以及形成环境是多种多样的，通过一种单一的模式试图解决所有球状风化物的成因并不现实。应该通过辨证分类，系统分析找出不同类型球状风化物的成因才是一种可行的途径。球状风化物的研究应该偏重于岩石形成球状之前所发生的内部变化，这可能是形成球状风化物最本质的原因。可以通过研究相同岩性风化程度接近，在裂隙发育地区的块状岩石与较大的整块块岩石中切取的同样大小的岩石进行对比研究，测试在相同条件下风化变化的异同来得出二者存在的差异之处。或者模拟岩石在实际地质环境下内部的变化情况。这些方面都还有待于进行系统深入的研究。

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