米仓山构造带下寒武统筇竹寺组砂岩球状风化特征及成因机制

师文文，杨兆林，尹洪荣，牛基宏，杜贵超，陈娟，陈奕阳，崔耀科

1.西安石油大学 地球科学与工程学院，西安 710065；2.陕西省油气成藏地质学重点实验室，西安 710065；3.中国石油天然气股份有限公司 长庆油田分公司 勘探开发研究院，西安 710065

0 引言

球状风化又称球形风化、球状分化等。一般指岩层受构造运动影响，被断层或节理分割,而后由于化学与物理风化共同作用导致岩石呈“洋葱状”圈层剥落的现象[1]。球状风化现象发育岩石类型众多、分布范围较广。在寒带、热带以及干旱-潮湿等不同气候环境下的众多岩层中均有发育，如：花岗岩、砂岩、铝土矿等[2-3]。球状风化的广泛发育与人类生产生活息息相关，尤其在工程地质、文物保护、矿产开发和灾害地质等领域有着重要影响[4-6]。在工程地质领域，球状风化作用会影响岩土结构及力学性质，增加施工难度；在文物保护方面,中国众多珍贵的石刻及佛像等文物都面临着球状风化的破坏风险，球状风化增加了文物的修缮和保护难度；在地质灾害防治方面，很多地区边坡的失稳和滑坡都与球状风化关系密切[7-8]。因此，深入研究球状风化作用的发育特征及成因机理，对进一步了解其地质营力作用机理、工程地质施工、文物保护以及地质灾害的预测和防治等都有着重要意义。目前，对球状风化作用的研究主要集中在影响地层力学性质的角度开展，对其成因机理研究相对较少且存在较多争议[9-10]。国外研究学者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，主要由于Liesegang现象、卸载、体积膨胀、微裂缝、恒定体积变化、应力作用和后期差异性风化作用等因素所致[11-15]。鉴于此，笔者通过野外露头研究、镜下薄片观察、X-射线衍射分析、主量元素及微量元素分析等技术手段，结合研究区地质背景，对米仓山地区下寒武统筇竹寺组砂岩的球状风化特征和形成机制进行了系统研究，旨在描述研究区砂岩球状风化发育特征、探究其形成的主要控制因素及演化机理。

1 区域地质背景

米仓山构造带位于扬子克拉通北缘，东临南大巴山断裂带，西与龙门山断裂带相接，南为四川盆地，北与汉南推覆构造带及秦岭造山带相接，是扬子板块与华北板块碰撞及拼接过程中形成的一个挤压推覆构造带[16]。该构造带主要经历了晚太古代—早元古代克拉通结晶基底、晋宁期克拉通褶皱基底、澄江期大陆裂谷、晚震旦世—三叠纪克拉通盖层及印支运动以来陆内盆山耦合-推覆构造等5大构造演化阶段[17]。前震旦系时期，米仓山构造带变形强烈。晚震旦—中三叠纪时期，米仓山构造带属扬子克拉通北缘的一部分，处于板块漂移阶段，构造变形微弱，以地壳升降运动为主，沉积了元古界至中生界巨厚的海相地层[18]，受控于三叠纪晚期开始的扬子板块与华北板块碰撞及缝合，米仓山构造带于早侏罗世形成，白垩纪遭受强烈构造变形后，处于抬升、剥蚀至今。

该地区筇竹寺组地层受震旦纪灯影组碳酸盐岩沉积之后全球大面积海侵影响，主要发育一套滨-浅海泥质碎屑岩地层，地层厚度100～800 m(平均约400 m)，由两个从细到粗的沉积旋回组成(图1)，自下而上可划分为马家梁页岩段、新家坝粉砂岩段、沙滩页岩段及陈家坝砂岩段。马家梁页岩段属于内陆棚近滨岸带沉积，主要为黑色中薄层页岩、含碳质粉砂质页岩，底部局部见透镜状硅质岩屑细砾岩。新家坝粉砂岩主要为黄灰色薄板状钙质粉砂岩，发育沙纹层理，水平层理及水平虫迹。发育较完整的三叶虫化石，属近滨下部至远滨上部沉积。沙滩页岩主要为深灰、黄灰及灰黑色中薄层页岩，含粉砂质页岩、碳质页岩夹泥质粉砂岩。泥质粉砂岩及页岩呈韵律发育。水平层理发育，含丰富三叶虫类生物化石，属远滨带下部沉积。陈家坝砂岩段岩性及厚度十分稳定，主要为深灰-黄灰色中厚层钙质含泥质细-粉砂岩，上部偶夹灰岩透镜体。该段自下而上砂岩层厚增加，粒度变粗，顶部夹有粗砂岩条带，属远滨上部沉积[19]。

图1 米仓山构造带地理位置(a)、构造(b)及地层综合柱状图(c)Fig.1 Geographical location (a), structure (b) and comprehensive stratigraphic column (c) of Micangshan structural zone

2 野外剖面及“球状风化”发育特征

寒武纪地层在广元市旺苍县米仓山地区内有良好出露，下寒武统筇竹寺组主要见于鼓城乡—唐家河沿线。筇竹寺组地层不整合于震旦系灯影组灯四段白云岩之上，并与下寒武统仙女洞组地层整合接触，岩性从泥页岩突变为灰岩。球状风化发育的地层在该构造剖面出露地层厚度约30～120 m，为筇竹寺组顶部陈家坝砂岩段，主要为薄层-中厚层钙质粉砂岩、泥质粉砂岩夹薄层泥岩。地层内部节理极为发育，发育平行层理、块状层理和槽状交错层理等沉积构造，属临滨沉积。

球状风化特征主要见于米仓山风景区入口处小龙潭剖面，受小龙潭瀑布的侵蚀切割，筇竹寺组地层出露良好。球状风化现象主要发育在该剖面的顶部(图2)。观测点岩性主要为灰色、深灰色薄层-中厚层泥质粉砂岩、钙质粉砂岩夹薄层泥岩。泥质粉砂岩地层中结核发育，包括肉红色泥质结核、灰-深灰色钙质结核及灰黑色碳质结核。钙质结核通常呈平卧的长柱状或椭球状顺层分布。球状风化现象亦发育于中-厚层泥质粉砂岩层中，被节理切割的短轴状或长轴状泥质粉砂岩块体沿棱角方向遭受风化剥蚀，岩块呈环带状剥落，形成厚度较均匀的松散圈层及中心坚硬的核部。短轴状岩块最终形成球形，长轴状岩块最终形成椭球形，为典型的砂岩球状风化现象(图2)。

3 球状风化作用影响因素分析

3.1 岩石学特征

本文研究的剖面属筇竹寺组顶部陈家坝砂岩段，主要为薄层-中厚层钙质粉砂岩、泥质粉砂岩夹薄层泥岩。地层内部节理极为发育，发育平行层理、块状层理和槽状交错层理等沉积构造，属临滨沉积。观测点岩性主要为灰色、深灰色薄层-中厚层泥质粉砂岩和钙质粉砂岩夹薄层泥岩。泥质粉砂岩地层中结核发育，包括肉红色泥质结核、灰-深灰色钙质结核及灰黑色碳质结核。

图2 米仓山构造带下寒武统筇竹寺组球状风化发育特征Fig.2 Development characteristics of spherical weathering in Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Micangshan structural zone

3.1.1 岩石矿物组分特征

通过镜下薄片、扫描电镜、全岩 X-射线衍射和黏土 X-射线衍射等实验分析表明，风化岩体核部岩性主要为灰-深灰色钙质粉砂岩，碎屑颗粒分选及磨圆较差(图3)。其中石英颗粒含量平均约占30%，钾长石含量为2.3%、斜长石含量为30.5%。胶结物主要为方解石及黏土矿物，方解石约占32.4%，黏土矿物含量占4.3%(表1)。方解石胶结物含量高且主要呈基底式胶结。黏土矿物主要为伊/蒙混层(84%)、伊利石(9%)、绿泥石(4%)及绿/蒙混层(3%)(表2)。风化岩体表层及外部剥落层岩性主要为黄灰色泥质粉砂岩，碎屑颗粒主要为石英、钾长石及斜长石。其中石英颗粒平均含量约为59.7%，钾长石为4.83%、斜长石为22.7%(表1)。胶结物主要为黏土矿物及少量碳酸盐胶结物。黏土矿物平均含量约为12.6%，主要为伊/蒙混层(47.3%)、伊利石(39.7%)、绿泥石(6%)及绿/蒙混层(7%)(表2)。方解石含量约占0.2%，呈孔隙式胶结。

表1 米仓山构造带下寒武统筇竹寺组X--射线衍射分析岩石矿物成分

分析表明，风化岩体核部石英及黏土矿物含量较低，斜长石及方解石含量较高。而风化岩体表层的剥落层石英含量较高,斜长石的含量较低，钾长石含量则相对增加。自生胶结物中，相较于风化岩体核部，边部剥落层中的方解石消失殆尽或有极少量残留，黏土矿物含量则显著增加，其中伊/蒙混层、伊利石、绿泥石及绿/蒙混层等矿物含量均有明显增加。

表2 米仓山构造带下寒武统筇竹寺组X--射线衍射分析黏土矿物成分

a.灰-深灰色钙质结核；b.黄灰色泥质粉砂岩；c.黄灰色泥质粉砂岩；d.黄灰色泥质粉砂岩。图3 米仓山构造带下寒武统筇竹寺组薄片鉴定Fig.3 Thin section microscopic identification from Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Micangshan structural zone

3.1.2 元素地球化学特征

(1)主量元素特征

元素的活泼性、含量以及风化作用强烈程度等都是影响矿物淋失和富集的重要因素，一般而言，活泼性强的元素在风化过程中会出现淋失，而活泼性较弱的元素则会出现相对富集的现象。风化岩体核部、表层及剥落层样品的主量元素测试显示，风化岩体核部风化程度较弱，主量元素以Ca、AI、Na为主，其含量分别为12.34%、17.30%、9.58%，Mg、Fe、K次之，含量分别为2.69%、5.04%、4.33%。相较于风化作用较弱的核部，风化岩体表层及外部剥落层主量元素变化特征明显。Ca元素含量显著降低，由12.34%降低至2.18%～2.47%；Mg、Fe、Al及K离子均呈不同程度的富集，Mg元素含量由2.69%升高至6.30%～6.47%，Fe元素含量由5.04%升高至17.92%～18.62%，Al元素含量由17.30%升高至34.64%～35.49%，K元素含量由4.33%升高至16.70%～17.20%(表3)。

表3 米仓山构造带下寒武统筇竹寺组主量元素分析结果

(2)微量元素特征

通过对风化岩体核部、表层及外部剥落层的微量元素分析表明，随着风化作用程度的增加，从核部到边部剥落层Ba、Zn、Cu、V、Cr、Li、Ni、Ti及B离子含量均呈富集趋势。而Mn、Sr、及P则呈现不同程度的迁移和淋滤特征，其中Mn、Si、Sr变化幅度最大(表4)。

表4 米仓山构造带下寒武统筇竹寺组微量元素分析结果

3.2 构造运动对风化作用的影响

米仓山构造带的形成演化受多期区域拉张、板块碰撞和构造挤压的影响，经历了复杂的构造演化过程。总体而言，晚三叠世前，米仓山构造带位于扬子板块北部的被动大陆边缘。晚三叠世至早侏罗世，受控于扬子板块由东向西的穿时碰撞，米仓山隆起开始形成。中侏罗—早白垩世，米仓山隆起亦表现为构造作用微弱的轻微掀斜。早白垩世晚期—晚白垩世，受太平洋构造域的远程效应，米仓山构造带发生了强烈的陆内变形，早期地层遭受强烈构造改造。此后，该构造带一直处于抬升、剥蚀至今[20-21]。

研究区筇竹寺组碎屑岩地层节理极为发育，以垂直及高角度张节理为主，局部亦见剪节理，节理呈组系发育(图2)。该期节理发育可能与早白垩晚期—晚白垩世米仓山构造带强烈构造变形密切相关[22]。剖面地层中，节理的发育一方面将泥质粉砂岩层切割成大小不一的岩块，削弱砂岩的整体强度使整一紧密的地层变得破碎松散；另一方面，这些节理是渗流作用的主要通道，使得雨水进入岩体。同时也是地下水主要的储存空间以及运移通道，导致水岩反应、热胀冷缩等物理化学反应沿节理面、岩层面及岩块断面持续进行。因此，构造节理的发育加速了风化作用的进程。

3.3 气候环境对风化作用的影响

气候是影响风化作用的主要因素之一，其决定着地球表面化学风化和物理风化作用的种类和速度，其影响因素主要表现在气温和降雨两个方面。气温越高，降雨量越充沛，风化作用的速率就越快。前人研究表明，岩石中的硅酸盐类矿物化学反应速率随温度的升高而增大[23]，从热带到极地，随着纬度的增高温度的降低，风化作用的发育程度也不断降低[24]。同时，降雨尤其是酸性降雨对砂岩风化作用的影响至关重要，主要表现在冲刷作用、磨蚀作用等物理过程以及矿物的溶蚀和水解等化学过程[25]。另外，潮湿气候对风化作用也起到极大的促进作用。已有研究表明相对湿度在95%的条件下不同类型的砂岩膨胀幅度增加10%～28%[26]。长期的干湿交替造成砂岩体积变化导致砂岩内外应力差发生改变，造成砂岩不均匀膨胀及收缩，加速风化作用进程。

3.3.1 研究区气候变化特征

米仓山地区位于四川省广元市旺苍县东北部，为典型的山地亚热带湿润气候。该地区气温呈现出季节性温差及日均温差大的特征。据对近10年气象资料的统计，该地区2011—2020年日均最高气温32.3℃，最低气温19.5℃，昼夜平均温差约12℃(图4)。同时，气温季节性差异较大，最低气温一般出现在每年12月份到次年1月份，平均最低气温基本在0℃±。夏季最高气温日均29.3℃，最低气温日均20.5℃，冬季最高气温日均12.2℃，最低气温日均5.3℃，季节性温差最高达15～17℃±(图5)。

图4 广元市旺苍县日平均气温分布图Fig.4 Daily average temperature in Wangcang County, Guangyuan City

图5 广元市旺苍县月平均气温分布图Fig.5 Monthly average temperature in Wangcang County, Guangyuan City

统计表明，旺苍县雨量充沛，2011—2020年，雨天达972 d，多年平均降雨量为1 142 mm。全年降雨量分配不均，季节性明显，降水主要集中在夏秋两季。春季降雨量约占全年降雨量的17.3%，夏季约占54.5%，秋季占25.3%，冬季约占3%。此外，研究区位于米仓山森林公园内，多年月平均空气湿度在70%～80%(表5)。

因此，该地区温暖潮湿，常年高湿度、低蒸发，昼夜温差及季节性温差变化较大的气候特征有利于物理-化学风化的形成和发展。

表5 旺苍县2011—2020年平均降雨量分布情况

3.3.2 温度对砂岩风化作用的影响

温度对砂岩物理风化作用体现在两方面：宏观上，温度变化及岩石的不均匀受热往往引起岩石矿物颗粒和胶结物发生不均匀膨胀或收缩；微观上，矿物颗粒的胀缩作用改变了岩石内部的微结构，岩石内部出现微裂纹。甚至在一定的温度条件下，矿物颗粒的物理性质、结构及成分亦发生改变[27]。岩石的矿物颗粒成分、分布和排列较为复杂，往往是非均质矿物集合体。岩石中不同矿物在高温条件下的热膨胀系数均不相同，因此岩石受热后不同矿物颗粒变形程度亦有所不同[28]。岩石内部矿物颗粒的差异膨胀导致内部结构被破坏，从而产生新的微小裂缝。这种微小裂隙为后续水分的侵入、矿物的溶解、水化以及融冻等作用提供了有利条件。

统计结果表明，米仓山地区昼夜温差以及季节性温差大，白天受烈日暴晒砂岩表面的温度迅速升高，岩体表面温度一般可以超过气温的60%～70%，达到40℃±，表面迅速受热膨胀。由于砂岩的热传递速度较慢，所以内部岩石的升温速度慢且幅度小，导致岩石内部的膨胀程度较低。晚上随着气温的降低岩石表面快速冷却和收缩，而岩石内部却因向外传导热力的速度慢而导致降温缓慢，相对应的收缩速率也较慢。因此，岩体内部及表层长期的不均匀热胀冷缩，必然会使得岩石的内外层间产生差异胀缩，周而往复，导致砂岩表层与核部出现剥落分离现象。

3.3.3 降雨对砂岩风化作用的影响

水的存在促进了矿物的水化、融冻和化学风化等反应的发生，对岩石的风化起着至关重要的作用，始终贯穿岩石风化的全过程[29-31]。研究表明，降雨对剖面岩体风化作用的影响主要表现在4个方面：

(1)研究区年降水量充沛，特别是夏秋两季，降雨在砂岩表面反复冲刷，使得部分风化严重的岩壳被冲蚀，同时也使得暴露的微小裂隙变大，为后期雨水的浸润及水岩作用的进一步发生提供有利条件。通常而言，雨量越大、降雨越集中，冲刷破坏作用的影响越明显。

(2)雨水沿裂隙渗入岩体后发生水岩化学反应，据旺苍县环保局大气检测资料，该地区属于轻污染-中污染区域。若按一级大气标准衡量，米仓山地区SO2含量超标1.96倍。境内降水pH值最低为3.26，最高为7，酸雨占82.57%[32]。研究表明在中性和弱碱性条件下，长石的溶解度最小，强酸性和强碱性条件下，随酸度和碱度的增加，溶解度增加[33]。酸雨的浸蚀促使方解石、白云石、长石和岩盐等不稳定矿物溶解，使得岩体内部空隙增大。

(3)降雨过后泥质及黏土质成分因蒸发干燥失水，随着矿物中水合物水分子流失，矿物晶体将产生不均匀收缩，也会形成大量微-细裂隙。在循环失水-吸水过程中，反复的不均匀收缩、膨胀促使微观尺度上的岩体结构扰动和拉裂损伤，导致岩石裂隙进一步发育，为球状风化的发展创造了有利条件。

(4)酸雨沿岩石的裂隙进入岩体内部促使砂岩中的碳酸盐、硫酸盐等矿物水解并形成黏土矿物，如高岭石和蒙皂石等，这些黏土矿物一方面使原有胶结致密的砂岩演变成了大量泥质胶结填充，降低了原岩的力学强度，另一方面这些黏土矿物遇水后晶层表面因水合作用会产生膨胀。当膨胀力大于外部载荷，砂岩的内部结构稳定性变差，加剧了岩石的风化和侵蚀。降雨季节性分布使雨水风化作用反复进行，导致岩体风化破坏不断积累加剧。

3.4 水岩化学反应

风化作用往往导致不稳定矿物向稳定矿物转变，易迁移元素的流失和弱迁移以及不迁移元素的富集[34-35]。米仓山地区砂岩球状风化发育地带的岩性主要为泥质粉砂岩，以方解石胶结为主，不稳定组分长石、方解石含量较高，而高温和酸性的环境会加快这些矿物的风化进程。砂岩矿物成分的溶蚀和淋滤以及元素的迁移和富集都与砂岩矿物的稳定性密切相关，即稳定性越强，矿物溶蚀的越慢，元素的迁移率也越小。方解石的抗风化能力最弱，所以当酸性溶液沿着裂隙进入到岩层中时最先开始与方解石发生反应，其次是斜长石，钾长石的稳定性相对较高，抗风化能力最强。

首先，当酸性溶液沿岩石裂隙进入岩层内部首先与方解石发生反应，造成方解石矿物溶蚀以及Ca2+元素的大量流失，其反应过程为：

CaCO3+2H+=Ca2++H2O+CO2

随着风化进程的加快以及风化程度的增加，岩石中的方解石几乎被消耗殆尽。此过程进一步增加了岩石的孔隙度，降低了岩石的力学强度。这也就解释了风化岩体表层及剥落圈层中几乎不含方解石的原因。

其次，长石的酸性溶蚀也在同步进行。一般而言，长石的溶蚀有以下3个步骤：H+进入长石骨架中与K+、Na+、Ca2+等离子进行交换；Al3+通过水解作用溶出；富Si络合物形成于长石表面。长石在溶蚀以后，K+、Na+、Ca2+等阳离子一般随溶液流失或迁移。Al3+通常在附近形成高岭石、伊利石等黏土矿物，也可能与有机酸阴离子络合并发生迁移[36]。长石与酸的反应为：

KAlSi3O8+ 4H2O+4H+=K++Al3++3H4SiO4

NaAlSi3O8+4H2O+4H+=Na++Al3++3H4SiO4

CaAl2Si2O8+8H+=Ca2++2Al3++2H4SiO4

反应式表明，钾长石及斜长石在溶蚀的过程中均会产生大量的Al3+离子，这也解释了随着风化作用的增强，由核部到表层及剥落层，Al3+元素的含量明显增加的原因。由于钾长石的抗风化能力较斜长石强，故其风化作用往往进行的比较慢，钾长石的风化过程为：

K(AlSi3O8)→K<1Al2[(Si,Al)4O10](OH)2·nH2O→AI4(Si4O10)(OH)8→Si2·nH2O/Al2O3·nH2O

这就造成了钾长石中的K+元素相对于斜长石中的Na+、Ca2+等元素来说流失的相对较慢，所以由核部到边部K+离子的含量表现为相对增加的趋势。虽然钾长石的抗风化能力比较强，但由于斜长石的含量远大于钾长石，就造成了Na+元素含量相对稳定。

另外，钾长石和斜长石在风化过程中均可产生高岭土等黏土矿物，其反应为：

2KAlSi3O8+H2O+2H+=Al2Si2O5(OH)4+2K++4SiO2

2NaAlSi3O8+H2O+2H+=Al2Si2O5(OH)4+2Na++4SiO2

CaAl2Si2O8+ H2O+2H+=Al2Si2O5(OH)4+ Ca2+

而高岭石在风化的过程中会与钾长石发生反应，形成伊利石，反应式为：

KAlSi3O8+AlSi2O5(OH)4(高岭石)=KAlSi3O10(OH)2(伊利石)+2SiO2+H2O

因此，尽管长石在风化过程中会产生大量高岭石，但是风化岩体表层及剥落层的X-射线衍射分析时未检测到高岭石存在。

而Fe2+、Al3+和Mg2+元素大量存在于黏土矿物中，当蒙皂石向伊利石和绿泥石转化的过程中会释放出大量的Fe2+、Mg2+、Na+和Ca2+等元素，这些元素除少部分(如Fe2+，Mg2+)参与泥岩黏土矿物成岩反应形成新的组分外，其余可以呈各种无机阳离子或呈各种有机络合物形式，随着压实流体与CO2和有机酸一起进入砂岩孔隙，生成其他碳酸盐类矿物。这个过程中会产生大量的Si4+元素，这些Si4+元素一部分氧化形成SiO2，另一部分与有机酸进行络合，但这种络合物的稳定性较差，会随水等溶液流失。所以这也就是我们所看到的由核部到边部随着风化作用的加强，Si4+元素的含量有所减少，但石英含量却显著增加的另一个原因。反应式为：

蒙皂石+4.5K++8Al3+=伊利石+Na++2Ca2++

2.5Fe3++2Mg2++3Si4+

2.4蒙皂石+0.88H2O+1.44H+=绿泥石+0.24Ca2++

0.48Na++0.04Fe2++0.20Mg2++5.82SiO2

随着风化程度的增强，由核部到边部黏土矿物的含量有所增加，而黏土矿物中伊/蒙混层和绿/蒙混层所占比例很高。这也是导致Fe2+、Al3+和Mg2+元素在主量元素中所占比例出现相对增加的原因。综合分析表明，元素以及矿物组分的迁移和转变等微观风化破坏了原岩的结构、降低了原岩的力学强度，为以后的宏观风化创造了条件。

4 砂岩球状风化作用机制分析

米仓山地区下寒武统筇竹寺组砂岩的球状风化主要受自身岩性、构造作用及气候等因素的影响。该地区砂岩以钙质粉砂岩、泥质粉砂岩为主，结构致密，孔隙度和渗透率相对较小，风化机理主要为物理风化和化学风化。其风化过程大致可以分为3个阶段：

第一阶段以物理风化为主，受区域构造运动作用的影响，研究区筇竹寺组碎屑岩地层断层极为发育，以垂直及高角度断层为主，局部亦见剪节理，节理呈组系发育。泥质粉砂岩层被切割成大小不一的岩块。这些裂隙是雨水进入岩体发生渗流作用的重要通道。水岩反应、热胀冷缩等物理化学反应将沿节理面、岩层面及岩块断面持续进行，使得风化作用沿层内节理及岩层面等向岩层内部发展，因此，构造节理的发育为后续球状风化的形成奠定了基础(图6a、b)。

第二阶段以化学风化为主，首先，雨水及空气中的一些酸性物质沿裂隙网络进入岩层内部，化学风化作用沿着被切割岩块表面开始发生。由于研究区剖面岩性主要是泥质粉砂岩和钙质粉砂岩，其结构致密、孔隙度和渗透率都相对较小。所以当溶液沿节理渗入时，溶液下渗的速度和影响范围减小，导致风化作用主要发生在岩块表层。其次，当溶液从边部向岩块核部渗入时，水溶液由于酸性物质的消耗使得溶解能力降低，从而导致只能与岩块表层发生水岩化学反应，造成岩块外部与内部呈现出差异风化的特征。

另外，风化过程会伴随着元素的迁移、聚集和沉淀等，当溶液沿着节理裂缝从外部渗透到岩块表面和内部后与矿物组分发生反应，部分易溶元素发生迁移而难溶元素富集。岩块风化表面特别是岩块棱角处暴露于地层流体的表面积较大，水岩化学反应使得元素发生大量迁移流失[37]。这就造成在岩石的棱角处元素的迁移和流失速率都相对较大，风化程度相对较强，导致砂岩的风化作用不断往球形方向发展(图6c)。

第三阶段为物理风化和化学风化作用的结合，表层风化壳逐层剥落。

风化壳的剥落归因于岩块差异风化导致的膨胀作用，这种膨胀力主要包括3种:①矿物组分的化学反应产生的膨胀；②矿物组分因气温的升高而产生的膨胀；③膨胀性黏土产生的膨胀力。

当反应物沿裂隙缓慢地渗入到岩石内部，与岩石矿物组分发生淋滤、氧化和水岩反应的同时会造成岩石体积的膨胀。硅酸盐类矿物氧化铝和铁的水化导致岩块表层体积增加，从而导致岩块表壳膨胀。这种膨胀产生的压力导致岩块表层断裂剥落。

米仓山地区昼夜温差及季节性温差大，受此影响，当温度升高太阳直射到岩石表面时，岩石外部圈层部分将迅速受热发生膨胀，由于热传递速度的影响，岩石的核部仍然处于相对较低的温度。当温度下降时，岩石内部和外部放热的表现则截然相反。岩石内外如此往复的受到截然相反的胀缩应力，破坏了岩块表层及内部结合面处的结构构造，降低其力学强度。因此昼夜和季节性温差引起的热胀冷缩反应也是风化壳剥落的重要影响因素。

图6 米仓山构造带下寒武统筇竹寺组砂岩球状风化作用演化模式Fig.6 Spherical weathering evolutional model of sandstones in Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Micangshan structural zone

当反应物沿裂隙缓慢地从外部向内部渗入，并与岩石发生反应时不但可以使其岩石本身的矿物组分发生膨胀，还可以生成大量的次生黏土矿物(伊利石、蒙皂石)。风化岩体从核部到边部这种特殊黏土组分的含量呈明显增加的趋势。这也就造成岩石外部受到的膨胀力相较于内部更大，进一步促进了岩块表层在膨胀力的作用下发生剥落，导致核心部分的岩石完好而外部的风化壳则出现层状剥落的现象(图6d)。

5 结论

(1)研究区筇竹寺组风化岩体主要为薄层-中厚层钙质粉砂岩、泥质粉砂岩夹薄层泥岩，其结构致密、孔隙度和渗透率都相对较小。以高长石、高方解石及黏土矿物胶结为主要特征，为球状风化作用提供了重要的物质基础。

(2)研究区筇竹寺组砂岩地层节理极为发育，地表水沿裂隙及节理入渗，导致水-岩反应、热胀冷缩等物理化学反应沿节理面、岩层面及岩块断面持续进行，加速了风化作用进程。

(3)米仓山下寒武统筇竹寺组砂岩的球状风化除了受构造运动、气候和降雨等因素的影响外，其核心因素是砂岩自身的岩性特征、化学风化作用和不同部位的差异风化。

(4)风化的形成过程大致可以分为3个阶段,分别为节理的形成以及岩层的分割、核部球体的形成及边部风化壳的剥落。