摘要：岩石矿物风化是地球表面发生的最重要现象之一,其中生物风化备受关注，地衣则在其中扮演者举足轻重的地位。地衣以物理、 化学方式参与矿质基质的风化作用, 诱导和加速岩石的风化过程。而土壤也是在岩石风化形成的母质上发育起来的，土壤的许多性质与成土岩石、矿物和母质类型有关。因此本文对两极极寒地区地衣诱导和参与的几种主要岩石类型(砂岩类和火成岩类) 风化作用的模式、 机制、过程以及产物以及矿物岩石的风化和母质的形成与类型进行探究，进而得出岩石矿物风化作用的规律，以便于对未来对岩石矿物的风化和土壤性质的科研工作的展开，以及对其他地区的岩石矿物风化等问题得到一系列的改良和结论。
关键词：风化 岩石矿物 极地 土壤母质
一、风化作用的概念和类型
1.1 风化作用概念
风化作用是指地壳最表层的岩石在空气、水、温度和生物活动的影响下，发生机械破碎和化学变化的过程。
1.2 风化作用的类型
按照风化作用的因素和特点，可将风化作用分为三种：
1. 物理风化任用是指岩石因受物理因素作用而逐渐崩解破碎的过程。物理风化只能引起岩石形状大小的改变，而不改变其矿物组成和化学成分。引起物理风化有主要原因是地球表面温度的变化，所以物理风化在都属于热力学风化。因为岩石是热的不良导体，而且岩石是由体膨系数不同的多种矿物组成，在昼夜寒暑温度剧变的影响下，岩石内部便产生不均一的胀缩差异，因而发生相互顶挤和拉扯的作用，使矿物颗粒之间的联系容易遭到破坏，导致岩石的破碎。除温度外,冰冻的挤压，流水的冲刷，风、冰川等自然动力对岩石的磨蚀，以及植物根系的穿插，均能加速岩石的破碎。
物理风化的结果，岩石由大块变成小块再变为细粒，虽然岩石的矿物组成和化学和成分没有发生改变，但却获得了原来岩石所没有的对水和空气的通透性。由于 物理风化只是机械的破碎，产生的粒子一般都在于0.01mm，毛细管作用不发达，故不具有对水分的保蓄能力。但岩石经过物理风化后，大大增另岩石与空气的接触面积，为促进风化的进一步发展， 特别为化学风化创造了有利条件。
2. 化学风化作用是指岩石在化学因素作用下，其组成矿物的化学成分发生分解和改变，直至形成在地表环境中稳定的新矿物。其特点是不仅使已破碎的岩石进一眇变细，更重要的是使岩石发生矿物组成和化学成分的改变,产生新的物质。引起化学风化的因素有水、二氧化碳和氧气等大气因素，其中最主要的是水，水分本身的作用很活泼，同时二氧化碳与氧气的作用也只有在水的参与下才级显示出来。化学风化一般包括:
(1)溶解作用。溶解作用指岩石中的矿物溶解于水的作用。一般矿物难溶于水，但大量的水或较高的水温则可以加大其溶解度，如1份滑石可溶于110000份水中，1份石英可溶于10000份热水中，1份云母可溶于34000份水中。
(2)水化作用。岩石中的矿物与水化合成为含水矿物，称作水化作用。
如硬石膏与水结合生成结晶石膏，赤铁矿与水结合而成褐铁矿，其反应式如下:
CaSO4 (硬石膏)+2H20→CaS04·2H20(结晶石膏)
2Fe2O3(赤铁矿)+nH20→2Fe203·nH20(褐铁矿)
经过水化后的矿物，往往体积增大，硬度降低，成为易于崩解的疏松状态，因而促进了岩石风化作用的进行。
(3)水解作用。水解作用是指水的部分解离所成的氢离子，与矿物中的碱金属(钾、钠)或碱土金属(钙、镁)起置换作用，而使岩石矿物遭受破坏。因此，水解作用的强弱主要决定于水的解离度。水的解离度随温度升高而增加，如水在0℃时的解主度为1，则10℃时为1.7，18℃时为2.4，34℃时为4.5，50℃时为8.0。因此在不同气侯地区和季节，其化学风化的速度和强度是不相同的，如我国高温多雨的南方化学风化作用比干燥寒冷的北方强烈得多。同一气侯地区则夏季比冬季化学风化作用强烈。
另外，二氧化碳和各种酸类物质可加强水的解离作用，增加水中的H浓度，从而增强水解作用。
水解作用能使岩石中的矿物发生彻底分解，引起岩石内部矿物组成和性质的彻底改变。因此，水解作用被认为是化学风化中最基本、最主要的作用。例如，岩石中常见的硅酸盐矿物，几乎都因水解作用而发生彻底分解。
(4)氧化作用。大部分岩浆岩、变质岩和部分沉积岩是在缺氧条件下形成的，这些岩石中的矿物所含的变价元素，如铁、锰、硫等都以低价状态存在，当这些矿物暴露于地表，其低价离子与含氧的水接触时，就会被氧化成高价离子。富含变价元素的岩石、矿物(如富含亚铁的橄榄石，角闪石、辉石等)氧化作用尤为剧烈。如黄铁矿的氧化：
4FeS2(黄铁矿)+14H20+1502→2(Fe2O3·3H20)+8H2S04
氧化作用不仅使矿物、岩石体积增大而疏松，而且产生各种酸，特别是硫酸腐蚀很强，可继续对其他矿物进行分解而加速岩石的风化。
上述各种作用很少单独进行，常为两种以上同时发生。化学风化的结果，使岩石进一步分解，彻底改变了原来的岩石内部矿物的组成和性质，产生一批新的次生粘土矿物，它们颗粒很细，一般＜0. 001mm，呈胶体分散状态，使母质开始具有吸附能力、粘结性和可塑性，并出现毛管现象，有一定的蓄水性。同时也释放出一些简单的可溶性盐物质，成为植物养料的最初来源。
3.生物风化作用生物风化作用指岩石在生物及其分泌物或有机质分解产物的作用下，进行崩解和分解。生物对岩石风化的影响：一是机械破碎作用如植物根系的穿插以及动物的穴居习性等对岩石引起的机械破碎；二是生物化学作用，引起岩石化学风化的有二氧化碳和氧，都是生命活动的产物。所以当地球上出现了生命现象以后，便大大地加速了岩石的化学风化。此外，在生物活动过程中，还能分泌出各种无机酸和有机酸，以进一步加速了化学风化的过进程。生物风化更为重要的影响是它能使风化产物中的植物营养元素在母质表层集中，同时累积了有机质，因而发展了肥力。故生物开始参与风化作用也就意味着土壤成土过程的开始。
此外，人类的活动如开矿、筑路、平整土地、开山造田、兴修水利等，都能使岩石遭受破坏，加速其风化过程。
二、土壤母质的类型
岩石经风化作用所形成的母质，很少能残留在原来形成的地方，大多数情况下，是经受各种自然动力(如水、风、冰川、重力等)搬运到其他地方，形成各种沉积物。按风化产物搬运动力与沉积特点的不同，可将土母质分为以下几个主要类型：
1.残积物是指未经外力搬运迁移而残留于原地的淋失风化物的杂乱堆积体，分布于山地与丘陵顶部较高的部位。没有明显的层次性，其颗粒大小极不均匀。其特点是层次薄，质地疏松，通气性好。母质的矿物组成和化学成分性质深受基岩的影响。
2.坡积物是在重力和雨水冲刷的影响下，将山坡上部的风化产物搬运到坡脚或谷地堆积而成。其特点是搬运距离不远，分选度差，层次不明显，大小石块夹杂，粗细粒混存，通气透水性良好。同时因承受上部来的养分，水分以及较细土粒的影响，所以水分、养分也比较丰富。这种母质形成的土壤肥力一般较高。但坡积物的性质仍因山坡上部岩石种类和所处气侯条件的不同而有很大差异。
3.洪积物是由于山区临时性的洪水暴发，洪水夹带岩石碎屑、砂粒等沿山坡下泻至山前平缓地带沉积而成。沿山麓成带状分布，其外形是以山谷出口为尖端向四处分散的扇状锥，分选性差。在山谷出口处沉积的主要是碎石、巨砾和粗砂粒等，沉积厚度深，层次不明显:在冲积扇边缘沉积的物质较细，多为细砂、粉砂或粘粒，厚度渐减，层次也较明显。因此，由冲积扇顶部向扇缘推移，形成的土壤由粗变细，肥力逐渐提高。
4.河流冲积物是岩石的风化产物受河流经常性流水浸蚀、搬运，在流速减缓时沉积于河谷地区的沉积物。因所处地势不同，沉积物的性质也不同。在河谷地区一般多为砾石和砂粒，分选性差。而在开阔的平原河谷，沉积物的物质较细，主要为粉砂、细砂、粘普。此类沉积物分布范围大，面积广，在江河的中、下游一带都有这类沉积物分布，如东北平原、华北平原、长江中下游平原、珠江三角洲。其特点是：
(1)成层性。由于季节性雨量的差异，各时期的河水流量和流速不同，搬运和沉积的物质颗粒大小也为同，从而造成上下部具有明显的成层分选性。
(2)成带性。因流速不同，在河流上下游及离河远近处质地有区域变化。上游粗，下游细；近河粗，离河远则细。
(3)成分复杂。由于河流冲积物分布广，物质来源于上游各地，故矿物质种类多，植物养分较丰富，下游宽广的冲积平原，多形成为肥沃的土壤。
5.湖积物是由湖水泛滥沉积而成的沉积物，分布在大湖的周围。由于湖水泛滥水流较缓，所以沉积物质地较细，但仍有分选性，常出现此不同质地层次。此种母质不仅水分足、养分多，有机质质量分数也高，往往形成肥沃的土壤。如我国洞庭湖、鄱阳湖、太湖的周围均为此种沉积物。
6.海积物为海边的海相沉积物。由于海岸上升或江河入海的回流淤积物露出水面形成。在我国东南沿海地区有较大面积分布。各地海积物质地粗细不-，全为砂粒的沙滩，其养分质量分数较低;全为粘细的沉积物，其养分质量分数较高。但均含有较多的盐分。
7.风积物经风搬运而堆积的物质。一般可分为沙质沉积物和黄土两大类。
(1)沙质沉积物。为风力将砂粒搬运，在前进途中遇障碍物或风速减低时堆积而得。这种母质的特点是质地粗，砂性大，水分和养分缺乏，形成的土壤肥力很低。
(2)黄土。我国黄土高原的黄土多为风成的。主要分布黄河中下游的甘、宁、蒙、陕、晋、豫、冀、新、青、东北三省亦有少量分布。该母质颗粒组成以粉砂粒为主，大小均一，疏松多孔，呈灰黄或棕黄色，厚度由几米至200m以上。所发育的土壤因水土流失严重，大多属低产土壤。
8.黄土状沉积物为第四纪时期黄土经冰水、洪水作用再移运的沉积物。在我国东北、华北及华中地区分布广泛。另在更新世时期，黄土经流水侵蚀，搬运至下游广泛沉积为质地粘重的红黄色或灰黄色土状沉积物,称下蜀系黄土状沉积物或下蜀系黄土。两者均为次生黄土。
9.冰碛物由冰川夹带的物质搬运沉积而成。其特点是无成层性和分选性，岩石碎块与大小颗粒混存。冰碛物也可能是由于冰川融化的流水运积作用而形成的冰水沉积物。如我国长江以南分布面积较广的第四纪红色粘士,就属冰水沉积物。其特点是母质层深厚，质地粘细，呈棕红色，酸性强，养分较缺乏，是南方红壤重要母质类型之一。
三、地衣与岩石风化
地衣是地球表面分布最广的先驱植物之一, 最早出现在 4 亿年前的早泥盆纪。据估计, 目前大约 8%的陆地表面被以地衣为优势种的植被所覆盖, 分布于包括极地在内的所有地球气候带。
近30年来各种现代化仪器如透射电子显微镜、扫描电子显微镜，傅立叶变换式红外光谱仪、傅立叶变换式拉曼显微镜、X射线能谱仪、X射线照相显微镜以及新型Mssbauer光谱仪等的先后问世,为深入解释地衣对岩石矿物的风化作用以及具体机制提供了更大的可能性。
这些技术的问世事的人不得不向前思考，地衣对岩石的风化作用到底是不是相同的呢？不同种类的地衣对岩石矿物的风化作用又有着这样的不同的阶段呢？在未来人们又将怎么去利用这些风化作用来进行科学研究以及造福社会？
四、论据剖析
各种类型的地衣是两极地区主要的生物与植被形式，就南极举例：从亚南极海洋气候区到南极洲靠近极点的广大地域均有分布。南极荒漠地区、砂岩中内生型地衣微生态系统的存在相当普遍, 主要以 Buellia 和 Lecidea 属的地衣为优势种。研究表明, 在南极寒漠地区林奈台地( Linnaeus Terrace),适合内生型微生物生长代谢的光照、温度以及水分条件存在的时间每年长达 375.700h，这也为生物风化作用提供了极好的原始环境，也产生了许多不同的风化类型。
4.1 内生型地衣生物风化作用下岩石的微形态特征
内生型地衣的生物风化与砂岩表面的玷色现象和剥蚀作用密切相关。遭受生物风化的岩石表面多呈斑块状的橘黄或棕褐色,与表层剥离而新近裸出的浅色岩面交错分布。一般说来,砂岩典型的生物风化层具有明显的层状结构,从外到里为表层的玷色结壳，白色淋溶带以及暗红色的铁积聚带。从岩石外部形态观察,内部存在地衣栖息层的部位,表层结壳在发生剥蚀前呈现均一的橘黄或棕褐色, 而内部地衣生长的部位,保留了原始的硅质结壳和颜色玷色结壳剥蚀脱落后,下伏栖息带暴露在南极寒漠严酷的外部环境之中,为了生存,地衣沿孔隙与裂缝侵入岩石的更深部位,形成新的栖息带,生物风化作用随之开始,石英颗粒之间的胶结物质溶解、游离铁移动,新的玷色表面形成,发生剥蚀后地衣重新进入岩石内部。如此循环往复,砂岩表面出现数厘米大小的坑状结构使,整个岩石呈现鳞状风化外观。
4.2 内生型地衣生物风化过程与机制
内生型地衣对砂岩产生生物风化的实质是岩石结晶颗粒之间胶结物质的溶解作用和矿物中铁离子的移动, 以及地衣密丝组织生理过程所导致的机械破坏作用。砂岩中石英颗粒之间胶结物质在有机酸作用下溶解, 为地衣菌丝体在矿物晶体间的 穿插生长提供了条件。在微域环境水分和温度状况发生波动时,干- 湿转换与冻- 融交替造成地衣有机组织发生胀缩,导致已经在化学风化过程松动的矿物颗粒脱离基质,并最终造成的岩石表层结壳剥蚀。因此,内生型地衣对砂岩的生物风化作用的机制可以简单地表述为：以有机分泌物诱导的化学风化作用为基础,并最后由地衣组织的机械破坏为主导的物理风化作用为主要表达形式的风化过程。
4.3 砂岩生物风化作用的不同阶段
内生型地衣诱导风化的第一个阶段, 以地衣分泌的草酸及其他有机螯合物引发砂岩基质溶解和矿质元素发生迁移为特征,其表现形式是产生清晰的铁玷色现象,岩石表层机械剥蚀速率明显加快。风化的第二阶段以岩石表面新的、厚度小于 0.1mm的硅质结壳形成为标志,此结壳的物质基础为岩石表面捕获和积聚的气载尘埃与蚀变的残积物质,主要成分为二氧化硅、粘土矿物以及各种形态铁的氢氧化物。第三阶段为多孔结构石英砂岩的硅化作用阶段。发生硅化的范围包括淋溶层即地衣生长带和铁积聚层,最终在岩石形成外层厚达数厘米的致密的外壳。砂岩硅化外壳的形成标志着内生型地衣生态系统的结束,也标志着岩石生物风化过程向非生物风化过程的转换。内生型地衣生长和活动的痕迹在硅化过程得以保存,形成砂岩内部特有的生物化石带。
4.4 实验成果
生物风化作用的本质在于对矿质物质的各种溶解机制。实验室研究表明，生物对矿质物质的溶解机制包括酸解、碱解以及络解, 以上三种机制以生物所产生的代谢酸性、碱性化合物以及络合物为物质基础。地衣诱发的生物-化学风化过程至少涉及上述三种溶解机制中的两种。即通过呼吸作用释放的CO2以及分泌可溶性简单有机酸如草酸、柠檬酸和具有螯合能力的地衣化合物溶解基质岩石和矿物并产生次生矿物。通过在实验室研究CO2对地衣的影响，呼吸性CO2在地衣菌体所吸收的水分中溶解产生碳酸,可以明显降低微域环境的 pH 值,这无疑加快了矿质基质的溶解过程，在矿质基质的生物——化学风化过程中起着至关重要的作用。
与地球上广大的温带地区相比，南极地区生物风化方面的研究工作严重滞后,尽管近年来取得了一些进展，但就地衣的生物风化作用而言，某些重要领域的研究工作尚未开展。但经过这些年的调查研究，尚可总结出一系列的规律，以供后人研究使用。
地衣的生长可以在岩石表面积累有机物质,关于南极地区地衣生物量前面已经有所论述,特别是在南极海洋气候区，表生型地衣有机质积累过程相当强烈。有机物质和细胞有机分泌物的积聚，可能导致异养型细菌种群的形成。研究结果表明,异养型细菌自身对矿质基质也具有明显的生物风化作用。
地衣参与岩石风化过程毋庸置疑。然而，地衣的生物作用并非总是单向地加速和促进矿物质的风化过程。在其它非生物风化营力强烈的环境中，岩石表面茂密的叶、枝状地衣植被和紧密的壳状地衣覆被，很大程度上起到保护岩石基质遭受风化的作用。地衣作为岩石表面的一道生物屏障，可以有效缓冲外界物理、化学风化因素如风力侵蚀、降水冲击、水流冲刷、温度变化以及空气悬浮污染对岩石风化过程的影响。
五、总结
综上所述，岩石矿物的风化原因多种多样，土壤在岩石风化形成的母质上发育起来的，土壤的许多性质与成土岩石、矿物和母质类型有关。地衣以物理、 化学方式参与矿质基质的风化作用，诱导和加速岩石的风化过程。地衣参与岩石风化的形式以及作用不是单方面的，不仅包括地衣的诱发的物理、生物风化作用，而且包括生物因素导致的岩石抗风化效应。
目前，在两极地区开展的生物风化研究仅仅局限于具体的过程与机理方面，而对两极特定的具体环境中地衣在岩石风化过程的作用进行综合评价工作还很薄弱。我们要在借鉴前人的基础上，积极创新，勇于探索，力争早日丰富两极地区的生物风化研究。
参 考 文 献
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