水化作用是什么?

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水化作用是矿物(包括岩石)在地下水作用下,表面发生溶解、崩解并形成溶液、气体和固体沉淀物的过程。水的存在形态(气、液、固)和水的作用对象(矿物和岩石)决定了水作用的三种方式,即物理风化、化学风化和生物风化。其中,以物理风化为基础,通过物理、化学变化而形成的岩石碎屑称为碎屑岩;由化学风化作用形成的碳酸钙等钙盐晶体附着于碎屑颗粒表面而构成的岩石称为碳酸盐岩;由生物风化作用形成的黏土矿物质以胶体状态吸附于碎屑颗粒表面而构成的物质叫做黏土质岩。

1. 物理风化作用 由于温度、压力等外界条件改变而导致矿物晶体内部结构发生变化,使矿物晶粒大小发生改变或使其破裂,进而矿物颗粒被分解为更小尺寸的颗粒,这种风化作用被称为物理风化作用。 物理风化作用的进行取决于温度、湿度、压力和构造运动等因素。其中,温度对风化的影响具有两面性,在一定范围内温度升高能促使风化作用加强;但当温度超过一定值后,会由于热应力导致岩石破裂而使风化作用反向进行。当岩石处于高温高压环境时,矿物晶格发生扭曲以致粉碎,这一过程叫做热力风化作用。

2. 化学风化作用 当有机体腐烂、微生物活动以及水流冲刷带走在地表土壤中的碳酸根离子和氢氧根离子与岩石接触时,就可能发生化学反应并在岩石表面生成新的化合物,这一过程就是化学风化作用。 化学风化作用可分为两种,一种是以水分子的方式直接透过固相边界进入矿物质的扩散作用,另一种则是以离子的形式经过交换作用而进入矿物的反应过程。前者没有明显的界面,后者有固态物质作为媒介。 参与化学风化作用的物质主要有CO_{2}、H_{2}O、OH^{-}、Cl^{-}等阴离子及K^{+}、Na^{+}等阳离子。不同矿物对于上述物质的溶解性差异显著,如碳酸盐类矿物能够较多地溶解于水中,其表面溶解度顺序为:CaCO_{3} > Na_{2}Co_{3} \textgreater K_{2}Co_{3} \textgtr CaMg(CO_{3})_{2}\textgreater MgCO_{3},对于其他元素,如Sr^{2+}、Ba^{2+}等的溶解性则更差。

3. 生物风化作用 生物风化是指动植物体内外作用引起的岩石碎裂过程。

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水化作用在有液态水存在的地外行星和卫星上具有很重要的意义,因为其可以形成许多新的矿物相并在一定程度上改变原始基质的成分。火星的大部分地质特征形成均与水相关。2015年末,NASA召开新闻发布会宣布:已在火星表面发现了有液态水流动的“强有力”证据,重新点燃了我们对火星生命存在可能性的想象。但火星表层大气压为600~700Pa,温度一般在-100℃~20℃之间,远低于液态水的稳定条件。那么,为什么在这样的条件下能够有液态水流动呢?

关键在于火星表层存在氯化物、硫酸盐及高氯酸盐等物质,能够显著降低水的冰点,并且在水与火星表面物质相互作用过程中形成盐溶液。这些盐溶液在一定条件下与火星表面物质发生水化作用可形成各种含水矿物,如高氯酸镁六水合物[Mg(ClO4)2•6H2O]、高氯酸亚铁六水合物[Fe(ClO4)2•6H20]、高氯酸钠(NaClO4•2H20)、高氯酸钾(KClO4•2H2O)及硫酸镁七水合物[MgSO4•7H2O]等。这些含水矿物的存在及其水含量的变化与火星表面液态水相关,因此被认为是“水痕迹”或水的指示矿物,对研究火星表层水的地球化学循环过程及地表下深部含水层具有重要意义,也是火星生命探索的基础。

基于上述思想,2015年底,Lin等通过综合分析火星探测车5年的测量结果发现,在火星表面存在呈条带状流动的暗斑,称作“流动的斜坡线(Recurring Slope Lineae,RSL)”。这些流动条带呈季节性出现,而且主要在温度高于-23℃的低纬度地区。科学家认为这是由于季节温度升高,导致RSL区下部的可溶性盐类与少量的水形成盐溶液,随后沿斜坡向下流动形成的。

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