第十章河流及其地質(zhì)作用 南京大學(xué)地球科學(xué)系舒良樹 普通地質(zhì)學(xué) GeneralGeology Chapter10Theriver旅行時(shí) 河流既是他們的主要路線 同時(shí)又是他們的旅行障礙 古代埃及人靠春季尼羅河的洪水而獲得可耕土地 稍后又學(xué)會了儲水灌溉 洪災(zāi)則威脅著人類生存 在全球自然災(zāi)害中 水災(zāi)排在第一位 古代大禹治水 就掌握了是疏浚而不是堵的先進(jìn)技術(shù) 公元前250年 四川郡守李冰父子筑都江堰 采用 深淘灘 低筑堰 遇彎截角 的方法 引岷江水入川西平原 使川西平原 水旱從人 不知饑謹(jǐn) 時(shí)無荒年 天下謂之天府 1963 1992年全球自然災(zāi)害破壞程度統(tǒng)計(jì) 國家南水北調(diào)工程示意圖 Section1Introduction一 有關(guān)概念Someterms1 河流 地表上具經(jīng)常性流水的線形凹地 河流形成過程 片流 洪流 大河2 片流 大氣降水沿地表自然斜坡均勻流動(dòng) 無固定流向的地表流水 片流通過洗刷作用將山坡上細(xì)小的 松散的殘積物搬運(yùn)至山坡的凹入部位 形成坡積物 山麓地帶的坡積物連成一片稱為坡積裙 3 洪流沿地表斜坡上的溝槽定向流動(dòng)的水體 溝的發(fā)展 溝槽 溝谷 大溝谷 溝分為溝頭 溝口 溝壁 溝叉 從源頭 下方侵蝕 使溝加深 拓寬 伸長 無雨則干涸 形成季節(jié)性洪積物 分選性差 磨圓度差 洪積扇 洪積錐 溝口粗 開闊帶細(xì) 若干洪積扇在山前連成片則為洪積平原 如大青山前的包頭 V 形谷為幼年期河流標(biāo)志我國第一大峽谷 Gorge 長江上游云南金沙江虎跳峽 第二大峽谷為長江三峽 ThreeGorges 瞿塘峽 川 巫峽 川鄂神女峰 西陵峽 鄂 U 形谷只與冰川作用有關(guān) 碟 形谷則形成于平原地區(qū) 湖北城陵磯 二 河流的動(dòng)能動(dòng)能E 1 2QV2 Q流量 V流速 1 影響流速三因素 坡度 河床寬度 寬則流速小 因水體與河床的接觸面大 滾石負(fù)荷狀況 克服內(nèi)部摩擦要消耗能量 2 影響流量三因素 W Width d depth V Velocity 3 同一條河流 上游坡度動(dòng)能大 下游雖水量大 但流速小 動(dòng)能可能反而小 4 動(dòng)能大 搬運(yùn)力就大 搬運(yùn)力 搬運(yùn)量 則河流侵蝕 搬運(yùn)力 搬運(yùn)量 則河流沉積 河床 谷底 坡麓 谷坡 谷緣 Section2Erosionofriver一 侵蝕作用三方式 溶蝕 溶解礦物巖石 水力沖蝕 磨蝕 帶巖塊的水體 二 侵蝕作用三方向 下蝕 旁蝕 溯源侵蝕1 下蝕Bottomerosion 使河床加深的作用a 原因 河流垂直分量造成下蝕 流水中因沙礫的跳躍搬運(yùn)撞擊而下蝕 旋渦的渦穴下蝕 b 侵蝕基準(zhǔn)面 即海平面 入海河流的下蝕作用絕對不會低于海平面 c 局部侵蝕基準(zhǔn)面 即湖面 為入湖河流的侵蝕基準(zhǔn)面 d 河流的縱剖面 從源頭到河口 河流剖面呈線狀 其曲線總體下凹 起伏受巖性構(gòu)造控制 長江的重慶 武漢 南京 南通段 武漢以上為侵蝕區(qū) 以下為沉積區(qū) e 均夷化 削去突出部位 填平凹坑的河流作用 發(fā)育在長時(shí)間無地殼運(yùn)動(dòng) 海平面和氣候變化不大的河流區(qū)段 f 河流的平衡剖面均夷化后的河流縱剖面就是一平滑的曲線 稱河流的平衡剖面 急流torrent 河床突然變窄變陡的地方 瀑布Water fall 發(fā)生在斷崖 懸谷 巖層軟硬相間處的急降水流 瀑布的后退 是由于水位差大 動(dòng)能大 使下部巖石掏空 上部巖石崩塌 實(shí)例 貴州黃果樹瀑布落差75米 云南漓江玉龍關(guān)瀑布 黑龍江鏡泊湖吊水樓瀑布 黃河壺口瀑布 廬山瀑布 黃山瀑布 紐約州西Niagara瀑布 寬900米 落差48米 它在3萬年中后退了10 4公里 每年0 3米 黃河壺口每年后退5cm 噴泉 人造流水現(xiàn)象 如著名的巴黎Fontainebleue 河蝕天橋 黃果樹大瀑布 2 旁蝕 側(cè)蝕 Lateralerosion 河流對河床二側(cè)及谷坡的侵蝕 其結(jié)果是使河床和谷底加寬 旁蝕的動(dòng)力學(xué)原因是彎道離心力與科里奧利力 Coriolis force 又稱DeflectingforceofEarthrotation 1 彎道離心力Curvingcentrifugalforce 河流開始是直的 變彎的原因是由于河流中心的障礙物增大了摩擦力與粘滯力 流水在河流彎曲部位因慣性作用而產(chǎn)生離心力 該力作用于河流的凹岸 使河流的主流線 流速最大的點(diǎn)的連線 偏向凹岸 使凹岸的水面提高 凸岸的水面降低 產(chǎn)生橫向比降 產(chǎn)生從凹岸向凸岸的橫向力 該力作用方向是凸岸 彎道離心力和橫向力的聯(lián)合作用 造成河流凸岸堆積 凹岸侵蝕 物質(zhì)搬運(yùn)至凸岸 能量減弱而沉積 形成點(diǎn)沙壩 南京長江大橋的北岸為凹岸 2 科里奧利力 地球自轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)力 北半球 河流由南向北流 科氏力作用于右岸 東岸 南半球 河流由北向南流 科氏力作用于左岸 西岸 離心力 科氏力與旁蝕作用的關(guān)系 圖11 14 3 河床的變化 凹岸的垂直下蝕 橫向旁蝕 使河流彎道向下游遷移 成蛇形河 自由河曲平原上彎道可以自由發(fā)展的河流 其結(jié)果是使河流長度增加 坡度降低 流速降低 截彎取直洪水期間 截彎取直 廢棄的原河道變成牛軛湖 OxbowLake 我國曲流最發(fā)育的地方 湖北石首 湖南岳陽 河長240公里 直線僅87公里 經(jīng)常發(fā)生截彎取直 如1910年 形成尺八口牛軛湖 1970年形成六合垸 yuan 牛軛湖 20公里截彎成1公里 小的截彎取直形成了許多詩情畫意的 新月湖 NewMoonLake 如安慶大龍山 彎道離心力P 科里奧里力F與旁蝕作用關(guān)系 北半球的河流 V為流向 彎道東彎 彎道西彎 下層合力 上層合力 橫向力 離心力 1 彎道環(huán)流形成的剖面圖 a 與平面圖 b 1 流向 2 表層水流 河流右彎時(shí) 離心力 橫向力 合力向右 3 底層水流 河流右彎時(shí) 離心力 橫向力 合力向左 2 3 凹岸 凹岸 凸岸 凸岸 包頭牛軛湖 3溯源侵蝕Retrogressiveerosion 下切侵蝕引起河流朝源頭加長的侵蝕 發(fā)生在溝頭處 片流在此集中 流量 流速增加 侵蝕力加強(qiáng) 發(fā)生溯源侵蝕 若河口處侵蝕面下降 也會發(fā)生溯源侵蝕 溯蝕 下蝕總是相伴而生 下蝕必導(dǎo)致溯蝕 溯源侵蝕使河流變大 變長 把許多支流連成一片 水系 主流 支流 水系分布區(qū)稱流域 如長江流域 分水嶺Dividingcrest 流域與流域之間的高地 秦嶺 巴顏喀拉山是長江 黃河的分水嶺 二側(cè)河流的溯源侵蝕會降低分水嶺高度 如果二側(cè)溯源侵蝕能力相同 分水嶺僅降低高度 位置不變 如果溯源侵蝕能力不同 分水嶺向著侵蝕能力弱的一側(cè)遷移 河流襲奪 由于溯源侵蝕 一條河流將另一條河流上游的水截奪過來 在二條流向垂直的河流之間最易發(fā)生 Section3Transportationofriver一 流水質(zhì)點(diǎn)的兩種運(yùn)動(dòng)方式1 層流Laminarflow 流體流動(dòng)時(shí) 質(zhì)點(diǎn)不互相混合 流動(dòng)的層與層之間不交錯(cuò) 在水淺 流速慢 河床平滑的河段 可成層流 2 紊流Turbulentflow 流動(dòng)層交錯(cuò) 質(zhì)點(diǎn)互相混合 河流主體表現(xiàn)為紊流運(yùn)動(dòng) 二 物質(zhì)的三種搬運(yùn)方式Traction suspension solutiontransport1 拖運(yùn) 底運(yùn) 物質(zhì)粗大者多在河床底運(yùn) 當(dāng)流速變小時(shí)很容易發(fā)生沉積 2 懸運(yùn) 物質(zhì)較細(xì)者 則呈懸浮狀態(tài)搬運(yùn) 如粘土 3 溶運(yùn) 物質(zhì)極細(xì)者 便呈溶液狀態(tài)搬運(yùn) 溶運(yùn)物主要有Ca Mg 碳酸鹽等 層流 a 與紊流 b 剖面圖 河床堆積 四川大寧河 三 河流的沉積作用 專指河流范圍內(nèi)的沉積1 沉積的原因 流速降低 流量減小 搬運(yùn)物增多 搬運(yùn)力小于搬運(yùn)量 2 河流沉積物 沖積物Alluvium 的五大特征 1 分選性好長時(shí)間穩(wěn)定的河流水動(dòng)力 可使各種粒級的物質(zhì)充分分開 磨圓度好長距離搬運(yùn) 使巖塊變圓滑 成層性好二個(gè)周期變化因素 洪水期 粗 枯水期 細(xì) 夏季 顏色淡 冬季 顏色深 韻律性好形成遞變層理 河流的一次側(cè)向擺動(dòng) 由下到上可形成 河床沉積 粗 河漫灘沉積 中 牛軛湖沉積 細(xì) 具流水成因的原生構(gòu)造沖刷痕 砂丘 Dune 大的波痕 波痕 交錯(cuò)層 前積層 foresetbed 等 四 沉積作用形成的地形1 心灘Channelbar開闊處流速變小 產(chǎn)生雙向環(huán)流 粗碎屑沉積在河流中部 不斷淤積成心灘 心灘在洪水期淹沒 枯水期露出水面 2 江心洲Centralbar心灘擴(kuò)大則為江心洲 江心洲的特點(diǎn)是 洲頭侵蝕 洲尾沉積 向下游遷移 一般洪水不會淹沒 如移向河邊 則和河漫灘會合 如南京八卦洲 湘江橘子洲 3 邊灘Pointbar 點(diǎn)沙壩 凸岸的堆積體 洪水期淹沒 由單向環(huán)流形成 4 河漫灘Floodplain與沖積平原Alluvialplain 邊灘加寬 加高 面積加大 形成河漫灘 洪水期淹沒 枯水期露出水面 寬廣的河漫灘可形成平原或丘陵地區(qū) 河漫灘的二元結(jié)構(gòu) 下部為河床砂礫沉積 上部為河漫灘泥質(zhì)粉沙質(zhì)沉積 自然堤Dam 洪水溢出河岸 流速驟降 大量泥沙沉積 形成自然堤 如長江蕪湖與安慶間的自然堤 多為一般年份阻擋洪水的天然屏障 沖積平原 河床連續(xù)擺動(dòng) 河漫灘連片擴(kuò)大 形成沖積平原 主要由河流沖積物組成 區(qū)別 洪積平原 5 三角洲D(zhuǎn)elta 在河口部位 因流速降低 動(dòng)能減小 形成的大規(guī)模沉積體平面上呈三角形 稱之 進(jìn)一步發(fā)展則形成三角洲平原 河漫灘與河床沉積 河底砂卵石沉積 河曲遷移形成的邊灘 漫灘粉砂與黏土 自然堤 侵蝕方向 沉積 侵蝕 三角洲的形成條件 1 有充足的沉積物來源 2 河口處坡度較小 易于沉積 日本東部不能形成 3 水動(dòng)力較小 沉積物易于保存 三角洲的形態(tài) 1 鳥嘴狀 一條河流入海者 如長江 2 鳥足狀 若干條河流入海者 如密西西比河 3 扇形 許多條河流入海著 如黃河 唐時(shí)揚(yáng)州位于長江口 是個(gè)重要出海港口 唐天寶十二年 753年 鑒真和尚從這里東渡日本 當(dāng)時(shí)的揚(yáng)州 地位相當(dāng)于今日上海 舟檣櫨比 車谷鱗集 交通繁忙 手工業(yè)很發(fā)達(dá) 所產(chǎn)銅鏡久負(fù)盛名 首飾玉雕制作精湛 造船業(yè)興旺 現(xiàn)時(shí)的上海是公元十世紀(jì)才露出海面形成陸地的 元朝至元二十八年 1219年 才設(shè)縣 1850年才成為商埠 Section4Degradationofriver1 均夷化Gradation 河流削去河底的突起 填平凹地 達(dá)到平衡的過程稱之 2 去均夷化Degradation 當(dāng)侵蝕基準(zhǔn)面 海平面 下降 陸地上升時(shí) 平衡會被破壞 河流就會重新下蝕 此過程稱為去均夷化 它可形成 1 深切河曲Incisedmeander 深切基巖的河流 2 河流階地Terrace 3 河流階地六點(diǎn)特征 1 原谷地殘留在新的谷坡之上 2 形態(tài)上具平坦的表面和陡坎 陡坎向河 3 沉積物為泥 沙 礫 4 可對稱也可單側(cè) 5 洪水季節(jié)也不淹沒 6 形成多級階地 底新頂老 4 三級河流階地I級AccumulationT 近河床的堆積階地 沉積物 II級Basementterrace 基座階地 沉積物 基巖 III級ErosionT 遠(yuǎn)河床的侵蝕階地 全為基巖 雨花臺為浦鎮(zhèn)組Np堆積階地 故雨花石多 第五節(jié)準(zhǔn)平原化與地貌演化1 準(zhǔn)平原化Peneplaining 使高山變成平原的地質(zhì)作用稱之 為河流老年期的標(biāo)志 2 夷平面Planationsurface 當(dāng)后期地殼抬升時(shí) 海拔高出平原 河流再下蝕 起伏增大 導(dǎo)致原先被松散沉積物復(fù)蓋的平地抬升 形成一系列起伏的山地 其相鄰的平坦山頂位于同一高度 代表當(dāng)時(shí)準(zhǔn)平原的表面 稱作夷平面 漓江河床礫石 河灘漫雙層結(jié)構(gòu) 漓江 3 夷平面的年齡 a 保存最老的夷平面不超過140Ma 白堊紀(jì)K b 越高越老 天山夷平面往往大于2000米高度 4 河流地貌的三期演化 幼年期地貌 以下蝕為主 形成高山峽谷 V字形河谷 壯年期地貌 以旁蝕為主 形成寬廣的河谷和低山丘陵 老年期地貌 形成準(zhǔn)平原 地表微弱起伏 存在少數(shù)孤立殘山 如淮北準(zhǔn)平原 第六節(jié)河流發(fā)育同地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系1 具體的河流與局部構(gòu)造有關(guān) 2 水系型式反應(yīng)隱伏的構(gòu)造 3 區(qū)域河流分布與區(qū)域構(gòu)造有關(guān) 本章重點(diǎn)1概念 河谷橫剖面形態(tài)要素 侵蝕方式 溶蝕 水沖力 磨蝕 侵蝕方向 1 下蝕 取決于流速 水中泥砂量 河床巖石性質(zhì)及地質(zhì)構(gòu)造等 2 旁蝕 3 塑源侵蝕 三種侵蝕產(chǎn)物 V型河谷 侵蝕基準(zhǔn)面 橫向環(huán)流 截彎取直 河流襲奪 搬運(yùn)方式 拖運(yùn) 懸運(yùn) 溶運(yùn) 沉積原因 沉積作用形成的地形 去均夷化及其產(chǎn)物 河流地貌的三期演化 2基本特征河流沉積物 沖積物 的5點(diǎn)特征 三級河流階地特征 夷平面特征 河流三角洲沉積特征與形成條件 河漫灘的二元結(jié)構(gòu) 河流階地6點(diǎn)特征 三級河流階地特征