第十二章 河流的地质作用.doc

第十二章 河流的地质作用一、 河流概述地面流水包括片流、洪流和河流，是塑造陆地地貌形态的最重要的地质营力。片流和洪流统称为暂时性流水。而河流则是常年性的线状流水。1 .河流（river） 在固定河道中流动的常年性线状流水称为河流。2 .片流（sheet flow）下雨后沿斜坡流动的暂时性面状流水。3 .洪流（flood current）下雨后沿沟谷及河道流动的暂时性线状流水。二、 河流的侵蚀作用河水在流动过程中，以其自身的动力以及所携带的泥沙对河床的破坏，使其加深、加长和加宽等过程称为河流的侵蚀作用。下蚀作用（bottom erosion）河水挟带的碎屑物质对河床底部产生破坏，使河谷加深的过程称为河流的下蚀作用。侧蚀作用（lateral河水以自身的动力及挟带的砂石对河床两侧或谷坡进行破坏的作用称为河流的侧蚀作用，亦称旁蚀作用。 在河流上游及山区河流，由于河床的纵降比和流水速度大，因此活力在垂直方向上的分量也大，就能产生较强的下蚀能力，这样使河谷的加深速度快于拓宽速度，从而形成在横断面上呈“V”字形的河谷，也称V形谷。河谷主要由谷坡、谷底、河床组成。 河谷两侧斜坡称谷坡，谷坡所限定较平坦的下部称谷底，河床是指常年被水占据的水槽，这三者常称为河谷要素。以下根据我国特色，在中国境内河流的侵蚀作用通过几个部分作分析：分水岭（源头）附近上游活动山地中中游相对稳定山地中（下游）平原区河流入海处（一）分水岭附近(源头)的侵蚀作用分水岭（drainage divide）：流域与流域之间由山体或高地所分开，水流方向不同，分开相邻流域的高地称为分水岭。我国长江流域和黄河流域主干水流水体源头部位的分水岭是巴颜喀拉山脉。而长江流域和黄河流域两大水系的地理分界是秦岭山脉。分水岭以北，所有支流汇集到黄河干流并流入渤海。分水岭以南，所有支流汇集到长江干流并流入东海。 分水岭附近的侵蚀作用主要包括以下两个方面：1.向源侵蚀(up stream erosion) 使河流向源头方向加长的作用称河流的向源侵蚀作用。 沟头汇集了斜坡上分散的片流，使流水集中，流量和流速增加，比周围斜坡上片流侵蚀能力大大增强。山高水高，地下水顺坡或沿断层、节理等构造面向沟谷运动，甚至形成滴答滴答的滴水，它们对源头有一定的侵蚀作用，并有利于在沟头发育泉水，掏蚀岩石，加速沟头向上坡伸长的进程。随着河流向源头方向伸长，分水岭就逐渐变窄，两侧其高度随之降低。 如果分水岭两侧河流向源侵蚀能力相同，则分水岭高度降低，而其位置不发生变化。倘若一侧河流的向源侵蚀能力超过另一侧河流，则分水岭高度降低的同时，就会伴随其位置向着向源侵蚀能力弱的河流一侧移动。 2.河流袭夺(river capture)向源侵蚀能力强的河流向上坡加长的结果可以交切向源侵蚀能力弱的另一条河流，将后者上游的河水截夺过来，这种现象称为河流袭夺。袭夺它河的河流称为袭夺河(capturing river)。被袭夺者称为被夺河（captured river）。 (二)上游活动山地中河流侵蚀作用 上游活动山地中河流的基本特征是：坡度陡，水流急，流速大，河流以下蚀作用为主。 下蚀作用的产物主要有： “V”型谷；急流（湍流）；小型瀑布；局部侵蚀基准面；河流阶地。1.“V”型谷或称峡谷（Canyon）由于坡度陡，水流急，河流产生较强的下蚀作用，将山谷侵蚀呈“V”型的河谷地貌，这种谷地边坡陡峻，坡度高达70以上。 著名的金沙江虎跳峡江面最窄处仅为30m，最陡的坡谷可达70，峡谷深度达3900m。v 瀑布一旦形成，下蚀作用更为强烈，面流瀑布对河床有强烈的洗刷侵蚀作用。在瀑布跌落处，水花四溅，掏蚀下面的岩石，促使上部岩石崩 塌。水流下落，定向击打，在重力作用下可形成深潭。v 由于水力的冲击和飞流溅落与掏蚀，往往会掘掉瀑布陡壁下部的岩层，使陡壁上面突出状如岩坎形态的岩层失去支撑而崩落，导致瀑布向上游后退。 瀑布直泻而下，侵蚀基部岩石，使陡坎下部岩石被淘空形成壁龛。壁龛不断扩大，壁龛上部岩石由于失去支撑力而崩塌形成新的陡坎，于是瀑布不断向上游移动 。 下蚀作用在加深河谷的同时，由于瀑布和急流向上游后退，还使河流向源头发展，加长河谷。河流向源头发展的侵蚀作用称为向（溯）源侵蚀作用。4. 侵蚀基准面（local base level of erosion） 河流下切到一定深度，当河水面与河流注入水体如海、湖等的水面高度一致时，河水不再具有势能，活力趋于零，下蚀作用停止。 因此，注入水体的水面就是控制河流下蚀作用的极限面，常称为河流的侵蚀基准面，可分为最终侵蚀基准面和局部侵蚀基准面。 陆地上大多数河流最终都注入海洋，所以海平面应是河流的最终侵蚀基准面。5.河流阶地（river terrace） 阶地由低到高代表其形成的时间由老到新，分别以一级、二级、三级等表示。 根据阶地组成物质将阶地分为下列类型： 堆积阶地（accumulation terrace） 阶地面和阶地斜坡（陡坎）全由河流冲积物组成，无基岩出露。 基座阶地（basement terrace） 阶地下方有基岩出露，上部为河流冲积物组成。 侵蚀阶地（erosion terrace） 阶地斜坡上基岩裸露，阶地面上无或仅有零星冲击物分布。 （四）中游相对稳定山地中河流的侵蚀作 中游相对稳定山地中河流侵蚀既有下蚀作用，又有侧蚀作用。 （五）（下游）平原区河流的侵蚀作用 河水流出山地之后，地势转为平坦，水面变得开阔，水流相对平稳，与山地中地貌及其侵蚀作用明显有别。在下游平原区形成蛇曲、“U”型谷和牛轭湖等。 总之，（下游）平原区河流以侧蚀作用为主。1 .蛇曲（free meander）在平坦宽阔的冲积平原上流动的河流，其弯道的演化自由而充分，形状象蛇摆动一样，这种异常弯曲的河流弯道称为蛇曲，也称为自由河曲。自然界中任何一条河流总有弯曲。当河水流入凹岸而受到阻挡就沿谷底流向凸岸，因而产生单向环流。在单向环流的作用下，凹岸下部岩石不断受到侵蚀而被掏空，同时上部岩石也随之崩塌，破坏下来的岩石碎屑被单向环流的底流搬运到河流的凸岸进行沉积。这种河流侵蚀作用的结果使河床的凹岸不断向谷坡方向后退，而凸岸不断前伸，河道的曲率逐渐增加而形成蛇曲。 侧蚀作用使河谷加宽和形成河曲、蛇曲的过程2.“U”型谷（“U”type valley）v 在凹岸后退、凸岸前伸的同时，由于主流冲击凹岸的点偏向弯顶的下方，所以河弯最大弯曲点的位置也不断向下游移动，若遇大水时，河谷的凸岸地形不断被削直，使河谷整体河道变得越来越宽和越来越直，这种宽阔的河道称为“U”型谷。最后，河床只在宽阔的谷底迁徒摆动达不到谷坡部位。所以，蛇曲在“U”型谷内最为发育。 3 .牛轭湖（oxbow lake）v 随着河床的摆动，“U”型谷内蛇曲河床相邻两个河弯的距离不断靠近。当洪水期，河水冲溃两个河弯之间的河岸，从上一个河弯直接流入相邻的下一个河弯，这种现象称为河流的截弯取直。被遣弃的弯曲河道的两个河口被泥砂堵塞，演变成象牛轭状湖泊，人们称其为牛轭湖。六）河流入海处最终侵蚀基准面河流的下蚀作用不断使河谷加深，但这种作用不是无止境的，当河水面与河流注入的海平面高度一致时，河水不再具有势能，下蚀作用停止。因此，河流入海处为每一条河流的最终侵蚀基准面。 （七）准平原与河流去均夷化 1.准平原（Peneplain） 地貌发展阶段（W.M.Daivis）： 幼年期河流深切，V形河谷，为高山深谷地貌； 壮年期河谷加宽，谷坡后退，河谷坡度变缓，分水岭高 度降 低成浑圆状； 老年期地面平缓，微弱波状起伏，仅残存一些孤山，此时的地面就为准平原，如淮北平原（徐州）、辽东半岛南部平原等，所代表的地质时期中准平原的表面叫夷平面，可判断地壳上升幅度。2. 河流去均夷化作用（Degradation） 河流通过长期的侵蚀和沉积改变了其纵剖面，向均夷化方向发展，是河流的衰老过程，标志是河流下切能力逐渐衰减。 但是，影响河流下蚀的因素是可变的，因素一旦变化，河流获得新的能量，其下蚀作用将复苏，这种现象就叫去均夷化作用或河流返老还童。 引起因素：一是陆地上升或海平面下降；二是气候变化，如由干燥转为潮湿，结果流量增加，河流得以重新进行下蚀。三、 河流的搬运作用（一）流体的流动形式（P155图11-20） 一种是质点呈平行层状，不互相混合，流动的层与层之间界线不交错，称为层流（laminar flow）； 另一种质点以复杂的流线型式交错，质点相互混合，称为紊流（turbulent flow）。 河水的流动形式基本都是紊流，只有在流速非常缓慢，或水很浅，河床底平滑时可发生层流。（二）物质的搬运方式 以机械搬运作用为主，包括推移、跃移和悬移三种方式。 1 .推移（traction transport）v 流体在运动过程中，对碎屑物质有一个向前的推力，使其沿介质底面滑动或滚动，这种搬运方式叫推移。小碎屑物易被推移，大碎屑物难被推移；比重大者需要大的推力才能移动；球形颗粒易被推移，椭圆形、棱角状碎屑较难被推移。 2 .跃移（saltation transport）v 在搬运过程中，碎屑物质沿地面呈跳跃方式向前移动的过程叫跃移。一般说来，细砂、粉砂的搬运方式以跃移为主。颗粒跃起、降落、再跃起、再降落这种过程反复进行，碎屑颗粒就不断跳跃前进。3.悬移（supension transport）即是粘土、粉砂等较小颗粒，由于流水的紊流作用而呈悬浮状态进行搬运。实验表明，如在清水中撒入粘土和粉砂，它们很快散开，水变浑浊，而且每个颗粒运动的途径都是不规则的。此外还表明，当颗粒的沉降速度小于平均流速的8%或流水的平均流速大于颗粒沉降速度的12倍以上时，颗粒就能成为自由悬浮状态。粉砂和粘土在流水中因紊流运动，一般都保持着悬浮状态，只有当紊流停止时，它们才能沉落下来。 在河流中、上游水急、颗粒较大，推移、跃移和悬移三者共存，且推移、跃移更重要；在中、下游则是跃移和悬移更主要。在河流中的砾石多是以推移搬运，砾石的最大扁平面倾向河流上游，并呈叠瓦状排列。 碎屑颗粒的搬运方式不是固定不变的。（三）搬运能力和搬运量 1.搬运能力（transport competence） 河流能够搬运多大粒径碎屑的能力称为河流的搬运能力（transport competence），它决定于流速。 资料表明，在平坦的河床上当流速小于18cm/s时，细小的颗粒也难以移动。当流速达70cm/s时，数厘米直径的颗粒也能搬运。2. 搬运量（capacity） 河流能够搬运碎屑物质的最大量称为搬运量。 它决定于流速和流量，更重要的是流量。测量流量的单位是m3/s。长江在一般的流速下携带的仅是粘土、粉砂和砂，但数量巨大；相反，一条快速的山间河流可以携带巨砾，但搬运量很小。片流的流量和流速均较小，它只能搬运少量的、细小的碎屑颗粒，但在大雨时，片流借助于重力，也能搬运较大的砾石。洪流的流量和流速均较大，因而具有很强的搬运能力，它能携带大量的泥砂和巨大的石块沿沟谷流动。四. 河流的沉积作用经风化、剥蚀的产物，被运动介质搬运而到达适宜的场所后，由于条件的改变必定要发生沉积、堆积的过程称为沉积作用。经过沉积作用形成的松散物叫沉积物。 “削高填低”是水在地表活动的基本规律，老的岩石由此而破坏，新的沉积物因此而产生。 在特定环境中，有用成分的聚集将形成矿床。（一）沉积作用发生原因 1. 流速发生变化； 2. 河流流量发生变化； 3. 搬运物增加，负荷过重。（二）沉积作用主要场所：1. 河流汇入其它相对静止的水体处，如河流入海、入湖以及支流入主流处；2. 河床纵剖面坡度由陡变缓处；3. 河流的凸岸。（三）冲积物的特征 河流沉积的物质称为冲积物（alluvium）。冲积物都是在流动的水体中以机械方式沉积的碎屑物。因而具有下列基本特征： 1 .分选性较好 这是由于流水搬运能力的变化比较有规律。在一定强度的水动力状况下，只能有一定的碎屑物质沉积下来。 2 .磨圆度较好 较粗的碎屑物质，在搬运过程中相互之间以及碎屑物与河底之间不断摩擦，变圆滑。如河床中的卵石，常常是相当圆滑的。3 .成层性较清楚 这是由于河流的沉积作用具有规律性变化。就同一地点而言，洪水期沉积物粗而且数量多，枯水期的沉积物细而且数量少；夏季沉积物颜色较淡，冬季沉积物颜色较深，不同时期沉积物的成分也会有差别等等，因而在沉积物剖面上表现了成层现象。 4. 韵律性 特征类似的两种或两种以上的沉积物在剖面上有规律的交替重复出现，称为韵律性（rhythmicity）或旋回性（cyclicity）。 5. 具有流水成因的沉积构造 河流沉积物中常见有特征性的波痕、砂丘（dune）以及交错层理等原生构造。（四）沉积的主要类型1 .心滩（channel bar） 河道宽窄不一，流水从窄束段流入开阔段时，流速减小，致使较粗碎屑在河底中部淤积，最初形成雏形心滩。雏形心滩很不稳定，可因后来的冲刷而消失。由于雏形心滩存在，过水断面缩小，水流速度增大，并促使主流线偏向两岸，从而使两岸冲刷后退，产生环流（circulation）。这时表层水流由中间向两岸流动，底层水流从两侧向中间流动，形成两股环流，促进河床中部沉积的发生。流水携带的碎屑沿雏形心滩周围和顶部不断淤积，使之不断扩大和淤高，转变成心滩。心滩在洪水期被淹没，在枯水期露出。如心滩因大量沉积物堆积而高出水面，则转变成江心洲（central bar）。江心洲仅在特大洪水时才有可能被淹没。 2边滩与河漫滩 （1）边滩（point bar） 即点砂坝。它是单向环流将凹岸掏蚀的物质带到凸岸沉积形成小规模沉积体，仅在洪水期被淹没。 （2）河漫滩（flood plain） 边滩变宽、加高且面积增大的产物。河漫滩在洪水泛滥时被淹没，在枯水期露出水面。在丘陵和平原区谷底开阔，可以形成宽广的河漫滩。 在河漫滩沉积物之下，常出现砂和砾石等较粗的沉积物，它们是早先在河底及边滩中