风化作用与重力地貌.ppt

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1、第五章 地貌学,讲授：陈诗越,第三节 风化作用与重力地貌,风化作用 风化壳 重力地貌,一、风化作用,1、风化的概念：出露地表的岩石，在太阳能、大气和生物的作用下，发生崩解和破碎，变为松散的碎屑物，这种在原地发生的物理和化学变化称为风化作用(weathering)。,2、风化作用的类型,物理风化化学风化生物风化,（1）物理风化(physical weathering),物理风化指由胀缩的变化引起的机械崩解作用，故又称机械风化。温度的季节变化和昼夜变化，使岩石表层经受长期的热胀冷缩而崩解分裂，由大块变成小块，由小块变成更小的碎屑，以至成为砂粒，但其化学成分不变。此外，在岩石裂隙和孔隙中的水冷却结冰

2、时，体积增大9，这时对围岩的压力可达6 000千克每平方厘米，如此冻融反复进行，对岩石产生巨大的破坏力，并使其崩解、破碎，这种作用又称冻融风化作用,化学风化指岩石表面在水、氧、二氧化碳、有机酸等作用下产生溶解、结晶、水化、水解，碳酸化和氧化等一系列复杂的化学变化。在强烈的化学作用下，不仅岩石的结构成分受破坏变成松散的土层，而且矿物成分也发生变化。,(2)化学风化(chemical weathering),生物风化指生物在其生长和分解过程中，使岩石矿物受到物理和化学作用。生物的物理风化作用包括植物根系发育(树根发育可对围岩产生10-15千克每平方厘米的作用力)，动物如蚯蚓、田鼠和蚂蚁等挖掘洞穴，

3、使岩石矿物遭受机械破坏。生物在矿物遭受破坏的过程中，一方面从岩石矿物中吸取养分，另一方面也分泌出各种酸，如碳酸、硝酸和各种有机酸等，对岩石矿物进行强烈化学分解，即产生生物化学风化作用。,(3)生物风化(biogical weathering),三种风化作用在自然界往往不是单独进行的，而是同时交替进行。至于一个地区、个时期以哪种作用为主，则取决于具体的气候条件，如高山高纬地区以物理风化为主，湿热地区以化学风化为主，如果该地区植物繁密，则生物风化作用亦占重要地位。,(1)气候因素 气候对风化的影响主要通过气温和降水量来实现。气温年较差和日较差大，有利于物理风化作用的进行。气温的高低对矿物的溶解度、

4、水溶液的浓度和化学反应速度等有很大影响。降雨量的多寡除影响地面冲刷外，对化学风化和生物风化起重要作用，因此不同气候带的风化作用有明显差异。,3、影响风化作用的因素,极地和高山地带：终年温度在0以下，以冻融作用为主，化学作用缓慢，故长期处于物理风化阶段。干旱荒漠地带：日照强，温度日较差大，年降水量小于250毫米，蒸发量大于降水量。在这种情况下，化学风化除氧化外，溶解和水化学作用也有发生，但氯化物和硫酸盐不能全部被淋溶，故仍处于物理风化为主的阶段。,半干旱草原地带：日照强，年降水量250-500毫米，蒸发量大于降水量。物理风化作用强，而化学风化作用亦较活跃。氯化物和硫酸盐等大部分被淋溶，钙镁盐类则

5、相对富集，形成钙积层，故处于富钙阶段。半湿润森林草原地带：年降水500-750毫米，蒸发量与降水量大致相等。以化学风化为主，处于富钙或富硅铝两阶段之间。,温湿地带：年降水量750-1000毫米，降水量大于蒸发量，处于化学风化为主的中期阶段，形成富硅铝残积物。湿热地带：年降水量大于1000毫米，终年高温，有利于化学风化作用迅速进行。高温加速水解作用，多雨增大化学风化效能，同时高温多雨使植物繁茂，各种有机酸及细菌作用活跃，生物风化作用也得到加强。长期处于富铝阶段，发育很厚的(可达200米以上)红色风化壳。,坡度、高度和切割程度的不同，使风化的深度、厚度和强度有所差别。缓坡上的风化强度和深度比陡坡强

6、。不同坡向和不同高度通过温度、水湿条件差异，间接地影响风化。地形切割程度不同，不仅使地表和地下水的循环条件不一样，而且造成小气候差异，对化学和物理风化的进行有显著的影响。,(2)地形因素,岩石的矿物成分、结构、构造都直接影响风化作用。岩石的抗风化能力取决于组成岩石的旷物成分，而各种矿物对化学风化的抵抗能力，即它们的相对稳定性差别很大(表3-1)。,(3)地质因素,表3-1 化学风化对造岩矿物的相对稳定性,相对稳定性,造 岩矿 物,极稳定,稳 定,不大稳定,不稳定,石 英,白云母，正长石，微斜长石，酸性斜石,普通角闪石，辉石类,基性斜长石，碱性角闪石，黑云母，普通辉石，橄榄石，海绿石，方解石，白

7、云石，石膏,硅酸盐类的造岩矿物风化过程：钾长石绢云母水云母高岭石。辉石、角闪石绿泥石水绿泥石蒙脱石多水高岭石高岭石。黑云母蛭石蒙脱石高岭石。白云母水云母贝得石蒙脱石多水高岭石高岭石。石英(部分)硅酸石髓次生石英。在适宜的气候条件下，高岭石进一步分解成铝土矿和石髓等，而辉石、角闪石、黑云母还分解成褐铁矿和针铁矿等。,花岗岩含有较多的石英和长石，即含有较多的硅铝元素，而含钙量很少，可较快地进入硅铝化阶段，容易形成富含石英和高岭土的风化壳。玄武岩含钙多，因此碳酸盐化阶段较长，碳酸钙的白色薄膜可包裹岩石碎屑。橄榄石等超基性岩，含铁量高，形成含褐铁矿和针铁矿等风化壳，此即残积铁矿，在一定的条件下还可形成

8、残积镍矿。,砂岩含硅多，形成石英砂，蛋白石等风化壳。页岩、板岩为不含碳酸盐的粘土质岩石，形成粘土风化壳。石灰岩、泥灰岩和白云岩等含碳酸盐的岩石，易受化学风化和溶解，当可溶解的碳酸钙被带走后，余下杂质则形成残积层，一般为黄色或红褐色塑性相当大的粘土，只有在其下部才有石灰岩碎屑。,岩石的矿物结构也影响风化作用，由粗粒结构矿物组成的岩石比细粒的容易风化。粒度差异大的比等粒矿物组成的岩石容易风化。致密等粒矿物组成的岩石，如花岗岩和玄武岩具有三组相互直交的原生节理，易形成球状风化及层层剥离现象。,球状风化,、风 化 带 地壳最上部发生风化作用的地带。风化带的深度由于风化作用的因素、方式和强度的不同而不同

9、，从地表向地下依次出现全风化带、强风化带和弱风化带。,二、风 化 壳,1、概念,风化作用使地球表面和接近地表的岩石圈遭受物理破坏和化学分解，有的仅在结构上发生变化，有的成分亦发生变化，并在原地生成松散的堆积物，称残积物，其岩性与原来基岩相似，但又不完全相同,、残积物(eluvium),由残积物所组成的覆盖于地壳表面的整个复杂剖面的总体，称为风化壳(weathered crust)。因此残积物是风化壳的一部分，而风化壳则是岩石圈的一部分。,、风化壳(weathered crust),风化壳剖面示意图,、岩石成分、矿物成分、化学成分和下伏基岩有密切的联系；、是基岩风化破碎后留在原地的风化物质，未经

10、搬运磨圆，未经分选，不具层理；、残积物经长期风化，所形成粘土矿物，常粘附在石英砂的表面；、残积物的结构等特征向下伏基岩逐渐过渡；、由上而下风化程度逐渐减弱，颗粒由细变粗。,2、残积物的特征,气候是风化壳形成的主要因素，它影响风化发育阶段和强度等，因此气候对形成不同的风化壳类型起着决定性作用。,3、风化壳类型,风化壳形成后，被后来的各种堆积物覆盖，而保留下来的风化壳称为古风化壳(paleo-weathered crust)，在一定的地形构造条件下，可形成多层古风化壳。,古风化壳,成土作用是指残积物的表层在一定条件下发育成土壤的过程。即残积物的表层，通过生物风化、物理风化和化学风化发生了物质移动和

11、能量转化。它包括了土体内有机质的积聚和分解，矿物的形成和破坏，元素的迁移和变换，土壤剖面结构的形成和发展，这一切就是土壤的形成过程。,4、成土作用(soil forming process),土壤是残积物的表层，经成土作用发育而成，即经有机酸对残积物发生生物化学作用，使土质富含腐殖质而具有肥力。残积物与土壤最根本的区别是它不具有肥力。其次土壤形成速度比风化壳和残积物的形成快得多。在湿热气候条件下，形成一个完整的风化壳，需要几十万年到几百万年，而在同样气候条件下，形成土壤剖面只需几十年或几百年。,、土壤与残积物的区别,现代土壤是指在现代成土条件下发育而成的土壤。森林土壤 是在湿润、半湿润区域森林

12、植被下发育的土壤。从寒带到热带除干旱和半干旱地区外均有森林土壤分布，包括灰化土、灰黑土(灰色森林土)、棕壤、褐土、黄壤和红壤等。,、现代土壤,草原土壤 草原土壤是在半干旱草原区形成的土壤。包括黑钙土、棕钙土、灰钙土以及草原红土等。,、现代土壤,荒漠土 干旱地区发育的土壤。包括灰漠土、灰棕漠土和棕漠土等。我国荒漠土分布在新疆、甘肃、青海、宁夏等省区。由于降水稀少等原因，岩石风化和成土作用微弱，土体中元素很少迁移，碳酸钙在土壤表面积聚，即使较易移动的石膏和易溶盐类亦淋洗不深，有机质含量少，大多在05-03以下。,、现代土壤,古土壤是指非现代成土条件下形成的土壤。古土壤形成于第四纪及第三纪末，具有埋

13、藏或非埋藏的表面。,、古土壤(paleosoil),古土壤与现代土壤的区别:古土壤的剖面一般不完整，大多没有腐殖质层，即使有也由于易遭分解而颜色变浅，或易遭炭化而染成黑棕色。淋溶层下部与淀积层则为质地较粘的粘化层，因铁的富集，颜色带红。淀积层下部为富含碳酸钙的淀积层，常聚集形成钙结核或姜结石。现代土壤一般有完整的剖面，有色暗的腐殖质层，淋溶层的颜色较浅，其粘性不如古土壤。,、古土壤,古土壤的存在，表示当时地面稳定，既没有强烈的剥蚀，也没有快速的堆积，使土壤发育较充分。故可根据古土壤的剖面特征及埋藏条件等来研究第四纪古气候、古地貌等，古土壤也是划分第四纪地层和冰期、间冰期的重要依据。,、古土壤,

14、三、重力地貌,块体运动崩塌滑坡蠕动,（一）、块体运动,岩体和土体在重力作用及地表水地下水影响下沿坡向下运动称为块体运动(mass movement)。可分为崩落、滑落和蠕动三类。,块体运动地貌类型图,1、基本要素 崩塌(collapse)是指斜坡上的岩土块体，在重力作用下，突然发生沿坡向下急剧倾倒、崩落现象。崩塌的运动速度很快，有时可以达到自由落体的速度。崩塌的体积可以从小于1立方米直到若干1亿立方米。如川藏公路1968年发生的拉月大崩塌，就有600米厚的岩层发生崩塌。一个典型的崩塌，必须具备母体、破裂壁、锥形堆积体等基本要素。,（二）、崩塌及崩积物,2、形成条件(1)地形条件 地形条件包括坡

15、度和坡地相对高度。坡度对崩塌的影响最明显，一般说来，由松散碎屑组成的坡地，当坡度超过它的休止角时则可出现崩塌。由坚硬岩石组成的坡地，坡度一般要在5060以上时才能出现崩塌。崩塌发生的最佳地形坡度是45 60之间。,（二）、崩塌及崩积物,2、形成条件(2)地质条件 在节理和断层发育的山坡上，岩石破碎，很易发生崩塌。当地层倾向和山坡坡向一致，而地层倾角小于山坡坡度时，常沿地层层面发生崩塌。软硬岩性的地层呈互层时，较软岩层易受风化，形成凹坡，竖硬岩层形成陡壁或突出成悬崖，易发生崩塌。,（二）、崩塌及崩积物,2、形成条件(3)气候条件 崩塌通常发生在降雨季节。很多崩塌发生在暴雨时或暴雨后不久。暴雨增加

16、了岩体负荷，破坏了岩体结构，软化了粘土层夹层，减低了岩体之间的聚结力，加大下滑力并使上覆岩块失去支撑而引起崩塌。,（二）、崩塌及崩积物,（二）、崩塌及崩积物,2、形成条件(4)地震因素 地震是崩塌的触发因素。地震时，能形成数量多而规模很大的崩塌体。例如，1920年宁夏海原8.5级地震，仅在极震区就有650多处发生大规模的崩塌。,（二）、崩塌及崩积物,2、形成条件(5)人为因素 在山区进行各种工程建设时，如不顾及地形条件，任意开挖，常使山坡平衡遭到破坏而发生崩塌。另外，任意砍伐森林和在陡坡上开垦荒地也常引起崩塌。,3、倒石堆(talus)崩塌下落的大量石块、碎屑物或土体都堆积在陡崖的坡脚或较开阔

17、的山麓地带，形成的崩塌堆称倒石堆(岩屑堆或岩堆)。,（二）、崩塌及崩积物,3、倒石堆 倒石堆是一种倾卸式的急剧堆积，结构多呈松散、杂乱、多孔隙、大小混杂而无层理。倒石堆块体的大小从锥底到锥尖逐渐减小；先崩塌的岩土块堆积在下面，后崩塌的盖在上面。由于每次崩塌的强弱不同，形成碎屑大小不等的近似互层，因此，有时在倒石堆剖面上可以看到假层理现象。,（二）、崩塌及崩积物,崩落地貌,4、工程治理 在山区经常发生崩塌，使村庄、道路和渠道常受破坏，造成灾害。防治首要的工作是圈定崩塌区和近期可能发生崩塌区的范围，查明与成灾密切有关崩塌体的详细情况，然后再制定处理措施。,（二）、崩塌及崩积物,4、工程治理 如果倒

18、石堆正在发育，在工程建设规划时应尽量避开或绕过，对表层、局部的不稳定岩体，可采用清挖、锚固、网包或栏档等工程加固处理。对已基本稳定的倒石堆，通过适当的地基加固处理，可考虑利用。要注意的是必须防止地表水的集中和大量的渗入。通过地下挡水或排水工程有效降低其地下水位，对提高倒石堆的整体稳定性将有重要的意义。,（二）、崩塌及崩积物,滑坡(landslide)系指构成斜坡上的岩土体在重力作用下失稳，沿着坡体内部的一个(或几个)软弱面(滑动面)发生剪切而产生整体性下滑的现象。,（三）、滑 坡,、滑坡体 斜坡上向下滑动的那部分岩(土)体称为滑坡体。它以滑动面与下伏未滑动地层分隔开来。滑坡体虽有局部的土石松动

19、破碎，但因呈整体下滑，移位之后，基本保持原有的层位关系和节理、构造的特点。滑坡体的规模大小不一，从几十立方米到几亿立方米不等。,（三）、滑 坡,1、滑坡要素,（三）、滑 坡,1、滑坡要素,、滑动面和滑动带 滑坡体沿其滑动的面称滑动面。在均质土体中滑动面呈圆弧形。滑动面有时只有一个，有时有几个，故可分出主滑动面和分支滑动面。沿滑动面有时可见擦痕及磨光面。有时在滑动面附近的土体有一层明显揉皱的结构扰动带，称为滑动带。滑动带的厚薄不一，从几厘米到数米不等。,（三）、滑 坡,1、滑坡要素,、滑坡床(滑床)指滑动面以下的稳定岩土体。滑坡床与地面的交界线称为滑坡周界，它圈定了滑坡作用的范围。,、滑坡壁和滑

20、坡台阶 滑坡体与坡上方未动土石体之间，由一半圆形的围椅状陡崖分开，这个陡崖称为滑坡壁。一般坡度为6080，高度数厘米至数米不等。滑坡壁是滑动面的出露部分，它的高度代表滑坡下滑的距离。滑坡壁上常留有擦痕。,（三）、滑 坡,2、滑坡地貌形态,、滑坡壁和滑坡台阶 滑坡体下滑时，由于上下各段滑动速度的差异，或滑动时间的先后不同，常产生分支滑动面，把滑坡体分裂成几块滑体。滑体之间相互错断，构成阶梯状的地面，叫滑坡台阶。因滑体沿弧形滑动面滑动，故滑坡台阶原地面皆向内倾斜呈反坡地形。这种反坡地形可由“醉汉树”(“醉林”)反映出来。,（三）、滑 坡,2、滑坡地貌形态,（三）、滑 坡,2、滑坡地貌形态,、滑坡洼

21、地与滑坡湖 滑坡体向下移时，在滑坡体与滑坡壁间由于土体外移以及滑坡体的反向倾斜而形成月牙形洼地，有时积水成湖，称滑坡湖。此外，在滑坡台阶与鼓丘之间亦可有低洼凹地分布。,、滑坡舌和滑坡鼓丘 在滑坡体的前缘，形如舌状地突出部分称滑坡舌。有时因前面受阻，同时又受到后方土体的压力作用，被挤压而鼓起成弧形土脊，称滑坡鼓丘。土脊上分布有扇状张裂隙，脊内土层常有褶皱构造形态。,（三）、滑 坡,2、滑坡地貌形态,（三）、滑 坡,2、滑坡地貌形态,、滑坡裂缝 滑坡地面裂缝纵横交错，甚为破碎，按裂缝展布方向、位置、性质，可划分为四种：后缘拉张裂缝；前缘(下部)鼓张裂缝；两侧羽状剪切裂缝；中部横向“凸”型裂缝。,滑

22、坡裂缝,3.影响滑坡的因素,（1）地下水地下水可使土（岩）体发生复杂的物理化学过程而失去稳定，产生滑坡。如：a.土（岩）提颗粒间的孔隙水将降低颗粒间的吸附力；b.地下水能溶解土体中的胶结物；是土体失去黏结力；c.饱含水分的土（岩）体，增加土体单位体积的重量，因而加大平行滑动面的重力分力；d.地下水运动时，产生动压力，能使土体发生滑动；e.地下水沿滑动面运动，使摩擦系数减小，阻力降低。,3.影响滑坡的因素,（2）地表水地表水对滑坡的影响表现为：a河水的侵蚀或海浪、湖浪的冲击，在河岸、海岸和湖岸坡脚水面附近进行掏蚀，使岸坡物体失去支持而产生滑坡；b降雨或融雪时，将有一部分水分渗透到土壤中，将其浸润

23、而使之滑动。,3.影响滑坡的因素,（3）斜坡岩石结构和岩性岩石结构和滑坡的关系表现在滑坡常沿断层面、节理面、岩层不整合面或岩层层面滑动，尤其在岩层倾向与斜坡倾向一致，而岩层倾角小于斜坡倾角时最易形成滑坡。,3.影响滑坡的因素,（4）地震地震对滑坡起触发作用，一次大地震，常常形成许多规模巨大的滑坡。如1933年四川岷江上游叠溪地震，在数分钟内发生巨大滑坡（伴随崩塌），约有1亿立方米的土石滑动，形成100多米高的滑坡壁，滑坡体将岷江堵塞，有三处因堵塞积水成湖，高出原河床160多米。地震后20天，最上一个湖泊的湖水盈溢，注入下游湖中，至10月7日，又将下游湖注满，水溢堤而出，至10月9日下午7时左右

24、，堤坝崩溃，湖水倾出，犹如一道水墙直冲而下，水流经过处，将两岸村庄人畜和碎石全部卷走。,3.影响滑坡的因素,（5）人为因素人为因素大都是人工挖土，破坏斜坡稳定而使滑坡发生滑动。如在可能发生滑坡的斜坡下部或在稳定的古滑坡体的下方开挖土体，降低了支持上部土体的阻力而引起滑动。此外，人工在坡顶堆积废渣土，加大坡顶载荷而引发滑坡；人工爆破或将水排进滑坡裂缝中，也将促使土体产生滑动。,（1）、按物质组成 土质滑坡：粘土滑坡、黄土滑坡、碎屑堆积层滑坡 岩质滑坡：风化岩浆岩滑坡、沉积层滑坡、变质片岩滑坡,（三）、滑 坡,4、滑坡的类型,（三）、滑 坡,4、滑坡的类型,（2）、按滑动面与岩体结构面之间的关系

25、同类土滑坡；顺层滑坡；切层滑坡。,（三）、滑 坡,4、滑坡的类型,（3）、按滑坡体厚度浅层滑坡(厚度仅数米)；中层滑坡(厚度为数米到20米左右)；深层滑坡(厚度在20米以上)。这样划分便于进行稳定性评价和确定防治措施。,（三）、滑 坡,4、滑坡的类型,（4）、按运动形式 牵引式滑坡：滑坡体前部(下部)首先开裂起动滑移，而后牵引中、上部岩土体依次开裂滑移的滑坡。推动式滑坡：滑坡体先从后缘(斜坡上部)开裂，滑坡体后部的巨大势能逐渐向中、前部推进，在滑坡体前部滑移面附近产生应力集中，当滑坡体前部的抗剪能力支持不住滑动体推力时便产生滑动。,（三）、滑 坡,（4）、按运动形式 牵引式滑坡和推动式滑坡的力

26、学机制和运动形式不同，对它们的整治措施也不一样。若是牵引式滑坡，只需针对前部第一块坡体设置抗滑工程就能防治以后的几块滑动；若是推动式滑坡，就需对整个滑体作防治工程。,4、滑坡的类型,黄土滑坡,长江新滩滑坡,汶川大地震引发的山体滑坡（含崩塌）,滑坡堰塞河道,（三）、滑 坡,5、滑坡治理措施,我国广大人民群众和科技人员，在同滑坡长期斗争的过程中，积累了丰富的经验，总结出了夯填、排水、护坡、减重、支挡等许多整治滑坡的有效方法。,（三）、滑 坡,5、滑坡治理措施,一是消除或减轻水对滑坡的作用，即排除滑坡地表水、地下水和防止水对坡脚掏蚀；二是增加滑坡的重力平衡条件，即改变滑坡外形，降低滑坡重心和修建支挡建筑物而增加滑坡抗滑力。,（四）、蠕动,（四）蠕动 定义：坡面岩屑、土屑在重力作用下以极缓 慢的速度移动的现象称为蠕动(creep)。15o30o的坡度最适宜发生蠕动。,蠕 动 的 过 程,坡 面 上 的 蠕 动 现 象,蠕动形成的鳞片状山坡,