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地質學
第一章 概論
第十二章 河流與河流的地質作用
第十三章 地下水
第十四章 風的地質作用
第十五章 冰川與冰川的地質作用
第十六章 湖泊和沼澤的地質作用
第十七章 海洋
第十八章 海水的地質作用 - 海水的剝蝕和搬運作用
第十九章 板塊構造學說
第十一章 地質圖與地質圖的判讀
第十章 地層與地質時間
第二章 我們居住的地球
第三章 礦物
第四章 岩石概論
第五章 火山與火山作用
第六章 風化和土壤
第七章 地質作用、地殼變動與構造運動
第八章 化石與古生物學
第九章 地殼與生物進化的歷程概述
第二十章 環境地質學
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12-2 地面暫時流水的地質作用
上節談過,地面暫時流水包括片流與洪流兩種,它們一般隨降雨過程產生和消逝。是剝蝕地面的重要動力之一。地面暫時流水的地質作用需從雨蝕說起。
 
一. 雨蝕 
 
雨滴可以每秒100m的高速降落,在撞擊地面時,可將泥沙濺起。這過程如發生在無植被的山坡上,泥沙可向下坡方向濺落,隨同片流作用向下搬移,因而山坡受雨蝕而逐漸降低。
 
二.片流的洗刷作用 
 
片流在斜坡上流動過程中可沖走細粒物質顆粒、粉沙及粘土,並將這些物質帶到斜坡下部,這個過程稱洗刷作用(sheet wash)。片流對可溶性岩石組成的山坡還能產生溶蝕作用,形成溶溝(圖12-2)、石芽地貌。在山坡下部,無數細小股狀水流還具有一定的線狀侵蝕能力。坡面在這種細小股流沖刷作用下,出現無數小溝。山坡上裸露的疏鬆岩層及土壤常受到片流的洗刷,會產生大量的土石及土壤流失。

 

 
當山坡上有較大石塊散布時,石塊保護了底下的鬆散堆積物使其免遭片流的洗刷,時間一長,這部分物質就會高出其四周,突出成為錐形體,稱為土柱(Earth Pille) (圖12-3a)。多的可形成土林或土柱林(圖12-3b)地貌景觀。
 
洗刷作用的強度與氣候,地形及地表的岩性和植被有關。降水量越大,降水越猛烈,洗刷作用的強度越大。據研究,40度左右的山坡表面,表流的洗刷作用強度最大。坡度過緩,雖受雨量較多,但流速較慢,動能較小,洗刷作用強度較弱,坡度過大,山坡受雨量較小,流量較小,功能也相對較小,洗刷作用強度也小。山坡為無粘結性的鬆散物質時,有利於表流的洗刷作用,在半乾旱氣候且降雨強度大的地區,地面缺少植被保護,表流的洗刷作用十分強烈,造成大量水土流失,如我國東北西部地區,特別是黃土高原就是如此。其他如台灣南部古亭坑層分佈的地區如月世界也是如此。山坡上植被遭到人為破壞時,同樣產生嚴重的水土流失。植被繁茂的坡地,尤其是草地,植被削弱了下降雨點的力量,並對鬆散物質起著固定作用,這就降低了面狀侵蝕的速度。甚至在持續下大雨的情況下,有濃密植被保護的山坡,也極難看見土石顆粒被帶走。
 
洗刷作用使山坡上鬆散物質順坡向下搬遷。由於片流水力小且不持久,故物質被搬遷的距離不遠。當片流流到緩坡處流速減慢,水分不斷下滲,所攜帶的碎屑物質就在緩坡上沉積,所形成的沉積物稱坡積物(slope wash)。坡積物未經長距離搬遷,故碎屑棱角明顯,分選性不好,僅略顯一些層理,物質成分與山坡上基岩成分相同。山坡上的碎屑在重力驅動下易向山麓移動,以致坡積物中可見到角礫。坡積物沿山麓分布,形成平緩的地形,稱坡積裙。
 
三.洪流的地質作用及泥石流 
 
(一)洪流的地質作用
洪流在溝谷中流動,既匯集了大量的水,又因溝底坡降大而擁有巨大的功能。洪流以巨大的機械力猛烈沖刷溝底及溝壁岩石的過程稱沖刷作用(scouring)。洪流存在時間短,溶蝕作用相對十分微弱。由沖刷作用形成的溝谷稱沖溝(gulch)。
其形態特徵是溝底狹窄,溝壁陡。沖溝形成後,在沖刷作用的繼續進行下不斷向溝頭方向延伸和向兩壁擴寬,並發展支溝,支溝兩側可再生小支溝。沖溝向溝頭發展可達分水嶺附近,有時造成岩層、岩塊、土石的崩落。台灣山區地層膠結不良地區,及西北黃土高原的沖溝都十分發育,由於沖溝形成後可向分水嶺方向擴展,故在進行工程設計時應注意沖溝可能帶來的土石,地層崩落等不良影響。
 
沖溝的發育除洪流本身的因素而外,在那些山坡缺少植被、土質鬆散的地區,最容易形成沖溝。眾多沖溝可將其地面切割得支離破碎,千溝萬壑,草木稀少。我們把這樣的地面稱為惡地(歹地)。在黃土地區惡地地形十分發育。在台灣在某些膠結不好的礫石層分佈區及泥層分佈區都有小型的惡地地形發育。
 
洪流一旦流出溝口,坡度減小,洪流無側壁約束,水流分散,動能迅速減弱,所搬遷的碎屑物在溝口大量沉積,此種沉積物稱洪積物 (diluvium)。由於洪積物是快速沉積下來且未經長途搬遷,故分選、磨圓均較差,層理也不好。洪積物常
在溝口堆積呈扇形地貌,稱洪積扇(diluvial fan)。洪積扇頂位於沖溝口,扇頂的洪積物堆積厚度大,顆粒粗,通常是一些巨大的礫石,礫石表面常有擦痕,扇面傾角大(15-20º)。由崩頂到扇緣,沉積物厚度減小,粒度變細,扇面傾角漸平緩(1-2º)。
 
洪積扇發育在山區和平地交接地帶,它廣泛出現在我國大陸和台灣西部地區,特別在滇西和河西走廊等地區。它們和山口河流沉積物的沖積扇相連接,重疊,組成山前沖積-洪積平原。兩個以上的洪積扇也可在山前構成聯合洪積扇。在新構造運動頻繁的地區,沖溝和洪積扇形成之後,山丘不斷上升,沖溝加深加長,洪流繼續把碎屑物攜往沖溝口外沉積,於是在已形成的洪積扇外緣,又形成新的位罝較低的洪積扇。每個較新的洪積扇扇頂都嵌入在較老的洪積扇扇緣內,新老洪積扇之間有一陡坎。這種新洪積扇頂嵌入老洪積扇扇緣的組合稱為上疊式洪積扇,它是地殼上升區的一種暫時性流水沉積地貌。
 
(二)泥流,泥石流
大量堆積的鬆散泥沙、岩屑、石塊等,由於水分充分浸潤飽和及地面流水的作用,可沿著沖溝的斜坡向下流動。這種含有大量泥、沙、石塊固體物質,會突然爆發,歷時短暫,來勢卻兇猛。這些具有強大破壞力的特殊洪流,可因其力學性質、運動與堆積特徵而分別為泥流(Mud flow)、泥石流(debris flow)與泥石急流(debris torrent)。
 
1.泥流
泥流為泥、細粒石屑、和水的混合體,顆粒以泥、粉砂和砂粒為主,大顆粒較少。泥流多發生在沙漠、乾旱地區或膠結不良的泥層地區。常常因為突發的暴雨沿山谷發生。因密度大,可以搬運極大石塊,造成巨大災害。另有火山爆發造成的火山泥流已在第七章中討論過。
 
2.泥石流
泥石流為泥、石屑與水的混合體,其中石屑較多,顆粒較大。按其中組成物的特性不同又可分為多種泥石流。分別討論於下。
 
3.泥石急流(Debris Torrent)
是巨大快速的泥石流。
 
A.泥石流的特徵
泥石流有突然爆發的特點。當泥石流爆發時,能聽到山中巨響,傾刻之間水霧騰起,泥石流像一條〝巨龍〞奔騰咆哮,破山而出,只見巨大石塊翻漲,泥漿飛濺,石塊撞擊聲雷鳴般地響徹山谷。泥石流的前鋒常是一股濃濁而黏稠的〝洪流〞,其中泥、沙、石塊含量可高達60-80%,形成重液流。這些重液流形成泥石流的〝龍頭〞,〝龍頭〞以高出溝床幾米至十幾米的高度順溝傾瀉而下。小石塊(直徑lm以下)在泥漿中翻滾移動,而大石塊(直徑2-5m以上)則像航船一樣在泥漿上飄浮滾動而下。由於泥石流比重大、在泥多時質地黏稠,具有特殊的結合浮托能力,往往能在很短的時間內可帶出數十萬立方米乃至數百萬立方米的固體物質,能將數十頓,數百頓乃至上千頓的巨石從山區內搬運到山區之外,以驚人的破壞力摧毀沿途中的一切建築物,埋沒農田、森林,堵塞江河,沖毀路基橋樑和灌溉渠道,給國民經濟建設和人民的生命安全帶來極大的危害。這是台灣南投地區1996年7月31日至8月1日由賀伯颱風引發的泥石流的真實寫照。台灣處於新構造運動頻繁地區,山坡大,地層多為快速沈積之疏鬆岩石,或多節理的岩層,故極易造成這類泥石流,不可忽略。
 
我國西藏東南部古鄉溝於1953年9月29日夜間突然爆發了一次特大規模的泥石流,大量泥,沙,石塊堵住了通向山外的峽谷,形成高出溝床40-90m的〝龍頭〞,直泄山外,毀壞了大片森林和莊園。之後,這條泥石流又發生了多次。泥石流沖出溝口後,形成了幾平方公里的扇形〝石海〞。攜帶出來的一塊花崗片麻岩巨石,體積為364m3,估算其重量達940t。泥石流堆積物沖進波斗藏布江,迫使江面縮窄至30m,上游阻塞成一個寬約2km,長約5km以上的湖泊。
 
這類規模宏大的泥石流對地表的改造是十分強烈的。它推倒山崖,鑿蝕溝谷,進行驚人的搬運作用及堆積作用。
 
B.泥石流的類別
按照泥石流的力學性質、運動和堆積特徵可將其劃分為粘性泥石流和稀性泥石流。
 
粘性泥石流(又稱結構型泥石流)中固體物質常達40-60%,最高達80%,細粒物質(粘土、粉沙)較多時,容重1.6-2.4t/m3,可以形成黏稠的整體(溶液),其運動特點主要表現為有很大的粘稠性。粘性泥石流中的水不是搬遷介質,而是泥石流物質組成部分,水和泥、沙、石塊凝聚成一個粘稠的整體,並以相同的速度作整體運動。即使它流到開闊的地段,也不發生散流現象,停積後仍保持運動時的結構,水分不能自由流失。
 
稀性泥石流(又稱紊流型泥石流)中的水是主要成分,固體物質占10-40%,容重為1.3t/m3,固體物質中粘土和粉沙含量少,故不能形成黏稠的整體溶液。稀性泥石流以水力搬運這些介質,在運動過程中,水與泥、沙組成的泥漿運動速度大於石塊運動速度,屬紊流性質。當其流入開闊地段時則呈扇形散流,停積後,水與泥漿即慢漫流失。
 
C.泥石流的形成條件
泥石流是在山高溝深、地勢陡峻,特別是多膠結不良與少植被的山區,由於鬆散的固體物質大量堆積,在突發性暴兩作為基本動力作用下而形成的。故形成泥石流的基本條件是地形、鬆散物質和氣候條件。
 
(1)地形
泥石流通常發育於地勢陡峻、溝床縱比(溝床的高度與長度比)降大、流域形狀便於水流匯集的地形。完整的泥石流流域像一條頭大細尾巴散開的金魚一樣,從上游到下游一般可分為三個區段(圖12-4)。
 
形成區:位於流域上游區段,多為三面環山,一面出口的斗形凹地。其坡面陡峻,坡度多為30-60,植物不發育,山體光禿破碎,有利聚集來自周圍山坡的水體與固體物質。
 
流通區:一般位於泥石流溝的中游地段,地形上多為狹窄溝谷,溝床縱比降大,常有陡坎或跌水,谷坡陡峭,坡度一般在20-40º,溝谷橫剖面呈〝"ㄩ〞字型。
 
堆積區:位於泥石流溝下游,一般在山口以外平緩的開闊地,多呈扇形或錐形地形。
 
(2)鬆散物質
泥石流形成區,常是寒凍風化和其它物理風化作用十分強烈地區,常發生山崩、滑坡,大量的岩塊崩落的凹地地區,形成巨厚的鬆散堆積物地區,或者是岩層的組成物是疏鬆的(膠結不良或多節理)的地區。這些地區為形成泥石流提供了豐富的固體物質。
 
地形陡峭的地區往往是新構造運動上升強烈的地區,這類地區,岩層常膠結不良或沒有膠結,一些膠結良好的岩層常多節理,而且縱橫交錯的斷裂又為風化作用的進行創造了條件,地震或暴雨又使堆積物失去穩定性。在有大量堆積物,又有誘發因素的情況下,就為泥石流的爆發創造了先決條件。
 
(3)氣候 
水是泥石流的組成主要部分,它對固體物質起著浸潤作用。待到降雨天氣,固體物質中水達到飽和時,內摩擦力減小,滑動力增加,物質結構面臨破壞。一旦水達到過飽和時,就產生下滲,並在谷底以徑流形式沖蝕掏挖溝床和岸坡,造成物質下滑、崩落。崩落下來的固體物質借助於陡峻溝床的急流推動,向下游方向奔馳形成泥石流。
 
3.泥石流的地質作用
泥石流是含有大量泥砂的洪流,是一種重流,能帶動巨大的岩屑、巨石。所以泥石流常含有大量的固體物質。在泥石流的形成區和流通區,溝床的縱比降常大於20%,最大可達40-60%。泥石流在流動過程中具有巨大的功能,以它本身的沖力和所載的巨大石塊不斷刻蝕著溝床和岸坡,在溝道狹窄的地方,造成嚴重的塌方,使溝谷橫切面呈〝V〞字型。往往在一次泥石流爆發後,溝床加深加寬達數米之巨。
 
上節已說過泥石流有兩種,一種是黏稠的洪流,是黏性泥石流,這種泥石流水和泥沙、石塊凝集成一個黏稠的整體,並以相同的速度作整體運動,具有巨大的搬遷能力。
 
這類的泥石流在沖出山口時,因地形變緩,功能減小,便慢慢停積下來。黏性泥石流停積後,黏稠的流動體並不分散,仍然基本保持流動時的形狀,兩側呈較陡的斜坡,前緣呈陡坎,大石塊主要停積在堆積體的前緣或兩側。總觀堆積物外表形態,常呈舌狀,壟崗狀和島狀。在縱剖面中,大石塊常聚集成凸鏡狀,層次不明顯,分選差。由於在搬運過程中碎屑相互撞擊和摩擦,在石塊表面常有擊痕或擦痕。擦痕粗大且毛糙,多呈斑點狀或紡錘狀,排列方向各異。堆積物中往往有〝泥包礫〞(石塊被泥沙包裹)或泥球(石塊被泥沙包裹)或泥球的出現(圖12-5,12-6)。
 
另一種稀性泥石流(紊流性泥石流)在山口停積時,水分很快分散流失,石塊呈扇狀堆積,外緣為細礫或泥質(圖12-7),礫岩都是粒支持; 類似洪積扇。後來的流水常把堆積扇切成一條條深溝,使堆積區崎嶇不平,成為光禿而單調的〝石海〞。
 
     



 
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