Warning: session_start(): open(C:\Windows\Temp\sess_7tc44122b85d5jqgsb0mvjcbs4, O_RDWR) failed: Invalid argument (22) in D:\nadm\nadm\function\function_header.php on line 11 岩石-地質典藏館-臺大地質科學數位典藏博物館
訪客人數累積: 00018020 人次 English | 首頁 | 網頁地圖
查詢類別
館藏編號
中文名稱
英文名稱
 
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
- 首頁 > 地質學習教室
12-10 河流的地質作用
河流的地質作用與河水的運動有密切的關係。而河水的運動又與下列各項有關。
 
1.河谷要素
 
河水在陸地表面低窪的溝谷中長期不停地流動。這個低窪的溝谷地帶稱河谷(valley)。河谷底部較平坦的部分稱谷底。河水平水期在谷底所占據的部分稱河床,谷底兩側直達分水嶺的斜坡稱谷坡(圖12-28)。谷坡可以是平滑的,也可以是階梯狀的。谷底、河床和谷坡是河谷橫剖面的形態要素。河谷的形成是要經過下列的三種作用,此即河谷的加深,河谷的加寬與河谷的加長。
 
(一)河谷的加深河谷可經由下列的作用而加深,此即水力的作用(Hydraulic Action),河流挾帶物質對谷底的磨蝕作用,沿著谷底或在瀑布下方進行的潭穴侵蝕作用,腐蝕作用與河床的風化作用加上後來水力作用將岩屑的搬走等等。最
後的一項是指間歇性河流而言。
 
(二)河谷的加寬河谷的寬度是指河谷兩邊間的直線距離,不過這種距離有時不易決定,所以我們是以河谷的橫剖面來表示。它可以經由河流的側方侵蝕、雨水對河谷邊緣的沖刷、細谷的侵蝕(Gullying)、風化、重力下坡與支流加入等作用而加寬。
(三)河谷的加長河流可由小支流的向源侵蝕(Headward Erosin)、河道的蜿曲、海岸線的上升和河口三角洲的沉積等作用而加長。
 
所以對於一條河流來說,它的高程總是沿其向下游延伸長度的增加而逐漸降低的。我們把河流高程降低的比率稱為河流的縱比降,即是指河流的垂質落差與水平距離的百分比。河流縱比降越大,河水在河床上所獲得的重力勢越大,流速就越大。
 
2.流水中質點運動的方式
 
環流:水質點作螺旋形的運動,在流水橫切面上的投影為環狀,是紊流中的一種水質點運動形式。環流有以下兩種類型:
 
(1)單向環流。水質點的運動軌跡在流水橫斷面上的投影為單環(圖12-29)。單向環流普遍存在於自然界河流的轉彎處。當流水循彎道轉彎時,產生向凹岸的慣性離心力:
 
F = MV2
      R 
 
從公式中可看出,慣性離心力與質量(M)、流速(V)的平方成正比,與彎道的曲率半徑(R)成反比。水質點在慣性離心力的作用下,朝彎道的凹岸偏離,水質點由彎道的凸岸流向凹岸,結果,造成凹岸處壅水,水面升高(圖12-30)。水流速度
越大,水面抬升越高。在凸岸,水面相對較低,從而使凹凸岸之間產生水位差。水質點在壅水產生的超壓力作用和離心力作用下,表面水流在凹岸下沉,又以底流的形式流向凸岸,並以螺旋運動軌跡流向下游,於是出現了單向環流。據測量,單向環流的側向流速可達水流縱向流速的10-30%。在自然界的平直河段,由於科里奧利力(地球自轉所產生的一種慣性力)和地球旋轉離心力的作用,水流也會向某一河岸偏離,同樣也可形成單向環流。
 
單向環流是使河流凹岸遭受侵蝕,並把侵蝕下來的物質與底流一起帶到凸岸沉積的功力。
 
                      
 
雙向環流。水質點的運動軌跡在河流橫斷面上的投影為兩個環。它們是旋轉方向相反的兩股螺旋流(圖12-31)。雙向環流的產生完全是由於平直河段因水位漲落或過水橫斷面當面積改變而引起。由於河床泥沙,礫石對河水產生阻滯,河岸與河心流速的差異及上游水量的突變等因素,導致河水出現暫時壅塞或暫時宣洩的現象。一般河心水面比河岸水面變化快,面水位上漲時,河心首先出現壅水現象,河心水面高出兩側水面,水質點在重力作用下由河心以表面流的形式向兩岸運動,並以底流的形式由兩岸再向河心運動,形成雙向環流。當水位下落時,河心首先出現消水現象,河心水面低於兩側水面,水質點在重力作用下由兩岸以表面流的形式流向河心,在超壓力的作用下下沉,又以底流的形式流向兩岸,也形成取向環流。由於河水向下游流動,這種環流表現為兩股螺旋流。雙向環流是河床發生沖刷或泥沙沉積的水動力之一。

 
                                                      

 
(2)渦流:是紊流中的另一種水流形式,渦流是河流中水質點繞軸旋轉的現象。旋轉軸有垂直的和水平的兩種。河流中出現渦流的原因是河灣中的水、河流中障礙物下游的水或河床凸起下方的水,由於受到阻力,流速減小,水體黏滯使緊靠水流快的一側在水流牽引作用下而加快流速,導致水壓變小,而障礙物之下流速相對較小,壓力變大,在這壓力差的作用下,水質點由流速慢的一側流向流速快的一側,形成繞軸旋轉的渦流(圖12-32)。河流中產生渦流的地方很多,如河床不平會產生軸近於水平的渦流,河道急轉彎、支流沒入主流口及橋墩、沉船的阻擋,均可產生軸近於垂直的渦流。渦流一旦形成,會順流向繼續存在一段距離,然後變小而消失。渦流會改變河流內泥沙的運動,造成局部泥沙沉積,也引起河床局部侵蝕。 

 
                                                         

 
3.流水的功能
 
流水在流動過程中,不斷將勢能轉變為功能,可以用功能公式表示:                                                                                      1
E = 2 MV2
 

方程式中,E為河流某斷面單位時間的功能,M為河流某橫斷面單位時間內所通過水的質量,V為平均流速。
 
從方程式中可看出,功能大小主要取決於河水的流速。對一條河流來說,通常上游縱比降較大,河水流動速度較快,故動能相對較大,下游縱比降相對較小,河水流動速度慢,功能也相對較小。
 
水體一旦獲得功能,河水就開始產生侵蝕作用和搬運作用,同時在侵蝕和搬運過程中又不斷消耗功能。河水功能的變化必然導致河流地質作用方式(侵蝕、搬運、沉積)或強度的改變。
 
一.河流的侵蝕作用
河水從高處向低處流動過程中,以其自身的機械動力和化學動力,並以攜帶的泥沙、礫石作工具,不斷對河床產生破壞,這個過程稱侵蝕作用(erosion)。侵蝕作用可按其作用性質和方式分為:以水的衝擊力直接破壞河床的沖蝕作用,以水流攜帶的泥沙、礫石做為工具對河床產生磨損的磨蝕作用和以溶解方式破壞河床的溶蝕作用。沖蝕作用和磨蝕作用的強度與河水的流速、攜帶物質的多少和組成河床物質的抗蝕能力大小有密切關係。侵蝕的方法有下列幾種:
 
1.片流侵蝕 (Sheet Erosion)
河流的侵蝕作用先要從片流的侵蝕方法說起。我們已經說過在緩和的斜坡上,表流多少是用片狀的方式向下運動,形成片流(Sheet Flow)。它們對地表的侵蝕稱片流侵蝕。在不同性質的地區片流的侵蝕方式極不相同。在岩層膠結不良的斜坡地區片流侵蝕相當重要。片流可攜帶未膠結的粉沙及黏土加強水流的侵蝕能量。另一類是一般地表的片流侵蝕。這種侵蝕作用在植被不好的地區看來似不甚顯著,因它們並不形成任何山谷,可是從實際研究知道,地表上層的土壤物質,尤其是在耕作地上層的較細的土壤,大部份都可以由片流移去而沖到河裡,剩下較粗的粒子則形成貧瘠的土壤,而造成極大的損害。在一些地區防止片流侵蝕的方法是大量的加強植被。圖12-28是在美國Missouri州 Bethany 地方經過四年時間的研究所得到的結果,表示某幾種植物對片流侵蝕防止的效果。

 
                                                        

 
2.細谷侵蝕 (Gullying)
在凹凸不平的斜坡上,表流沿著原先地表低窪不平之處集中,慢慢可將水流道侵蝕擴大,形成細谷(Gullies)。有些地方,即使開始的時候,地表的斜坡並無太大的不平,表流是作片流的方式流動,不過由於地下岩石軟硬的不同,表流侵蝕
力量的不等,最後表流仍然可以在軟質的岩石上面集中侵蝕,形成細谷。於是片流侵蝕便變為細谷侵蝕。
 
3.水力的挖蝕 (Hydraulic Plucking)
指一種由水流的漩渦將河底節理的石塊或較疏鬆的土石捲起和移走的作用。並不牽涉有其他侵蝕工具在內,一般岩石性質較軟的河床常常單獨受到這種作用的侵切。
 
4.磨蝕(Abrasion)
在清澈的水中,磨蝕的作用是非常輕微的。我們可舉Niagara河為例,這河流因多數的挾帶物質都已沉積到Erie湖中,所以非常清澈,它在Niagara瀑布的邊緣雖成為急流,但仍無法將岩石上寄生著的柔弱的綠色海藻沖走。但當流水中挾帶有大量的沙石粒子的時候,它便可以利用這些沙石作為工具而在河底磨擦撞擊,產生磨蝕的作用,成為一具有極大侵蝕力的營力。我們從它之能在岩石中挖掘出很深的河谷或峽谷這點來看,即可以概見其力量之巨大,磨蝕的工具在進行磨擦的時候,木身亦受到損失,使體積逐漸減少,這種作用叫自損作用(Attrition)。
 
河流磨蝕的力量,與流速、所挾帶的物質的性質與數量、被磨蝕的岩石的性質和構造有關。通常流速愈高,挾帶的物質愈多,則磨蝕的力量愈大。
 
5.溶蝕
在自然狀況之下,流水很少不具有化學性質。因為流水有溶解性,可將別的物質溶解,而使本身呈現化學作用的能力。例如很多河流的水份曾經流過沼澤地區,於是便可以溶解有從腐爛的植物所分解出來的碳酸,利用這種酸類的幫助,再加上從大氣中取得的CO2,流水便可與所接觸到的岩石發生作用而使之溶解。溶解的速度一般非常緩慢,且不易察覺,但效果是值得注意的。據估計,在陸地上每年約有五十萬萬噸的固體岩石物質為水所溶解,不過其中大部份都是由於地下水的作用。
 
溶蝕作用與岩石的性質大有關係,酸性的流水若流經石灰岩和白雲岩的地區,則溶蝕作用相當厲害,並可產生許多奇怪的溶岩地形,叫喀斯特地形。
 
如按照河流侵蝕作用的方向,則可分為下蝕作用和側蝕作用。
 
1.下蝕作用
河水侵蝕河床底部岩石,使河床降低的作用稱河流的下蝕作用(vertical esosion)。在河流的下蝕作用過程中,河谷不斷加深。一般說來,在河流上游地段,河床縱比降大,河水流速快,功能大,下蝕作用表現十分明顯,常形成谷底狹窄,谷坡陡峻的〝V〞型峽谷。如雲南境內金沙江的虎跳峽,江面寬僅30-60m,谷深卻達3000m,最陡的谷坡在70º以上。
 
河流下蝕作用過程中,由於不同河段的河床岩性不同,較軟的岩石很快被侵蝕,而較堅硬的岩石被侵蝕的速度很慢,產生差異侵蝕。結果,常在不同岩石組成的河段形成急流和瀑布。如尼亞加拉瀑布位於堅硬石灰岩與軟弱頁岩交界處,由於地表出露了巨厚石灰岩層,其下部的軟弱頁岩被快速侵蝕而形成瀑布,落差49m(圖12-34)。除此之外,熔岩流,山崩、滑坡物質堵塞河床,橫過河谷的斷層崖等部位,由於出現陡坎,都有可能形成瀑布。

 
                                                        

 
 
瀑布的功能較大,下蝕作用十分明顯。通過瀑布跌水的俯沖,瀑布底下的河床被淘深,翻起的水流一部分流向下游,另一部分沖向瀑布陡崖的基部,對基部岩石產生侵蝕挖空,導致上部岩石失去支撐,產生崩落,於是瀑布向上游方向退移(圖12-30)。尼亞加拉瀑布平均每年後退1.3m。我國第二大瀑布黃河壺口大瀑布,河寬30-50m,瀑布高度在枯水期為15-20m,洪水期為45m,由堅硬的水平厚層砂岩構成頂部,底部為質軟的頁岩,平圴每年向上游後退5cm。瀑布不斷向上游後退,河床坡度逐漸變緩,最終導致瀑布消失。
 
河流在源頭的下蝕作用極強,因此像瀑布後退一樣,河谷源頭可向上游伸長。我們把河流形成之後,河谷向源頭不斷伸長的過程稱為河流的溯源侵蝕(headward erosion)(圖12-35)。河流通過溯源侵蝕增長了河谷的長度,並不斷向分水嶺發展,最終會使分水嶺的高度降低。
 
 
                                                          

 
由於各條河流的水量,源頭地面坡度、岩性及構造等因素的差異,特別是河床縱比降的不同,導致各河流有不同的溯源侵蝕速度。當兩條河流相背向同一分水嶺產生溯源侵蝕時,可能有發生如圖12-36中的河流A溯源侵蝕進入河流B的河谷內,因A河床的高度比B河床低,河流A把河流B的水奪走,這種現象稱河流襲奪。河流A叫襲奪河,河流B叫斷頭河。


 
                                                                  

 
下蝕作用存在於所有河流的不同河段,但不同河流或同一河流的不同河段,下蝕作用的強度是不一樣的。下蝕作用的強度主要取決於河水的流速,其次是岩石的性質、地質構造等。河流上游,河床縱比降大,河水流速快,功能大,下蝕作用十分明顯,河流下游,河床縱比降小,河水分散且流速慢,功能較小,下蝕作用相對微弱。當河水流入湖泊或海洋時,就不再具有位能,流動趨於停止,下蝕作用也就基本停止了。我們把控制下蝕作用極限的湖面或海面稱為侵蝕基準面(base level of erosion)。湖面由於受多種因素的影響,本身是在不斷變化的,我們將其稱為地方性或暫時性侵蝕基準面。海平面是最終侵蝕基準面。
 
必須注意,海平面的位置也不是永恒不變。如全球性氣候變化影響下,冰川體積發生變化時,就會引起全球海平面位置的變化。因此,最終侵基準面在地質歷史上也不是固定的。
 
2.側蝕作用
河水侵蝕河床兩側,使河床左右遷徒和谷坡後退的作用稱為河流的側蝕作用(lateral erosion)。
 
河水在流動過程中,受慣性力、科里奧利力及地球旋轉離心力的水平分力作用,導致河水向河岸流動。在河流轉彎處,由於河水慣性離心力的作用,迫使河水流向彎道的凹岸,造成凹岸被侵蝕,南北向直河段,在科里奧利力作用下,也會產生對河岸的側蝕作用,東西向河流的直河段(除赤道地區的東西向河流直河段外)在地球旋轉離心力的水平分力作用下,北半球河流的南岸,南半球河流的北岸同樣會產生側蝕作用。此外,由於山崩、滑坡、支流注入主流等原因,也能改變水流方向,迫使水流向河岸流動,造成側蝕作用。
 
單向環流使側蝕作用方向時而指向河流的右岸,時而指向河流的左岸,從而使谷坡後退,谷坡坡度增大,導致岩石崩塌、滑坡,形成谷底開闊的”ㄩ”型河谷。
 
河床凹岸在河水不斷侵蝕下,河岸逐漸向外側和下游方向遷移。凹岸被河水沖下來的泥沙,粗大的沉積在河床中心部位,較細的被環流帶到凸岸沉積(圖12-30)。結果,凹岸不斷後退,凸岸不斷前伸,河道的曲率,逐漸增加,形成曲流
(meander) (圖12-37)。側蝕作用不斷進行,曲流繼續發展,同側相鄰兩個河灣(圖12-37中1與3或2與4)日益靠攏(圖12-37C處),在某次洪水沖擊下,河水從上游一個河灣直接流入下游相鄰的一個河灣,如圖12-37中從1流入3,而它們之間的一個河灣2,不再有河水流通。在被廢棄的河灣口,泥沙不斷淤積堵塞而使原河道形成貌似牛軛的牛軛湖(oxbow lake)。原河床與新河床之間的高地稱離堆山。此過程稱曲流的裁彎取直(cut off )(圖12-38)。通過河流的裁彎取直,河床長度大大縮短,河流縱比降增大,下蝕能力增強。
 
我國曲流最發育的河流為下荊江(長江藕池口-城陵磯段),它的直線距線僅87km,而天然彎曲河道的長度竟達170km,河道蜿蜓曲折,被稱為”九曲回腸”(圖12-39)。下荊江在人類有歷史記載的時間內,曾發生數十次截彎取直。最近一次
是1972年7月19日的沙灘子取直,曲流取直使河床長度由原來的20km縮短到1km。因此,不同時期的河床有不同的曲率。如能穩定河岸,河流的截彎取直對縮短航線,為國民經濟的發展可帶來巨大益處。
 
隨著側蝕作用的進行,河曲加大,河床加長,河床的縱比降減小,河水的功能也逐漸減小,側蝕作用因而日趨減弱。有人做過統計,當兩河灣的直線距離與兩點間河床長度之比達到1/17-19時,河水功力僅供搬運從上游帶來的泥沙,側蝕作
用就基本停止了,曲流也不再發展,河床也不再擴寬。
                        

 
                                                              

 
河流的下蝕作用和側蝕作用共存於任何河流或河流的任何河段。河水對河床岩石下蝕的同時,也對河床兩側岩石進行側蝕。由於各地河床的縱比降、岩性、構造發育程度的不同,兩種侵蝕作用的強度也就不同,或以下蝕為主,或以側蝕為主。
 
二、河流的搬遷作用
河水在流動過程中,將其侵蝕河床的產物及由片流、洪流、崩塌和其它地質作用帶到河流中的物質在河水中及河床上移動的過程稱為河流的搬遷作用。水流在搬運它們的負載物的時候,通常是採取滑動(Sliding)、滾動(Rolling)、跳動
(Jumping)、溶解(Solution)與浮懸(Suspension)等方式,茲敘述如下。見圖12-40。
 
河流底部負載物(Bed load)中之大而有角度的岩屑,通常是被拖曳沿著河底滑動(Sliding),圓的則沿著河底滾動。有時沙粒在河底被渦流激起。較小的粒子可被激起較高,跳躍的距離亦較長。不過沙粒躍起的高度一般很少超過入吋。最細
的粒子是浮懸在流水的上部被運走,因支流不斷注入使流水攪動懸浮的沉積物數量在下游逐漸增加。河流推動河底岩屑沙粒使之滑動、滾動與跳動的作用,綜稱河流拖曳作用(Stream Traction )。

                                                         
 
流水中的物質可以以溶解的狀態為水所帶走,這種被溶解掉的物質雖然看不見,實際上卻佔了河流負載物的三分之一到四分之一。不過它們並非來自河流本身的溶解作用,而是來自曾經流經碳酸監類,或其他易溶岩石的地下水的溶解作用。地質學家們曾經作過無數次分析,發現很少河流含有超過1,000ppm的溶解物質,一般約在200ppm左右。這種溶解於河水中的溶質,如Ca(HCO3)2、FeSO4、NaCl、Al2O3、SiO2、MnO2等呈真溶液或膠體進行搬運稱化學搬運(溶運)。全世界河流每年有37,782萬頓的溶運物被帶入海中,相當於我國土地每平方公里被河流帶走39.36t溶運物。搬運物中的各種礫石、沙、粉沙和黏土呈固體狀態搬運稱機械搬運。
 
1.河流的機械搬運力和機械搬運量
河流的機械搬運力(competence)是指河水能搬運最大粒徑碎屑的能力。一般說來,山區河流縱比降大,河水流速大,故搬運能力大,能搬運巨大的岩塊,常有粒徑2-3m、重達11-40t的巨礫被搬到山口,而搬運粒徑1m左右、重約3t的礫石十分普遍。河流下游(平原區河流)流速相對較小,所搬運的顆粒一般小於10cm。
 
河流機械搬運物的總重量稱機械搬運量(capacity)。全世界河流每年將大約200億噸碎屑物運入海洋。我國主要河流每年將大約24億噸碎屑物輸入海洋。
 
河流機械搬運量的多少取決於河流含沙量和河水的流量大小。含沙量是指每立方米河水中所含泥沙的重量。表12-2、12-3列舉了我國幾大河流的機械搬運量及含沙量。河流含沙量的多少與河流補給條件、流域內岩石性質、地形切割程度、土壤性狀、氣候、植被覆蓋程度、人類活動及河水流速、流量等因素有密切關係。在氣候乾燥、岩石鬆散,地表植被覆蓋稀少地區的河流輸沙量大。我國黃河是世界河流中含沙量最高的河流。這主要是由於黃河上、中游流經我國植被覆蓋很差、土質疏鬆的黃土高原,每逢降雨,大量泥沙進入河流使其含沙量大增。如黃河流域的陝縣多年平均含沙量高達37.7kg/m3,最大年輸沙量高達39.1億噸。
 
2.河流的機械搬運方式
上節曾簡述了流水搬運負載物的一些方式,可更進一步的將河流的機械搬運方式分為懸運、推運和躍運三種。以何種方式搬運,視碎屑物在水中的受力情況而論。如果上舉力大於顆粒在水中的重量,這些顆粒將懸浮於水中被搬運,稱為懸運。小於0.2mm的碎屑一般以懸浮搬運為主。如果上舉力小於顆粒在水中的重量,同時水流衝擊力大於顆粒與河床底部間的剪切力時,顆粒在水流沖擊力作用下沿河床底部滾動或滑動稱為推運。當水流上舉力與顆粒在水中重量相接近時,在紊流的上升力作用下,顆粒首先在斜交水流方向向上加速,然後沿著水流方向按照一個彎曲的軌道運動。前進一段距離後,又在重力的影響下再次落到底部。如果顆粒在一個傾斜的接觸面上碰撞相鄰的顆粒,也可以產生上升力。這種情況使顆粒在水中呈跳躍前進,稱為躍運。一般顆粒直徑往大於0.2mm才能以跳躍形式搬運。
 
顆粒在河水中的機械搬運方式隨河水的流速變化而不斷轉換。流速增大時滑動的顆粒可變為跳躍,跳躍的顆粒可變為懸浮; 流速降低時則發生相反的轉換。
 
                         
 
 
3.分選作用、磨圓作用和磨蝕作用
河流搬運碎屑顆粒的大小取決於流速的大小。流速越大,搬運顆粒越粗。隨著流速的減小,搬運力降低,大顆粒的物質就要沉積下來,繼續被搬運的碎屑顆粒粒徑變小並漸趨一致,這個過程稱機械分選作用(separation)。河流上游河水流速大,分選作用不明顯,河流中下游流速逐漸減小,分選作用也逐漸明顯。
 
碎屑顆粒在被河流搬運的過程中,顆粒與顆粒之間,顆粒與河床之間相互產生撞擊和磨蝕,致使碎屑顆粒的棱角逐漸消失,磨成橢球體或球體,這個過程稱磨圓作用(rounding)。隨著顆粒棱角消失,碎屑顆粒愈磨愈小,這個過程稱磨細作用(degradation)。在搬運過程中,一般小於0.2mm的顆粒以懸浮搬運為主,顆粒只偶而發生相互撞擊,磨圓和磨細作用不明顯,大於0.2mm的顆粒,常沿河床底部以推運和躍運形式搬運,磨圓和磨細作用十分明顯。圖12-41說明,在開始較短距離的搬運時,顆粒的磨細、磨圓作用十分明顯,經過一定的搬運距離後,顆粒的曲率半徑趨於均勻,表面光滑,磨細和磨圓作用就減弱了。

隨著搬運距離的增長,顆粒就變得越來越圓,越來越細,分選、磨細,磨圓作用越明顯。如果此時有支流搬運物加入,就會干擾上述結果。碎屑顆粒的磨圓磨細的強度除受搬運距離的影響而外,同時也取決於顆粒的物理性質。
 
                                                      
 
三、侵蝕的速度
一河道系統可以以它無數的支流與表流涵蓋著整個有關的地面,並將所挾帶的物質帶向主流。在雨量平均的地方,侵蝕的速度一般而言在源頭之處最大,在河道中段較緩,在接近河口之處則最小。通常影響河道侵蝕的因素,計有下列數項:
 
     1. 河流的速度。
     2. 水量的多寡。
     3. 挾帶物的性質與數量。
     4. 流經之處的岩石與土壤的性質。
 
河流侵蝕的速度,以排水區域有1,265,000平方哩的密西西比河及其支流為例,它對本身整個排水區域的侵蝕速度大約每九千年一呎,亦即平均每七百六十年可把美國削低一吋。在人類經過二十五代子孫的時間裡,地表才被去掉一吋,看似無關緊要,不過這已表示出每年在整個美國已共有800,000,000噸的土石被移到海裡,如用這個速度去開鑿巴拿馬運河,約可在七十三天之內完成。

 
四、河流侵蝕所產生的地形
(一)對水平岩層的侵蝕
1.方山與孤山(Mesa and Butte)在水平的沉積層,或在較軟岩石為熔岩流所覆蓋的地方,河流支流的向源侵蝕,可產生很多平頂的孤立地形,叫方山。如圖12-42。此名詞來自西班牙語,指桌子的意思。在方山頂上較平部份的岩石,對風化作用抵抗力比較強,可對下方較軟的岩石起保護作用。當風化作用繼續進行,最後可把方山侵蝕成為一單獨的平頂小丘,叫孤山(Buttes)。世界上很多著名的方山都是由以前的臺地侵切而來,有些孤山則是火山頸、岩脈、和其他可以陡立的堅硬岩石構造的殘餘。
 
2.岩石臺地(Rock Terrace)風化作用對不同性質的岩石,可以進行不同程度的侵蝕。在一交錯有抵抗力不同的岩層的臺地上,侵蝕的結果,可使較軟的岩層被侵蝕成為緩慢的斜坡,在其下方較為堅硬的岩層則在山坡突出成階狀,邊緣非常陡峻,這種構造叫岩石臺地。
 
3.惡地地形(Bad Land)在特殊情況之下,例如在半乾燥氣候之下,具有不太堅實,又不透水的泥質和黏土質的山坡上受暴雨侵蝕出無數密接而狹窄的溝壑所形成的地形(圖12-43)。這主要是因為半乾燥的氣候可使植物稀少,因而山坡表面缺乏保護,因此暴雨可使泥層產生最大的侵蝕效果。
 
(二)對傾斜岩層的侵蝕 某一地區的下方若為傾斜的岩層,則當中必有部份易予為河流所侵蝕,而成為河谷,不易侵蝕的部份則成為山嶺。所產生的地形有下列數型。
 
1.傾斜坡(Cuesta) 當地層被摺曲形成低角度的傾斜以後,侵蝕的作用可使堅硬的岩層剖面暴露,形成一種一邊傾斜甚陡,有如懸崖,而他邊則傾斜甚緩的山嶺,叫傾斜坡。如這一地區內傾斜的地層軟硬相間,則可形成一種彼此大略平行而高低相間的地形(圖12-42)。

 
                                                         


 
2.脊(Hogback)當岩層被高角度傾斜,且被侵蝕成兩邊坡度大致相等的時候,這種山嶺叫豬背脊。這種地形,通常發生在摺曲山脈的兩側翼部份(圖12-42b)

 
           



                                                       

 
(三)對褶曲地層的侵蝕 河流對摺曲構造的侵蝕,可以產生六種不同的地形,此即背斜嶺(Anticlinal Ridge)、背斜谷(Anticlinal Valley)、向斜嶺(Synclinal Ridge)、向斜谷(Synclinal Valley)、等斜嶺(Homoclinal Redge)與等斜谷(Homoclinal   Valley)等。請閱圖12-44。

 
                                                         

 
(四)對圓丘(Domes)與盆地(Basin)構造的侵蝕  河流對圓丘構造的侵蝕,可產生從丘頂向各方向作放射狀的河谷。當圓丘的頂部逐漸被侵蝕掉,下面的岩層開始露出,如岩層的性質不一,則較弱的被侵蝕成環形的河谷,並和原先的輻射河谷匯合,岩性較堅硬的則突出形成一系列呈同心圓狀的豬背嶺,懸崖的一邊著圓丘的中心。
 
河流對盆地的侵蝕可產生同樣的地形,不過豬背嶺懸崖的一邊是對著外力。
 
(五)其他。在特別的狀況之下,河流的侵蝕還可以產生如下的幾種地形:
 
1.峽谷(Canyon and Gorge)在一片高度甚大的廣闊地區裡頭,急速的河流切割常可造成深的河谷,如果河流側方侵蝕利害,而兩旁的岩石又可以屹立不倒,則河谷的谷壁最後將變成懸崖而形成峽谷。產生峽谷的因素有 : (1)大量的流水、
(2)甚高的流速、(3)流水中含有豐富的沉積物作為磨蝕的工具、(4)有極厚的岩層可供河流向下切割、(5)氣候乾燥,風化作用不大,谷壁鮮受雨水沖刷。
 
北美的科羅拉多河曾在亞里桑那州北部,海拔六千到八千呎的高原上,切蝕成一深逾一哩,長達二百二十哩的峽谷,叫大峽谷(Grand Canyon),景色壯觀,聞名於世(圖12-45)。
 
2.潭坑或壺穴(Pot Hole)急流的地方常常發生漩渦,可使河流的能量集中,如水中挾帶有沙石,則在旋轉的運動中,將可在河床磨蝕出一些圓形或作壺形的穴,叫潭坑,又名巨穴(Giant Cauldron)。有些潭坑作螺旋狀,底部的直徑比頂部的要大。它們可以發生在緻密的火成岩如玄武岩與花崗岩之內,或發生在較軟的沉積岩如石灰岩與頁岩內。在瀑布的下方,流水的撞擊亦可以產生潭坑。潭坑的大小不一,直徑從數吋到三十呎不等,深度亦各不相同,有時可達五十呎以上。
 
在大瀑布的下方,落下的河水可在河床上挖掘成一面積較大的窪地,那裏河水的深度比較大,叫沖蝕池(Plunge Pool)。如圖12-46。
               

 
北美華盛頓州已乾涸了的Dry Fall下方,過去所形成的盆地,約有八十呎深,半哩寬。有時瀑布逐漸後退,沖蝕池亦可隨著向上游發展成橢圓形。
 
3.天然橋(Natural Bridge)為一橫過河谷的石拱。可由下列方式產生:
(1). 河流流入河谷某處地下岩石的節理間消失,在地下繼續流經一段距離以後,又重新回到地面。此段河谷的表面下方被挖空,如果上層並不倒塌,則岩石可架空而成橋。
 
(2). 如瀑布上方河床的岩石具有節理,部份河水可從節理間滲入河床底下沿著裂面往下流,直至貫穿流到瀑布下面瀉出為止。此出口慢慢擴大,最後把形成瀑布的河水完全引走,結果瀑布消失,河流新出口上方的岩石便形成天然橋。
 
(3). 當地面上升以後,很多曲流即開向下深切,其側方的擺動,可以對彎處懸崖似的谷壁的下方進行侵蝕,最後將之貫穿流過,這時河流上方便成拱狀(圖12-47)。

 
                                                                 

 
五、河流的沉積作用
河流搬運物從河水中沉積下來的過程稱河流沉積作用(deposition)。通常,河流中的溶運物很難達到飽和,因此,河流基本上不發生化學沉積作用。
 
河流沉積作用的主要方式是機械沉積作用。引起河流機械沉積作用的主要原因是河水流速的降低,導致機械動能的減小使河流的搬運能力降低而發生沉積。河流沉積作用主要發生在: 河流的凸岸河床坡度減緩的地方支流匯入主流或河流入湖、海處及河道突然變寬等場所。河流的沉積物稱沖積物(alluvium)。
 
河流機械搬運物的大小與重量,嚴格受流速的控制。當水流速度逐漸減小時,機械搬運物就按粒徑大小,顆粒形狀或比重,依次從大到小、從重到輕先後沉積下來,這個過程稱沉積分選作用(sorting deposition)。沉積分選作用的結果,使
其在一定動力下沉積的河流沉積物中同種碎屑顆粒的粒徑趨於一致。這類分選作用使沉積物在沉積時具有層理,且同一沖積層中同種物質顆粒的粒度大致相等。
 
在河流不同地區有不同的沉積作用:
 
1.山口沉積作用
來自山區的河流,攜帶著大量機械搬運物到山口開闊的平地上,由於河床坡降明顯減小,水流又無地形約束而散開,河水動力就突然大大減小,機械搬運能力迅速降低,於是搬運物會大量沉積於山口。在山口沉積下來的沖積物常成為半圓錐形地貌,稱為沖積錐(alluvial cone)(圖12-48)。大河流出山口,沉積物在平地與山坡交界的地方沉積成扇狀地形稱沖積扇(alluvial fan)。沖積扇特別發育于高山的山前。錐頂或扇頂的沖積物顆粒粗,向邊緣逐漸變細。粗粒孔隙常充填著較細的各種粒度的沙和礫。地面坡度在扇頂區可達3-10º,從扇頂向扇緣逐漸變緩。
 
構成沖積扇或錐的物質,構造不一,通常較粗粒的物質,常堆積於出口部份叫做扇頭(Fan-head)的地方,較小的粒子則堆積於較遠處扇端。
 
有時候,一系列彼此鄰近的沖積扇(圖12-49),可沿著山麓連在一起,構成了一片範圍甚大的沉積地形,叫山麓沖積平原(Bajada of Pediment Alluvial Plain),或混合沖積扇(Compound Alluvial Fan),或稱之為沖積裙(Alluvial Apron)。這一系列沖積扇的構成,主要是由於河道在扇狀地形上側方的移動。移動的原因來自河道的沉積漸多,河床高出附近的地形,於是河流開始改道,向附近低的地方流去。沉積扇上的河流因此也成為編織狀。

 
           

 
沖積扇和沖積錐是在泛濫的時候由大量的水份沖出山谷所造成,其餘大多數時候,扁狀地形上面的河道都是乾涸的。如果在扇狀地上面的是一道永久性的河流,那麼它的水份通常可在扇頭處大量沉落到較粗的沉積物下方,成為地下水。通過扇狀地上方的河道,一般稱為沖蝕河(Washes),在接近扇頭部份下切比較深,稱扇頭溝(Fan-Head Trench)。
 
山麓沖積平原是開發地下水最有利的地方,因為大量的水份常經此滲入地下。它的地質條件對附近人口密集都市的發展,有甚大的貢獻。如在美國洛杉磯盆地(Los Angeles Basin)地方,人口非常密集,農作甚多,所需的大量水份,90%左右便是來自附近三十多個的這類的構造。
 
在一個閉合的盆地裡,如台北盆地山麓沖積平原的成長,常可將此盆地部份充填,此種沉積叫盆地填積(Basin Fillings)。
 
2. 河口沉積作用
河口是河流最主要的沉積場所,河流的機械沉積和化學沉積作用都可以在河口產生。當河流流入靜止水體,如湖泊、海洋時,流水因受湖水或海水的頂托,流速迅速減小,使河水搬運能力減弱甚至消失。因此,除部分極細物質被湖水或海水繼續搬運而外,大部份河流機械搬運物質在河口沉積下來。另一方面,由於湖水、海水中富含有機質或電解質,當河流中呈膠體搬運的溶運物與湖水、海水相混合後,過多的有機質或海水中的電解質反破壞了膠體的穩定性,而沉積在河口。
 
在河流流入入湖泊或海洋的地方,由於河流沉積物的快速供給和缺乏搬走沉積物的強大動力(如潮汐、波浪),常形成錐形的沉積體,其外形像一個大寫的希臘字”△”(圖12-50),稱為三角洲(delta)。三角洲的頂端朝向河流的上游,河水在上面可散發成無數股流。
 
由於湖中波浪的力量比海中為弱,所以三角洲在湖裡比較常見,不過世界上最大的三角洲卻是在海中形成的,因為世界上最大的河流是注入海中。有些河流的河口是沒有三角洲的,原因是: (1)波浪和海流的沖激力量太大,可將沉積物迅速
沖走。(2)水流清澈缺乏沉積物,如北美的尼亞加拉(Niagara)河注入安大略湖(Lake Ontario)中的時候,就沒有形成三角洲。(3)海底下沉的速度相當或快於沉積的速度。以上這三項原因都可以阻止三角洲的生成。

 
                                                               

 
三角洲是由從陸地帶來的沙石所組成,具有連續的層次,並在河口的海洋盆地上面作扇形的散佈。當河流到達靜海中,較粗的粒子首先落下,較細的粒子則可被帶至較遠處沉積。在三角洲中堆積的沉積物有減低河流斜度的趨勢,且因沉積迅速,易成沙洲,故還可以將主流阻截,使之分散成為很多的支流,在新形成的沖積地上蜿蜒。中間圍著的沙洲,一似小島。沉積作用在這些支流中繼續進行,直至很多河道為之完全阻塞,然後又在附近開闢新的河道為止。如此反覆進行,結果很多只有部份被填塞的河道,往往便可以變成湖泊。
 
三角洲雖各有其本身的形狀,但仔細分析,約可分為如下四類:
 
(1). 三角洲三角洲(True Delta Form)和希臘△字母相似,△的尖端指向上游,如尼羅河三角洲是。              
(2). 扇形三角洲(Fan-shaped Delta or Arcurate Delta)為最常見的一種,如萊茵河三角洲。                      
(3). 指狀三角洲(Digitate Form)如密西西比河三角洲。                     
(4). 河口三角洲(Estuarine Delta)如薩斯奎漢納(Susquehanna)河三角洲是。
 
典型的三角洲沉積由底積層、前積層和頂積層組成(圖12-51)。其內部構造都大致相同。從剖面上可以看出,最低部份為一層細泥,叫底層(Bottom Set Beds),常向海底遠處延伸。它的上方有一系列傾斜較陡,並由顆粒較粗的砂石所組成
的沉積層,叫前層(Forset)。前層之上有一幾近水平的沉積層,叫頂層(Topset),河流即在其上方流動。請閱圖12-52。
 
           

 
底層分布於三角洲最底部,實際上是加厚的淺海沉積物或湖泊沉積物; 沉積物主要來自河流的懸運物和膠體物質,以粉沙、黏土及各種生物碎屑為主,水平層理及不規則的紋層發育,有時因生物攪動而呈團塊狀。前層是河流在水下斜坡的堆積,表面有明顯的傾斜(坡度20-30º),是三角洲沉積的主體部分,以黏土、粉沙為主,有較薄的斜層理和波狀層理。頂層近水平,實質上是在河口隨三角洲向海(湖)伸長外移過程中不斷前進淤積的谷底沉積物。水平的頂層隨著河口外移,疊覆在傾斜較陡的前層之上,構成明顯的切割關係。頂層的物質以黏土為主,其次為粉砂和細砂,有明顯的水平層理和交錯層理。
 
三角洲從外表可區分為兩大部份,即(1)向海的前緣部份,或稱海部份。是沉積在大陸棚之上,可逐漸向深海之處發展。(2)近陸部份,亦稱海上部份。並未為海水淹沒,上面覆有大陸和淡水的沉積物,是在海下部份的上方逐漸堆積成。由於這兩部份的關係,使大洋三角洲的物質,可從下方的海洋性沉積向上轉變為近陸的淡水性沉積。
 
一般說來,大的河口三角洲堆積的速度,是約略與海底下沉的速度相當。但亦有發生迅速下沉現象的。例如在北美阿帕拉契(Appalachian)山脈北部的一個古三角洲,即曾下沉到一萬呎以上的深處,使本身的沉積厚達一萬三千呎。
 
在某些河口,河流雖然提供了物質來源,但由於強大的潮汐作用,不斷將河流帶來的物質分散到各海區,這種情況不能形成三角洲。如我國錢塘江口,由於強大的潮汐作用搬走了河流帶來的泥沙,無法形成三角洲而形成三角港(negative 
delta)。
 
三角洲是河口區河流功能不斷減弱,泥砂沉積的產物,河流長年累月源源不斷地將物質搬運至河口沉積,促進了三角洲平原向海洋擴展。但同一個三角洲在不同時期或同時期的不同三角洲的擴展速度是不同的。據研究,古長江口在江陰一帶,全新世以來約每40年向海擴展1.5km。近1900多年來海岸向外遷了50km,沉積了面積達5,000km2的肥田沃土(圖12-53)。黃河泥沙滾滾,三角洲的增長十分驚人,僅1855年以來就增長了5,450km2的土地,海岸向外遷了30-50km,平均每年外遷300-500m。

 
                                                                    

 
三角洲成長的速度,隨其本身的大小、河流的流速與流域的地質狀況而有所不同。北美的密西西比河河口三角洲每十六年向外擴展一哩; 義大利東部亞得里亞海(Adriatic Sea)北部為波(Po)河迅速填積,使當年建築在岸邊的房舍現已遠離大
海; 阿得里亞(Adria)從前為一海港,現已在內陸十四哩; 台伯(Tiber)河河口海岸線的擴展為每百年一哩; 多瑙(Danube)河在黑海(Black Sea)所建造的大三角洲增加更速,六呎的水深線每年要向外移四百呎; 又荷蘭(Holland)的大部份地方,實際都是由萊茵(Rhine)、Mass與Scheldt等河流的三角洲所連結而成。
 
3. 乾燥地區的河流沉積                                                  
 在乾燥的沙漠地方,雨量很少; 間歇性的降雨,力量並不足以把雨水從附近山上沖下來的碎屑運走便逐漸堆積在河谷之內,有時可達數百呎厚。
 
4. 沙洲與河床填積(Bars and Channel Fill)                               
在河道內沉積的東西,形狀不一,我們總稱之為沙洲(Bars),或簡稱河床填積(Channel Fill)。有些是沙石堆,在水底下形成; 有些或高出水面成島狀; 有些是在障礙物的前方或後方堆積而成; 有些堆積在河道的邊緣地方; 另一種則形成於河道器一急激轉彎的內側。當河流在轉彎的時候,流水常急速的衝向河道的外側,內側的流速則比較緩慢,故可將挾帶物部份沉積下來,這些沉積當暴露出水面以後,便成為河流沙洲(Sand Bank),或小石灘(Pebble Beach)。在水位改變的時候,沙洲位置亦可被改變,甚或完全被破壞而另在別處堆積成新的沙洲。
 
心灘和江心洲位於河床中間,呈棱形,長軸平行於河流流向,長數十米至數公里,寬數米至數百米,廣泛出現於河床縱比降小的寬谷河段。在直河段,雙向環流對心灘的發育起了一定的作用。此外,支流匯入主流,河中沉船等也易導致河床沉積形成心灘。心灘形成後,河流侵蝕作用又使心灘上游一端遭受侵蝕,下游一端接受沉積,於是心灘便緩湲向下游方向移動。洪水期移動快者每天可達數米至數十米。心灘也可以一側遭侵蝕而另一側沉積,於是左右遷徒甚至靠岸。因侵蝕和沉積是不等量,心灘可能擴大,也可能縮小甚至消失。
 
邊灘和河灘是河床兩側的沉積地貌,常分佈在河流的凸岸,呈新月形,表面微向下游和谷坡傾斜,平水期位於水面之上,氾期被洪水淹沒。

重載的河流,或在半乾燥地區流量極不穩定的河流,因沉積作用的不斷發生,可使河床逐漸增高。形成無數的沙洲容易將主流阻擋分散,成為甚多的支流,它們被暫時分隔以後,在低處又可重新匯合,形成編織狀,叫編織河流(Braided 
Stream) (又名為辮狀河或網狀河)。這種河流平時僅有甚少的水量,在每次泛濫之後,各支流的位置即隨著改變。
 
河流在泛濫時,速度與水量都突告增加,這時候它可以在河床的沉積物上面挖掘新的河道,當洪水漸退,此等新的河道又被填積,這種反覆的作用叫挖填作用(Fill and Scour)。
 
5. 泛濫平原(Flood-Plain)                                               
這是河流沉積的主要產物。當河流泛濫的時候,它的流量大增,所挾帶的細泥和砂粒可被沉積在為洪水淹沒的河谷平地上形成泛濫平原。泛濫平原兩側的山坡如係由堅硬的岩石組成,因側方侵蝕的關係,常可形成較陡的山坡以作為界限; 但如兩側山坡的岩石比較軟而易於侵蝕,則其界限常不易分清。
 
在泛濫的時期裡,整個泛濫平原可被洪水淹沒,在這寬闊的洪流之內,水流在河道的軸部速度最快,同時也最深,在它的兩邊,即中央急流與泛濫平原較緩的水流接觸部份,水流速度突然減慢,於是所挾帶的較粗粒子可在這兩側的地方沉積下來,形成像堤一樣的沉積丘,斜度向外逐漸低減。因其形狀頗似人工構築的堤防,故名之為自然堤(Natural-Levees)。見圖12-54。有時寬度可在一哩以上。

 
                                                           


 
自然堤通常較四週高出不過數呎,但有些則相當,故當泛的時候可突出水面,形成長而低的沙島。當河水上漲得不太厲害,自然堤可具有保護作用,將流水限制在河道之內,不過如水位過高,亦常被沖缺。有些河流的自然堤很高,以致支流須平行流經若干距離之後,始可以找到地方和主流匯合。典型的例子為阿祖(Yazoo)河,它要流經二百哩以後始和密西西比河會合,故這種現象又稱做Yazoo效果(Effect),亦叫做平行河流(Yazoo river)。
 
6. 沖積臺地 (Alluvial Terrace)                                         
有些專家如Gilbert(1877)等曾認為這類臺地應該是一種侵蝕的地形,而非沉積的地形,主要是由河流的侵蝕而生成。不過在河谷沖積平原之內,沉積台地也時常發生,成為沖積的地形之一(見圖12-55)。

 
                                                                       

 
7. 沖積物的特徵
沖積物是由各種粒度的礫石、砂、粉砂和黏土組成,它具有與河水功力性質密切相關的特徵: (1)清晰的層理構造。沖積物具有河床沉積物與河漫灘沉積物之間的界面是最明顯的層理。微細層理存在於河漫灘沉積和三角洲沉積中。河床沉積
也以不同粒度的礫、沙相間而顯示層理。每一單層自底向頂,顆粒由粒變細,顯示出有規律變化的韻律結構。剖面上可見單向斜層理(平行於水流方向的剖面上)或槽狀層理(垂直于水流方向的剖面上)。(2)同一層沙體橫向延伸不遠,在較短
距離內變薄而消失,呈側向尖滅現象。(3)大礫石的最大扁平面(AB面)以大約10º至30º的傾角傾向上游,並且在同一層中常彼此依靠,排列成疊瓦狀。(4)具有良好的分選性。(5)磨圓度較好甚至良好。(6)沖積物為機械碎屑,常含有用礦物,
如鉑、金、金剛石、獨居石、鋯英石、錫石和黑鎢礦等重砂。它們比重較大,常與比重較小而粒徑大的碎屑同時沉積,並在一定位置富集形成沖積砂礦。
 
上一則 回列表 下一則
關於本計畫 | 地質典藏館 | 學習教室 | 相關資源 | 聯絡我們
Copyright © 2012 數位典藏國家型科技計畫-臺灣大學地質科學典藏數位化計畫
版權所有 All rights reserved. 網頁設計-好點子數位創意