坡地发育与重力地貌.ppt

第四章 坡地发育与重力地貌,长期以来坡地的形成与演化就是地貌研究的焦点。这不仅是因为坡地占据80以上的陆地面积，而且它也是河流系统的一个重要组成部分，担负着为河流提供水量和泥沙的任务，因此无论在研究陆地地貌演化和河流发育中都具有十分重要的意义。,除理论上意义重大以外，坡地研究在生产实践中也有重大意义。农业上的水土保持和国土治理需要验机坡地的产水过程和土壤侵蚀机理，各种工程设计需要研究各种边坡的稳定性问题。,第一节坡地的概念与分类,一、坡地的概念坡度大于2 的地面称为坡地。坡面地貌过程一般都有重力参与，据研究，坡度小于2 的斜面上的物质，尽管有重力的坡向分量，但是它如此的小以至于对物质的移动不产生作用，只有在坡度大于2 时，重力的坡向分量对物质移动才有较大贡献。,一个坡地的特征可用三个指标来衡量：坡度坡长坡形坡度是坡面与水平面之间的夹角角度。它的大小决定了坡地物质重力坡向分量的大小，对于物质的运动速度和运动方式有重要决定意义。,坡长是指坡地自坡顶至坡脚的斜线长度。坡长的大小在一定程度上决定了坡面的大小，它决定着坡面的集水面积，通过集水量的多少影响着坡面水流的性质和物质的侵蚀与堆积。坡形是指坡面的几何形态，坡形包含着发生于坡面上地貌过程的信息，对研究坡地的形成，坡面侵蚀与运动的关系有重要意义。,二、坡地的分类坡地占据着地球上80以上的面积，所以坡地在生产实践中是经常遇到的处理对象。不同的生产目的和研究目的，决定了坡地有许多分类方法。,1、坡地的形态分类主要是根据坡地的组成要素（坡度、坡长、坡形）来划分坡地的类型。它包括如下几类划分：根据坡度划分：极陡坡 3535是坡地上松散物质的休止角陡 坡 15-35 15以下的坡地坡面侵蚀减弱缓 坡 5-15 5以下的坡地坡面侵蚀基本停止或极弱极缓坡 25,根据坡长划分：长 坡 500m中 坡 50-500m 短 坡 50m划分依据是，大于500m的长度和小于50m的长度均不利于坡面侵蚀根据坡形划分：直线坡凸形坡凹形坡复合坡,2、坡地成因分类地球上的任何地貌都是内外营力相互作用的结果，因此根据坡地的成因，将其分为：内力成因坡坡地主要由地壳的构造运动，岩浆作用和地震活动造成，如断层坡，火山坡，地震坡等。,外力成因坡由外力作用为主形成的坡地。根据作用于坡地上的外力过程类型，可将其再分为：流水作用的坡、湖水作用的坡、波浪作用的坡、冰川作用的坡、风沙作用的坡、寒冻作用的坡、,各种外力在形成坡地上的作用主要有两类作用：侵蚀和堆积，根据坡地形成的方式，可将其分为：侵蚀坡：由外力侵蚀作用形成堆积坡：由外力堆积作用形成,3、坡地组成物质分类根据组成坡地的物质类型可将其分为：基岩坡碎屑坡土坡不同的坡地物质有着不同的结构和性质，它们对坡地的稳定性有重要意义。如在干燥的坡地上，粘土的凝聚力较强，在较大的坡度上仍较稳定，而砾石的凝聚力较小，只有在较小的坡地上才稳定。,4、坡地的工程稳定分类根据坡地的稳定性可分为：稳定坡不稳定坡不同的工程对坡体的稳定性有不同的要求，故确定稳定坡的指标也不一样。一般工程上用稳定系数来衡量坡地的稳定性。稳定系数K抗滑坡度/下滑力，理论上K1坡地稳定，K1坡地不稳定。但为了工程的安全，对一般的工程来说：确定K2-3为稳定坡。,三、坡面上的地貌过程与块体运动的力学分析坡面上进行的物质和能量转换，使坡地形态不断变化的过程称为坡面过程。前面提到坡度大于2 时重力对物质运动的影响占据了较重要的位置，因而在重力作用下的各种块体运动是坡面过程的主要形式之一。此外，坡地还接受大气降水，降水时形成的水流冲刷，土壤水作用等对坡地的演化也有重要意义。,坡地上块体运动的力学机制：坡地上的块体运动主要有两种形式，一是位于坡面上的松散土粒和岩屑的移动，二是坡地表层一定软弱面上的土体、岩体的移动。,1、坡面上土粒、岩屑的运动坡面上的岩屑主要受三个力的作用：重力G摩擦力Ip支撑力FG可分解为垂 直于坡地的分力N和平行于坡面的下滑力T。块体在坡地上能否发生运动取决于与Ip的对比关系，若TIp块体发生位移，反之则稳定。,根据力的分解法则T GSin 为坡角N Gcos在坡地块体处于静止的情况下，T 与Ip大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。块体与坡地的摩擦力的大小主要与重力的垂向分力有关。,即 IpKN K为摩擦系数这样有 TIpKNGSinK GCosKtg 因此摩擦力 IpNtg但是受块体垂直坡向分力的影响，往往不到45度时摩擦力最大，这时坡地上的块体处于极限稳定状态，所以称这时的坡角为临界坡度。,临界坡度反映了块体与该坡面间摩擦力的大小和性质，应此可将临界坡角称为块体的那摩擦角，以表示。若用If表示松散块体的抗滑强度，则IfNtgGCostg 因此，坡地上土粒、石块等稳定的条件是：TIfGSinGcostgtgtg,以上关系表明：坡地上块体的稳定，需要下滑力小于抗滑强度，而要下滑力小于抗滑强度，需坡角小于坡面物质的内摩擦角。当坡角等于内摩擦角时，块体处于极限稳定状态。因此，又代表了块体下滑刚好起动的坡角，代表着物质的休止角。特别对那些没有粘结力的砂层或松散碎屑堆积层来说，内摩擦角与休止角是一致的。,2、坡地表层岩体与土体的运动这种情况下块体下滑需要克服两种作用力，摩擦阻力和块体的粘结力C，这样块体的抗滑强度可表示为:IfNtgCA C为粘结力（Kg/cm2）A为块体与坡面的接触面积（cm2）C与块体的组成物质，结构及含水量有关,对于这种块体运动，块体的稳定与否取决于下滑力与抗滑强度的对比关系。可定义一个稳定系数KK（Ntg+CA）/T理论上K1 极限稳定状态K 1 稳定K 1 滑动不稳定,第二节 崩塌及其地貌一、崩塌及其类型（一）崩塌及其特征陡峭山坡上的岩体，土体或碎屑层，主要在重力作用下突然发生急剧的崩落，翻转和滚落，在坡角形成倒石堆或岩屑堆的现象，称为崩塌。,崩落形成的地貌,崩塌的特征：1、动速度快 有时可达到自由落体的速度。2、体积变化大 小者可小于1m3，大者可大到几亿立方米（108m3）。3、块体经过崩塌后已不具备后来岩体或土地的任何结构。4、运动块体没有固定的滑动面。,60多米的山体突然崩塌，近1.5万立方米的石头倾泻而下，掩盖了整条高速公路，最大的石块足足有800立方米。,案例：浙江甬台温高速公路崩塌,（二）崩塌的类型根据崩塌体的移动形式和运动速度可将崩塌划分为如下类型:1、板状崩塌2、岩崩3、岩石剥落4、粒状崩解,二、崩塌的形成条件及触发因素（一）形成条件1、地貌条件崩塌一般仅发生在陡峻且高度较高的坡地上。坡度：松散物质组成的斜坡坡度要大于碎屑的休止角，一般大于45黄土状物质 50岩石坡50-60坡高：松散物质 45米 大型崩塌坚硬岩石坡 50米 大型崩塌,2、地质条件节理、断层、地层产状、岩性等都有影响3、气候条件一般来说崩塌是与强烈的物理风化紧密相关的，在干燥、日温差 及年温差较大的地区易发生崩塌，在融冻过程非常强的季节和地区，崩塌比较严重（二）触发因素暴雨、融冰化雪、爆破、地震、人工开挖坡角等。,2009年5月18日，三峡库区重庆巫山县龚家坊河段发生山体崩塌，约两万立方米泥石滑入长江,三、崩塌堆积地貌和结构1、崩塌堆积地貌崩塌的物体在坡角地带形成的堆积体，称为倒石堆（岩屑堆）。倒石堆的坡面坡度一般较大，其坡度决定于组成倒石堆碎屑物质的颗粒大小，主要是颗粒的休止角。,2、倒石堆的物质结构 组成物质的岩性与坡地的岩性有关。组成物质一般分选性极差，无明显层序。但因重力分选作用，堆顶物质较细，底部边缘物质较粗。,第三节滑坡及其地貌斜坡上的土体、岩体或碎屑物质在重力作用下延一定的滑动面做整体下滑的现象，称为滑坡。,三、滑坡的形态特征1、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开。（醉汉林、马刀树）2、滑动面与滑动带3、滑坡壁4、滑坡阶地5、滑坡舌与滑坡鼓丘6、滑坡洼地与滑坡湖7、滑坡裂缝：环状拉张裂隙 平行剪切裂隙 前部张裂隙与挤压裂隙 前部放射裂隙,滑 坡 形 态 示 意 图,例 湖北清江隔河岩水库茅坪滑坡,2010-4-25，台湾高速公路南下3.1公里处，25日下午发生有史以来最严重的山体滑坡。,二、滑坡的类型、发生过程与影响因素(一)滑坡的类型按组成物质分类：黄土滑坡、粘土滑坡、碎屑层滑坡、基岩滑坡按滑层厚度分类：浅层滑坡（20米）按滑动面与结构之间的关系分类：构造面滑坡、顺层面滑坡、不整合面滑坡按滑动年代分类：古滑坡、老滑坡、新滑坡,(二)滑坡的发展阶段1、蠕动阶段 2、剧烈滑动阶段 3、渐趋稳定阶段(三)影响滑坡的因素1、岩性：主要发生在遇水易软化的软弱地层上2、构造：软弱结构造产状上倾向与坡向一致，如节理面，断层面，不整合面等3、地貌：主要通过临空面和坡度4、气候：主要是通过降水和冰的融化5、地下水：6、地震与人为因素：,第四节蠕动过程及其地貌一、蠕动的概念斜坡上的土体、岩体和碎屑物质在重力作用下顺坡发生缓慢下移的现象称为蠕动。移动速度有的仅有若干mm/a有的可达几十cm/a。蠕动现象在温润湿热地区主要由于干湿和温差变化所引起，在干旱和半干旱地区主要由温差所造成，在寒冷地区主要由冻融作用和温差变化所引起。,坡 面 上 的 蠕 动 现 象,二、蠕动的类型1、松散层蠕动可分两类（1）土溜：斜坡上被水饱和的松散碎屑物质在重力作用下缓慢下溜的现象。（2）土爬：斜坡上的碎屑物质由于干湿、温度变化造成体积涨缩压动作用下向下缓慢移动的现象。造成土爬的主要原因有：冻融交替 温度变化 干湿变化。,2、岩体蠕动斜坡上的岩体在本身的重力作用下，发生十分缓慢的塑性变形或弹性变形。主要出现在页岩、片岩、千枚岩、粘土岩等柔性岩层组成的坡地上。岩体蠕动的特征：沉积岩和变质岩分布地区，可看到岩层及其风化碎屑蠕动的变形现象。岩层的蠕动深度差异大，一般在35米，最大的可达到4050米，深度大小取决于岩性、产状和坡度三个因素。岩层越软，坡度越大，蠕动深度越大。,造成岩体蠕动的原因 在3545 陡坡上的表层岩体，在岩石本身自重力的长期作用下，应力超过了岩体本身的弹性限度，发生了破裂变形，或由于长期受力的结果，发生了弹塑性变形。对于软弱岩层在自重力作用下首先发生弧形弯曲的弹塑变形，接着出现拉张裂隙，最后形成向下坡的缓慢位移。,蠕 动 的 过 程,蠕动形成的鳞片状山坡,第五节坡面冲刷,坡面冲刷主要指坡地片状流水对坡面的侵蚀作用。一、雨滴击溅侵蚀暴雨和雨强很大的雨滴，它们以较大的速度降到地表坡地上对土粒有打击分散作用，引起土粒移动。这种作用称为雨滴击溅侵蚀。,据计算一直径5mm的雨滴降落到地面的速度为9.5m/s，其动量为62g.cm2/s2,如果这个动能的向下坡分量全部传递给10坡面上直径5mm的石英砂粒，这个砂粒就可以0.61m/s的速度开始移动。,雨滴击溅侵蚀作用的强度在坡地各部分是不一样的。一般来说坡地上部大于下部，这主要是因为上部的地下水位比下部高，土粒之间的凝聚力较小，易被击溅，再者上部击溅下来的物质对下部坡面也有保护作用。,二、坡面径流侵蚀在干旱半干旱地区流水侵蚀是十分重要的一种侵蚀作用。流水侵蚀作用在一个斜坡上作用的强度是变化的。根据强度的差异可将坡地的流水侵蚀分成如下几个带：,不明显冲刷带：位于分水岭附近，水量很小，冲刷微弱。冲刷带：位于斜坡中部，该带除了本身接受的降水外，还有上部大量的降水注入，水流聚集在相对低洼处，形成有固定流路的水流，侵蚀作用增强。淤积带：位于坡麓地带，该带尽管因上部大量降水的汇入，水量增大，但上部各带侵蚀形成的物质也随之进入，到了该带由于坡度降低，水流中负载的含量达到了饱和，大量的物质堆积下来，形成堆积带。,三、坡面流一般来说，影响流水侵蚀的因素主要有坡长L，坡度I，坡面面积M，植被状况，地下水位高低等。但最重要的还是前三个因素。据野外观测所得的经验公式，坡面流水侵蚀作用的侵蚀量W与L，I，M有如下关系：W=AI0.75L0.5M1.5A为比例系数侵蚀面与坡度的关系：一般理解I越大W越大最大侵蚀的坡度 4050,四、坡积物坡麓地带由片状水流堆积下来的松散沉积物称坡积物，它构成的地貌叫坡积裙，坡积物有如下几个特征：1、磨圆度与分选性差。2、自裙顶至前缘，物质由粗变细。3、在垂直方向上有层理。4、岩性较单一。,坡积裙,第六节坡地发育,一、坡面过程特征概况,二、坡地发育模式（一）Davis的模式在戴维斯看来，坡地地貌的发育是从一个比较平坦的地面开始的，这个初始的平坦地面称为始准平原。,始准平原由于地壳的加速抬升，在极短的时间内被抬升到一个较高的高度，这时原来始准平原上的河流开始强烈下切，形成河流沟谷，沟谷的斜坡与始准平原平面有一个明显的坡折，坡地的发育就是从沟谷的斜坡开始的。,在沟谷和河流的斜坡上，由于风化作用等因素的影响，在坡面片状水流的作用下，坡地上部成凸形，坡面下部成凹形，整个坡地剖面是凸凹形坡。,如在构造稳定的条件下，这种坡度剖面的演化将主要在风化和片流侵蚀作用下，使坡地上部的凸形坡不断降低，最终形成准平原，在准平原上残留的一些较缓山丘称残丘。因为该理论是以坡地被侵蚀变低为特征的，故又被称为蚀低理论。,（二）W.Penck的模式 W.Penck的坡地发育模式是以构造活动和外力侵蚀之间关系的对比为出发点的。在他看来构造活动和外力侵蚀的关系可分为三种：,构造抬升小于外力侵蚀，即构造相对稳定条件下，形成凹形坡。构造上升与外力侵蚀相等，并且上升是均速的，形成直形坡。构造上升大于外力侵蚀速度，并且上升是加速的，形成凸形坡。,W.Penck认为，在地貌旋回这样长的地质时期内，分水岭和主谷不可能均匀降低，当主谷谷底接近均衡剖面，下切作用趋于停顿之后，山坡将以一个固定的角度平行后退；后退过程中上段坡面始终与原始坡面平行，呈直线形坡，而下段坡面则逐渐变缓，并在山前形成山足剥蚀面。这种学说认为山坡平行后退，故称山坡蚀退说。,（三）的模式King的模式是对Penck理论第一种情形的发挥，即构造相对稳定条件下，形成凹形坡，最后形成山麓剥蚀平原。,（三）等的观点地球上大部分坡地都可被分为三部分：上部凸形坡，下部凹形坡以及位于两者之间的坡地主体部分称为主坡。主坡的形成可以是简单的也可是由多个单元复合起来的。凸形坡是由于风化，蠕动和降雨击溅的综合作用下形成的。凹形坡是由坡面冲刷和溶解引起的谷坡后退而产生的。,坡地的发育主要不是取决于上两个部分，而是取决于主坡的演化。主坡的发育可能主要通过下述三种方式完成：主坡后退主坡变缓主坡变短各种气候条件下，风化，片状水流作用和影响坡地变化的因素不同，故各种气候条件下，主坡的变化方式也是不一样的。,在干旱半干旱条件下，特别是半干旱条件下，植被稀少，物质疏松，坡面冲刷强烈。主坡以后退为主，缩短和变缓较弱，形成的坡地凹形较明显。在温湿地区，由于植被条件较好，表面冲刷较弱，坡面过程主要是蠕动和雨滴的击溅引起的，它们的作用主要是使主坡缩短和变缓，主坡的后退比较次要，因此坡地较多的以凸形坡的形式发育。,第七节夷平面一、夷平面的概念与成因横切一切时代形成的地层与构造的，由剥蚀夷平作用形成的平坦地形称夷平面夷平面的形成需要一个基本条件，这就是地壳运动要有一个相当长的相对稳定时期，所谓地壳运动相对稳定，是指一个地区的构造上升速率要小于外力作用的剥蚀速率。,相当长的时期有多长？这取决于剥蚀作用对地表的夷平强度，一把来说剥蚀作用强度大的地区需要的时间较短，而剥蚀作用弱的地区所需的时间较长。Schumm.S.A 根据现代地表的平均剥蚀速度计算，在不出现均衡调整的条件下，剥蚀掉1500m厚的岩石，大约需要300万年到1亿1千万年的时间。至于各种不同气候条件下地表的剥蚀速率怎样？剥蚀一定的地表需要多长时间，仍需深入研究。,不同气候条件下，坡地发育的模式是不同的，在湿润地区地表坡地的演化是以蚀低为特征的，即最后形成准平原。而在半干旱的温带与亚热带地区，坡地的发育是以蚀退的方式进行的，即后退形成山麓剥蚀面。不管是山麓剥蚀面还是准平原，它们都是夷平面的形成形式。,地球上的气候是变化的，根据研究第三纪时的全球平均气温要比现在高出十几到二十度。第三纪时的亚热带一直可以展布到现在的寒带地区。气候带的变化造成一个地区的外力作用方式可以发生变化。因此，无论从夷平面的形成方式上还是从一个夷平面的形成上都说明，夷平面的成形是多成因的。,二、夷平面的形成时代构造运动是有旋迴性的，即构造相对稳定的时间与构造相对活动时期是交替出现的。构造活动的旋迴性将造成多级夷平面的形成。现在的构造地质学说研究表明，新生代期间发生的喜马拉雅运动可以划分为以下几个构造活动时期：,喜马拉雅运动第一幕 始新世早中期喜马拉雅运动第二幕 中新世初喜马拉雅运动第三幕 第三纪末第四纪初与此相对应，中国的夷平面可以分为两级夷平面：形成时代 华北地区 青海高原 长江中下游地区E2-E3 北台期夷平面 山顶面 山系期 N1-N2 唐县期夷平面 盆地面 鄂西期,夷平面形成时代的确定方法：年界法 相关沉积法 残留风化壳法,三、夷平面的变形夷平面形成以后，受后期的构造活动的影响，经常发生变形和变位，这为研究夷平面形成以后的构造活动性质，强度提供了依据。夷平面的变形常见的有以下四种类型。1、断裂变形2、拗曲变形与断裂变形3、掀斜上升与断裂变形,复习与思考一、名词解释崩塌；滑坡；蠕动；坡积裙；山麓剥蚀面；岛状山；准平原二、思考题1.简述崩塌形成的条件和地貌特征。2.从滑坡形成的力学机制（图示）和条件及类型出发，谈谈应如何治理滑坡？3.简述坡积裙的结构特征4.图示并对比彭克坡地发育模式和戴维斯坡地发育模式,