工程地質(zhì)

風的地質(zhì)作用——地大熱能

  風是一種很普遍的自然現(xiàn)象,是最廣泛分布的外力地質(zhì)作用之一。風的地質(zhì)作用可以 發(fā)生在陸地的許多地區(qū),但以干旱氣候區(qū)表現(xiàn)得最為強盛。因為在這些地區(qū)降水稀少且分 配不均,多以暴雨形式降落,蒸發(fā)強烈,年蒸發(fā)量超過降水量的數(shù)倍,植被稀少,日照強 度大,晝夜溫差大,物理風化強烈。這些自然條件大大地促進和加強了風的作用,使它成 為塑造當?shù)氐乇硇螒B(tài)的主要外動力。
 
  風的地質(zhì)作用風的地質(zhì)作用主要包括風的侵蝕作用、搬運作用和沉積作用。
 
  (1)侵蝕作用:風以自身的壓力和所夾帶的砂粒對地表巖土進行沖擊和磨蝕的過程 稱為風的侵蝕作用,包括吹蝕作用和磨蝕作用兩種形式。
 
  吹蝕作用:吹蝕作用又稱吹揚作用,是依靠氣流的沖擊力和紊流作用,將暴露 在地表上的松散物質(zhì)吹離地面的過程。吹蝕強度的大小取決于風力大小、地表碎屑物質(zhì)的 粒徑和聯(lián)結(jié)程度、地面濕度、地面起伏和植被情況等因素。風速愈大,地面愈干燥,植被 愈稀少,組成地面顆粒直徑愈小愈分散,吹蝕作用則愈強烈。
 
  磨蝕作用:風沙沿地面運動時,對地表物質(zhì)的沖擊、摩擦和磨損的作用,稱為 磨蝕作用。磨蝕作用的強度也取決于風力的大小與地面的性質(zhì),風速愈大,風沙中作為磨 蝕工具的碎屑物質(zhì)愈多,組成地面巖石愈軟弱,裂隙愈發(fā)育,磨蝕作用愈劇烈。一般來講, 只有大于0.2mm的砂粒才有明顯的磨蝕作用,而這樣的顆粒在強風的條件下才能被吹到 3——4m的高度,所以,吹蝕作用受高度的限制,在地表部分,磨蝕作用最顯著。在某些沙 漠地區(qū),電線桿下部被磨蝕成凹槽,甚至被磨蝕吹斷;古老建筑的下部常常有類似的磨損 凹槽。
 
  實際上,風的吹蝕作用和磨蝕作用是同時進行的,兩者相互聯(lián)系是風蝕作用的有機結(jié) 合體。無吹蝕作用吹起砂粒,根本談不上磨蝕作用,而風沙的沖擊、磨損反過來也加強了 吹蝕作用。但在不同的條件下,吹蝕和磨蝕的表現(xiàn)是不一樣的,在基巖裸露地區(qū),磨蝕作 用較為明顯;而在沙土覆蓋地區(qū),吹蝕作用就顯得更為突出。
 
  風蝕作用的不斷發(fā)展,使地面逐漸降低。如同河流下蝕作用一樣,風蝕作用也有一個 基準面,就是當?shù)?a href="http://m.zxkjjt.com/t/地下水.html" >地下水位。因為地面下降達到地下水位時,土顆粒濕度較大,不會發(fā)生 吹蝕作用,同時由于地下水的出露,植物生長茂盛,阻止了風蝕的進一步發(fā)展。沙漠中出 現(xiàn)的一片片綠洲和湖盆,往往就是這樣形成的。
 
  搬運作用:地表松散的碎屑物質(zhì),不斷地隨風力由源地運移到別處的作用,稱 為風的搬運作用。根據(jù)風力的大小,碎屑物質(zhì)的運動形式也有推移、躍移和懸移三種形式。 在一定的風力下,不同粒徑的物質(zhì)有不同的運動方式,而同一粒徑的物質(zhì),在不同的風力 條件,也表現(xiàn)為不同的搬運方式。如顆粒較大的物質(zhì),在較小的風力條件下,表現(xiàn)為推移 質(zhì);而在較大風力條件下,有可能表現(xiàn)為躍移質(zhì)或懸移質(zhì)。
 
  根據(jù)我國沙漠的野外觀測,在離地面2m處,風速達4——5m/s時,風將地面上顆粒為
 
  0.1?0.25mm的細砂顆粒揚起隨風吹走,即形成風沙流。風沙流中的含沙量隨高度的增加 而減少,顆粒粒徑也隨高度的增加而減少。就含沙的重量而言,無論風力多大,在風的搬 運過程中,以躍移方式為主(占70%——80%),推移次之(占20%),懸移最少(一般不超過10%),使風沙流中風運物質(zhì)重量垂直分布,出現(xiàn)下多上少。
 
  和流水地質(zhì)作用一樣,風的搬運作用具有明顯的分選性,大于2mm的礫石多沿地面 滾動或蠕動;0.2?2mm的砂粒多在距離地面30cm的地帶內(nèi)躍移前進;小于0.2mm的細 砂、粉砂、黏土顆粒則呈懸浮狀態(tài)隨風做長距離運動。如果是極細的塵土,則可以呈懸浮 狀態(tài)被風吹到很遠的地方,待風停息后逐漸沉積到地面上。風沙的搬運能量巨大,一次大 風暴的侵蝕,在大面積的地面上,黃沙滾滾,塵土飛揚,可以搬運成千上萬噸物質(zhì)。在第 四紀以來,在長期的風力搬運下,地球上形成了浩瀚的沙漠和莽莽黃土。
 
  沉積作用:由于風力的減弱,或因地表的山脈、森林、草叢、建筑物的阻擋, 風的搬運能力降低,風的搬運物便逐漸堆積下來,形成風積物,為風的沉積作用。
 
  由于風的分選性作用,風積物在平面上的分布具有分帶性,從風源開始沿風的前進方 向,風積物的粒徑由粗變細,依次為細礫帶、粗砂帶、中砂帶、細砂帶、粉土帶等。我國 西北地區(qū)盛行西風,風積黃土的粒徑分布呈由西北向東南變細的特征。
 
  2.風沙地貌風對地表巖石和松散堆積物的侵蝕、搬運和堆積過程中所形成的地貌,
 
  稱為風沙地貌。它包括風蝕地貌和風積地貌兩類。
 
  (1)風蝕地貌:由于風蝕作用只限于地表附近的范圍內(nèi),所以風蝕地貌在近地面處 最明顯。風蝕地貌包括雅丹地貌、風蝕城堡、風蝕柱、風蝕蘑菇、風蝕洼地、石窩等。
 
  (a)風蝕城堡:干旱地區(qū)的水平巖層,經(jīng)過長期風蝕分割后殘留的孤立平頂小丘, 風蝕城堡形似片段的城墻,很像一座毀壞的古城,稱為風蝕城堡。這種地貌在 青海柴達木盆地內(nèi)有廣泛的分布。
 
  (b)雅丹地貌:干旱地區(qū)的沖洪積平原、湖積平原上,由于湖水干涸,黏性土干縮 開裂,主要風向沿裂隙不斷吹蝕,使裂隙逐漸擴大形成溝槽,在溝槽之間形成高幾米或十 余米的陡壁和垅脊,順主風向延伸較遠,溝槽內(nèi)常為泥砂所充填。這種地貌在新疆羅布泊 北岸的雅丹地區(qū)最典型,稱為雅丹地貌。
 
  圖3 -12雅丹地貌
 
  風蝕柱、風蝕蘑菇:在基巖分布區(qū),如垂直裂隙發(fā)育,經(jīng)長期的風蝕作用后, 巖體沿節(jié)理分離,就會形成一些孤立的石柱,稱為風蝕柱。其大小高低不一,有單獨的, 也有成群分布的。如果基巖構(gòu)造水平,下部巖性較軟弱,近地面的風蝕作用強烈,結(jié)果下 部比上部磨損大,形成頂部大、下部較細的菌狀巖體,稱為風蝕蘑菇。
 
  風蝕洼地:在松散物質(zhì)堆積區(qū),經(jīng)風蝕作用后,常形成寬廣而輪廓不太明顯的 洼地,稱為風蝕洼地。這種洼地外形呈長橢圓形,長軸與主風向一致。有的洼地呈新月形, 自地面向下凹陷,甚至達到潛水面。背風坡較陡,常超過30°,迎風坡較緩。風蝕洼地一 般深度不超過10m,長度在1——2km之間。在我國青海柴達木盆地西部廣泛發(fā)育。
 
  (c)風蝕石窩:在陡峭的巖壁上,由巖石的差異風化和風蝕作用形成的大小不等、 形狀各異的洞穴和凹坑,使巖石具有蜂窩結(jié)構(gòu),稱為風蝕石窩。這種石窩的直徑可達20cm, 深度約10——15cm,多分布在花崗巖或砂頁巖石壁上。
 
  (2)風積地貌:風成沉積物主要有沙質(zhì)沉積和塵土沉積兩類。沙質(zhì)沉積是指風積作 用形成的各種沙丘;塵土沉積是指顆粒較細的塵土呈懸浮狀態(tài)被風力搬運,在某些地帶沉 積下來,形成著名的黃土地貌。由于風的分選性強,這兩類沉積物分別在不同的地帶沉積, 形成不同的沉積地貌。
 
  沙丘:沙丘是沙漠地區(qū)最基本的地貌形態(tài),沙丘的形成和發(fā)展是在干旱氣候下風和沙 質(zhì)地表的相互作用,并受地形、地面物質(zhì)和植被條件等因素等綜合影響的產(chǎn)物,由于這些 因素在各地不同,因此產(chǎn)生多種類型的沙丘。
 
  (a)新月形沙丘:在單一方向的風的作用下,形成的一種平面上呈新月狀的沙丘, 稱為新月狀沙丘。它的剖面的兩坡不對稱,迎風坡凸出,坡度較?。?0°——20 ° ),背風坡坡形下凹,坡度較大(28°——34°,相當于沙土的休止角)。新月形沙丘在平 面上狀如新月,其兩側(cè)沿順風向延伸著對稱的兩翼,兩翼之間的交角取決于主風速的大小。 風速愈大,交角愈小。這種沙丘高度不大,一般不超過15m,個別的可達30?40m,沙丘 的寬度可達100——300m。
 
  新月形沙丘在風力的作用下,還能順風移動。這時迎風坡的砂粒被風帶到沙丘頂部, 當達到丘脊后會順著背風坡滾落到坡腳堆積下來,接著后來的沙子又重新覆蓋在上面,這 樣迎風坡的沙子一層層地被剝?nèi)?,后在背風坡一層層地堆積下來,于是沙丘不斷地前進。
 
  沙丘的移動速度主要受風力、風的持久性、沙丘高度、植被狀況、沙丘濕度、地形起 伏程度等因素的影響。新月形沙丘的移動速度一般每年2?4m,個別的可以達到40m,甚 至更快。新月形沙丘是風積地貌中最普遍的一種地貌形態(tài),分布廣泛。
 
  由于新月形沙丘的不斷擴大,或因不同大小沙丘移動速度的差異,使兩個或兩個以上 新月形沙丘連接起來,形成新月形沙丘鏈。規(guī)模巨大的沙丘鏈,在其緩長的迎風坡上,往 往又形成次一級的新月形沙丘,形成復合沙丘鏈,長度可達10km,高度達100m以上。在 北非的撒哈拉和我國的塔克拉瑪干沙漠,都有廣泛的分布。
 
  上述這類沙丘的延展方向和風的方向垂直,一般將這類沙丘稱為橫向沙丘。
 
  縱向沙壟:在單向風或幾個方向相近的風的作用下,形成沿主風箱延伸的壟狀 堆積地貌,稱為縱向沙壟。這種沙壟在縱方向上延伸較遠,呈沙脊起伏;在橫剖面上不同 部位有較大變化,前端具有明顯的側(cè)向迎風坡和背風坡;中部具有兩個對稱的緩坡;后端 呈現(xiàn)相當平緩而對稱的剖面。
 
  縱向沙壟的規(guī)模因地而異,在我國西北沙漠地區(qū),一般高十余米至數(shù)十米,長度數(shù)百 米至數(shù)千米;北非撒哈拉中縱向沙壟,可高達100——300m。
 
  格狀沙丘:在兩個風向相互垂直的風力作用下,即可形成格狀沙丘。沙丘呈縱 橫交錯,狀如方格,沙丘之間有較深的洼地,這類沙丘在騰格里沙漠東南部最為常見,因 為這里盛行西風,形成了近南北向的新月形沙丘鏈;而后主風在賀蘭山前受阻轉(zhuǎn)為東北風, 因此在沙丘鏈之間形成短小的沙埂,構(gòu)成格狀沙丘。
 
  金字塔狀沙丘:在風力均勻的幾個方向風的作用下,發(fā)育的一種沙丘類型。在 高山山前地帶,氣流向前運動時受到山地的阻擋,使氣流發(fā)生干擾,形成巨大的旋渦,同 時又受到山前局部氣流的影響,因而風向復雜,便堆積成尖錐狀的金字塔狀沙丘,如我國 昆侖山北麓就有這類沙丘分布。
 
  黃土地貌:黃土是第四紀時期干旱氣候條件下形成的一種松散堆積物。典型的黃土是 由風的搬運、堆積而成。黃土呈灰黃色或棕黃色,質(zhì)地均勻,以粉粒(0.05——0.005mm) 為主,一般占總重量的50%以上;黏粒(小于0.005mm)和砂粒(大于0.05mm)的含量 較少。結(jié)構(gòu)疏松,孔隙大,無層理,垂直節(jié)理發(fā)育。黃土具有獨特的工程性質(zhì):于燥時強 度較大,遇水時結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,產(chǎn)生濕陷變形,具有濕陷性。黃土經(jīng)剝蝕、搬運、再沉積 形成的黃土,具有明顯的層理,稱為次生黃土。
 
  黃土在世界上分布廣泛,主要分布在干旱的中緯度地區(qū)。中國黃土大致沿昆侖山、秦 嶺以北、阿爾泰山、阿拉善和大興安嶺一線以南分布,構(gòu)成北西西一南東東走向的黃土帶。 黃土帶的東端向南北兩個方向展布,北自松嫩平原北部(典型黃土北起遼西及熱河山地一 帶),南達長江中下游,處于北緯30°?49°之間,而以北緯34°?45°之間的地帶最發(fā) 育、厚度最大、地層最全,構(gòu)成中國黃土的發(fā)育中心。
 
  關(guān)于黃土分布面積的估算,不同學者先后提出過不同的結(jié)果。依據(jù)劉東生等1965年 出版的《中國黃土分布圖》,黃土分布面積為440000km2,黃土狀巖石面積為191840km2, 兩者共為632520km2。如將黃土與黃土狀巖石與我國陸地面積進行比較,則黃土占陸地總 面積的4.4%,而黃土狀巖石占1.9%左右;王永炎(黃土圖集)測得黃土面積為631000km2。
 
  黃土的分布面積以黃河中游地區(qū)最大,占中國黃土總面積的72.36%;其次是新疆塔 里木盆地,為9.03%;分布面積最小的是河西走廊,僅占0.35%。隨著工作的深入和資料
 
  不斷充實,黃土分布范圍和面積必將還有一些新的變化。
 
  黃土高原是指位于中緯度地區(qū)的黃河中上游地區(qū),大致沿長城以南,秦嶺以北;西起 日月山,東到太行山東麓,行政上包括了陜、甘、寧、青、晉、魯、豫七?。▍^(qū))的廣大 范圍。
 
  黃土地貌是在多種內(nèi)外力地質(zhì)作用因素綜合作用下形成的。一方面黃土大面積覆蓋在 地表,所以黃土地貌基本上繼承了古老地貌的形態(tài)特征,但同時修飾和柔和了古地貌的起 伏,使之具有較為緩和的外形。另一方面,諸多外力因素如暴雨沖刷、坡面侵蝕、流水切 割、冰凍風化以及人類的活動,又改變著黃土地貌的外形,使其具有不同的特征,產(chǎn)生了 各種類型的黃土地貌,歸納起來共分為三類:黃土溝谷地貌、黃土溝間地貌和潛蝕地貌。
 
  黃土溝谷地貌:黃土地區(qū)的溝谷十分發(fā)育,地面被切割得支離破碎,形成千溝 萬壑現(xiàn)象。按照黃土溝谷的形成、發(fā)展階段、形態(tài)和規(guī)模大小,溝谷地貌有許多類型。有 初期發(fā)育的細溝和切溝;有規(guī)模較大的沖溝;還有規(guī)模更大的河溝。從細溝、切溝、沖溝、 河溝的發(fā)展過程,就是小溝谷發(fā)展成大溝谷,大溝谷發(fā)展成經(jīng)常流水的河谷的過程。黃土 地區(qū)的溯源侵蝕十分強烈,尤其是暴雨時,溝頭進展非常迅速。如陜西董志塬上的東溝溝 頭溯源侵蝕速度達每年5m,1947年6月,8h的降雨量為132mm,使馬家集至雷家胡同一 帶的溝頭推進了 10m。
 
  黃土溝間地貌:溝間地貌在我國黃土地區(qū)廣泛分布,可分為塬、梁、峁三種類
 
  型。
 
  黃土塬:黃土塬是指由黃土覆蓋的、范圍較廣的平坦高地。其特點是外形呈平臺狀, 地面平坦,邊緣地帶由于受到溝谷侵蝕影響而變得支離破碎,參差不齊。黃土塬的面積較 大,一般數(shù)十平方千米,如隴東的董志源,海拔1400m,長80km,最寬處40km。
 
  黃土梁:黃土梁是指由平行于河谷的長條狀黃土高地,頂面平坦,一般是由兩條平行 的溝谷分割黃土塬形成的。梁的頂面平坦者稱為平梁;緩慢起伏的稱為條梁;梁的脊線起 伏較大,有明顯的土丘和鞍部的稱為峁梁。我國黃土地區(qū),許多梁的形成與堆積前的地形 有關(guān),當時古地面已具有梁的輪廓,然后黃土堆積其上,又受到近代流水的侵蝕所致。
 
  黃土峁:黃土峁是指孤立的黃土丘,是河谷進一步分割黃土梁而形成的饅頭狀丘陵。 峁坡呈凸形斜坡,坡度一般在20°左右。黃土峁常分布在切割較深的河流下游地區(qū)或河流 的交匯處。
 
  黃土潛蝕地貌:地表水沿黃土的裂隙和孔隙下滲,進行機械侵蝕和潛蝕,帶走 了部分土粒和膠體物質(zhì),使黃土的孔隙增大,形成洞穴。經(jīng)過流水和重力地質(zhì)作用,引起 洞穴的塌落,形成黃土特有的潛蝕地貌,亦稱黃土喀斯特地貌。黃土潛蝕地貌主要有以下 幾種:
 
  黃土碟:黃土碟是一種近似碟形的洼地,是由于地表水均勻下滲侵蝕黃土后,土層上 部被掏空,在重力作用下,土層被均勻地壓密,使地面均勻下沉。黃土碟深度一般僅數(shù)米, 直徑10?20m,多分布在平緩的地面上或溝頭。
 
  黃土陷穴:黃土陷穴是地表水匯集到黃土節(jié)理裂隙中進行潛蝕作用使黃土塌陷而形成 的一種穴狀洼地。陷穴在黃土地區(qū)分布很廣,多分布在地表水容易匯集的溝間地邊緣地帶 和谷坡的上部,特別是切溝和沖溝的溝頭附近最為發(fā)育。根據(jù)陷穴的形態(tài)特征,可分為豎 井狀陷穴、漏斗狀陷穴、串珠狀陷穴三種。豎井狀陷穴呈井狀,口徑小而深度大,主要形 成于地形相對高差較大,黃土厚度大,有利于水流匯集的黃土塬邊緣地帶;漏斗狀陷穴呈 漏斗狀,深度小,主要分布于谷坡上部和梁峁的邊緣地帶;串珠狀陷穴是由多個陷穴連成 一體,在陷穴的底部常有孔道相通,多分布在溝床上或斜坡上。黃土陷穴是溝頭侵蝕的方 式之一。
 
  黃土橋:由兩個或多個陷穴串通后,其表面沒有塌陷的部分,形成的橋狀地貌,稱為 黃土橋。黃土橋塌陷后又可發(fā)展為溝谷。
 
  黃土柱:流水不斷地沿垂直裂隙進行侵蝕和沖刷,使黃土發(fā)生崩塌,逐漸分離成柱狀 的殘留土體,稱為黃土柱。黃土柱一般高度為幾米至十幾米,由于頂部受水的面積較小, 不易被流水破壞,所以可以保留數(shù)十年甚至上百年。