第三章地表地質(zhì)作用

第一節(jié)風(fēng)化作用

堅(jiān)硬的巖石，一旦出露地表，在太陽(yáng)輻射作用下，并與水圈、大氣圈和生物圈接觸，為適應(yīng)地表新的物理、化學(xué)環(huán)境，都必然會(huì)發(fā)生變化，這種變化雖然緩慢，但年深日久，就會(huì)逐漸崩解，分離為大小不等的巖屑或土層，巖石的這種物理、化學(xué)性質(zhì)的變化稱(chēng)為風(fēng)化；引起巖石這種變化的作用稱(chēng)為風(fēng)化作用。

①風(fēng)化作用使堅(jiān)硬致密的巖石松散破壞；②改變了巖石原有的礦物成分和化學(xué)成分；③使巖石的強(qiáng)度和穩(wěn)定性大為降低；④對(duì)工程建筑條件起著不良影響；⑤像滑坡、崩塌、碎落、巖堆及泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象，大部分都是在風(fēng)化作用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。風(fēng)化作用分為物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化及生物風(fēng)化三個(gè)類(lèi)型。一、風(fēng)化作用的類(lèi)型（一）物理風(fēng)化作用在地表或接近地表?xiàng)l件下，巖石礦物在原地發(fā)生機(jī)械破碎而不改變其化學(xué)成分的過(guò)程叫物理風(fēng)化作用。1.巖石釋重2.溫度變化3.冰劈4.晶脹物理風(fēng)化的結(jié)果，首先是巖石整體性遭到破壞，隨著風(fēng)化程度的增加，圖3-1冰劈作用逐漸成為巖石碎屑和松散的礦物顆粒。（二）化學(xué)風(fēng)化作用化學(xué)風(fēng)化是指巖石在水、氧、二氧化碳以及酸類(lèi)等各種營(yíng)力的影響下，所引起的破壞作用。其主要特點(diǎn)是化學(xué)營(yíng)力，對(duì)巖石進(jìn)行各種化學(xué)分解，使巖石的化學(xué)成分發(fā)生改變，并產(chǎn)生新的次生礦物。1.溶解作用最容易溶解的是鹵化鹽類(lèi)（巖鹽、鉀鹽），其次是硫酸鹽類(lèi)（石膏及無(wú)水石膏），再其次是碳酸鹽類(lèi)（石灰?guī)r、白云巖等）。常常形成巖溶現(xiàn)象。2.水化作用水化作用是水與巖石中的某種礦物成分化合成為含水化合物的過(guò)程。

CaSO4+2H2O→CaSO4·2H2O

無(wú)水石膏石膏水化作用的結(jié)果產(chǎn)生了水化礦物。含水礦物硬度低于無(wú)水礦物，同時(shí)產(chǎn)生體積膨脹。

3.水解作用

K2O·Al2O3·6SiO2+nH2O→Al2O3·2SiO2·2H2O+4SiO2·nH2O+KOH

正長(zhǎng)石高嶺土蛋白石4.碳酸化作用

K2O·Al2O3·6SiO2+CO2+2H2O→Al2O3·2SiO2·2H2O+K2CO3+4SiO2

正長(zhǎng)石高嶺土

CaCO3+CO2+2H2O→Ca（HCO3）25.氧化作用許多變價(jià)元素在地下缺氧的條件下，常形成低價(jià)元素的礦物，在地表氧化環(huán)境下，這些低價(jià)元素礦物極不穩(wěn)定，容易氧化為高價(jià)元素的新礦物，以適應(yīng)新的環(huán)境，如黃鐵礦經(jīng)氧化后成為褐鐵礦：2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+2H2SO4黃鐵礦硫酸亞鐵12FeSO4+3O2+6H2O→4Fe2（SO4）3+4Fe（OH）3

硫酸鐵 褐鐵礦（三）生物風(fēng)化生物風(fēng)化是指生物在其生長(zhǎng)和分解過(guò)程中，直接或間接地對(duì)巖石礦物所起的物理和化學(xué)的風(fēng)化作用。生物的物理風(fēng)化作用生物的化學(xué)風(fēng)化作用二、風(fēng)化巖層的分帶巖石的風(fēng)化在地表部分受影響最顯著，往下風(fēng)化作用的影響逐漸減弱，以至消失，在風(fēng)化剖面的不同深度上，巖石的物理力學(xué)性質(zhì)也會(huì)有明顯差異。從工程地質(zhì)角度，一般把巖石的風(fēng)化自下而上分成四個(gè)帶：（1）整石帶：（2）塊石帶：

（3）碎石帶：（4）粉碎帶：三、巖石風(fēng)化程度的分級(jí)（一）巖石風(fēng)化程度的判斷巖石受到風(fēng)化以后，不論其外觀特征或物理力學(xué)性質(zhì)，都會(huì)發(fā)生一系列的變化，根據(jù)這些變化，我們可以概略的判斷巖石風(fēng)化程度。1.巖石的顏色2.巖石的礦物成分3.巖石的破碎程度4.巖石強(qiáng)度變化5。巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造的變化（二）巖石風(fēng)化程度分級(jí)

巖石風(fēng)化程度分級(jí)表3-1

風(fēng)化程度分級(jí)主要特征顏色與光澤結(jié)構(gòu)與構(gòu)造礦物成分破碎程度強(qiáng)度未經(jīng)風(fēng)化所有礦物及其膠結(jié)物的顏色都是新鮮的保持原有結(jié)構(gòu)、構(gòu)造礦物成分未變除構(gòu)造裂隙外，肉眼見(jiàn)不到其它裂隙巖石原有的強(qiáng)度風(fēng)化輕微巖石顏色稍比新鮮巖石暗淡，僅裂隙面附近部分礦物變色結(jié)構(gòu)、構(gòu)造未變沿裂隙面稍有風(fēng)化現(xiàn)象或有水銹發(fā)生少數(shù)風(fēng)化裂隙，但不易與新鮮巖石區(qū)別比新鮮巖石略低，但不易區(qū)別風(fēng)化頗重表面和裂隙面大部分變色，但斷口仍保持新鮮巖石特點(diǎn)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造大部分完好沿裂隙面出現(xiàn)次生礦物風(fēng)化裂隙發(fā)育，完整性較差抗壓強(qiáng)度僅為新鮮巖石的1/3~2/3風(fēng)化嚴(yán)重巖石顏色改變，僅巖塊斷口中心仍保持原有顏色結(jié)構(gòu)、構(gòu)造大部分破壞易風(fēng)化礦物均已風(fēng)化變質(zhì)，形成次生礦物巖體呈干砌塊石狀，巖塊上裂紋密布，疏松易脆，完整性很差抗壓強(qiáng)度僅為新鮮巖石的1/3左右風(fēng)化極嚴(yán)重巖石完全變色，光澤消失，黑云母變?yōu)轵问Y(jié)構(gòu)、構(gòu)造完全破壞，僅外觀保持原巖的狀態(tài)，礦物晶粒失去了膠結(jié)聯(lián)系，石英松散成砂粒除石英晶粒外，其余礦物大部分風(fēng)化變質(zhì)，形成次生礦物用手折斷、捏碎很低

四、殘積層地表巖石經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期風(fēng)化作用后，改變了礦物成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，形成和原來(lái)巖石性質(zhì)不同的風(fēng)化產(chǎn)物，其中的一部分易溶物質(zhì)被水溶解流失，大部分物質(zhì)殘留在原地，這種物質(zhì)稱(chēng)為殘積物，這種風(fēng)化層稱(chēng)為殘積層。特點(diǎn)：①殘積層的成分與原巖有密切關(guān)系。②殘積層中的碎屑物質(zhì)大小不均勻，菱角顯著，無(wú)分選，無(wú)層理，有時(shí)保存原巖的殘余構(gòu)造，或者由于不同深度上的風(fēng)化程度不同，而呈現(xiàn)假層理，殘積層與下伏母巖沒(méi)有明顯界線，而是逐漸過(guò)渡的。③殘積層在平緩的山頂和山坡上較厚，而在易遭沖刷的較陡山坡上則厚度不大。工程地質(zhì)性質(zhì)：①殘積層具有較多的空隙和裂縫，易遭沖刷，強(qiáng)度和穩(wěn)定性差。②由于殘積層空隙多，又加成分和厚度很不均勻，所以作為建筑物的地基時(shí)，應(yīng)考慮其承載能力和可能產(chǎn)生的不均勻沉降。③由于殘積層結(jié)構(gòu)比較松散，作為路基邊坡時(shí)，應(yīng)考慮可能出現(xiàn)的崩塌和沖刷等問(wèn)題。五、影響風(fēng)化作用的主要因素（一）氣候因素（二）巖性的影響（三）地質(zhì)構(gòu)造的影響

圖3-2囊狀風(fēng)化1-糜棱巖和角礫巖；2-碎裂巖；3-強(qiáng)風(fēng)化巖及其底板界線；4-弱風(fēng)化巖及其底板界線；5-微風(fēng)化和新鮮巖體（四）地形地貌的影響（五）其它因素（水、人為因素）六、防治巖石風(fēng)化的措施防治巖石風(fēng)化的措施一般包括兩個(gè)方面：一是對(duì)已風(fēng)化產(chǎn)物的合理利用與處理；二是防止巖石進(jìn)一步風(fēng)化。（一）對(duì)風(fēng)化巖石的處理措施1．當(dāng)風(fēng)化殼厚度較?。ㄈ鐢?shù)米之內(nèi)），施工條件簡(jiǎn)單時(shí)，可將風(fēng)化巖石全部挖除，使重型建筑物基礎(chǔ)置在穩(wěn)妥可靠的新鮮基巖上。2．當(dāng)風(fēng)化殼厚度較大，但經(jīng)處理后在經(jīng)濟(jì)上和效果上反比挖除合理時(shí)，則不必挖除。如地基強(qiáng)度不能滿(mǎn)足要求，可用錨桿或水泥灌漿加固，以加強(qiáng)地基巖體的完整性和堅(jiān)固性。３．當(dāng)?shù)鼗嬖谀覡铒L(fēng)化，且深度不大時(shí)，在可能條件下可將其挖除。當(dāng)囊狀風(fēng)化深度較大時(shí)，應(yīng)視具體條件或用混凝土蓋板跨越?；蜻M(jìn)行加固處理。４．開(kāi)鑿于劇強(qiáng)風(fēng)化帶的邊坡和地下洞室，應(yīng)進(jìn)行支擋、加固、防排水等措施，以保證施工及應(yīng)用期間邊坡與洞室圍巖的穩(wěn)定性。(二）預(yù)防巖石風(fēng)化的措施預(yù)防巖石風(fēng)化的基本指導(dǎo)思想是通過(guò)人工處理后，使風(fēng)化營(yíng)力與被保護(hù)巖石隔離，以使巖石免遭繼續(xù)風(fēng)化，降低風(fēng)化營(yíng)力的強(qiáng)度，以減慢巖石的風(fēng)化速度。①可在被保護(hù)巖石表面用粘性土或砂土鋪蓋。②采用各種化學(xué)材料浸透巖石，使之充填巖石空隙，或在空隙壁形成保護(hù)薄膜，以防止風(fēng)化營(yíng)力與巖石直接接觸。③當(dāng)以風(fēng)化速度較快的巖石做地基時(shí)，基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)高程后，須立即澆注基礎(chǔ)，回填封閉。

第二節(jié)地表流水的地質(zhì)作用地殼上存在有兩種水流，一種是存在于地殼表層的地表水流，另一種是存在于地下的地下水流。地表水流根據(jù)存在特點(diǎn)，可分為時(shí)斷時(shí)續(xù)的（雨水、融雪及山洪等）暫時(shí)性水流；另一種是終年流動(dòng)不息的（河水、湖水及海水等）長(zhǎng)期性水流。一、暫時(shí)性流水的地質(zhì)作用（一）片流的地質(zhì)作用及坡積層雨水降落到地面或覆蓋地面的積雪融化時(shí)，其中一部分被蒸發(fā)，一部分滲入地下，剩下的部分則形成無(wú)數(shù)的網(wǎng)狀坡面細(xì)流，從高處沿斜坡向低處緩慢流動(dòng)，時(shí)而沖刷，時(shí)而沉積，不斷地使坡面的風(fēng)化巖屑和粘土物質(zhì)沿斜坡向下移動(dòng)，最后，在坡腳或山坡低凹處沉積下來(lái)形成坡積層。沖刷作用的強(qiáng)度和規(guī)模，在一定的氣候條件下與山坡的巖性、風(fēng)化程度和坡面植物的覆蓋程度有關(guān)。圖3-3坡積層示意圖

1-基巖；2-坡積層特點(diǎn)：①一般是中下部較厚，而上坡上部逐漸變薄以至尖滅。②坡積層物質(zhì)未經(jīng)長(zhǎng)期搬運(yùn)，碎屑棱角明顯，分選性不好。③通常都是天然孔隙度很高的含有棱角狀碎石的亞粘土。④與殘積層不同的是坡積層的組成物質(zhì)經(jīng)過(guò)了一定距離的搬運(yùn)，由于間歇性的堆積，可能有一些不太明顯的傾斜層理。⑤與下伏基巖沒(méi)有成因上的直接聯(lián)系。

工程性質(zhì)：除下伏基巖頂面的坡面平緩?fù)?，坡積層多數(shù)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。影響坡積層穩(wěn)定性因素，概括起來(lái)主要有以下三個(gè)方面：（1）下伏基巖頂面的傾斜程度；（2）下伏基巖與坡積層接觸帶的含水情況；（3）坡積層本身的性質(zhì)。（二）山洪急流的地質(zhì)作用及洪積層急流是由片流匯集而成的，開(kāi)始沿著凹形斜坡向下流動(dòng)，由于洪流集中且流速較大，因此具有較大的沖刷能力，急流流動(dòng)的結(jié)果，在斜坡地帶形成大量溝槽（沖溝），它不但破壞了斜坡的完整性，同時(shí)也造成了大量的水土失。1.沖溝的發(fā)育階段：

圖3-4沖溝發(fā)育階段縱剖面圖

a）沖槽階段；b）下切階段；c）平衡階段；d）休止階段2.沖溝的防治：

第一階段：沖溝范圍較小，可以采取填平溝槽并進(jìn)行夯實(shí)，對(duì)地表水進(jìn)行導(dǎo)流并植樹(shù)，或?qū)υ袠?shù)木禁止砍伐。第二階段：在溝底鋪砌柴捆或石籠，或在溝槽處采用水泥砂漿石砌跌水建筑物。第三階段：溝底沖刷減弱，但溝壁的坍塌現(xiàn)象仍然存在，故應(yīng)在溝底坡腳處修建土壩，并在其上植樹(shù)，以防治溝壁的進(jìn)一步坍塌。第四階段：沖溝已經(jīng)停止發(fā)育，為了防止水流的再?zèng)_刷作用，應(yīng)在溝內(nèi)植樹(shù)造林，禁止對(duì)樹(shù)木亂砍濫伐。3.洪積層大雨或融雪水將山區(qū)或高地的大量碎屑物沿沖溝搬運(yùn)到山前或山坡的低平地帶堆積而成。洪積物在溝口往往呈扇形分布，扇頂在溝口，向山前低平地帶展開(kāi)，稱(chēng)為洪積扇（如圖3-5所示）。洪積扇的規(guī)模逐年增大，有時(shí)與相鄰溝谷的洪積扇互相連接起來(lái)，形成規(guī)模更大的洪積裙。圖3－5洪積扇沉積物紅積層的特點(diǎn)及工程性質(zhì)特點(diǎn)：①洪積物具有一定程度的分選與磨圓。②從水平方向看扇頂部位為粗碎屑物質(zhì)，向扇體邊緣逐漸變細(xì)成為砂類(lèi)土和粘性土。③具有較明顯的層理，以及夾層、透鏡體等。④洪積物的厚度從溝口到扇頂逐漸變厚。工程性質(zhì)：①一般分為上部、中部和下部三部分。它們具有不同的工程地質(zhì)特征。②上部多以碎石、礫石、卵石為主要成分，強(qiáng)度高、壓縮性小，可作為工業(yè)、民用建筑良好地基，但其孔隙大，透水性強(qiáng)，不適應(yīng)建壩。③中部以砂土為主，下部以粘土為主，它們一般都是良好地基。主要在砂土向粘土過(guò)渡地帶，由于透水性的差異及地下水埋藏淺等的影響，常有泉水出露，形成沼澤。沼澤地帶泥炭層強(qiáng)度低，壓縮性大。④下部細(xì)顆粒由于具有可融鹽結(jié)晶，形成聯(lián)結(jié)、強(qiáng)度好，但應(yīng)防止水對(duì)結(jié)晶的溶解。二、河流的地質(zhì)作用具有明顯河槽的常年或季節(jié)性水流稱(chēng)為河流。（一）侵蝕作用河水在流動(dòng)過(guò)程中不斷加深和拓寬河床的作用稱(chēng)為河流的侵蝕作用。按其作用的方式，可分為溶蝕和機(jī)械侵蝕兩種。

河流的侵蝕作用按照河床不斷加深和拓寬的發(fā)展過(guò)程，可分為下蝕作用和側(cè)蝕作用。1．下蝕作用

河水在流動(dòng)過(guò)程中使河床逐漸下切加深的作用，稱(chēng)為河流的下蝕作用。強(qiáng)度取決于河流的流速和流量。同時(shí)，也與河床的巖性和地質(zhì)構(gòu)造有密切的關(guān)系。下蝕作用使河床不斷加深，切割成槽形凹地，形成河谷。河流下蝕作用強(qiáng)烈，可形成深而窄的峽谷。如長(zhǎng)江三峽等。河流的下蝕過(guò)程總是從河的下游逐漸向上游方向發(fā)展的，這種溯源推進(jìn)的侵蝕過(guò)程稱(chēng)為溯源侵蝕。河流的下蝕作用并不是無(wú)止境的繼續(xù)下去，而是有它自己的基準(zhǔn)面的。因?yàn)殡S著下蝕作用的發(fā)展，河床不斷加深，河床的縱坡逐漸變緩、流速降低，侵蝕能量削弱，達(dá)到一定的基準(zhǔn)面后，河流的侵蝕作用將趨于消失。河流下蝕作用消失的平面，稱(chēng)為侵蝕基準(zhǔn)面。侵蝕基準(zhǔn)面不是固定不變的，由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的區(qū)域性和差異性，會(huì)引起水系侵蝕基準(zhǔn)面發(fā)生變化。2．側(cè)蝕作用河水在流動(dòng)過(guò)程中，一方面不斷刷深河床，同時(shí)也不斷沖刷河床兩岸，這種使河床不斷加寬的作用，稱(chēng)為河流的側(cè)蝕作用。河水在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中橫向環(huán)流的作用，是促使河流產(chǎn)生側(cè)蝕的經(jīng)常性因素。

圖3-6橫向環(huán)流示意圖

a）河流橫向環(huán)流；b）河曲處橫向環(huán)流斷面圖

圖3-7側(cè)蝕作用使河谷加寬圖3-8蛇曲的發(fā)展與牛軛湖的形成

a）灣曲河道；b）蛇曲；c）牛軛湖（二）.搬運(yùn)作用河流在流動(dòng)過(guò)程中夾帶沿途沖刷侵蝕下來(lái)的物質(zhì)（泥沙、石塊等）離開(kāi)原地的移動(dòng)作用，稱(chēng)為搬運(yùn)作用。河流的侵蝕和堆積作用，在一定意義上都是通過(guò)搬運(yùn)過(guò)程來(lái)進(jìn)行的。河水搬運(yùn)能量的大小，決定于河水的流量和流速。河流的搬運(yùn)作用有浮運(yùn)、推移和溶運(yùn)三種形式。（三）.沉積作用河流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，能量不斷受到損失，當(dāng)河水夾帶的泥沙、礫石等搬運(yùn)物質(zhì)超過(guò)了河水的搬運(yùn)能力時(shí)，被搬運(yùn)物質(zhì)便在重力作用下逐漸沉積下來(lái)，形成河流沖積層。根據(jù)形成條件和環(huán)境分為河床沖積物，（如圖3-9a所示）、河漫灘沉積物（如圖3-9b所示）、牛軛湖沉積物和三角洲沉積物，（如圖3-9c所示）。

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