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借旅游说些没有公式的力学 精选

已有 5688 次阅读 2017-6-30 13:28 |个人分类:力学科普|系统分类:科普集锦|关键词:河流,岩石,瀑布

2017513日随教研室同仁到焦作市北侧的后河村东大河游玩一天,拍了几张照片。

净影寺(北)和青龙峡(东)属于焦作市的云台山风景区。

因静影寺右上方的上游水库,图中东大河在非泄洪季节处于干涸状态。

河道显著地曲折。这意味着,该地区原为平原而形成蜿蜒型河流(与今天荆江类似,其原理参加见博文 借都江堰说些没有公式的力学http://blog.sciencenet.cn/blog-275648-835948.html );后来地壳隆起,河流下切入基岩,河型也就大致固定。当然两侧山体的崩塌,也会引起河道局部调整。蜿蜒型河流的长度与直线距离之比可以达到左右。

 

我们在O点下车,在左岸曲曲折折走到河底(河流以观察者面对下游说左右),而后沿河向下游走约1.2 km,仍在左岸爬坡到后河村乘车返回。图中所绘路径只是示意,实际路程要长得多,回程约用两小时。图示字母A~D为照片拍摄地点。

请注意太阳光影对河流的遮蔽,可以理解山体比较陡峻   

进入东大河前A处拍摄。此处是一深沟,沟底有大量尺度数米的大块石;树出露处距沟底总有米以上。岩石水平沉积层理可以辨别,而近乎垂直的纵向节理(成组分布的破裂面)则更为明显。这些岩石终将崩塌即机械风化,跌落沟底,块度较小者再被暴雨形成的泥石流带入东大河。

岩体的破坏过程称为风化。草木生长会使岩石张拉破坏,并产生酸性物质使其弱化,属于生物风化。冬天雨雪进入岩石,结冰膨胀(体积增加10%左右),也会引起岩石破坏;火成岩如花岗岩更因构成矿物石英和长石热膨胀系数相差5倍,温度变化也会引起热应力使晶粒破坏;这些都属于物理风化。

 

这是在B处面向上游拍摄的。上面的天窗和下面的坡趾随后放大给出。槽中水缓慢流动,槽底似为中细的砾石(20 ~2 mm),而河床主体为碎石卵石(200~60 mm)和角砾圆砾(60~2 mm),表层尺度较大。相关说明在后面给出。

 

 与前后岩石相比此处似乎质量较好,因而风化较慢,整体成凸出状态。中间穿透的结构,若在海边就是象鼻山,在大山中间就是天生桥,有些地方如张家界也称为天门。此处尺度较小,大家称其为天窗。其形成机制不能确定,可能原来是流水的山洞,也可能是大树引起的生物风化。最初的地貌特征笔者不能确认,不过风蚀的可能性不大。

 

 岩石质量较好在其坡趾处更为明显。其深槽在此横穿河底由凹岸转换到凸岸,与通常所说凹岸成槽不同。对此作如下解释。

局部收窄,洪水时将形成壅水水位升高;水流在此地转弯时,上部较宽离心力较大,而下部较窄离心力较缓,将形成次级环流而螺旋式向前,即水流在向前的同时,上部水流指向外侧凹岸流动,到凹岸向下,底部则指向凸岸流动而后向上。

对于泥质河道,通常环流引起凹岸冲刷,凸岸沉积,河流蜿蜒变化。不过,图中凹岸山体被冲之后只是坍塌,并不后退,因而河流不会产生明显的蜿蜒。

因环流作用,在最窄断面处的底部水流具有指向右下(面向下游)且速度较高,因而携带或冲刷能力较强,使深槽横过河底达到右侧。 

这是在C处拍摄的。200 mm 以上的块石或漂石在河床表面只是零星存在,主体为碎石卵石(200~60 mm)和角砾圆砾(60~2 mm),但底部则是粗砂(2~0.5 mm),分选性是很明显的。

洪水季节,石砂泥俱下;水过之后,石砂沉积;显然,尺度较大者先行沉降,尺度较小者会充填大块之间隙,充满之后再铺积在上。总之,初期沉积并不会如此分选

不过,冬天的雨雪会渗入河床,结冰之后引起整体抬升;而融化时产生的空隙则会由水砂充填,尺度较大者则不易使用较小的空隙。由于冰膨胀可以达到10%,因而很容易使粗砂运移到下面。多次的冻融即周期性扰动会引起尺度较小者向下而发生分选;而粗砂一旦埋到碎石卵石之下,则不易被水流输送向下。这或许也是自然界的一种选择啊。 

而后就离开河道,被同事拉上1m高的陡坎,沿沟走了两三分钟,借助早已拴好的绳索攀爬上沟的左岸(仍以观察者面向下游说左右),又约行10分钟,向下走3米回到原来的沟中,见到型瀑布(D处)。

 

 这个瀑布到雨季想来也是非常漂亮的,只是雨季我等绝对不能来到此处啊。

在瀑布前稍事休息,我们离开这条沟,沿其西侧的另一条沟的右侧向前向上;绕过这两条沟分水岭的一个垭口,向下回走到照片的右侧,从中间的小道横过该沟,其间最窄处仅15 cm,正好一脚跨过;再绕着其与东侧的山沟的分水岭向上,进入沟中爬上2m高无水的瀑布台阶,在乱石中向前向上;而后爬到沟沿,绕山而行。

当这个水潭被冲深了——水下来还会形成环流驱动里面的石块打磨呢,当岩石被时间而弱化了,眼前的台阶就要崩塌,两侧山体也会部分坍塌,而瀑布就会后退,留下被乱石充填的深沟。这一过程会由下游向上游发展。呀,前一次崩塌的情景就在身后呢。

 

岩石总是要风化的,总是要破碎的,总是要随水向下的。

河流会从下向上侵蚀山体,而不同河流的侵蚀速度不同;一旦较快者使分水岭坍塌,因其河床较低,邻近河流将转弯流入,发生河流袭夺;被夺河流将失去水源而留下不相称的河道。这样的事情自然界不停地发生着,长江上游支流就在抢夺黄河的水量而“北水南调”。

可以说的事情还很多。例如在C处向上游拍摄的河流左侧岩壁,近乎垂直,基于上方破坏状态就可以讨论其受力情况。只是这总需要写些公式啦。

 

 错误欠妥之处,恳请大家指出。谢谢啦。



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