清华河流动力学概论第2章课件1

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1、清华大学水利系河流动力学概论1河流动力学概论河流动力学概论2第二章 泥沙颗粒的基本性质第二章 泥沙颗粒的基本性质1. 风化过程与地表物质组成风化过程与地表物质组成 风化作用阶段及其产物、土壤 、黄土和红壤的侵蚀特性风化作用阶段及其产物、土壤 、黄土和红壤的侵蚀特性2. 泥沙颗粒的个体特性泥沙颗粒的个体特性 泥沙颗粒的粒径、形状、密度泥沙颗粒的粒径、形状、密度 s、容重、容重 s和比重和比重3. 泥沙颗粒的群体特性泥沙颗粒的群体特性 颗粒的粒径分布和级配曲线、粒径分布的特征值、淤积物的干容重、水下 休止角、细颗粒泥沙的物理化学性质颗粒的粒径分布和级配曲线、粒径分布的特征值、淤积物的干容重、水下

2、休止角、细颗粒泥沙的物理化学性质4. 泥沙颗粒的沉速泥沙颗粒的沉速 圆球在静止流体中的重力沉降、天然沙的沉速公式、含沙浓度对沉速的影 响圆球在静止流体中的重力沉降、天然沙的沉速公式、含沙浓度对沉速的影 响(群体沉速群体沉速)5. 含沙水体含沙水体(浑水浑水)的性质的性质 浑水的容重及含沙量、含沙水体的流型、泥沙运动形式的分类浑水的容重及含沙量、含沙水体的流型、泥沙运动形式的分类清华大学水利系河流动力学概论清华大学水利系河流动力学概论311/36风化、侵蚀地貌风化、侵蚀地貌清华大学水利系河流动力学概论4粗泥沙源自岩石和矿物风化而成的碎屑粗泥沙源自岩石和矿物风化而成的碎屑(包括石块包括石块)，而

3、坡面表土的流失是细颗粒泥沙的来源。，而 坡面表土的流失是细颗粒泥沙的来源。清华大学水利系河流动力学概论5从岩石到土壤：局部气候决定风化进程物理风化物理风化:碎屑残积 阶段碎屑残积 阶段, 颗粒颗粒 0.02mm初级化学风化初级化学风化:钙质残积 阶段钙质残积 阶段, Ca相对富集相对富集深度化学风化深度化学风化:硅铝残积 阶段硅铝残积 阶段,形成各种粘土矿物形成各种粘土矿物极度化学风化极度化学风化:铁铝富集阶段铁铝富集阶段,形成 富含高价铁的粘土，即红土形成 富含高价铁的粘土，即红土干冷气候 (干旱土)湿润气候干冷气候 (干旱土)湿润气候湿热气候湿热气候有温差的 行星表面有温差的 行星表面风化

4、过程风化过程物理风化物理风化化学风化化学风化粘土矿物形成粘土矿物形成有机质与土壤有机质与土壤中国的黄土与红土中国的黄土与红土清华大学水利系河流动力学概论6刚刚从山上冲 下来的石头, 怎 么会有浑圆的 形状? 刚刚从山上冲 下来的石头, 怎 么会有浑圆的 形状? “泥沙”指所有在流体中运动 或受水流、风力、波浪、冰川 及重力作用移动后沉积下来的 固体颗粒碎屑。“泥沙”指所有在流体中运动 或受水流、风力、波浪、冰川 及重力作用移动后沉积下来的 固体颗粒碎屑。清华大学水利系河流动力学概论7物理风化:物理风化:循节理开裂循节理开裂风化过程风化过程物理风化物理风化化学风化化学风化粘土矿物形成粘土矿物形成

5、有机质与土壤有机质与土壤中国的黄土与红土中国的黄土与红土物理风化：循节理开裂， 受应力崩解物理风化：循节理开裂， 受应力崩解清华大学水利系河流动力学概论8开裂后的岩块进一步风化形成圆石开裂后的岩块进一步风化形成圆石风化过程风化过程物理风化物理风化化学风化化学风化粘土矿物形成粘土矿物形成有机质与土壤有机质与土壤中国的黄土与红土中国的黄土与红土清华大学水利系河流动力学概论9坚硬的岩石经长期风化, 变成浑圆的形状坚硬的岩石经长期风化, 变成浑圆的形状风化过程风化过程物理风化物理风化化学风化化学风化粘土矿物形成粘土矿物形成有机质与土壤有机质与土壤中国的黄土与红土中国的黄土与红土清华大学水利系河流动力学

6、概论10体积庞大的圆石体积庞大的圆石风化过程风化过程物理风化物理风化化学风化化学风化粘土矿物形成粘土矿物形成有机质与土壤有机质与土壤中国的黄土与红土中国的黄土与红土清华大学水利系河流动力学概论11体积庞大的圆石继续开裂，持续进行物理风化风化过程风化过程物理风化物理风化化学风化化学风化粘土矿物形成粘土矿物形成有机质与土壤有机质与土壤中国的黄土与红土中国的黄土与红土清华大学水利系河流动力学概论12在一定水热条件下，化学风化形成粘土矿 物在一定水热条件下，化学风化形成粘土矿 物 (干冷气候和湿热气候的最终产物不同干冷气候和湿热气候的最终产物不同)风化过程风化过程物理风化物理风化化学风化化学风化粘土矿

7、物形成粘土矿物形成有机质与土壤有机质与土壤中国的黄土与红土中国的黄土与红土化学风化化学风化化学风化：化学风化：1. 溶解溶解 (dissolution)； 2. 水解水解(hydrolysis)；3. 氧化氧化 (oxidation)。酸解酸解(Acid hydrolysis)酸解和次生矿物酸解和次生矿物 (Acid hydrolysis and secondary minerals)H2O + CO2= H2CO3 (水水) (carbon dioxide ) (carbonic acid)CaCO3+ H2CO3 = Ca2+ 2HCO3- 方解石方解石(calcite) (carboni

8、c acid ) (calcium bicarbonate)MgSiO3+ H2O + 2H2CO3 = Mg2+ 2HCO3- + H4SiO4 辉石辉石 (pyroxene) (水水) (碳酸碳酸) (Magnesium ions) (silicic acid) 2NaAlMgSi3O8+ 2H2CO3 + 9 H2O = 2Na+ 2Mg2+ + 2HCO3- + 4 H4SiO4+ Al2Si2O5(OH)4钠钠-斜长岩斜长岩(carbonic acid) 易溶成份次生粘土矿物易溶成份次生粘土矿物 (sodium-plagioclase (clay mineral) feldspar,

9、 the most common silicate mineral)清华大学水利系河流动力学概论13水的存在是关键条件水的存在是关键条件长石Al2O32SiO22H2O (粘土矿物) (Al2O3mSiO2nH2O是伊利石、蒙脱 石、高岭土的化学通式)在一定水热条件下，化学风化形成粘土矿 物在一定水热条件下，化学风化形成粘土矿 物 (干冷气候和湿热气候的最终产物不同干冷气候和湿热气候的最终产物不同)风化过程风化过程物理风化物理风化化学风化化学风化粘土矿物形成粘土矿物形成有机质与土壤有机质与土壤中国的黄土与红土中国的黄土与红土化学风化一例化学风化一例这也是判断月 球或火星上是否 曾经存在过液态

10、水的一种方法。这也是判断月 球或火星上是否 曾经存在过液态 水的一种方法。清华大学水利系河流动力学概论14在一定水热条件下，化学风化形成粘土矿 物在一定水热条件下，化学风化形成粘土矿 物 (干冷气候和湿热气候的最终产物不同干冷气候和湿热气候的最终产物不同)风化过程风化过程物理风化物理风化化学风化化学风化粘土矿物形成粘土矿物形成有机质与土壤有机质与土壤中国的黄土与红土中国的黄土与红土化学风化化学风化化学风化：化学风化：1. 溶解溶解 (dissolution)； 2. 水解水解(hydrolysis)；3. 氧化氧化 (oxidation)。氧化氧化 (Oxidation) 2Fe2SiO4+

11、4H2O + O2 = 2Fe2O3 + 2H4SiO4 橄榄石赤铁矿橄榄石赤铁矿 (olivine) (water) (oxygen) (hematite) (silicic acid)清华大学水利系河流动力学概论15风化过程风化过程物理风化物理风化化学风化化学风化粘土矿物形成粘土矿物形成有机质与土壤有机质与土壤中国的黄土与红土中国的黄土与红土The major products of weathering are spheroidal rock forms, a blanket of regolith, and dissolved ions. Soil is the upper most

12、of the regolith, which is a mixture of clay minerals, weathered rock particles, and organic matter. Depth of regolith is determined mainly by the climateregolith：风化层，疏松母质层，覆盖层：风化层，疏松母质层，覆盖层清华大学水利系河流动力学概论16最终形成的土壤类型和厚度取决于气候条件(水热条件)最终形成的土壤类型和厚度取决于气候条件(水热条件)温度温度植被植被降水降水风化层厚度未变化的母岩风化过程风化过程物理风化物理风化化学风化化学

13、风化粘土矿物形成粘土矿物形成有机质与土壤有机质与土壤中国的黄土与红土中国的黄土与红土极地温带低纬度沙漠带热带雨林气候条件中哪个因 素的作用最关键？气候条件中哪个因 素的作用最关键？已发生化学 变化的母岩清华大学水利系河流动力学概论17全球土壤类型分布，与气候带有直接的关系全球土壤类型分布，与气候带有直接的关系风化过程风化过程物理风化物理风化化学风化化学风化粘土矿物形成粘土矿物形成有机质与土壤有机质与土壤中国的黄土与红土中国的黄土与红土北纬北纬30o附近的亚非大陆上都有大片沙漠， 中国东南部因青藏高原影响没有沙漠。附近的亚非大陆上都有大片沙漠， 中国东南部因青藏高原影响没有沙漠。清华大学水利系河

14、流动力学概论18风化过程风化过程物理风化物理风化化学风化化学风化粘土矿物形成粘土矿物形成有机质与土壤有机质与土壤中国的黄土与红土中国的黄土与红土中国土壤类型分布，反应中国当地气候中国土壤类型分布，反应中国当地气候(与全球气候带有差异与全球气候带有差异)清华大学水利系河流动力学概论19土壤 (Soil)土壤是以各种风化产物或 松散堆积物为母质层，经 过生物化学作用为主的成 土作用改造而成的。一般 厚度在土壤是以各种风化产物或 松散堆积物为母质层，经 过生物化学作用为主的成 土作用改造而成的。一般 厚度在0.5m 2.0m。风化过程风化过程物理风化物理风化化学风化化学风化粘土矿物形成粘土矿物形成有

15、机质与土壤有机质与土壤中国的黄土与红土中国的黄土与红土清华大学水利系河流动力学概论20在中国西北半干旱气候条件下在中国西北半干旱气候条件下,形成干旱土形成干旱土风化过程风化过程物理风化物理风化化学风化化学风化粘土矿物形成粘土矿物形成有机质与土壤有机质与土壤中国的黄土与红土中国的黄土与红土清华大学水利系河流动力学概论21风化过程风化过程物理风化物理风化化学风化化学风化粘土矿物形成粘土矿物形成有机质与土壤有机质与土壤中国的黄土与红土中国的黄土与红土京广高铁沿线广东境内的红土京广高铁沿线广东境内的红土清华大学水利系河流动力学概论22土壤具有植物生长所需有机质组分土壤具有植物生长所需有机质组分(腐殖质腐殖质)和无机组分和无机组分 (N、P、K的化合物的化合物)、微量元素和水分与孔隙，这是土壤与 风化残积物、松散堆积物的主要区别。、微量元素和水分与孔隙，这是土壤与 风化残积物、松散堆积物的主要区别。风化过程风化过程物理风化物理风化化学风化化学风化粘土矿物形成粘土矿物形成有机质与土壤有机质与土壤中国的黄土与红土中国的黄土与红土地表上风化后的极细碎屑地表上风化后的极细碎屑不能不能都称之为“土壤”都称之为“土壤”理想的壤质土壤表土的体积组成风化过程风化过程物理风