科里奥利力对河流两岸砂、砾石储量差异特征的影响

阚迎松　唐伟　毕辉　罗贤冬

［关键词］科里奥利力；河流；砾石；砂；体积储量

科里奥利力简称科氏力，以首先研究它的法国数学家科里奥利的名字命名[1]。它是一种惯性力，是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动偏移的一种描述。在地球上，相对于地球运动的物体都会受到一种惯性力的作用，也叫地转偏向力[2，3]。从物理学的角度考虑，科里奥利力与离心力一样，都不是在惯性系中真实存在的力，而是惯性作用在非惯性系内的体现，同时也是在惯性参考系中引入的惯性力，为了方便计算。

科里奥利力的计算公式如下：

F= -2mω×v′ （1）

公式中F为科里奥利力；m为质点的质量；v′为相对于转动参考系质点的运动速度（矢量）；ω为旋转体系的角速度（矢量）；×表示两个向量的外积符号（ω×v′：大小等于ω的大小乘以v的大小再乘以两矢量夹角的正弦值，方向满足右手螺旋定则[1]）。

相对于地球运动的物体会受到科里奥利力的作用，地球上物体受其影响主要表现有3种形式，即水平运动物体的偏转、落体偏东问题和傅科摆[4]。水体在河流中的流动，即为水平运动物体受科氏力的影响而发生偏转[5-6]。普遍的观点认为，在北半球，由于科氏力的影响，河流的右岸受到的冲刷较左岸强烈，因而河流的右岸陡峭，左岸则比较平缓；南半球与之相反[7-9]。本文依托于“舒城县杭埠河域砂资源调查项目”，对舒城县境内的杭埠河南北两岸进行浅钻施工，并估算出南北两岸的砂及砾石的体积储量，探讨科里奥利力对杭埠河南北两岸砂及砾石沉积的影响。

1 研究区概况

杭埠河发源于岳西县主薄镇同安寨西侧南界岭，全长145.5 km，流域面积1970 km²，其中舒城县境内长99.17 km，流域面积1587.5 km²，多年平均径流量8.87×10⁸ m³。1958年开始在该河的中游（丘陵入平原区段）地带修建节制工程―龙河口水库（现称万佛湖），在龙河口水库以下至百神庙的周公渡河宽200～1000 m，河道较为平缓。由于自1974年开始全面开采砂石资源以来，河床普遍下降（平均约3 m），受采砂影响主河道不断改变。

舒城县地处大别山北麓，地势由南西向北东倾斜，作阶梯状下降。西南部山势挺拔，沟谷深切，层峦叠嶂。东北部地势平坦，田连阡陌。中部岗冲交错，波状起伏。安徽著名的龙河口水库，位于县境中心。最高点万佛山海拔1539 m，最低处杭埠镇胜合村民组海拔6.8 m（图1）。根据地貌成因、形态、地面组成物质及与农业生产的关系可将全县划分为山区、丘陵区、岗区、平原区四种地貌组合类型，西南部为中山、低山、丘陵，东北部为岗区、冲积平原。

研究区属北淮阳褶皱构造带东段，南以桐柏―桐城断裂为界，北以六安―明港断裂为界，西以商城―麻城断裂为界，东止于郯城―庐江断裂。调查区在地层上属北淮阳地层区的金寨―霍山小区。地层可划分为前中生代基底变质岩系和中―新生代盖层两大部分。前者有大别山中深变质杂岩系（大别杂岩）和佛子岭岩群中―浅变质岩系；后者为中生代火山岩―火山沉积岩地层和新生代的河湖相沉积岩地层。杭埠河流域中上游的出露基岩多为石英闪长岩、花岗闪长岩、片麻岩、砂砾岩、含砾粗砂岩等，上述岩类中石英和长石类矿物含量很高。在此地形地质条件下，经风化作用，杭埠河的中下游较易形成砂石沉积矿床，为周边市区的城镇化建设提供优质的建筑用河砂。

2 工作方法

调查采用平行勘探线剖面法辅以不平行勘探线剖面法进行估算，在河道较平直的地区采用平行勘探线剖面法，在河道拐弯处采用不平行勘探线剖面法。以河道为界，南岸勘探线主体走向约135°，北岸勘探线主体走向165°，采用500～1500 m×200～800 m 的工程网度控制。共布设勘探线剖面84 条，钻孔156个，总进尺2373.5 m，其中北岸布设了41条剖面计74个钻孔，南岸布设了43条剖面计82个钻孔。北岸划分了41个块段，南岸划分了45个块段（图2）。

块段体积计算公式如下：

（1）相邻两剖面对应面积之差≤40%时，其体积计算公式为：

3 工作成果

3.1 块段体积储量，以南岸块段S24 为例

该块段由21′及22′勘探线控制，分别施工钻孔zk21′-1 及钻孔zk22′-1。根据地形地貌及工程控制要求，21′勘探线外推230 m，22′勘探线外推190 m（图3），其中钻孔zk21′-1中砂及砂砾石均有，钻孔zk22′-1中只见有砂砾石，块段S24砂及砾石资源储量见表1。

3.2 资源储量计算结果

由块段体积估算公式计算得出南岸和北岸砂、砾石的体积储量如表2。

表2中北岸砂的体积储量是南岸的2.67倍；北岸砾石的体积储量是南岸的84.34%，略低于南岸。

3.3 南、北两岸钻孔砂、砾石颗粒级配差异

分别选取杭埠河南岸上、中、下游3′号勘探线1号钻孔1号样品，22′号勘探线1号孔1号样品，36′号勘探线2号孔1号样品以及北岸3号勘探线1号钻孔1号样品，22号勘探线1号孔1号样品，36号勘探线2号孔1 号样品为例，从图4 中可直观地看见南岸钻孔ZK3′-1、ZK22′-1、ZK36′-2比北岸钻孔ZK3-1、ZK22-1、ZK36-2 样品中砾石含量较高，而砂的含量较少。从表3中可见南岸的沉积物中大颗粒的砾石含量较高，而北岸的沉积物中细颗粒的砂及粘粒含量较高，这与工作成果中南北两岸总体积储量的差异是一致的，表明了科氏力对两岸沉积物的影响是显著的。

4 讨论

杭埠河与长江、黄河一样，都是北半球自西向东的河流，由于科里奥利力的影响，右岸（即南岸）受到的冲刷比左岸（即北岸）强烈[10-12]。南岸较之北岸拥有较高的流速，因此细颗粒的砂石粘土堆积较少，大颗粒的砾石较多；北岸河水流速比较缓慢，易于细颗粒砂石、粘土的堆积。从表2 中可见北岸砂的体积储量是南岸的2.67 倍；北岸砾石的体积储量是南岸的84.34%，略低于南岸。南岸钻孔样品ZK3′-1-1、ZK22′-1-1、ZK36′-2-1 以及北岸钻孔样品ZK3-1-1、ZK22-1-1、ZK36-2-1 的颗粒级配数据也表明了南岸沉积物中砾石含量较高，北岸沉积物中砂及粘土含量较高。由此可见，尽管科里奥利力很微弱，但是在地质历史长时间的作用下，对河流两岸沉积物的影响是足够明显的。

5 结论

（1）北岸砂的体积储量是6920.42×10⁴m³，而南岸砂的体积储量是2594.89×10⁴m³，北岸砂的体积储量比南岸多167%；北岸砾石的体积储量是21966.25×10⁴m³，南岸砾石的体积储量是26042.47×10⁴m³，北岸砾石的体积储量比南岸少15.7%，低于南岸。

（2）南北两岸相对应的钻孔样品中，南岸大颗粒的砾石含量较高，而北岸细颗粒的砂及粘粒含量较高，这与工作成果中南北两岸总体积储量的差异是一致的。

（3）由于地球的自转，北半球河流受到向右的科里奥利力作用，自西向东的河流，河道右岸比左岸水动力更大，冲刷得更厉害，细颗粒的砂石较难沉积。相较于右岸，左岸河水流速较缓慢，有利于细颗粒砂石的堆积。杭埠河南、北两岸砾石和砂的体积储量数据很好地印证了，在长时间的地质时期里，科里奥利力对河流两岸沉积物的显著影响。