第二章 沉积物的搬运和沉积作用

第二章沉积物的搬运和沉积作用•第一节概述•第二节有关流体力学的一些概念•第三节机械搬运和沉积作用•第四节化学和生物的搬运与沉积作用•第五节沉积分异作用风化作用及风化产物的搬运作用和沉积作用，既是三个连续又独立的阶段，也是交互迭置的发展过程。在搬运过程中物质仍然可以发生机械破碎和化学分解，即使物质沉积下来以后，还可以由于条件的变化再次进入搬运状态。一般说来，风化产物的类型主要的搬运营力有水、风、冰川。此外重力及生物的搬运也不可忽视。按搬运方式可以分为：机械搬运、化学搬运和生物搬运。使沉积物发生搬运和沉积的地质营力主要是流水和风，其次还有冰川、重力、生物等。按沉积物被搬运和沉积的方式不同可分为：1）机械搬运与沉积作用碎屑物质和粘土物质多以机械方式在流水、海水、湖水、冰川、风及重力等营力下被搬运。搬运方式：（1）滑动（2）滚动（3）跳跃（4）悬浮（悬移搬运）其中滑动、滚动、和跳跃式统称为推移式搬运（或床沙搬运）。2）溶解物质的搬运与化学沉积作用溶解物质以真溶液、胶体溶液或洛合物的状态被搬运；其搬运和沉积作用受化学和物理化学定律所支配。3）生物搬运和沉积作用生物搬运作用意义不大，但是其沉积意义巨大；通过生物生理作用、生物物理作用和生物化学作用可以使大量溶解物质、内源粒屑物质和部分粘土物质发生沉积作用。第二节有关流体力学的一些概念•从流体的力学性质来说，符合牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，否则为非牛顿流体；•牵引流属牛顿流体，沉积物重力流属于非牛顿流体。•牵引流常见，如含少量沉积物的流水（河流、海流、潮汐流、洋流等）和大气流。•沉积物重力流中含大量沉积物，如浊流、泥石流等。•牵引流既有悬移、又有推移方式的搬运；而沉积物重力流以悬移式搬运为主。流水，包括雨水、暂时性流水及河流。碎屑物质在流水中搬运或沉积主要受两方面的因素控制：一方面是碎屑物质的重力及它们之间相互的吸引力和摩擦力；另一方面是流水的动力，包括流速、流量及流水性质等。当动力大于重力，并克服了摩擦力时，物质就被搬运，相反则发生沉积。被搬运物质在牵引流中的受力：①推力（牵引力）——取决于流体的流速，如山涧溪流流速大；②负荷力——取决于流体的流量，如长江、黄河流量大。按沉积物搬运方式不同可分为：溶解载荷、悬移载荷、推移载荷（或床沙载荷）。•急流：福劳德数Fr1，高流态，代表一种水浅流急的流动特点。•缓流：福劳德数Fr1，低流态，代表一种水深流缓的流动特点。•层流：一种缓慢的流动，流体质点作有条不紊的平行线状流动，彼此不相掺混。•紊流：一种充满了旋涡的急湍的流动，流体质点的运动轨迹极不规则，流速大小和流动方向随时间而变化，彼此互相掺混。•自然界多数水体是紊流运动。紊流的搬运能力强于层流（紊流有旋涡上扬作用，可使沉积物呈悬浮搬运）。沉积物在紊流中比在层流中受到的沉积阻力大，所以不易在紊流中沉积下来。第三节机械搬运和沉积作用一.牵引流的机械搬运与沉积作用（1）流水的机械搬运和沉积作用：包括雨水、暂时性流水及河流。碎屑物质在流水中搬运或沉积主要受两方面的因素控制：一方面是碎屑物质的重力及它们之间相互的吸引力和摩擦力；另一方面是流水的动力，包括流速、流量及流水性质等。当动力大于重力，并克服了摩擦力时，物质就被搬运，相反则发生沉积。搬运方式：（1）滑动；（2）滚动；（3）跳跃；（4）悬浮（悬移搬运）。其中滑动、滚动、和跳跃式统称为推移式搬运（或床沙搬运）。经森德伯格（sundbory，1956）修改过的尤尔斯特隆图解表示了始动流速与碎屑大小之间的关系（如图）。由图中可看出如下一点：图示水深1m时平坦河床上石英颗粒发生侵蚀、搬运和沉积的临界流速，虚线表示实验数据的离散度。在粘土和粉砂岩区只有较少的可靠数据。碎屑物质的搬运与沉积，还与其比重、形状和大小有关，特别是与水的流速有关。(1)颗粒开始搬运的水流速度要比继续搬运所需的流速大。(2)0.05-2mm的颗粒所需的始动流速最小，而且始动流速与沉积临界流速相差也不大。故常呈跳跃式前进。(3)大于2mm的颗粒其搬运与沉积的两个流速曲线更接近，但两者的流速值也都是随着粒径的增大而增加。故砾石不能长距离被搬运，并多沿河底呈滚动式前进。(4)小于0.005mm的颗粒，两个流速相差很大。因而粉砂(0.05-0.005mm)和粘土(小于0.005mm)物质一经流水搬运，就长期悬浮于水体之中不易沉积下来。而且它们沉积之后又不易呈分散质点再搬运，即使水速发生急剧改变，也只是冲刷成粉砂质或泥质碎块继续搬运。故在海洋和湖泊的波浪带的沉积物中冲刷的“泥砾”是常见的。碎屑颗粒的沉速主要与颗粒的粒度、比重、形状和水介质的性质(如水的流速、比重、粘度)等有关。它们之间的关系可用斯托克斯(G.G.Stokes,1850)公式表示。斯托克斯公式：式中：V—颗粒的沉降速度(毫米/秒)d1—d2—g—重力加速度(毫米/2)r—球体(球状颗粒)的半径(毫米)μ—介质的粘度(克/毫米·秒或泊)（2）碎屑物质在风中的搬运与沉积作用风的搬运及沉积广泛分布于气候干旱的沙漠区，在海岸地带也可见到(如海岸沙丘)。风力搬运与流水不同：风只能搬运碎屑物质，而不能搬运溶解物质。由于风的的密度及粘滞性都比水小得多，故风的搬运能力也比流水小，一般只能搬运细粉砂和粘土，大风时可搬运砂，甚至砾石。风的搬运方式有悬浮、滚动、跳动，而以跳动方式为主。风成砂分选好、磨圆好、砂粒表面有霜面。风成沉积物可形成大型砂丘。二、沉积物重力流的搬运与沉积作用1）沉积物重力流沉积物重力流是一种在重力作用下发生流动的弥散有大量沉积物的高密度流体，也有人称其为块体流或沉积物密度流。它是不符合内摩擦定律的非牛顿流体。重力流因其密度较高，通常是在其他流体的底部沿斜坡向下流动，到沉积盆地深处堆积下来，随着搬运距离的增大，重力流与上覆水体混合而降低密度，但这种混合作用是相当缓慢的；或者由于流速降低使运载的悬浮物下沉，密度也就降低。重力流随着密度降低可向牵引流转变。沉积物重力流可以分为水下的和大气的两大类。水下沉积物重力流是指在水体底部流动的沉积物与水混合的高密度流体。米德尔顿和汉普顿(1973)根据碎屑支撑机理，即碎屑呈悬浮状态的机理，将水下重力流分为四类：碎屑流或泥石流、颗粒流、液化沉积物流和浊流。2）浊流浊流是一种高密度的流体，常以体积巨大的块体进行运移，故又称为密度流或块状流。由浊流搬运、沉积而形成的岩石叫浊积岩，它是一个成因概念，不代表某种岩石类型，而是岩石组合。按岩石成分来划分，可分为钙屑及非钙屑二种:钙屑浊积岩是由碎屑灰岩和泥岩互层组成；非钙屑浊积岩则由砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩的互层组成。以后者最常见。浊积岩浊积岩中最特征的沉积构造是粒序层理(或称递变层理)和微细水平层理。从岩石组合看，为均匀稳定的砂岩与更稳定的深海页岩互层，组成韵律层理。浊积岩的剖面结构，即鲍玛层序，通常由五种岩性组成，从T1，底部粗粒递变层：T2，下平行纹层：T3，流水波纹层：T4，上水平纹层：T5，深海页岩层：3）(1)碎屑流（泥石流）：这是一种砾、砂、泥和水相混合的高密度流体，泥和水混合组成的杂基支撑着砂、砾，使之呈悬浮状态被搬运。基质具有一定的屈服强度。碎屑流的流动能力是基质强度和密度的函数，密度愈大，能搬运的颗粒愈粗。按碎屑颗粒大小可分为砂流的泥流两类。(2)颗粒流：这是一种由无凝聚力的颗粒(主要是砂、砾)所组成的重力流。由于颗粒的相互碰撞所产生的向上支撑应力，阻止了颗粒从流动中沉积下来。这种应力足以大到支撑砾石，因此在组构上呈现砾石分散地“漂浮”在砂粒中。岩崩和沙丘崩落面上的崩落作用就属于颗粒流。(3)液化沉积物流：当沉积作用很缓慢时，沉积物重量全由固态颗粒支撑，这时孔隙压力等于流体静压力，颗粒与流体处于平衡状态。当快速堆积时，碎屑重量可传递给孔隙间流体，使孔隙间流体压力超过静压力，即产生超孔隙压力，使流体向上流动，支撑颗粒呈悬浮状态，沉积物强度就减弱到零，即沉积物发生“液化”。此外，突然的震动导致沉积物原来组构的破坏，也可引起超孔隙压力要产生超孔隙压力必须是沉积物颗粒填集很疏松，不妨碍流体进入孔隙，因此液化沉积物流常见于砂和粉砂沉积物中。砾石沉积由于孔隙过大而流体易于流失，粘土沉积由于凝聚力较大，均不易发生液化。超孔隙压力很快消失，而使沉积物堆积下来；但当有合适坡度时，则继续移动而发育3.冰川的搬运与沉积作用冰川一般见于高寒地区，其搬运方式主要是碎屑物质包于冰中或浮于冰上呈固体方式搬运，有一部分则沿谷底拖运。(1)冰川搬运能力巨大，可以运载千吨以上的大石块(冰川漂砾)。(2)冰川砾石多呈棱角状。(3)由于冰川呈固体搬运，故冰碛物毫无分选，也无磨圆，更无化学分解。常常是巨大的石块与泥砂混积，毫无降落沉积的特点。(4)在冰川的移动过程中，由于石块的相互摩擦，可形成特殊的冰擦痕—钉形痕。4、搬运过程中碎屑物质的变化随着搬运距离加长，碎屑物质要发生以下变化：①粒度变细；②圆度、球度变好(粉砂粒则始终不好)；③颗粒的分选愈好；④稳定矿物增多，不稳定矿物减少，即岩石的矿物成熟度渐好。前三者即说明岩石的结构成熟度渐高。高成分成熟度低成分成熟度及结构成熟度第四节化学和生物的搬运与沉积作用1、溶解物质的搬运和化学沉积作用母岩风化产物中的溶解物质有的呈胶体溶液，有的呈真溶液搬运，这主要是与物质的溶解度有关。化学搬运物质组分溶解度大小的顺序为：Al2O3-Fe2O3-MnO-SiO2-P2O5-CaCO3-CaSO4-NaCl-MgCl2，后面的溶解度比前面的大。前面的Al、Fe、Mn、Si等的氧化物难溶于水，且一般呈胶体溶液被搬运；后面的Ca、Mg、Na等物质由于其溶解度大，故成真溶液被搬运。1.胶体溶液的搬运与沉积胶体物质的性质介于粗分散系(悬浮液-其中的粒子直径大于100毫微米)和离子分散系(真溶液-分子或离子的直径小于1毫微米)之间，胶体粒子很小，在1-100毫微米之间，普通显微镜下不能识别。当胶体溶液失去稳定时，胶体质点就会发生凝聚作用(或叫胶凝作用或絮凝作用)，发生了絮凝作用的胶体质点就会在溶液中集中成絮凝状、团块状的块体。在重力作用影响下这些胶体物质的块体就会沉淀下来。2.真溶液的搬运与沉积真溶液中物质的搬运与沉积，主要决定于物质的溶解度，溶解度大的物质不容易沉淀，溶解度小的首先沉淀；而物质的溶解度又受介质的pH值、Eh值、温度、压力和CO2含量等一系列因素的影响。2、生物的搬运与沉积作用随着地质历史的发展，生物在沉积岩形成过程中的意义愈来愈大，它通过自己的生命活动，直接或间接地对化学元素、有机或无机的各种成矿物质进行分解与化合，分散与聚集，以及迁移等作用，并在多种适宜的水体中沉淀，形成有关的岩石或矿床。1.直接作用生物在其生活的过程中，从周围介质中吸收一定量的物质组成骨骼和有机体，生物死亡后就堆积成岩石或矿床。如生物灰岩、礁灰岩、磷块岩、硅藻土及白垩等；有的则是由生物遗体中的有机质转化而成，如石油、天然气、油页岩及煤等。2.主要表现在由于生物的生命动而引起周围介质条件的改变，从而影响某些物质的搬运和沉积。例如，由于生物活动而引起CO2含量的变化，就可影响碳酸盐的沉淀或溶解。生物遗体腐烂分解能产生大量的H2S、NO3、CH4等气体，影响着沉积介质氧化-还原条件，影响沉积物质的溶解或再分配。另外，由于生物分解产生的腐植酸，可保护胶体不易沉淀，从而促进了Al、Fe、Mn、Si等物质的搬运；生物还可以从周围介质中吸取某些溶解物质，这就帮助了元素的迁移、分散和聚集作用，如铀、铜等元素的迁移与富集，往往与生物及有机质有关。第五节沉积分异作用母岩的风化产物在搬运和沉积过程中，会按颗粒大小、形状、比重、矿物成分和化学成分等在地表依次沉积下来，称为沉积分异作用。由于沉积分异作用，使复杂的风化产物分化为比较简单的沉积物类型。这个现象是实际存在的，并早已被发现和提出，1937-1940年，苏联学者普斯托瓦洛夫作了不少充实、完善的工作，最后提出正式的沉积分异学说。沉积分异作用可分为机械沉积分异作用和化学沉积分异作用，另外，生物对沉积分异也有很大影响。1.机