第三四讲 沉积物的搬运和沉积

第二节机械沉积物的搬运和沉积作用风化作用的产物及其它来源的沉积物质除了少量残留原地以外，大部分将进入搬运状态向沉积盆地转移。母岩风化：碎屑物质、新生成物质、溶解物质生物来源：生物硬体、生物软体深部来源：岩浆、卤水、气热液宇宙来源：陨石-----搬运、沉积作用的类型：物理、化学、生物沉积物发生物质搬运和沉积作用的介质（搬运介质）------流水、风（大气）、冰川搬运动力：--------风、重力、流水、波浪、潮汐--------流体一、流体的几个基本概念和基础知识一）牛顿流体和非牛顿流体内摩擦定律在温度不变的条件下，随着流速梯度变化，动力粘滞系数/运动粘滞系数始终保持一常数。服从内摩擦定律——牛顿流体—牵引流（含少量泥砂的流水：河流、波浪流、潮汐流、大气流等）。不服从内摩擦定律——非牛顿流体---重力流（浊流、泥石流、风暴流、狂风流等）。类别牵引流重力流流体性质牛顿流体非牛顿流体密度低高（1.08，海水比重）液固相不分搬运介质流水沉积物搬运动力推力、负荷力重力搬运方式滚动、跳跃、悬浮悬浮运动关系水主动，颗粒被动水被动，颗粒主动搬运物质碎屑物质、溶解物质碎屑物质为主沉积作用流速、能量减小能力减小转化或稀释沉积环境地形变化较小山前或斜坡及其下游方向沉积构造各种类型层理粒序/递变层理牵引流和重力流的区别二）沉积物机械搬运的方式和床沙形态（一）碎屑颗粒在流水中的受力分析1.有效重力（w）：颗粒受到的重力和浮力两者之差2.粘结力（Pc）：由颗粒表面的水膜所造成的粘结力3.水平推移力（Px）：水流作用于颗粒顺水流方向的力4.垂直上举力（Py）：垂直向上，产生原因：Py①水体浮力（已计算在有效重力中）；②颗粒上下因流速差而引起的压力差；PcPx③紊流中存在涡流的扬举作用/上举涡力W——紊流的上举力大于层流。（二）沉积物的搬运方式、载荷载荷：流体中被搬运的沉积物（Load）载荷量：单位时间内流经某一横断面的沉积物总量搬运方式：沉积物：溶解物质-----化学---溶解载荷（solutionalload)碎屑物质滚动、跳跃搬运---推移（床沙）载荷(bedload),粗悬浮搬运——悬移载荷（suspendedload）,细（三）福劳德数（Fr）与床沙形态1.佛罗德数（Fr）--判断水流状态的参数Fr＝惯性力/重力＝（V2/l）/g＝V2/（lg）——标志惯性力与重力之间的关系、描述流体的运动强度明渠水流：河流、湖泊、海洋中的牵引流——无压流Fr＜1：缓流，水深流缓——上部流动体制，低流态Fr＝1：临界流，过渡流态Fr＞1：急流，水浅流急——下部流动体制，高流态2.床沙（bed）形态（底形）-bedform--流水在床沙表面流动时形成的几何形态，受流动强度（Fr）控制明渠水流随流动强度加大在床面依次出现下列床沙形态：无颗粒运动的平坦床沙---沙纹---沙浪---沙丘---过渡型---平坦底床---逆行沙丘---槽、坑（四）层流、紊流和雷诺数两种流动型态——层流与紊流/涡流层流缓慢流动，流体质点平行线状流动，彼此不相掺混。紊流充满旋涡的流动，流速大小和流动方式随时间变化，流体质点运动轨迹极不规则，彼此掺混。层流紊流雷诺数（Re,Reynoldsnumbers）--判断层流和紊流的参数惯性力与粘滞力之间的关系，描述流体的流动状态Re＝惯性力/粘滞力＝V2d2ρ/Vdμ＝Vdρ/μRe＝1±层流、Re＝1～40临界流、Re40紊流流速流面扬举力剪切力搬运能力分布层流小稳定小小弱下紊流大变化大大强上自然界中流水多为紊流，使沉积物得以搬运，层流类似于静水，易发生沉积二、碎屑颗粒在牵引流中的搬运和沉积作用一）碎屑颗粒在单向水流中的搬运、沉积作用1。碎屑颗粒的搬运、沉积作用的条件受力分析：动力：上举力：流速、水深水平推力：大小、密度-------流速、颗粒大小-------尤尔斯特隆用图解方式定量表示了颗粒大小、流速与搬运、沉积的关系------尤尔斯特隆图解上举力水平推力阻力有效重力碎屑颗粒在流水中的搬运和沉积与流速和颗粒大小的关系——尤尔斯特隆图解几个概念：开始搬运速度（V开）：流水把处于静止状态的碎屑物质开始搬运走所需的流速继续搬运速度（V继）：流水维持碎屑物质继续搬运所需要的流速。V开V继尤尔斯特隆图解两条曲线：开始搬运曲线继续搬运曲线三个区：剥蚀区，搬运区和沉积区三个段：砾级难搬易沉山区d2mm，V开大，V继大，ΔV＝V开—V继，小。粉砂和泥级易搬难沉深水d0.01mm，V开大，V继很小，ΔV很大，砂级易搬易沉跳跃分布最广0.1～2mm，V开最小，V继中等，ΔV不大。剥蚀区搬运区沉积区搬运和沉积的决定因素粒径和流速2.碎屑颗粒在流水中的沉积作用斯托克实验公式：V=(2(d1-d2)/(9μ))*gr2适用于静水、室温、r0.1mm（细砂以下）颗粒越大，比重越大，沉积速率就越大。粒径0.1mm的颗粒，下沉速度与其半径平方根成正比。根据实验极细砂下沉30m约2小时，细粘土则需要1年；下沉3000～4000m，极细砂需要10天，细粘土需要100年。二）、碎屑物质在空气中的搬运和沉积作用1.特点：1）风只搬运碎屑物质2）搬运能力小，只搬运细颗粒，相同速度，搬运能力只有流水1/300。3）颗粒分选、磨圆好，常具霜面、棱面。4）作用空间大二）、碎屑物质在空气中的搬运和沉积作用2.搬运方式：跳跃0.5mm（70-80%）；滚动0.5～2mm（〈20%）；悬移0.1～0.2mm（〈10%）视风速可互相转化搬运作用的控制因素：1）风速2）碎屑颗粒的湿度3）颗粒的大小尘暴的搬运和沉积：0.05mm的粉砂和粘土3.沉积作用风速降低：障碍物--障碍堆积两股风相遇问题：在平坦的沙漠中沙丘如何形成？沙丘形成以后，起到障碍作用，可逐渐加高。沙丘的沉积：砂供给充足时，迎风面和背风面均发生沉积不足时，迎风面侵蚀背风面沉积三)碎屑物质在海湖水体中的搬运和沉积作用Question:1.流水搬运的碎屑物质最终都要流入海洋、湖泊，那么是否这些物质流入海洋、湖泊中就立即发生沉积呢？2.海洋、湖泊中除了流水搬运来的碎屑物质外，是否还有其它来源的碎屑物质呢？三）碎屑物质在海湖水体中的搬运和沉积作用海洋主要营力:波浪潮汐近岸流风暴流浊流等深流……湖泊主要营力:波浪湖流风暴流浊流……三、沉积物重力流的机械搬运与沉积作用沉积物重力流（sedimentgravityflow)：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。类型：水上重力流：岩崩、颗粒流（火山碎屑流）水下重力流：泥石流、颗粒流、沉积物液化流、浊流四、碎屑物质在冰川中的搬运和沉积作用现代冰川覆盖面积约占陆地面积的10%，在地质历史中的一些时期地球上曾有广泛的冰川分布。特点：1.冰川和浮冰——固体搬运和沉积2.能力巨大，碎屑为主，数十～数千吨浮于冰上或包于冰中3.搬运作用：1）塑性流动—冰川自身重力使其下部处于塑性状态。2）滑动—底部存在冰融水的现象3）破裂面—内部整体搬运4.沉积作用：冰川消融，碎屑沉积--冰碛物。特点：1）混杂堆积，没有分选和磨圆2）冰川擦痕，特征“丁”字痕、“V”形刻蚀坑。五、碎屑颗粒在搬运和沉积作用中变化1.矿物成分不稳定组分减少，稳定组分增加2.粒度（颗粒大小）变细，分选变好3.颗粒形状圆度与球度变好第三节溶解物质的搬运和沉积作用——化学搬运和沉积作用搬运物质：溶解物质及部分新生成物质搬运方式：胶体溶液或真溶液Al、Fe、Mn、Si的氧化物难溶于水，常呈胶体溶液搬运；Ca、Na、Mg的盐类则常呈真溶液搬运（一）胶体溶液的特点1.受重力影响极其微弱；2.扩散能力很弱；3.类型有正负之分1)正胶体，表面带正电荷，如Fe、Al含水氧化物胶体；2)负胶体，表面带负电荷，如Si、Mn氧化物，Pb、Cu硫化物；4.具有吸附现象一、胶体溶液物质的搬运与沉积一、胶体溶液物质的搬运与沉积（二）胶体溶液稳定的因素——搬运1.布朗运动可抗衡重力作用，不使胶粒下沉。2.同种电荷的胶粒之间的排斥力。3.扩散层和双电子层中反离子和溶剂的亲和作用，形成的溶剂化膜，缓冲和阻碍粒子的碰撞。——溶解物质就可以胶体溶液的形式被搬运走。（三）促使胶体聚集和沉淀的因素——沉积原因1.正负胶体相遇——“相互聚沉”。SiO2胶体同氢氧化铝胶体相遇后电荷中和，形成如高岭石沉淀。2.电解质作用--不同名电荷（电解质）与胶粒电荷中和，胶体降低电动电势，失去稳定性而凝聚。海水有大量电解质，河流携的胶体与其相遇，形成凝胶沉淀，三角洲和海岸常见大量粘土及氧化铁胶体沉积物，还能凝集成铁、铝、锰巨大沉积矿床。3.蒸发作用一方面促使胶体浓度增加，胶粒间的碰撞机会增加，另一方面也增大了胶体溶液中电解质的浓度。4.穿透能力较强的辐射线--如带负电荷的β射线可使正胶体凝聚。5.溶液的pH和Eh值变化--胶体沉淀时都有一定的pH和Eh值。高岭石在酸性介质(pH＝6.6～6.8)中发生凝聚，蒙脱石在碱性介质(pH=7.8)中凝聚。6.温度增加，剧烈振荡，大气放电，毛细管作用等。（四）胶体沉积物的特点1.呈贝壳状断口。2.陈化脱水出现收缩裂隙，易敲击成尖棱角状碎块。3.常呈钟乳状、肾状、豆状。4.孔隙度较大，吸收性较强。5.巨厚层、透镜状、结核状产出。6.化学成分常不固定。常吸附不定量的水分、有机质及各种金属元素，二、真溶液物质的搬运和沉积作用真溶液物质：母岩风化产生的Cl、S、Ca、Na、Mg、K等还包括部分Fe、Mn、Al和硅。真溶液物质搬运及沉积作用的根本控制因素是溶解度。溶解度大，易搬难沉；反之，难搬易沉。除溶解度外，其它影响因素1.介质的酸碱度（pH值）（1）某些溶解物质的溶解度随pH值增大而变化酸性介质条件下，SiO2沉淀而CaCO3溶解，碱性介质中则相反。（2）随pH值变化，某些溶解物质沉淀形式不同。如：AI在pH=4-10时最稳定，发生Al（OH）3沉淀pH《4、》10时则易溶解2.介质的氧化—还原电位（Eh值）Eh值对铁、锰等变价元素的溶解和沉淀影响很大。铁、锰氧化条件呈高价赤铁矿、软锰矿沉淀；弱氧化—弱还原形成海绿石、鲕绿泥石；还原条件低价菱铁矿、菱锰矿。强还原则生成黄铁矿、硫锰矿。低价铁、锰矿物溶解度比高价大数十～数千倍，易搬难沉。3.温度和压力（1）一般物质的溶解度随温度升高而增大。（2）压力对溶液中CO2含量影响很大。4.溶液中CO2的含量碳酸盐的沉淀和溶解度有很大的影响。CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2。Pco2升高，即CO2浓度增高，平衡向右移动，CaCO3溶解，反之，向左移动CaCO3沉淀。水中CO2含量与温度、压力有关。5.其它：气候、蒸发作用第四节生物的搬运和沉积作用生物作为一种搬运营力意义较小，沉积作用意义重大。藻类和细菌等微生物沉积作用巨大，不仅数量多、分布广、繁殖快、适应性强，而且在地质历史上,其它生物还没有大量出现前就参与沉积作用。叠层石与藻类有关，早在25亿年前太古代末就有叠层石。一、直接作用——生物遗体直接堆积成岩或沉积矿床光合作用或吸取养料形成有机体，吸取介质中钙、磷、硅无机盐通过生物分泌作用形成外壳和骨骼。有机质部分埋藏下来经生物化学演化，可形成石油、天然气、煤以及油页岩等。无机的生物外壳和骨骼经富集堆积后可形成岩石或矿床，如生物骨骼石灰岩、生物磷块岩、硅藻土、白垩等。有些生物原来就营群体生活，在生活过程中通过生物分泌作用以及生物粘结作用形成坚固骨架，不需要经过成岩作用就能直接成为岩石，如礁灰岩。第四节生物的搬运和沉积作用二、间接作用1.生物化学沉积作用是指生物的生命活动过程或生物遗体分解过程引起介质物理化学环境变化，使某些溶解物质沉淀，或由于有机质吸附作用使某些元素沉积。生物产生大量H2S、NH3、CH4、O2等气体或吸收大量CO2气体，影响介质环境的物理化学条件，使某些物质溶解或沉淀。有机质分解使介质变成还原环境。煤及黑色页岩中往往富集各种金属元素就是与有机质的吸附作用使得溶液中低浓度元素得以沉淀有关。2.生物物理沉积作用指生物在生命活动中通过捕获、粘结或障积等作用使沉积物沉淀。