第2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（Transportationandsedimentationofsediment）第一节概述搬运和沉积碎屑物质的流体主要是流水和大气，在高寒地区的冰川和干旱地区的风也是搬运和沉积碎屑物质的营力。沉积物被搬运和沉积方式的划分：（1）机械搬运和沉积作用（2）溶解物质的搬运和沉积作用（3）生物搬运和沉积作用P19:1第二节流体的一些基本知识和概念1.牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体（Newtonianfluid）——服从牛顿内摩擦定律的流体。非牛顿流体（Non-Newtonianfluid）——不服从牛顿内摩擦定律的流体。作为碎屑物质搬运和沉积的流体，自然界存在两种基本类型，即牵引流和沉积物重力流。牵引流：牛顿流体（Newtonianfluid）——服从牛顿内摩擦定律的流体。重力流：非牛顿流体（Non-Newtonianfluid）——不服从牛顿内摩擦定律的流体。内摩擦定律：τ=μ*(du/dy)搬运力推力负荷力（载荷（定义P20)：溶解、悬移、推移或床沙载荷）搬运力重力2.急流、缓流和福劳德数在明渠水流中按流动强度不同可分为：急流、缓流和临界流三种状态。这三种流态的判别标准是福劳德数(FroudeNumbers)(Fr)：福劳德数v是平均流速，h是水深Fr1，急流，超临界流，水浅流急Fr=1，临界流Fr1，静流，缓流或临界以下的流动，水深流缓Fr=LgVgh床沙表面可随水流强度变化而出现各种类型床沙形体，一种类型的床沙形体不是固定不动的，而是通过组成床沙的砂砾颗粒的滚动、滑动或跳跃移动而使床沙形体发生顺流或逆流移动。这种现象在水力学中称为沙波运动。床沙运动明渠水流随着流动强度的加大，在床面上会依次出现下列床沙形体：无颗粒运动的平坦床沙、沙纹、沙浪、沙丘、过渡型(低角度沙丘)、平坦床沙、逆行沙丘、流槽和凹坑。床沙形体流动强度加大3.层流、紊流和雷诺数层流（laminarflow）——一种缓慢流动的流体，流体质点作有条不紊的平行线状运动，彼此不相掺混。紊流（turbulentflow）——湍流，一种充满了漩涡的多湍流的流体，流体质点的运动轨迹极不规则，其流速大小和流动方向随时间而变化，彼此相互掺混。英国学者雷诺(O.Reyonolds)首先从实验室中观察到这一物理现象，用不同管径的管道和不同流体进行试验，获得了一个判别层流与紊流的准则，称为雷诺数（ReyonoldsNumbers）雷诺数(Re)=惯性力/粘滞力=V2d2ρ/Vdμ=Vdρ/μV—水的流速，d—颗粒直径，ρ—水的密度，μ—动力粘滞系数Re=1时，流动呈层流型Re=1～40时，在颗粒背后会出现背流尾迹Re40时，出现“卡门涡街”，紊流(涡流)（）a从层流过度到紊流（）cRe=40~120（）bRe=1~40在背流尾迹中具有不规则旋涡的层流层流Re1自然界中绝大数水体是紊流运动第三节机械搬运和沉积作用一、牵引流的机械搬运和沉积作用牵引流(Tractioncurrent)—符合牛顿流体定律的流体。其搬运机制是流体动能拖曳牵引沉积物一起运动，如河流、风流和波浪流等。牵引搬运(牵引作用)—能使碎屑物质作底负载移动的各种作用牵引流（一）水流的机械搬运和沉积作用1.流水中碎屑颗粒的搬运作用碎屑颗粒在流水中的搬运和沉积，主要与水的流动状态关系密切，是层流还紊流，是急流还缓流；还与碎屑颗粒的本身特点(大小、相对密度和形状等)有关。（1）碎屑颗粒在水中的受力分析(图解板书）A有效重力（W）：重力和水体浮力的差B水平推移力（Px）：水流作用于颗粒上的顺流水方向的力C垂直上举力（Py）：①水体浮力；②颗粒上下存在的流速差所引起的压力差；③涡流中的上举力【伯诺利方程】p23D粘结力（Pc）（2）搬运方式A推移搬运（滚动搬运，包括跳跃搬运）B悬浮搬运(悬移搬运)C溶解搬运（3）起动条件（P25:3)粒径对数坐标，mm流速对数坐标，cm/s继续搬运流速曲线开始搬运流速曲线1000100101.00.10.0010.010.11.010100尤尔斯特隆图解碎屑物质在流水中的搬运和沉积，流速和颗粒大小之间的关系最为关键。砾砂粉砂侵蚀未固结的粘土和粉砂沉积搬运尤尔斯特隆的曲线（）1939森德伯格的修正曲线（）1956固结粘土和粉砂颗粒直径，-6-4-2024680.51248163264128256512流速，cm/s经森德伯格(Sundborg，1956)修改过的尤尔斯特隆图解碎屑物质在静水中下沉情况可用斯托克斯实验公式表示(G.G.Stokes，1850)：(适用于粒径0.1mm的球形颗粒)其中：V—颗粒下沉速度(cm/s)，d1-—颗粒密度，d2—水介质密度，g—重力加速度(980cm/s2)，r—颗粒半径(cm)V=gr29221dd2.碎屑物质在流水中的沉积作用机械沉积作用：处于搬运状态的碎屑物质，在一定的条件下，主要是当流水的动力不足以克服碎屑的重力时，碎屑物质就会沉积下来。极细砂下沉30m约需2h，而细粘土则约需1年；如下沉3000~4000m，极细砂约需10d，细粘土则约需100年。碎屑颗粒在静水中下沉速度与颗粒半径平方成正比碎屑颗粒在静水中下沉速度与其相对密度成正比斯托克公式是在假定颗粒为球形的情况下求得的，假如颗粒不是球形，其沉速有所不同。实验证明，假设球形颗粒的沉速为100，则椭球形颗粒的沉速为84～61，立方体为74，长柱体为50，片状颗粒为80～38；斯托克公式只有在静水或层流的条件下才适用。可滚动的床砂载荷的最大粒径，cm24681000.51.01.502.02.5可悬浮的砂粒最大粒径，cm流动强度增加P沃克(Walker，1975)的图解当流动强度为P时，它所能滚动的砾石最大粒径为8cm，同时所悬浮的颗粒最大粒径为2.2mm。当流动强度略小于P时，可使粒径为8cm和2.2mm的砾石同时沉积，从而形成双众数的砾岩。当流动强度在P附近反复变动时，则可能形成粗、细砾石沉积的互层，其平均粒度分别为8cm和2.2mm。如果流动强度急剧减少，则可能造成分选极差的多众数的砾、砂、粉砂和泥的混合沉积物。沉积1mm砂粒所需的流动强度要比沉积7cm砾石所需强度小得多，因此，在平均粒度为7cm的砾石沉积的孔隙中所充填1mm的砂，不可能是同时沉积物。(二）空气中的搬运和沉积作用自学为主1.风是碎屑物质在空气中搬运和沉积的主要营力2.在干旱地区，这种搬运和沉积作用主要是风，且只能搬运碎屑物质，而不能搬运溶解物质。风蚀地貌风蚀地貌尘暴的搬运作用：小于O．O5mm的粉砂与粘土可以像灰尘一样大量弥漫悬浮，在空气里作长距离搬运。当发生风暴时，这种搬运作用就更为强烈。二、沉积物重力流的搬运和沉积作用（一）基本概念与分类1.基本概念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。是非牛顿流体，重力流随着密度降低，可向牵引流转变2.分类水下的和大气的两类。水下沉积物重力流分为四类：碎屑流或泥石流颗粒流液化沉积物流浊流(二）浊流及其他水下重力流1.浊流是靠液体的湍流来支撑碎屑颗粒，使之呈悬浮状态，在重力作用下发生流动按密度分为：低密度浊流高密度浊流分界为1.1g/cm3，最高可达1.5-2g/cm3，或能悬浮搬运0.06mm粒径的石英砂粒者为高密度流，否则为低密度流浊流常具有粒序层理，自上而下粒度变粗海底浊流2.碎屑流(泥石流）是一种砾、砂、泥和水相混合的高密度流体，泥和水相混合组成的杂基支撑着砂、砾使之呈悬浮状态被搬运。3.颗粒流是一种由无凝聚力颗粒（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力，阻止了颗粒从流动中沉积下来。4.液化沉积物流（1）当沉积物缓慢沉积时，沉积物的重量全由固态颗粒支撑，此时孔隙压力为流体静压力，颗粒与流体处于平衡状态。（2）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，使流体向上流动能以支撑颗粒呈悬浮状，沉积物强度就减弱为零，即沉积物发生“液化”（3）常见于砂和粉砂沉积物中。冰碛物—冰川携带的碎屑物质冰川具有巨大的搬运能力南极大陆冰盖三、冰川的搬运和沉积作用在寒冷的两极地区和高寒山区，冰川的搬运及沉积作用是主要的。冰碛物的基本特征：（1）结构疏松，大小混杂，分选极差；（2）冰碛物中砾石磨圆极差；（3）一般缺乏层理构造。冰蘑菇（冰川飘砾）冰川飘砾四、碎屑物质在流水搬运过程中的变化1.成分上的变化：不稳定组分逐渐减少，稳定组分则相应增加，同其它组分也就变得更加简单了。2.碎屑颗粒度逐渐变小3.碎屑颗粒的圆度逐渐变好4.碎屑颗粒的球度也有所增高一、溶解物质母岩风化产物中的溶解物质，主要为Cl、S、Ca、Na、K、Mg、P、Si、Al、Fe等。前面的溶解度较大，多呈真溶液；后面的溶解度较小，多呈胶体溶液。它们均呈溶解状态，在河水或地下水中，向湖泊和海洋中转移。第四节化学和生物搬运和沉积作用1.胶体溶液物质的搬运和沉积作用胶体：一种物质的细微质点分散在另一种物质中的不均匀分散体系。胶体质点一般介于100～1μm之间，多呈分子状态。胶体质点常有电荷。胶体沉积物的特征：常呈钟乳状、肾状、豆状、胶冻状等常具贝壳状断口多为含水矿物，且含水量很不固定其化学成分也不够固定常具离子交换性及吸附性常失水干裂老化或重结晶2.真溶液物质的搬运和沉积作用母岩风化产物中的真溶液物质主要是Cl、S、Ca、Na、K、Mg等，P、Si、Al、Fe、Mn等也可部分呈真溶液状态。真溶液物质的搬运及沉积作用的根本控制因素是它们的溶解度溶解度越大，越易搬运，越难沉积。溶解度越小，越易沉积，越难搬运。Fe、Mn、Si、Al等溶解物质的溶解度较小，易于沉淀，在它们的搬运和沉积作用中，水介质的各种物理化学条件的影响十分重要。各种铁、锰矿物生成时所需要的pH值及Eh值SiO2及CaCO3的溶解度与介质PH值的关系Al2O3的溶解度与介质PH值的关系对于溶解度大的物质的搬运和沉积作用，水介质的影响不大。它们只有在干热的气候条件下，在封闭或半封闭的盆地中，或在水循环受限制的潮上地带，即在蒸发条件下，才能沉积下来。如石膏、硬石膏、钠盐、钾盐、镁盐等。二、生物的搬运和沉积作用生物在母岩风化产物的搬运和沉积过程中起着重要的作用，不少沉积岩和沉积矿产的形成都与生物作用有关，或直接由生物作用而形成。如碳酸盐岩、磷酸盐岩、沉积铁矿、硅藻土、白垩、煤、油页岩和石油等。在各类生物中，尤以藻类和细菌等微生物在沉积岩和沉积矿产形成作用中的意义较大。生物的搬运和沉积作用有两种方式：生物通过新陈代谢作用，在其生活过程中不断地从周围介质中吸取一定的物质成分，从而把一些元素富集起来。另一种方式是由于生物作用而引起的周围介质条件的改变，从而影响某些物质的搬运和沉积。各种生物壳体是形成生物灰岩的主要成分生物碎屑灰岩棘屑灰岩里大量出现海百合茎化石示底构造生物礁的造礁生物藻粘结形成叠层石2.机械沉积分异作用(mechanicalsedimentarydifferentiation)——碎屑物质在搬运和沉积过程中，当介质运动的速度和运移的能力在一定的方向上作有规律的变化时，它们也相应按照颗粒大小、密度和形状发生分异，依次沉积。第五节沉积分异作用3.沉积分异作用包括：粒度分异相对密度的分异形状上的分异，片状碎屑颗粒较粒状碎屑颗粒搬运远，成分分异1.沉积分异作用：母岩风化产物以及其它来源的沉积物，在搬运和沉积过程中按照颗粒大小、形状、比重、矿物成分和化学成分在地表依次沉积下来。一、碎屑物质在流水搬运及沉积作用过程中的分异作用二、化学沉积分异作用化学沉积分异作用——受化学原理支配的分异作用母岩风化产物中的溶解物质，在搬运和沉积过程中，由于各元素和化合物彼此在化学性质上的差异(主要是化学活泼性或溶解度大小)，它们从溶液中按一定先后顺序沉淀出来，从而逐渐产生了分异。三、两种沉积分异作用的关系及其地质意义（1）关系机械沉积分异作用进行得较早，化学沉积分异作用进行得较晚（2）意义两种沉积分异作用