沉积物理化性质

沉积物理化性质沉积物是在地球表面，由于外力和内力共同作用于岩石圈而生成的。内力作用造成大的地形起伏，外力作用一方面破坏隆起的高地，另一方面将岩石破坏的产物搬运到坳陷地区堆积下来。由于各种沉积物是在一定的地形、气候和构造条件下形成的，所以在沉积相特征中能反映出这些基本条件的影响，研究其沉积环境可以搞清沉积物的形成过程及其古地理环境，有助于沉积矿床（如石油、砂矿等）的普查与勘探，也有助于解决地层学、古生物学、构造地质学和地貌学等问题，同时对工程地质和水文地质工作也有一定的指导意义。1.沉积结构1.1粒度成分确定沉积物中不同大小碎屑的含量的方法，称为粒度分析或机械分析。大量统计资料证明，沉积物的粒度分布是服从对数正态分布规律的。粒度成分受搬运营力作用的控制，与沉积环境关系密切。在石油、水文与工程地质工作中常用粒度分析资料来鉴定沉积物的参数如孔隙度、渗透性等。1.1.1粒级的划分国内外对粒度的分级有两种方法：一是采用真数，即以毫米或微米（μ，1μ=0.001毫米）为单位来表示颗粒的直径。这种单位的优点是比较直观；缺点是各个粒级不等距，不便于作图与运算；二是采用粒径的对数值来表示。目前应用最广泛的Ф值是克鲁宾（Krumbein，1934）根据伍登-温德华粒级标准，通过对数变换而得。其定义为：Ф=-log2d式中d为毫米直径值。这种Ф分级标准的优点是：分界为等间距，便于作图和统计运算；粒度范围广泛，而且根据需要可以细分到任意间距的精度，这对揭示粒度分布是否为双峰以及了解尾部的详细情况提供了很大的便利。缺点是不直观，需要经过换算才能建立Ф值与真数值之间的关系。伍登-温德华-Ф值标准名称粒级界限名称粒级界限ФmmФmm巨砾-8256极细砂4～30.125-0.063粗砾-6～-8256-64粗粉砂5～40.062-0.032中砾-2～-64-1中粉砂6～50.032-0.016细砾-1～-24-2细粉砂7～60.016-0.008极粗砂0～-12-1极细粉砂8～70.008-0.004粗砂1～01-0.5粗粘土9～80.004-0.002中砂2～10.5-0.2510～90.002-0.001细砂3～20.25-0.125细粘土110.0011.1.2粒度分析资料的整理为了明显地反映一个样品的粒度特征，对不同样品的粒度成分进行比较，以及判断样品的沉积环境，必须将粒度分析的原始资料加以整理。三角图，它常用来对沉积物的粒度成分命名，和对不同沉积物的粒度成分进行比较。用三角图解法比较沉积物的粒度成分，很有效。图1比较了离石—午城黄土与马兰黄土的粒度成分。总体来看，两者粒度特征很相似。但离石—午城图1黄土的细砂含量普遍较少，粉砂含量较高且集中，粘土也较多。也可以在一张三角图中将各地有关沉积物的粒度分析资料进行对比，常常可以反映出粒度分布的区域变化。如图2，中国各地马兰黄土粒度分布的三角图，从青海柴达木到黄河中游的甘肃、陕西、山西，再到华北平原和山东，粒度特征具有细砂成分减少，粘土成分增多的趋势；山东、柴达木的黄土与黄河中游各地的黄土在粒度成分上有很大差异。图2直方图和频率曲线图，可以分析沉积物的某些重要粒度特征。例如，沉积物的偏态，可以判断其属于粗偏或细偏。沉积物的峰态，若为窄单峰，表示分选好，粒级比较集中；若为单宽峰，说明分选较差。单峰频率曲线一般只出现在只有单一的碎屑物来源，且经过较长距离搬运的沉积中。当频率曲线出现双峰或多峰时，其形成的原因可以不同。譬如从具有季节韵律的湖相纹层中采集样品，或者从由不同风速堆积而成的层状风成砂中采集样品时，频率曲线就可能出现多峰。沉积物在搬运过程中，沿途如有大量新的碎屑物加入，也能使频率曲线由单峰变为双峰。以后，随着沉积物沿途分选，又出现颗粒集中在新加入的碎屑物的主要粒级上的单峰（如图3）。图3累计曲线图，它表示大于（或小于）任意选定的粒径的颗粒在样品中的含量，呈“S”形。它可以定性的分析样品的粒度特征，可以代替频率曲线。例如正态分布的频率曲线表现在累计曲线图上，为一对称的“S”形。众数愈大，S形愈陡；众数愈小，S形愈缓。频率曲线的偏态性，表现在累积曲线图上，呈不对称的S形。正偏态曲线，S形的细粒尾端长；负偏态曲线，S形的粗尾端长。更重要的是可以从图中读出累计百分含量为5%、16%、50%、84%、95%、的Φ值，根据这些特征值可以计算出能反映沉积物的粒度特征及其沉积环境条件的粒度参数。如图4。图4罗布泊地区红柳沙包纹层砂物质粒级频率累积曲线图[2]粒度参数，计算采用福克和沃德公式：平均粒径（Mz）代表沉积物粒径分布的集中程度，反映沉积物的沉积环境和物质来源。分选系数（δ）表示颗粒的分选程度，δ越小则沉积物的分选性越好，反之，则分选性越差。偏度（SK）表示沉积物粗细分布的对称情况，并表明平均值与中位数的相对位置。SK=0，表示正态频率分布曲线；SK0，为正偏态频率分布曲线，说明粒度集中分布在细端部分；SK0，表示粒度集中分布在粗端部分，为负偏频率分布曲线。峰态（Kg）,指示沉积物频率分布曲线顶端的宽窄尖锐程度，一般用粒度分布的中间部分除以尾部的展形之比表示。Kg=1为正态分布，Kg1时为窄峰态，Kg1时为宽峰态。概率累计曲线图是判断沉积物搬运方式的常用方法，其是将碎屑组分中含量较少的粗、细尾部的特点放大，便于成因分析。正因为概率累计频率曲线能反映粒度分布的特点，因而在识别沉积环境的搬运机制及解释沉积环境方面，取得较显著成绩。例如，无论是海岸沙丘或内陆沙丘的现代沙丘砂，都是以跳跃组分为主，滚动组分和悬浮组分含量较低，甚至不含悬浮组分。跳跃组分在单风向形成的只有一组，其含量一般大于95%，个别可达98%以上；双风向作用结果，具有两组跳跃组分，总跳跃组分含量更高，一般可达98%。主要组分跳跃段斜率多大于80°，分选极好。图5概率累计频率曲线图C-M图，帕塞加（Passega,1957,1964）选择了一些与沉积搬运有密切关系的粒度参数，C（百分之一含量的粒度）、M（中位数），制成C-M图，反映整个沉积物全部样品的总面貌，它可以说明沉积物的搬运介质状况、反映沉积环境及沉积盆地的活动性等。C-M图可以提供沉积物的水动力状况，可以在图上呈现沉积物的滚动-悬浮的搬运方式。257559544.2GK6.645951684I3845016ZM168450841622ISk5955095522图6C-M图1.1.3用粒度资料研究沉积环境粒度分析所涉及到的概率累计频率分布图、沉积物粒度象、沉积物常用粒度指标、粒度参数散点图蕴含的环境信息，发现粒度分析是沉积物反演其沉积环境的重要方法之一。概率累计频率图可以定量化粒度参数，并且能够提供更为详细的粒度组成信息，尤其是当频率分布曲线差别不大，难以获取充分粒度信息时，它可以作为一个有效的粒度分析数据表达方法，可以为恢复古环境和研究沉积作用过程提供更多更详细的信息。沉积物的粒度象在反映沉积物粒度分布总体特征时间接地指示了沉积环境及沉积物的搬运介质状况，对了解未知环境沉积物的成因具有重要意义。常用粒度指数应用广泛，对沉积物沉积环境具有指示意义。结构参数散点图在区分沉积环境上的应用具有一定价值。然而自然界中，沉积物的沉积条件复杂，成因多变。对于相对来源简单的沉积物，单一地采用粒度的各种判别方法即可获得满意效果。粒度的各种参数还可以反演过去环境和气候变化过程，如判别分析。但对于来源复杂多样的沉积物，要准确判断一种沉积物的沉积环境或区别不同沉积环境的沉积物，就要综合应用多种判别方法或者借助一些粒度分析之外的方法。1.2颗粒形态碎屑颗粒的形态特征是恢复碎屑物的侵蚀、搬运过程，重建古沉积环境的重要标志。碎屑颗粒在搬运过程中被磨圆的程度和形成的表面特征取决于一系列非环境与环境因素。1.2.1非环境因素碎屑物的岩石、矿物成分：碎屑物的岩矿成分一方面通过硬度的差异来影响磨蚀的强度，如硬度越大的变质岩和石英砂等不易磨圆，而泥岩块和独居石砂等大多呈浑圆状。另一方面，岩矿的原始结构影响着碎屑物的形状，如页岩、片岩砾石多呈板状，安山岩、石英岩砾石多呈块状，云母碎屑再磨蚀也是片状的。碎屑颗粒的粒径：碎屑颗粒的磨蚀作用主要是在推移或跃移过程中湖相撞击引起的。因此只有那些既能被介质带动，但又不被悬浮起来的颗粒才能有明显的磨蚀效果。在河流中，粒径小于0.25毫米的砂主要呈悬浮状态搬运，因此很少改变其原始状态，棱角状占多数。冲积物的磨蚀效果主要见于0.25毫米的粒级中。海岸带波浪扰动激烈，宜采用大于0.5毫米的粗砂。风力通常只能吹扬起小于0.1毫米的粉砂颗粒，悬浮在空中。因此风沙形态研究的粒径下限可以降低为0.1毫米。1.2.2环境因素动力条件：这是影响碎屑物形态特征的最重要的环境因素。以砾石为例，河流中的砾石大多沿床底坐单向的滚动，故常呈短棒状。典型的海滩砾石多呈扁平状，因为在具有一定坡度的海滩上，砾石在激浪形成的进流与退流作用下主要沿坡发生平移。强风浪作用的陡海滩则常呈滚动状态。暴露在地面的砾石顶面受到不同方向来的风吹沙的磨蚀，形成单棱或多棱状的风成砾石。冰川流动过程中，下部冰体中的砾石对冻结在床底面上的砾石产生刮削作用，形成板状砾石，砾石顶面具有五边形轮廓，常带有擦痕。如图7（a）（b）（c）（d）图7海滩砾石（a），河流砾石（b），冰川砾石（c），风棱石（d）搬运距离：一般来说，碎屑物的磨蚀程度与其搬运距离成正比。这种关系在搬运的初期表现的很明显，磨圆程度增高的很快。但是以后，磨圆作用迅速减弱。因此在大部分搬运距离内，颗粒的磨圆过程是非常缓慢的。河流沉积物从上游向下游逐渐变细的现象，与其说明它是磨圆所致，不如说是流水对物质分选沉积作用的结果。环境物理化学条件：干旱区的日温差很大，机械冻裂作用能形成特殊形态的砾石。例如在天山北麓的一些丘陵顶部，砾石多被冻裂成薄板状。裂缝沿垂直方向切过岩石结构发育。沙漠漆是干旱区砾石的表面特征。（一）砾石形态用砾石的颗粒形态解释环境意义较大。图表2比较了各种环境中碳酸盐岩砾石的扁平系数和磨圆系数。表2各种环境中碳酸盐岩砾石的扁平系数和磨圆系数环境扁平系数磨圆系数（×1000）河床残留砾石1.2～1.6290底碛1.6～1.840～90冰水沉积1.7～2.0240～300海滨2.3～3.8170～610湖滨（日内瓦湖）2.3～4.4300～370温暖气候河流2.5～3.570～200（二）砂砾形态砂粒的表面特征可以提供沉积物生成环境的资料，推断它的形成过程。在双目实体镜下观察石英砂砾，一般可以看到以下几种特征表面：光滑表面如象磨光似的，只见少数边缘平坦的凹坑。这是砂粒在水体中长期搬运的结果。坑洼表面表面有明显的，凹坑，这是砂粒在激流或激浪中互相猛烈撞击而成。毛玻璃表面表面无光泽，有许多极小的麻坑。这是沙粒被风力长期搬运的特征性表面。1.3颗粒排列沉积物颗粒总是采取某种相对于流体而言比较稳定的排列方式。因此，分析颗粒的排列情况，是查明沉积环境，确定沉积物搬运方式和移动方向的重要手段。1.3.1砾石的排列河流的扁平砾石大多呈瓦状堆积，倾斜面向上游倾斜。倾角取决于流速，两者成正比关系，一般为15-30°。砾质河口三角洲受波浪影响，部分砾石可作反向倾斜排列。河流砾石的长轴既有与水流平行的，也有与水流垂直的。在砾质海滩上，激浪引起的进流以滩面流的形式涌向海滩；回流大多渗入砾石缝隙中，以潜流形式返回海中。因此海滩砾石的的排列方式主要由进流作用造成倾斜面向海倾，倾角不到15°。进流或退流搬运砾石主要沿滩面滚动，因此砾石水平面轴都平行海岸线分布。三角洲砾石的倾斜面既有向河流上游倾斜的，也有向海倾斜的，这是因为三角洲地区兼有河流和波浪作用的原因。砾石平面轴与外力作用垂直。在冰碛物中，叠瓦状砾石向上游倾斜，倾角约20-25°。砾石的倾斜面轴多数与冰川流动的方向一致。1.3.2沙粒的排列长条形的河流砂粒大多与水流方向平行，并有向上游倾斜的趋势，砂粒的叠瓦状构造不太明显。海滩砂粒的长轴平行于