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一、概述1．按沉积物被搬运和沉积的方式不同分为：（1）机械搬运和沉积作用（2）化学搬运和沉积作用（3）生物搬运和沉积作用（1）机械搬运和沉积作用a.受支配的规律：流体力学b.物质组成：陆源碎屑物质、粘土物质和某些内源粒屑物质c.方式：悬移搬运(suspendedtransport)(悬浮于介质中);推移搬运(tractivetransport)(介质底滑、滚、跳)（又叫“床沙搬运”）d.沉积条件：能量降低沉积即：陆源碎屑物质、粘土物质及某些内源粒屑物质，悬浮于介质中被搬运（悬浮搬运）或在介质底部呈滑动、滚动、跳动方式被搬运（推移或叫床沙搬运）。推移悬移运动规律具间隙性具连续性运动空间介质底部介质上部运动能源水流速度水流能量的增加水流的紊动运动能量遵守能量守恒（2）化学搬运和沉积作用（即溶解物质搬运与化学沉积作用）a.受支配的规律：化学、物理化学定律b.物质组成：溶解物质b.状态：真溶液、胶体溶液或络合物d.沉积条件：当环境中T、P、pH和Eh等化学条件改变时，则发生沉积（3）生物搬运和沉积作用生物的搬运作用意义不大，主要是沉积作用，eg.通过生物生理作用、生物物理、生物化学作用，使大量的溶解物质、内源粒屑物质、粘土物质发生沉积。2．两句话：（１）对沉积物进行搬运和沉积的介质主要是水和大气，其次为冰川、生物；（２）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。3．流体的两种基本类型—牵引流与重力流划分依据：流体对沉积物机械搬运的方式和引起沉积物搬运的驱动力不同。类型驱使沉积物颗粒移动的动力搬运方式流体性质举例牵引流流体流动所产生的推力。eg.流体作用于沉积物上的推力（牵引力）；流体的负荷力（载荷力）推移搬运悬移搬运牛顿流体河流、海流（洋流）、波浪流、潮汐流、等深流和大气流重力流重力悬移搬运非牛顿流体属高密度流体泥石流、浊流、颗粒流、液化沉积物流4．负荷力和载荷负荷力——流体（流水）所能搬运沉积物总负荷量的力，又叫载荷力。载荷——流体中被搬运的沉积物称“载荷”（Load），包括：溶解载荷（solutionalload）、悬移载荷（suspendedload）和推移载荷（tractionalload）又叫“床沙载荷（bedload）”。载荷量——单位时间内流体经过某一横断面的沉积物总量（或容量）。满载——当一流体不能再携带更多的沉积物时，就是满载。超载——随着流速降低、流量减小、流体的推力和负荷力就要减弱，成为超载，这时沉积物就会由粗到细依次发生沉积。二、有关流体力学的几个基本概念1、牛顿流体和非牛顿流体凡服从牛顿内摩擦定律的流体称“牛顿流体”，否则称“非牛顿流体”。内摩擦力（粘滞力）：即抗拒流体内部的相对运动的力。内摩擦定律：τ—单位面积上的内摩擦力,即粘滞切应力—流速梯度（剪切变形率）μ—动力粘滞系数。dydudydudyduτ00τABdydu牵引流流体)牛顿(dydu重力流)非牛顿(0流体dydu2．急流、缓流与福劳德数（Fr）（1）管道流与明渠流—前者为有压力流；后者为无压流，存在与大气接触的自由表面。（2）明渠流中，急流与缓流福劳德数（Froudenumbers——Fr）v—平均流速h—水深g—重力加速度Fr—无量纲数ghvFr重力惯性力Fr可以判断明渠水流的流态（1）当Fr1时，水深流缓、“低流态”，水流为缓流，也称“临界下的流动状态”或“低流态”，它代表一种水深流缓的流动状态（即为缓流，水深，下部流动状态，低流态）；（2）Fr=1时，水流为临界流；（3）当Fr1时，水浅流急、“高流态”，水流为急流，也称“超临界的流动状态”或“高流态”，它代表一种水浅流急的流动状态（即为急流，水浅，上部流动状态，高流态）。3．层流、紊流与雷诺数（Re）自然界任何流体按其流动特点有层流和紊流（或称“湍流”）两种流动型态。层流——是一种缓慢的流动，流体质点作有条不紊的平行的线状运动，彼此不相掺混。紊流——是一种充满了漩涡的急湍的流动，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，彼此互相掺混。层流和紊流的判断准则是雷诺数Reynoldsnumbers—Re判断公式：（通过对管道内流体研究而得到）v—平均流速d—管道直径R—水力半径,代替（明渠）常数粘滞力惯性力vdRed41管道流Re2000层流Re2000紊流明渠流Re500层流Re500紊流紊流对沉积物有扬举作用！三、机械搬运和沉积作用（一）牵引流的机械搬运和沉积作用1．流水的搬运和沉积作用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，是层流还是紊流，是急流还是缓流；还与碎屑颗粒本身特点，如大小、比重、形状等都有关系。（1）受力状况与运动颗粒在水中受到的动力：水平推力Px、垂直上举力Py起主要作用颗粒在水中受到的阻力：有效重力W（G-F浮）、粘滞力Pc当Px≥f(w-Py)，开始滑动；当Px·L1+Py·L2≥wL3，开始滚动。（参见P25）对悬浮搬运情况，颗粒从滚动→跳跃→悬浮，与流动强度和颗粒自身情况有关，较为复杂。沉积：当Pxf(w-Py)时，推移颗粒停止运动；当Pyw时，悬移颗粒就沉降。（2）尤尔斯特降图解（水深１m，Q颗粒）—碎屑颗粒开始搬运时的起动条件研究碎屑颗粒起动的条件,首先要选择一个起动流指标，目前常用的有两种：a.平均流速—起动速（即使颗粒开始移动的平均流速）；b.床面切应力—临界推移力（即使颗粒移动时的切应力）尤尔斯特降图解反映起动流速与碎屑大小的关系，参见P25图２－６A．开始搬运（侵蚀）所需始动流速大于继续搬运所需流速B．0.05－2mm(4.3－－1φ)之间，起动速度最低，且与沉积临界流速差值亦不大C.d2mm起动速度与沉积临界速差很小，两数值随粒度增大而增加D.d0.05mm时起动流速与沉积临界流速差值很大由图解知：水深1m，平坦河床上的石英颗粒（砂粒）当d在2－0.0625mm之间时，跳跃搬运，易搬运又易沉积当d2mm时，易沉积难搬运（滚动、滑动搬运）当d0.0625mm时，不易搬运也不易沉积球状颗粒易沉积，片状颗粒不易沉积；比重大的易沉积，反之不易沉积；与介质的粘稠度有关：粘度高不易搬运易沉积，反之易搬运不易沉积。2．风的搬运和沉积作用（P28-30）提以下几点：（1）一般只搬运碎屑物质（2）方式：跳跃、悬浮、滚动（3）主要搬运砂及粉砂类物质（4）磨圆度高，分选性好。（二）重力流的机械搬运和沉积作用1.“重力流”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体。2．主要按悬浮方式搬运3．水下沉积物重力流：A.定义：“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。B.分类：依据碎屑支撑机理，即碎屑呈悬浮状态的机理，将水下重力流分为四类：泥石流或碎屑流、颗粒流、液化沉积物流和浊流。A．泥石流（碎屑流）（debrisflow）：砾、砂、泥、水相混合的高密度流体泥、水支撑砂砾（即泥、水混合组成杂基）沉积物支撑机理：基质强度（屈服强度）B．颗粒流（grainflow）：砂、砾组成的重力流；相互碰撞产生向上的支撑应力沉积物支撑机理：颗粒相互作用C．液化沉积物（fluidizedsedimentflow)：颗粒之间的孔隙产生一种超孔隙压力支撑，往往是有流体加入于空隙之间承压，超过静压力。沉积物支撑机理：向上的粒间流D．浊流（turbiditycurrents）：碎屑沉积物与水形成的湍流液体湍流支撑碎屑颗粒浊流形成的岩石称浊积岩，可分为：高密度浊流1.1g/cm3；低密度浊流：1.1g/cm3沉积物支撑机理：湍流4．大气沉积物重力流：（P31-32）A.定义：“大气沉积物重力流”是指与大气相接触的沉积物与水或气体相混合的高密度流体。B.分类：据弗雷德曼（G.M.Friedman，1978）等人资料，大气重力流包括：a.岩块崩塌流b.碎屑流c.热气底浪沉积d.热灰云或发光云（三）冰川的搬运和沉积作用1．移动机理:冰川是固体物质，它的移动机理包括两个方面：a.塑性流动b.滑动2．特点：a.固体搬运、可搬运巨大的岩块b.砾石多呈棱角状c.无分选性d.常见冰川擦痕冰川的堆积物叫“冰碛”（till或moraine）冰碛物的特点：(1)纯为碎屑堆积(2)无分选性(3)岩块或砾石无定向排列现象(4)无明显层理(5)碎屑多具棱角(6)冰碛砾石、岩块、漂砾表面上可见冰擦痕(7)大多为粗粒级碎屑(8)冰碛物内部保存的孢子花粉为寒冷型的（四）搬运过程中碎屑物质的变化1．碎屑物质在长距离搬运过程中，由于颗粒间的碰撞和摩擦，流体对颗粒的分选作用，以及持续进行的化学分解和机械破碎，使得它们的矿物成分、粒度、分选性和外形都要发生变化。一般地，随着搬运距离增长，碎屑物质将出现以下变化：矿物成分粒度分选形态不稳定矿物组分逐渐减少，稳定矿物相对含量增加颗粒越来越细分选性越来越好磨圆度和球度越来越高2．这些变化是沉积岩鉴定的重要依据，但冰川搬运的物质变化不大。四、化学搬运和沉积作用（P37）1．胶体搬运和沉积作用（1）胶体特征：带电荷、扩散能力弱、具吸附性、具凝聚作用、质点介于1-100nm之间。（2）由胶体凝聚生成的沉积物和岩石具有特点：a.沉积物呈胶状、糊状或冻状；岩石具贝壳状断口b.具吸附性c.易敲击成尖棱角状碎块（由于胶体陈化具收缩裂隙）d.一般具微晶、放射状、鲕状、球粒状、扇状集合晶结构e.产状：巨厚层、透镜状、结核状产出f.化学成分不固定2．真溶液的搬运和沉积作用（P39）（1）物质类型：Cl-、Sn+、Ca2+、Na+、K+、Mg2+、Fen+、Mnn+、Al3+、Si4+以离子或氧化物分子存在。如：SiO2随pH增加，溶解度增加：pH=5109mg/l；pH=6218mg/l；pH=11378mg/l。（2）影响真溶液搬运（溶解）沉积（沉淀）的因素：（A）主要取决于溶解度，溶解度大、易搬运不易沉淀（B）介质的酸碱度，对大部分溶解物质的沉淀有影响，只对易溶盐类影响不大（C）介质的Eh（D）T、P（E）溶液中CO2含量（F）离子吸附作用五、生物的搬运和沉积作用（P42-44）结论：生物的搬运作用意义不大，其沉积作用却很重要A.直接作用（遗体堆积）：a.硬体（生物分泌作用形成外壳和骨骼）b.软体（有机质部分）B.间接作用：a.生物化学作用：产生气体、H2S、O2、CH4等，吸收Ca、P、Si等b.生物物理沉积作用：藻类的捕获和粘结、生物障积作用六、沉积分异作用及其评述“地表沉积分异作用”——母岩风化产物以及其他来源的沉积物，在搬运和沉积过程中会按照颗粒大小、形状、比重、矿物成分和化学成分在地表依次沉积下来，这种现象称为“地表沉积分异作用”。1．机械分异作用颗粒：砾岩→砂岩→粘土岩（eg.颗粒大小）比重：金→黄铁矿→铬铁矿→石英→石墨→琥珀潮汐作用下的机械分异：泥坪→混合坪→砂坪→浊积岩（离岸距离逐渐加大）2．化学沉积作用氧化物→磷酸盐→硅酸盐→碳酸盐→硫酸盐及卤化物。影响分异顺序的主要因素是溶解度，按溶解度从小到大依次沉淀。3．对沉积分异学说的认识（P45-46）4．意义：使成分复杂的岩浆岩—→成为一系列简单的沉积岩和沉积矿床，有助于了解沉积岩和沉积矿床的某些成因和分布规律，指导矿产勘探工作。