沉积岩形成与演化

非时变性非牛顿流体
牛顿内摩擦定律
τ= μ
du dy
τ
b
c a d
a:牛顿流体 水,空气
b:宾厄姆流体 牙膏,高蜡低温原油 水泥砂浆, c:拟塑性流体 高分子聚合物溶液，血液，沙拉酱 d:膨胀流体 高浓度挟砂水流，淀粉糊，阿拉伯树胶
du dy
沉积学_沉积岩的成因
• （二）层流、紊流和雷诺数
– 两种流动型态——层流与紊流/湍流/涡流
再次被搬运
沉积学_沉积岩的成因
• 风化、搬运和沉积是三个连续而又独
立的阶段，但有时相互交替和重复，
尤其是搬运和沉积作用，是一对矛盾。
沉积学_沉积岩的成因
沉积物发生搬运和沉积的地质营力（搬运介质）
• • • • •
流水 风（大气） 冰川 重力 生物
沉积学_沉积岩的成因
沉积学_沉积岩的成因
沉积学_沉积岩的成因
沉积学_沉积岩的成因
• 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H2S、NH3、CH4、O2等
气体或吸收 CO2气体，影响介质环境的物化条件，使某些物质溶解或沉淀。
层流 紊流
沉积学_沉积岩的成因
• 雷诺数（Re, Reynolds numbers ）层流和紊流 的判别标准
– 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/μ
– Re＝1± 层流 – Re＝1～40 临界流 – Re > 40 紊流
沉积学_沉积岩的成因
沉积学_沉积岩的成因
第二节 机械搬运与沉积作用
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。
–牵引流服从内摩擦定律——牛顿流体
–沉积物重力流不服从内摩擦定律——非牛顿流体
沉积学_沉积岩的成因
沉积学_沉积岩的成因
两线：
开始搬运曲线/继续搬运曲线
搬运和沉积的决定因素 粒径和流速
侵蚀区
三区：
剥 山区 粉砂和泥级 难搬难沉 深水 砂级 易搬易沉 分布最广
搬运区
沉积区
沉积学_沉积岩的成因
泥
粉砂
砂
砾
剥蚀区
搬运区
沉积区
沉积学_沉积岩的成因
• （四）机械沉积作用
重力流 非牛顿流体
高（>1.08，海水比重） 重力 不分 沉积物 重力 悬浮 水被动，颗粒主动 碎屑物质为主 能力减小转化或稀释 山前或斜坡及其下游方向 粒序/递变层理
沉积学_沉积岩的成因
有重要地质意义的流体： • 不同的流动机制产生
不同的结构和构造 • 可以用水力学机制来解 释不同结构和构造 •自然界在的流体大多是紊 流，紊流更为重要
沉积学_沉积岩的成因
沉积岩的形成与演化
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 概述 机械搬运与沉积作用 溶解物质的搬运和沉积作用 生物的搬运和沉积作用 沉积分异作用 正常沉积作用和事件沉积作用 沉积后作用
沉积学_沉积岩的成因
风化作用
搬运作用
岩石循环
沉积作用
隆升-暴露
沉积物
成岩作用
岩浆岩
• 4.溶液中CO2的含量
• 5.其它----气候、蒸发作用
沉积学_沉积岩的成因
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，数量多、分布广、繁殖快、适应性强，出现 早。
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, 形成外壳和骨骼。
是溶解度。
– 溶解度大，易搬难沉；反之，易沉难搬。
沉积学_沉积岩的成因
• 溶解度以外的 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
– 在碱性介质中则相反。
• （2）随pH值变化，某些溶解物质沉淀形式不同
4. 具有吸附现象
沉积学_沉积岩的成因
• （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。
沉积学_沉积岩的成因
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。
沉积学_沉积岩的成因
第五节 沉积分异作用
• 沉积分异作用概念
– 母岩风化产物以及其他来源的沉积物在搬运和沉积过程 中会按颗粒大小、形状、比重、矿物成分和化学成分在
沉积学_沉积岩的成因
沉积学_沉积岩的成因
牵引流和重力流的区别
牵引流 牛顿流体
低 地形、潮流或风 分明 流水、空气 推力、负荷力 滚动、跳跃、悬浮 水主动，颗粒被动 碎屑物质、溶解物质 流速、能量减小 地形变化较小 各种类型层理
类别 流体性质
密度 水动力学机制 液固相 搬运介质 搬运动力 搬运方式 运动关系 搬运物质 沉积作用 沉积环境 沉积构造
Py
w
水流方向
Pf Px
Pc
沉积学_沉积岩的成因
• （二）流体搬运碎屑物质的方式
1. 推移搬运（滚动+跳跃）——床沙载荷 (bed load)，粗 2. 悬浮搬运——悬移载荷（suspend load）， 细
• 载荷：流体中被搬运的沉积物，也叫负载， 负荷。
沉积学_沉积岩的成因
滚动
推移载荷
跳跃
悬浮
• 与之对立的是“掺和作用”或“混合作用”、
“混杂作用”。
沉积学_沉积岩的成因
碎屑物质在流水搬运中的变化
–矿物成分
• 不稳定组分减少 • 稳定组分增加
–粒度（颗粒大小）
• 变细，分选变好
–颗粒形状
沉积学_沉积岩的成因
沉积学_沉积岩的成因
• 按沉积物被搬运和沉积的方式不同可以分为：
– 1.机械/物理搬运和沉积作用
• 碎屑+新生成物质+火山碎屑+宇宙源物质
– 2.化学搬运和沉积作用
• 溶解物质、深层卤水
– 生物化学搬运和沉积作用 » 溶解物质＋深层卤水＋生物源物质
– 3.生物搬运和沉积作用
• 生物源物质
沉积学_沉积岩的成因
沉积学_沉积岩的成因
第三节 化学搬运和沉积作用
沉积学_沉积岩的成因
• 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
沉积学_沉积岩的成因
一、胶体溶液物质的搬运与沉积
地表依次沉积下来的现象，也叫地表沉积分异作用。
• 机械分异作用：主要受物理原理支配，见于碎屑岩中；
• 化学分异作用：主要受化学原理支配，见于溶解物质沉积过程
沉积学_沉积岩的成因
• 一、机械沉积分异作用
– 碎屑物质在流水中搬运和沉积的过程中，
将按 粒度、密度、形状、成分 等差异发生
有序沉积的现象
• 物理分异
胶体溶液----介于粗分散系(悬浮液)和离子分 散系(真溶液)间，粒子直径介于1～100μ m间， 多呈分子状态。
（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，Fe、Al含水氧化物胶体； 2) 负胶体，表面带负电荷，Si、Mn氧化物，Pb、Cu硫 化物；
– 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。
• 急流、缓流和临界流三种流态 • 判别标志为佛罗德数（ Fr， Froude number ）
–Fr＝惯性力/重力＝（V2/D）/g＝V2/（gD） –
Fr V / gD
——标志惯性力与重力之间的关系
描述流体的运动强度
沉积学_沉积岩的成因
Fr＞1：急流，水浅流急——上部流动体制，高流态 Fr＝1：临界流，过渡流态 Fr＜1：缓流，水深流缓——下部流动体制，低流态
• （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”。 2.电解质作用 3.蒸发作用 4.穿透能力较强的辐射线 5.溶液的pH和Eh值 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
沉积学_沉积岩的成因
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
沉积学_沉积岩的成因
（一）受力分析
1.有效重力（w）：颗粒受到的重力和浮力之差
2.粘结力（Pc）：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：
• ①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； • ③紊流中存在涡流的扬举作用/上举涡力
悬移载荷
沉积学_沉积岩的成因
沉积学_沉积岩的成因
沉积学_沉积岩的成因
沉积学_沉积岩的成因
沉积学_沉积岩的成因
• （三） 尤尔斯特隆图解
– 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
牵引流（紊流）
碎屑流（层流）
沉积学_沉积岩的成因
牵引流 牛顿流体
沉积物重力流 非牛顿流体
层流 急流
紊流 缓流
沉积学_沉积岩的成因
二、碎屑颗粒在流水中的 搬运和沉积作用
• 什么性质的流体？
–河水、海水、湖水、风、冰川…
• 物源区在哪儿？
–山区（剥蚀区）、陆地岸边…
• 搬运的起点在哪儿？
–山区（剥蚀区）、陆地岸边…
搬运中的变化
–矿物成分
• 不稳定组分减少
• 稳定组分增加
–粒度（颗粒大小）
• 变细，分选变好
–颗粒形状
• 圆度与球度变好
沉积学_沉积岩的成因
三、碎屑物质在海湖水体中的搬运
和沉积作用 四、碎屑物质在空气中的搬运和沉
积作用
五、碎屑物质在冰川中的搬运和沉 积作用
沉积学_沉积岩的成因
沉积学_沉积岩的成因
– 主要是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。
• 碎屑物质在静水中下沉
– 颗粒越大，比重越大，沉积速率就越大。
沉积学_沉积岩的成因
颗粒间的碰撞和摩擦
流体对颗粒的分选作用 化学分解和机械破碎作用
↓
碎屑物质在长距离搬运过程中要发生一系列的变化
沉积学_沉积岩的成因
（五）碎屑物质在流水
铁pH＝2～3以Fe(OH)3沉淀，pH=5以Fe(OH)2沉淀。pH=6～7，溶液含 CO2，以FeCO3沉淀。Fe2+和Fe3+沉淀时所需Eh值也不同。锰的情况同
铁类似。
沉积学_沉积岩的成因
沉积学_沉积岩的成因
• 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
层流和紊流
紊流水体与固体边界接触处，流体运动型态仍属层流，称为层流底层。 层流底层的厚度随雷诺数的增加而减少。层流底层的存在对碎屑沉积物 的搬运和沉积起着重要的控制作用，使碎屑沉积物在其与流体之间的界 面上发生沉积和搬运的交替作用。
沉积学_沉积岩的成因
• （三）缓流、急流和佛罗德数（Fr）
– 明渠水流
沉积学_沉积岩的成因
• 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 – 对碳酸盐的沉淀和溶解度有很大的影响
• CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2。 • 水中CO2含量与温度、压力有关
– CO2 浓度增高，平衡向右移动， CaCO3 溶解，反 之，向左移动，CaCO3沉淀。
固结作用
沉积岩
变质作用
岩浆岩
结晶作用
变质岩
熔融作用
岩浆
沉积学_沉积岩的成因
• 风化作用的产物及其它来源的沉积物质少量残留原地 • 大部分将进入搬运状态向沉积盆地转移。
– 沉积物在搬运中仍会发生机械破碎和化学分解→新矿物
– 介质搬运能力减弱，无力携带所搬运的沉积物→沉积 – 沉积下来的沉积物
• ①长期固定下来不再移动， • ②地壳上升，侵蚀基准面下降，流体流速加快→重新发生侵蚀并被