4 沉积作用和沉积物

碎屑岩的 结构组分 填隙物 孔隙
* 杂基：碎屑岩中与粗碎屑一起沉积下来的细粒填隙组分，粒度一般小于 0 03mm。
填隙物
碎屑物
孔隙
1）粒度（grain size）：常用最大视直径 D 的毫米值或
φ 值来度量。 φ和毫米值间的换算关系为：φ=－
log2D
上：自然粒级标准；下：伍登-温特华斯（Udden-Wentworth）标准
一般清洁明亮，又称“亮晶方解石”、“亮晶胶结物”
生物碎屑
亮晶 泥晶
亮晶
泥晶
2.自生颗粒: 沉积和成岩过程中在沉积盆地内以化学、生物化 学、机械或它们的复合作用新生成的颗粒。
自生颗粒主要有6种类型： 磨蚀颗粒——生物碎屑, 内碎屑 加积凝聚颗粒——鲕粒, 团粒, 凝块石, 核形石
（1）生物碎屑 (bioclast)
原始物质
物理沉积作用 化学沉积作用 生物沉积作用
中间产物
搬运 机械沉积
泥晶(micrite) 自生颗粒(grain)
沉积物
1.泥晶: 呈机械性运移和沉积的、d< 5 µm的碳酸盐质点。与 亮晶相对而言。
泥晶来源：自生——化学沉淀、自生颗粒的机械磨蚀、生物体
亮晶(sparite)：在同生、成岩期沉淀于碳酸盐颗粒间的结晶方解石。
第一节 物理沉积作用和碎屑沉积物
物理沉积作用: 只受宏观力学规律支配的物质搬运
和堆积过程，也称机械沉积作用。形成碎屑沉积物。
一、流体基本概念
自然界，沉积物的搬运及沉积流体主要有流水、大 气、冰川、重力流等。按力学性质可分为牛顿流体 和非牛顿流体
1、牛顿流体和非牛顿流体
牛顿流体（Newtonian fluid）：服从牛顿内摩擦定律的流体
4) 支撑类型（Supporting style）：沉积物所受压力在
沉积物内部的分布状况，取决于基质和较大颗粒的相对 含量。
1颗粒支撑；2过渡支撑；3基质支撑
颗粒支撑（Grain-support）
基质含量低，较大碎屑颗 粒直接相互接触，搭成格 架，粒间孔中分布少量基 质。 沉积物所受压力主要分布 在较大颗粒接触部位。
v1 v2
1. 牵引流搬运的对象：砾石、砂、粘土、溶解物 2. 牵引流的搬运方式
悬浮搬运：粒径为0.05-0.005mm；跳跃搬运：粒径为20.05mm；滚动搬运：粒径大于2mm
牵引流的搬运能力：
牵引力 取决于流速 载荷力 取决于流量 牵引力大不一定载荷力大，反之亦然
3. 牵引流的分选作用
“雪球地球”假说（the Snowball Earth Hypothesis)
Europa（木卫二）
7亿年前。。。
Europa的冰壳
六. 碎屑沉积物和碎屑结构
1.碎屑沉积物的结构：在一定动力条件下共生的碎屑颗粒所 具有的内在形貌特征的总和，包括粒度、分选度、圆度、支 撑类型和孔隙等。
矿物碎屑 碎屑物 岩石碎屑 杂 基 胶结物
5) 孔隙度（Porosity）：沉积物（或沉积岩）中未被固态物 质占据的空间。
原生孔隙
次生孔隙
七. 碎屑沉积物的成熟度
1. 成分成熟度：碎屑组分在风
化、搬运、沉积作用改造下接近最稳 定终极产物的程度。
湖南泥盆纪石英砾岩
成分成熟度是物源区地质条件、风 化程度和搬运距离远近的反映。
高成熟砂岩—长距离搬运、高能介质反复作用 不成熟的砂岩—含很多不稳定碎屑，近源。 柴达木盆地第三系杂砾岩
哈密魔鬼城
五、冰川(glacier)的搬运和沉积作用
在寒冷的两极地区和高寒山区占主导地位 冰川侵蚀力大，搬运力强，可向上搬运 整体搬运，整体沉降，分选极差
冰碛物（till）的基本特征
结构疏松，大小混杂，分选极差 冰碛物中砾石磨圆极差 一般缺乏层理构造
现代冰碛物，哥伦比亚冰川
7亿年前的冰碛岩，湖南
鲍马系列常常发育不完整，原因是：
较细的段比其下较粗段具有更大的展布面积（强度） 后一次浊流将前一次浊流的上部系列冲走（频率）
波痕-C段
波状纹层-C段
槽模-A段
Omarollark 浊积岩，加拿大
四、空气的搬运和沉积作用
只能搬运碎屑物质，不能搬运溶解物质 空气密度小，搬运力弱，跳跃搬运为主 选择性强，分选好 颗粒搬运时碰撞、磨蚀作用强，圆度好
介形虫壳体
c. 层纤结构：壳体透明，可见垂直壳面的极细纤状方解
石——有孔虫、珊瑚等.
珊瑚
据A.E.Adams， at.al，1884
d. 柱状结构：壳体由垂直壳面延长的柱状方解石构成，但 不单独构成壳体——腕足、双壳中的某些种类.
腕足
据A.E.Adams， at.al，1884
d.平行片状结构：壳体透明，可见平行或整体平行壳面的发 丝状方解石——腕足、苔藓虫等.
2) 圆度（roundness）：碎屑颗粒棱和角被磨平的程 度或表面的光滑程度。
它是颗粒在沉积作用过程中累积磨蚀强度的衡量指标。 肉眼可定性划分成5个级别：
３) 分选性（sorting）： 碎屑颗粒大小的均匀程 度。它是流体在沉积作用中对粒度累积分异强度 的衡量指标。
分选好：某一粒级颗粒达75％以上； 分选中等：某一粒级颗粒为75-50％； 分选差：某一粒级颗粒未超过50％，多级别颗粒共 存。
第三节
生物沉积作用和生物沉积物
生物造岩作用主要通过三种方式来实现物质的搬运和沉积：
生物化学作用产生生物骨骼、硬壳和有机质 改变环境条件，如藻类光和作用消耗CO2—pH值升高、细菌消耗O2降低Eh值 机械捕集或粘结（如, 叠层石）
第四节
复合沉积作用和复合沉积物
复合（或复杂）沉积作用：由物理、化学和生物作用共同 实现的物质迁移和聚集过程。
2. 结构成熟度：碎屑岩接近分选好、磨圆好和无基质的程度。它反
映了碎屑颗粒长期被搬运和筛选的程度。
结构成熟度是指示沉积环境的重要标志。如周口店
“三好”砾岩（分选好、磨圆好和胶结好）v.s.“豆腐块”砾岩
图片据11072班任宇君，罗亮等
*碎屑沉积物结构成熟度分级及其环境意义
结构特征 成熟度分级 圆度 差 差 差 中等 好 分选 差 差 中等 好 好 基质 含量 （%） ＞15 5-15 ＜5 ＜5 ＜5 可能的沉积环境
极不成熟 不成熟 次成熟 成熟 极成熟
大陆泥石流、洪积、冰碛 洪积、河流、浅湖 洪积、河流、浅湖、风成砂丘 河流、风成砂丘、海滩 风成砂丘、海滩
第二节
化学沉积作用和化学沉积物
化学沉积作用： 在地壳表层，在化学和物理化学规律支配 下，物质以离子或胶体状态迁移、再结合成固态物质的过程。
1. 真溶液的搬运和沉积作用
2. 胶体溶液的搬运和沉积作用
胶体溶液的搬运：溶解度较低的氧化物（Al2O3、SiO2、Fe2O3，MnO、
P2O5) 常以胶体溶液被搬运。胶体颗粒大小介于粘土与离子之间，靠布朗
运动支撑，常带电荷。
胶体沉积作用：正负胶体相遇、介质PH变化，导致胶体电性中和，排 斥力消失，凝聚，沉淀，成为胶体沉积物（胶体絮凝）。化学成因的硅 质岩、铝土岩、锰质岩、铁质岩等多为胶体沉积成因。
真溶液的搬运：化学风化产物中，易溶解的盐类矿物被分解成离子(K， Na，Ca，Mg，Fe，Sr，Ba， Cl，Mn，Si，Al等)在水中呈真溶液状态被 搬运。
真溶液沉淀作用：真溶液物质被搬运到海洋或湖泊后，蒸发量>补给量 时，离子浓度达过饱和，沉淀形成盐岩。 溶解物质沉淀受Ph、Eh、温度、压力等控制：Fe3+当Ph>3就沉淀；Fe2+ 当Ph=5-7开始沉淀；SiO2弱酸性条件下沉淀；CaCO3弱碱性时沉淀 盐湖 化学沉淀顺序： 碳酸盐（方解石、菱铁矿、白云 石） 硫酸盐（天青石、石膏） 卤化物（钾盐、食盐）。
4. 牵引流与重力流
牵引流（tractive current）： 低粘度、低密度的牛顿流
体。 一般河流、海(湖)的波浪流、沿岸流、潮汐流等均属牵引 流。其搬运机制是流体动能拖曳牵引沉积物一起运动。
重力流（gravity flow）：一种高密度、高黏度的、涌浪式
流动的非牛顿流体，其搬运的驱动力主要是沉积物的重 力，不服从牛顿内摩擦定律。
（即流体粘滞系数为常数，如空气、水等）
非牛顿流体（non-Newtonian fluid）：不服从牛顿内摩擦定律 的流体(聚合溶液、含有悬浮粒杂质或纤维的流体)。
F A
du dy
u0
F —流体层接触面上的内摩
擦力，N；
A—流体层间的接触面积，
F
，
F
m2 ； du
d y
du/dy—垂直于流动方向上
生物硬体经波浪、潮汐作用破碎、搬运、磨蚀之后再沉积下 来的颗粒状物质。 种类复杂，形态多样 可根据显微结构特征，鉴别大的生物门类
a. 隐(微)粒状结构：壳体颗粒很细，不透明或半透明—— 有孔虫、蜓等.
有孔虫、蜓
据A.E.Adams， at.al，1884
b.玻纤结构：壳体完全透明，但有垂直壳面的波状消光 形成纤状结构——介形虫等.
定义：由水、泥、砂等近于 均匀混合，以紊乱状态流 动的重力流。 沉积特征：在深海或深湖泥 岩中，形成具鲍马序列的 浊积岩。 浊流沉积产出位置： 大陆坡脚部及其相邻的深海平原 大河口、海底峡谷口外。如恒河 口外的浊积扇，延伸>2k公里 岛屿外缘深海区。 边缘盆地及海沟地带
* 浊流沉积形成的鲍马序列 (Bouma sequence, Bouma, 1962)
分选性：碎屑颗粒大小均匀程
度。
产生分选的原因：不同流速的
水流搬运不同大小颗粒，当流速减 小或水深加大，就有一定大小范围 的碎屑颗粒沉积下来。
牵引流的分选：以河流的分选作用为例，从上游、中游至下
游，发生以下分选（分异）：
成分上的分异：碎屑物成分趋向简单、稳定组分增多、重矿物减少。 粒度的分异：粒度从大到小、分选由差到好。 相对密度的分异：密度大的碎屑减少，密度小的逐渐增多. 形状上的分异：片状碎屑比粒状碎屑搬运得更远。
颗 粒 支 撑
据A.E.Adams，et.al，1884
基 质 支 撑（Matrix-suppot）
基质含量很高，较大颗 粒“漂浮”在基质背景 中。
据A.E.Adams，et.al，1884
过 渡 支 撑（Transitional support）
基质含量中等，较 大颗粒有的相互接 触，有的被基质隔 开。
二.牵引流的搬运和沉积作用
搬运机制：流体动能拖曳 牵引
D<0.05 mm: v1》v2 —— 一旦 搬运，很难沉降（颗粒间吸附力）， 悬浮式 D=0.05-2 mm：v1最小，最活 跃，跳跃式 D>2 mm： v1与v2接近，与粒度 正相关，难以长距离搬运，滚动式
尤尔斯特隆图解 Hjulstrms diagram
的速度梯度，1/s；
μ —动力黏度，Pa‧s。
牛顿内摩擦定律
2. 层流与紊流
牵引流按其流动特点可分两种流动形态：
层流（laminar flow）：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（turbulent flow）：充满了漩涡、多湍流的流体，流体质点的运动 轨迹极不规则，流速大小和流动方向随时间变化，彼此相互混杂。自 然界中绝大数水体是紊流流态。
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3. 缓流、急流和佛罗德数
在明渠水流（类似自然界的河流、海湖浅水环境中的牵引流）实验中，按流 动强度的不同可分急流、缓流和临界流三种流态，以佛罗德 数（Fr）判别。
Fr V gD
V：水流流速， g：重力加速度 D：水深
Fr＜1：静流、缓流，河流下游（水深流缓），能量低。 Fr＞1：急流，河流上游（水浅流急），能量高。 Fr = 1：临界流，为转折点。
4. 牵引流的沉积构筑方式及类型
高流态
极低流速
低流态 静水
三.重力流的搬运和沉积作用
1. 重力流分类
根据支撑类型可分四种： 碎屑流(泥石流)（Debris flow) 浊流
(Turbidity flow) (Grain flow) (fluidized flow)
颗粒流 液化流
2. 浊 流
《岩石学》精品课程 沉积岩岩石学
第4讲 沉积作用和沉积物
定 义
沉积作用（Deposition/ sedimentation） 由地表各种营力（水、风等）搬运的物质，由于介质动能减 小或条件发生改变以及在生物作用下，在新的场所堆积下来 的作用。（狭义） 沉积物（Sediments）：地壳表层常温常压下疏松或固结的堆积 体。 分类：物理、 化学、 生物、 复合沉积作用