沉积物的搬和沉积作用

第二章 沉积物的搬运和沉积作用

第一节 概述

风化作用的产物及其它来源的沉积物质，少量残留原地，大部分进入搬运状态向沉积盆地中转移。

碎屑物质（主要是风化产物中的碎屑物质及新生矿物）在流体的作用下，将随流体发生运动和转移，此现象则称为“搬运”；在一定条件下，运动的碎屑还会从搬运状态转变为物质停积状态，此现象则称为“沉积”。

沉积下来的沉积物：

? 长期固定下来不再移动；

? 随着地壳上升、侵蚀基准面下降，流体的流速加快，会重新发生侵蚀并被再次搬运

风化作用；风化产物的搬运作用；沉积作用

既是三个连续又独立的阶段，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

在搬运过程中物质仍然可以发生机械破碎和化学分解，即使物质沉积下来以后，还可以由于条件的变化再次进入搬运状态。

沉积物搬运和沉积的地质营力：（搬运介质）

水、风（大气）、冰川、重力、生物的搬运

风化产物的搬运和沉积作用：（搬运方式）??

???生物搬运和沉积作用化学搬运和沉积作用机械搬运和沉积作用

按沉积物被搬运和沉积的方式不同可分为：

1）机械搬运与沉积作用

碎屑物质和粘土物质多以机械方式在流水、海水、湖水、冰川、风及重力等营力下被搬运。搬运方式：

（1）滑动

（2）滚动

（3）跳跃

（4）悬浮（悬移搬运）

其中滑动、滚动、和跳跃式统称为推移式搬运（或床沙搬运）。

2）溶解物质的搬运与化学沉积作用

溶解物质以真溶液、胶体溶液或洛合物的状态被搬运；

其搬运和沉积作用受化学和物理化学定律所支配。

3）生物搬运和沉积作用

生物搬运作用意义不大，但是其沉积意义巨大；

通过生物生理作用、生物物理作用和生物化学作用可以使大量溶解物质、内源粒屑物质和部分粘土物质发生沉积作用。

第二节有关流体力学的一些概念

一、牛顿流体、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个常数。

牵引流服从内摩擦定律－－－属牛顿流体

少量沉积物的流水（河流、海流、潮汐流、洋流等）和大气流。

沉积物重力流不服从内摩擦定律－－－属非牛顿流体

沉积物重力流中含大量沉积物，如浊流、泥石流等。

牵引流既有悬移、又有推移方式的搬运；而沉积物重力流以悬移式搬运为主。牵引流自然界中常见的河流、海流、潮汐流、气流(风)等均是牵引流。

其特征表现为：

a) 通常属于牛顿流体；多是从高处往低处搬运，但有时也能从低处往高处搬运。。

b)牵引流的流动是由介质的动力而产生的，由介质的流动牵引(推动)沉积物动力。或者说，由介质的流动而牵引推动沉积物运动的流体称为“牵引流”；

c)是长时间持续的介质整体的流动，属正常沉积，广泛分布于自然界，常见，其流速主要与水面坡度有关系；

d)搬运沉积物的方式兼有悬移(载荷)、推移(载荷)(滑动、滾动和跳跃)，且多以推移载荷(或称床砂载荷)为主；

e)推力（即牵引力）的大小主要取决于流体的流速，推力越大则能搬运的碎屑颗粒越大。而负荷力大小既取决于流体流量也取决于流速，负荷力越大则能搬运的沉积物数量越多。推力大不一定负荷力就大，反之亦然。

沉积物重力流是自然界中不常见的另一种特征的流体，有如下基本特征：a)弥散着大量沉积物的密度较高并与环境介质产生密度差，从而在重力的作用下发生流动的流体，称为“沉积物重力流”(是密度流的一种)；

b)是一种阵发性的底流，难以发生，难以观测到，一般属于事件性沉积的范畴，其流速主要与基底坡度(密度差、厚度、阻力等)有关；

c)搬运沉积物的方式主要是悬移载荷，底载荷的数量很小；

d) 搬运能力及侵蚀能力十分巨大强烈，其形成需特殊的条件，是碎屑物质从浅水搬运至深湖深海的主要地质营力；

e) 通常属于非牛顿流体；一般是将碎屑沉积物由浅水(高处)向深水(低处)搬运；

f)其它特征(支撑机制、分类、形成条件、沉积特征等)后述。

牵引流和重力流的区别

二、层流、紊流、雷诺数

自然界中任何流体按其流动特点有层流与紊流（湍流）两种流动状态。

层流：一种缓慢的流动，流体质点作有条不紊的平行线状流动，彼此不相掺混。紊流：一种充满了旋涡的急湍的流动，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而变化，彼此互相掺混。

雷洛数：

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=1 层流

Re=1－40 临界流

Re>1－40 紊流

三、缓流、急流、佛罗德数

明渠水流：急流、缓流、临界流三种流态,判别标志为佛罗德数（Fr)

在明渠水流（类似自然界的河流、海湖浅水环境中的牵引流）中按流动强度的不同可出现急流、缓流和临界流三种流态，这三种流态的判别标准是佛罗德数Fr。

Fr＞1 水流为急流，也称为超临界的流动状态；代表一种水浅流急的流动特点。

Fr＝1 水流为临界流

Fr＜1 水流为缓流，或临界以下的流动，代表一种水深流缓的情况。

佛罗德数可普遍用于碎屑物质以床沙载荷方式搬运和沉积过程的解释中。

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（或低角度沙丘）→平坦床沙→逆行沙丘→流槽和凹坑

第三节机械搬运和沉积作用

一、碎屑物质在流水中的搬运和沉积作用

（一）、受力分析

1、有效重力（W）: 颗粒受到的重力和浮力只差

2、粘滞力（Pc）: 由颗粒表面的水膜所造成的粘滞力

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）：垂直向上的力，产生原因

a、水体浮力（已经计算在有效重力中）

b、颗粒上下因流速差而产生的压力差

c、紊流中存在涡流，产生的仰举作用（上举涡力）

流水，包括雨水、暂时性流水及河流。碎屑物质在流水中搬运或沉积主要受两方

面的因素控制：一方面是碎屑物质的重力及它们之间相互的吸引力和摩擦力；另一方面是流水的动力，包括流速、流量及流水性质等。 当动力大于重力，并克服了摩擦力时，物质就被搬运，相反则发生沉积。即流水动力不足以克服重力时，碎屑物质就会沉积下来。

被搬运物质在牵引流中的受力：

①推力（牵引力）——取决于流体的流速，如山涧溪流流速大； ②负荷力——取决于流体的流量，如长江、黄河流量大。

有关沉积的机理主要是根据碎屑在静水中的沉积资料而获得。

（三）、碎屑物质的搬运方式

1、推移搬运（推移载荷、床沙载荷）

载荷：流体中被搬运的沉积物，也叫负载、负荷

较粗的碎屑（如砾石和砂）大都沿流水的底部呈滑动、滚动或跳跃式搬运前进。 ?

??跳跃滚动 2、悬浮搬运（悬浮载荷）

较细的碎屑（如粉沙和粘土）在流水中常呈悬浮状态搬运。

四、碎屑物质在冰川中的搬运和沉积作用

在两极地区和高寒的山区，冰川的搬运及沉积作用是主要的。

冰川具有极强大的侵蚀力和搬运能力；主要是搬运沉积碎屑物质，毫无分选性，大小混杂。搬运速度缓慢，搬运距离变化极大；搬运主要发生在冰川内，沉积作用主要发生在冰川的消融地带。

冰碛物：被冰川搬运和沉积的碎屑物质，统称为冰碛物。冰碛物按其发育的部位又可有不同的命名，如表碛、底碛、中碛、内(里)碛、侧碛、前(终)碛。

冰川极其强大的侵蚀作用使冰川地区具有特殊的地貌景观，如鳍脊、角峰、冰漏斗、冰蚀谷等

1、冰川沉积物类型：

冰川沉积物包括冰碛物→冰水河沉积物→冰水扇沉积物→冰水湖沉积物 ①冰碛物：

是因冰川消融而直接堆积的碎屑物质。 冰碛物成分极为复杂，不确定组分含高；大小混杂，粒径极其悬殊，毫无分选；成分与粒径的组成与源区岩石和冰川类型有关；碎屑颗粒的磨圆程度极差，常有特殊的磨蚀形态(熨斗石、丁字痕)；一般缺乏层理构造，有时略具定向性；分布在冰川消融地带，多呈垅岗状、丘状形貌。

②冰水河沉积物

是冰碛物经冰水河搬运改造后的沉积物。其特征为：具有明显的磨蚀和分选性，磨圆程度稍好或较好；碎屑的粒径较小，并自冰川消融带向下(向外)有明显的粒径渐细、圆度较好的趋势；常可发育冲刷充填构造育，板状、槽状交错层理与水平层理；冰水河沉积物常间夹于冰碛物之间，或与之渐变过渡，单源冰水沉积物呈扇形堆积体，叫做冰水扇。多个冰水扇相互连接就成为起伏平缓的冰水裙或冰水平原；一般冰水平原向下延伸可达数公里以上，并逐渐过渡为河流沉积或过渡为冰湖沉积。

③冰水湖及小型冰水三角洲沉积

是指冰川消融带长年积水的湖泊的沉积物，特征如下：

当冰水河流进入冰水湖泊时形成的扇形沉积体称冰湖三角洲沉积，三角洲垂向层序的三层结构发育良好。

在冰湖内部，主要形成极细的悬浮物质颗粒缓慢沉积，主要成分为粘土矿物，颜色较深，并有粗细相间、色调浅深的交替变化，这是气候与季节变化悬浮物的成分略有改变的结果，又称为纹泥(季候泥)。它可以用来推算沉积物的形成年代和沉积速率，细一粗一细代表一年的沉积。在北欧斯堪的纳维亚半岛曾利用冰水湖积纹层建立了冰后期的地质年代表。

此外还可能发育重力流沉积。

2、冰川沉积物特征：

?冰川搬运能力巨大，可以运载千吨以上的大石块(冰川漂砾)。

?冰川砾石多呈棱角状。

?由于冰川呈固体搬运，故冰碛物毫无分选，也无磨圆，更无化学分解。常常是巨大的石块与泥砂混积，毫无降落沉积的特点。

?在冰川的移动过程中，由于石块的相互摩擦，可形成特殊的冰擦痕—钉形痕。

五、正常沉积作用和事件沉积作用(均变论、灾变论）

1、正常沉积作用

在正常情况下发生的，具有明显机械分异作用的、缓慢的、均匀变化的沉积过程。如平水期的河流、好天气下的滨海、浅海、湖泊等，均称为是正常沉积作用。其特征是：

?搬运与沉积过程平稳缓慢，常交替进行；

?流速的减小、搬运能力的降低是均匀的平缓的；

?机械分异作用明显；

?在自然界广泛分布，容易考察研究认识。

2、事件沉积作用（幕式沉积作用）

一切突发性的或灾变性的搬运和沉积过程，均称为事件性沉积作用（如浊流、泥石流、洪水流、火山喷发形成的碎屑流、风暴流等）。其沉积特征为：?搬运和沉积作用的发生和发展常常是瞬间的、短暂的，但其作用过程是快速的；

?搬运和沉积能力常常十分巨大，常伴有巨大的侵蚀能力和破坏能力；

?沉积过程中掺合作用十分明显，而分异作用常极微弱或不存在；

?其发生常须具备一定的条件，在自然界不常发生，难于观测研究。

正常沉积和事件沉积常常发生于同一沉积环境，两者交替进行，互为消长，（即当有事件作用来临时，正常的沉积停止，表现为事件沉积过后又恢复为正常沉积），垂向上任意一个剖面可由正常沉积和事件沉积的互层构成。二者是对立统一的。

第四节化学和生物的搬运与沉积作用

母岩风化产物中的溶解物质及搬运过程中部分新生成物质有的呈胶体溶液，有的呈真溶液搬运，这主要是与物质的溶解度有关。

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

化学搬运物质组分溶解度大小的顺序为：Al2O3-Fe2O3-MnO-SiO2-P2O5-CaCO3-CaSO4-NaCl-MgCl2，后面的溶解度比前面的大。前面的Al、Fe、Mn、Si等的氧化物难溶于水，且一般呈胶体溶液被搬运；后面的Ca、Mg、Na等物质由于其溶解度大，故成真溶液被搬运。

1、胶体溶液物质的搬运和沉积作用

概念：胶体是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。

胶体质点的大小介于1－100um之间，普通显微镜下不能识别。

胶体特点：受重力影响极其微弱；

扩散能力很弱；

具有吸附性

带有电荷，分正胶体和负胶体。

当胶体溶液失去稳定时，胶体质点就会发生凝聚作用(或叫胶凝作用或絮凝作用)，发生了絮凝作用的胶体质点就会在溶液中集中成絮凝状、团块状的块体。在重力作用影响下这些胶体物质的块体就会沉淀下来。

胶体沉积物：常呈钟乳状、肾状、豆状、胶冻状等，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；也常失水干裂老化或重结晶。

1) 任何物质，不论以何方式，成为1-100nm的质点在水体中均可成为胶体，胶体一经形成即可随水体搬运直到胶体被破坏沉积为止；腐殖酸胶体的存在有利胶体的稳定，有利于搬运；

2)不同名电解质的加入，可使电荷中和，从而使胶体质点发生凝聚而沉积；

3)异名胶体的相互混合可使电荷中和而发生沉淀；

4)介质的pH和Eh对胶体沉积影响很大，如高价铁的氧化物在pH=2～5和氧化环境中沉淀；铁的硅酸盐在pH=2～7和氧化环境中沉淀；铁的碳酸盐和硫化物则在pH＞7和还原环境中沉淀。

5)其它因素：生物作用、蒸发作用、射线的照射等，也可使胶体沉积

2、真溶液的搬运与沉积

真溶液中物质的搬运与沉积，主要决定于物质的溶解度，

溶解度大的物质易搬运难沉淀，溶解度小的物质难搬运易沉淀；

Fe、Mn、Si、Al等溶解度较小的物质，易于沉淀，在他们搬运和沉积的过程中，水介质的各种物理化学条件的影响十分重要。

而物质的溶解度又受介质的pH值、Eh值、温度、压力和CO2含量等一系列因

素的影响。

（1）介质的酸碱度（pH值）

A、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

B、随pH值变化，某些溶解物质沉淀形式不同

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。

（3）温度和压力

A、一般物质的溶解度随温度升高而增大

B、P、T对溶液中CO2含量影响很大

（4）溶液中CO2的含量

对碳酸盐的沉淀和溶解度有很大的影响

CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2。

CO2浓度增高，平衡向右移动，CaCO3溶解，反之，向左移动，CaCO3沉淀。

水中CO2含量与温度、压力有关

（5）其它----气候、蒸发作用

对于溶解度大的物质的搬运和沉积，水介质的影响不大。它们只有在干热气候条件下，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、煤盐等。

3、生物的搬运与沉积

随着地质历史的发展，生物在沉积岩形成过程中的意义愈来愈大，它通过自己的生命活动，直接或间接地对化学元素、有机或无机的各种成矿物质进行分解与化合，分散与聚集，以及迁移等作用，并在多种适宜的水体中沉淀，形成有关的岩石或矿床。

直接作用：生物在其生活的过程中，从周围介质中吸收一定量的物质组成骨骼和有机体，生物死亡后就堆积成岩石或矿床。如生物灰岩、礁灰岩、磷块岩、硅藻土及白垩等；有的则是由生物遗体中的有机质转化而成，如石油、天然气、油页岩及煤等。

间接作用：主要表现在由于生物的生命动而引起周围介质条件的改变，从而影响某些物质的搬运和沉积。例如，由于生物活动而引起CO2含量的变化，就可影响碳酸盐的沉淀或溶解。生物遗体腐烂分解能产生大量的H2S、NO3、CH4等气体，影响着沉积介质氧化-还原条件，影响沉积物质的溶解或再分配。另外，由于生物分解产生的腐植酸，可保护胶体不易沉淀，从而促进了Al、Fe、Mn、Si等物质的搬运；生物还可以从周围介质中吸取某些溶解物质，这就帮助了元素的迁移、分散和聚集作用，如铀、铜等元素的迁移与富集，往往与生物及有机质有关。

第五节沉积分异作用

母岩的风化产物以及其它来源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等在地表依次沉积下来，称为沉积分异作用。

由于沉积分异作用，使复杂的风化产物分化为比较简单的沉积物类型。这个现象是实际存在的，并早已被发现和提出，1937-1940年，苏联学者普斯托瓦洛

夫作了不少充实、完善的工作，最后提出正式的沉积分异学说。

沉积分异作用??

???影响生物对沉积分异作用的化学沉积分异作用机械沉积分异作用

1、机械沉积分异作用

主要受物理因素支配的分异作用，叫机械沉积分异作用。普斯托瓦洛夫认为机械分异的决定因素是碎屑颗粒的大小、形状、比重、矿物成分、搬运介质的性质与速度。其一般规律如下：

①按颗粒大小分异：碎屑物质在搬运过程中，粗粒者首先沉积，细粒者后沉积。结果沿着搬运方向，从物源区起由近而远依次沉积：砾石→砂→粉砂→粘土，并作有规律的带状分布。

②按比重分异：矿物颗粒的沉速与比重成正比，比重大者首先沉积，搬运距离较近；比重小者后沉积，搬运距离较远。结果沿着搬运方向出现碎屑物质按比重的分异现象。

③按形状分异：碎屑颗粒的搬运，还受其形状的影响。如片状矿物易呈悬浮搬运，这样同样大小的碎屑云母就比石英搬运得远，故常可见到在泥质物中混有较大的云母片。另外，在搬运过程中，碎屑物质的形状也会发生变化，一般的规律是搬运愈远其圆度、球度愈高。

④按矿物成分的分异：一般是随着搬运距离的加长，不稳定的矿物逐渐遭到破坏。故离母岩近的区域，碎屑矿物的成分复杂，重矿物含量高，即成熟度低；离母岩远的区域，则矿物成分简单，并多为性质稳定的矿物，重矿物含量低，矿物成熟度高。

颗粒大小、比重、形状、矿物成分（同时进行）

↓机械沉积分异作用的结果

矿物成分：不稳定组分减少、重矿物含量减少、稳定组分增加

粒度（颗粒大小）：粒度变细，分选变好

颗粒形状：圆度和球度变好

2、化学沉积分异作用

化学沉积分异作用：溶解物质（包括胶体溶液物质和真溶液物质），在搬运和沉积过程中，根据其本身的化学性质（主要是其在溶液中的溶解度和外界条件如介质的pH 值、Eh 值、气候因素、构造条件、有机物的作用等），从溶液中按一定先后顺序沉淀下来的现象。

两种分异作用的关系及其地质意义

?并存；

?机械沉积分异作用早些，化学沉积分异作用晚些。

?形成各种类型的机械沉积岩和化学沉积岩以及相应的沉积矿产，分异越彻底，对矿产形成越有利。

3、生物对沉积分异作用的影响

⑴、生物物理沉积作用：如藻类的粘结作用形成叠层石和藻纹层灰岩；生物障积作用形成障积岩；

⑵、生物化学沉积作用：生物在其生命周期内要产生大量的气体和吸收大量的CO2气体，改变环境的PH和EH值，促使某些物质溶解或沉淀。

生物不仅对沉积物的搬运和沉积有重大的作用，而且在沉积分异作用中生物的影响也是普遍而显著的。例如，由于植物的生长促进了碳、磷、氮、钾等元素的富集，并与其它元素分开，可形成煤、泥炭、油页岩及磷块岩等矿产。另外，碳酸盐质生物造成礁灰岩，硅藻可形成硅藻土，硫细菌的作用促使金属硫化矿床的形成。

本章要点：

1、牵引流与重力流；层流与紊流；急流、缓流划分依据（Fr)

2、碎屑物质的搬运方式？

3、尤尔斯特龙图解、沃克图解含义？

4、碎屑物质在湖水、海水中的搬运和沉积？

5、碎屑物质在风、冰川中的搬运和沉积（自学）

6、溶解物质、生物的搬运和沉积作用（自学）

7、沉积分异作用