沉积学 第二章 沉积岩的形成和演化

1.机械搬运和沉积作用 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
3.生物搬运和沉积作用 生物源物质
一、流体力学的几个基本概念
牵引流：能沿沉积底床搬运沉积物的流体。
重力流：沉积物多呈悬浮状态搬运，在重力的作用下 整体流动的高密度流体。
（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，粘滞切应力与流速梯度是直线关 系，动力粘滞系数为常数。
3.风化壳的厚度 决定于母岩性质、气候、地形、构造等因素。 气候湿热、地形平坦、构造活动稳定，则风化壳厚度 较大；
古风化壳的地质意义和经济意义： 地壳上升、不整合的重要标志 古地理、古气候分析的重要依据 铁、铝、高岭土等矿产； 可以形成油气藏。
二、沉积岩原始物质的其它来源
（一）生物成因的沉积物 1.无机成分为主的生物残骸
是生物的硬体部分——常保存为化石，成分为碳酸盐、 磷酸盐和硅质等。
2.有机生物残体
动植物的软体部分——有机物（碳氢化合物）。 经埋藏成岩后： （1）不溶物质——干酪根：不溶于有机溶剂的固体有机质。 （2）可溶物质——烃类、沥青等。
一部分转化为石油、天然气、油页岩、煤等， 大部分呈分散状态存在于沉积岩中。
SiO2·nH2O（蛋白石）
K[AlSi3O8]→K＜1Al2[(Si,Al)4O10][OH]2·nH2O→Al4[Si4O10][OH]8→
钾长石 +H2O
水白云母
+H2O 高岭石
Al2O3·nH2O（铝土矿）
（2）斜长石 产物同钾长石相似
斜长石→蒙脱石、黝帘石、绿帘石、方解石→高岭石→
的
蛋白石 铝土矿
受原子与离子特性、矿物特征、介质pH、Eh、生 物及气候条件等的影响。
温湿条件下（波雷诺夫，1934；彼列尔曼，1955）
1.最易迁移元素 Cl, Br, I, S；
2.易迁移元素 Ca, Na, Mg, K, F, Sr
3.可迁移元素 Cu, Ni, Co, Mo, V, Mn, Si（硅酸盐中）,P
6.粘土矿物 很稳定 高岭石>伊利石>蒙脱石→蛋白石、铝土矿
7.硫酸盐矿物、硫化物矿物，卤化物矿物： 最易溶于水中。
8.岩浆岩及变质岩中的一些次要矿物或副矿物： 差别很大 锆英石、金红石、电气石、石榴石、刚玉、锡石、磁铁矿、 榍石、十字石、蓝晶石、独居石、红柱石等风化稳定性 较大 ——沉积岩中的重矿物
3.云母 白云母（K）的抗风化能力较强。 析出钾，加入水→水白云母→高岭石
黑云母（Fe、Mg）的抗风化能力弱。 析出K、Mg，加入水→蛭石＋绿泥石＋褐铁矿
4.铁镁硅酸盐矿物 抗风化能力较差。 橄榄石 < 辉石 < 角闪石。 Ca、Mg、Fe先析出，其次Si析出，最终形成褐铁矿、 蛋白石等。
5.碳酸盐矿物 易溶于水。
用具有明显的阶段性。
波雷诺夫将玄武岩的风化过程分为四个阶段。 1.机械破碎阶段
物理风化为主→岩石或矿物的碎屑
2.饱和硅铝阶段： 氯化物和硫酸盐全部溶解；
在CO2、H2O作用下，铝硅酸盐矿物中的K+,Na+,Ca2+,Mg2+ 开 始游离，使溶液呈中-碱性，促使一部分SiO2转入溶液。
3.酸性硅铝阶段： 几乎全部的Ca2+、Na+、K+、Mg2+被带走， SiO2进一步进入溶液，介质开始转为酸性， 形成高岭石、变埃洛石等粘土矿物
（2）床沙形体
床沙表面随水流强度变化而出现的 各种床沙形态。
随水流强度加大： 平坦床沙—沙纹－沙浪－沙丘－低角度 沙丘－平坦床沙－逆行沙丘－流槽和凹坑。
详见沉积构造部分
3、层流、紊流和雷诺数
两种流动型态——层流与紊流/湍流/涡流 层流 流体质点平行线状流动，彼此不相掺混。 紊流 充满旋涡的湍急的流动，流体质点运动轨迹极不规则， 彼此掺混。
（四）母岩风化产物的类型
1. 碎屑残留物质： 母岩的岩屑或矿物碎屑。
2.新生成的矿物： 水白云母、高岭石、蒙脱石、蛋白石、铝土矿、褐铁矿等。
3.溶解物质： 如Cl、S、Ca、Na、Mg、K、Si、Fe、Al、P等。

不同风化产物形成不同的沉积岩： 碎屑残留物质＋化学风化矿物 陆源碎屑岩 溶解物质 化学岩和生物化学岩和生物岩
为什么造岩矿物风化稳定性差别如此之大？
1.造岩元素风化分异作用 2.矿物的结晶温度
（鲍文反应系列） 高温矿物，低温矿物，
但金刚石呢？ 3.矿物的晶体化学性质
（晶体构造）
（三）岩石的风化及其产物
母岩的矿物组成不同，风化产物也不同。
母岩风化作用的阶段性： 由于各化学成分在风化作用中转移性质不同，风化作
4.惰性（微弱迁移）元素 Fe, Al, Ti 等
5.几乎不迁移元素 Si（石英）
（二）主要造岩矿物的风化及其产物
1.石英 稳定性高，一般只发生机械破碎作用。 碎屑岩的主要造岩矿物
2.长石 稳定性仅次于石英
钾长石 ∨
斜长石
酸性斜长石 ∨
中性斜长石 ∨
基性斜长石
（1）钾长石
析出K,Si
析出K,Al
强
上
层流：粘滞切应力；不易搬，易沉。 紊流：粘滞切应力，惯性切应力（附加切应力）。易搬，不易沉。
二、牵引流的机械搬运和沉积作用 （一）单向流水的机械搬运和沉积作用
与水流状态、颗粒本身有关。 1、碎屑在流水中的搬运作用
碎屑颗粒的起动（滑动、滚动、跳跃、悬浮）条件：
（1）受力分析：
✓ 1）有效重力（w）：重力和浮力之差
韦德尔的不规则颗粒沉速公式： V=(ρs-ρ)gr2 /7μ
沉速相当于球形颗粒64％，平均半径为1.25倍。
球体沉降快，片体沉降慢； 颗粒大者沉降快，小者沉降慢； 密度大者沉降快，密度小者沉降慢。
Walker(1975)的滚动、悬浮粒径关系图。
1）滚动8cm时，悬浮2.2mm；
2）滚动组分与相应悬浮组分 可同时沉积；
4.铝铁土阶段： 硅酸盐矿物彻底地分解，原地形成水铝矿、褐铁矿、针铁 矿、赤铁矿和蛋白石。堆积物也称红土。
风化作用一般并不完整。
能否达到铝铁土阶段，取决于母岩岩性、气候、地形、地壳运 动强度、风化时间长短等多种因素，尤其是气候因素。
干旱沙漠地区 植被发育的温湿地区停留在酸性硅铝阶段
湿热地区可达到铝铁土阶段，
✓ 2）粘结力（Pc）：由颗粒表面的水膜造成
3）水平推移力（Px）：水流的推力
4）垂直上举力（Py）：产生原因：
Py
①颗粒上下因流速不同而引起的压力不同；
P
2
gy
常数
2
Pc
Px
②紊流中存在涡流的扬举作用/上举涡力
W
主要的是Px、 Py、 w三种
重力（FG）、拖曳力（ FD ）、上举力（FL ）
除溶度积以外，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。铁pH＝2～3以Fe(OH)3沉淀，pH=5以Fe(OH)2沉淀。
3）反复变动时，砂砾岩间互；
4）流动强度快速减小，砂砾 混杂；
5）1mm的砂不会与7cm砾石 同时沉积。
R.G.Walker（1975）
四、搬运过程中碎屑物质的变化
1、矿物成分 不稳定组分减少，稳定 组分增加
2、粒度与分选 变细，分选变好
3、颗粒形状 圆度与球度变好
第三节 化学和生物搬运及沉积作用
一、溶解物质的化学搬运和沉积作用 Al、Fe、Mn、Si的氧化物难溶于水，常呈胶体溶液搬运； Ca、Na、Mg、K的盐类呈真溶液搬运
1、胶体溶液的搬运与沉积
胶体溶液的特点： 受重力影响极其微弱；扩散能力很弱；表面带电荷，
有正负胶体之分；具有吸附某些元素的现象。
胶体稳定，可搬运部分难溶元素。
促使胶体聚集和沉淀的因素： 1）正负胶体相遇——“相互聚沉”； 2）电解质的中和； 3）蒸发作用； 4）升温； 5）穿透能力较强的带电荷辐射线可使某些胶体凝聚； 6）溶液的pH和Eh值。如高岭石在偏酸性、蒙脱石在偏
2）悬移：细小的颗粒 主要发生在紊流中，紊流旋涡将下部颗粒带到上部。 上升颗粒与下降颗粒达到平衡……..
搬运方式随颗粒和流体的相对密度差、颗粒形状、流体粘度 而变化
（3）碎屑颗粒搬运与沉积作用条件——尤尔斯特隆图解（1m深）
影响搬运和沉积的两个主要因素——粒径和流速
剥蚀区 搬运区
沉积区
1）大于2mm颗粒不易 起动，但很容易沉积。
母岩的风化程度不同，沉积物的成分复杂程度也不同。
（五）风化壳
1.概念 由风化残余物质（包括新生成的化学风化矿物）组
成的岩石地表部分。
完整风化壳的结构：底部基岩— 半风化的残积层— 上部的土壤层
2.风化程度 表层风化程度较深，深处风化程度较浅， 最终过渡到未风化的母岩
机械破碎阶段
饱和铝硅阶段 酸性铝硅阶段 铝铁土阶段
层流
紊流
雷诺数（Re）——层流和紊流的判别标准
Re＝惯性力/粘滞力＝V2d2ρ/Vdμ＝Vdρ/μ
V—流速；d—管道直径；ρ—水密度；μ—动力粘滞系数
Re＝1～2000（明渠为500） 层流
Re > 2000（明渠为500）
紊流
流速 流面 扬举力 剪切力 搬运能力 分布
层流 小 稳定 小 小
弱
下
紊流 大 变化 大 大
碱性介质中凝聚。
腐植酸对胶体尤其是Fe、Al、Mn的胶体有保护作用。
胶体 沉积岩的特点：
1）贝壳状断口； 2）粒度细小，易吸水； 3）因脱水，常出现收缩缝； 4）可具放射状、鲕状、球粒状、扇状等结构； 5）厚层状，或透镜体、结核状。 6）常吸附其它化学成分。
2、真溶液物质的搬运和沉积作用
主要控制因素是溶解度。溶度积是沉积与搬运的界线。 溶解度大，易搬难沉；反之，易沉难搬。
（二）深部来源（深源）的物质
火山碎屑 沿深断裂流出的地下深层热卤水、温泉、热气液等
形成盐岩、膏岩、硅岩、铁岩、锰岩等岩石和铅、锌等矿床。
（三）宇宙（来）源的物质
陨石、宇宙尘埃
第二节 机械搬运和沉积作用
沉积物发生搬运和沉积的地质营力： 流水
风（大气） 冰川 重力 生物
沉积物的搬运和沉积作用的方式可以分为：
服从内摩擦定律——牛顿流体（牵引流）。 不服从内摩擦定律——非牛顿流体（重力流）。
（二）沉积物机械搬运的方式和床沙形体 1、机械搬运方式和驱动力
推移搬运（滚动+跳跃）——床沙载荷,粗 悬浮搬运——悬移载荷,细
载荷：流体中被搬运的沉积物，也叫负载，负荷。
牵引流：推移＋悬移 重力流：悬移
2、弗劳德数与床沙形体
（1）缓流、急流和弗劳德数（Fr） 明渠水流，可出现急流、缓流和临界流三种流态。 判别标志为弗劳德数（ Fr） Fr ＝ 惯 性 力 / 重 力 ＝ （ V2/L ） /g ＝ V2/ （ Lg ）
L—距离
但一般取Fr＝ V/ Lg 明渠水流中L可由水深 h代替。
Fr＜1：缓流，低流态（临界下流动状态）——水深流缓 Fr＝1：临界流，过渡流态 Fr＞1：急流，高流态（超临界流态）——水浅流急
起动条件：力矩的平衡
只考虑拖曳力的时候：FGsinα×a1＝FDcosα×a2 α为休止角（对典型的砂为35∘。颗粒小于平均粒径，该值偏小；
颗粒大于平均粒径，该值偏大）
（2）碎屑颗粒的搬运方式
1）推移：较粗颗粒在水底滚动、较细颗粒跳跃搬运。 颗粒搬运方式与水流流速有关。 滚动与跳跃主要和上举力（跳跃后有变化） －有效重力之间的变化有关。
物理风化作用
风化作用分类
↓
化学风化作用
生物风化作用
↓
机械破碎
↓
化学分解
↓
机械作用＋化学和生物化学作用
↓
↓
↓
温度、晶体生长、
重力生物、
氧、水和酸
直接作用＋间接作用
水、冰、风
↓
↓
↓
化学成分不变
氧化、水解和溶解
↓
碎屑物质（岩石
↓
新矿物
促进和加速化学风化作用进行
碎屑＋矿物碎屑）粘土矿物和化学沉淀物质
（一）母岩风化中元素的转移顺序 元素的风化分异： 一定条件下，因元素从母岩中析出的难易程度不同， 使得不同元素在分离时有一定的顺序。
2）2～0.05mm颗粒易起 动，易沉积。
3）小于0.05mm颗粒不易 起动，不易沉积。
2. 碎屑颗粒在流水中的沉积条件 悬移颗粒：上举力小于有效重力； 推移颗粒：水平推力小于颗粒摩擦力 f(W-Py)。
斯托克实验公式：
V=2(ρ1-ρ2)gr2 /9μ
适用于静水、室温、光滑球体、互不碰撞、层流。
第二章 沉积岩的形成过程
沉积岩的形成：
搬运 原始物质
沉积
沉积后作用
沉积物
沉积岩
第一节 沉积岩原始物质的形成
沉积岩的原始物质
陆源物质
生物源物质
深源物质 宇宙源物质
↑
↑
↑
↑
母岩风化产物 生物残骸及有机质 火山碎屑+深层卤水 陨石
★★★★
★★★
★★
★
一、陆源物质的形成
母岩的风化产物。 母岩：地表上出露的先期岩石，能够为沉积岩提供原始物质。 母岩分布区：母岩区或陆源区、物源区，简称源区。