沉积学沉积岩形成与演化yb

*,沉积学_沉积岩的成因,第二章 沉积岩的形成与演化,1,岩浆岩,岩浆岩,变质岩,沉积岩,沉积物,沉积作用,搬运作用,隆升-暴露,岩浆,变质作用,成岩作用,熔融作用,结晶作用,固结作用,风化作用,岩石循环,2,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,长期固定下来不再移动，,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再次被搬运,3,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。,4,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,5,6,7,8,9,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,10,一、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,第二节 机械搬运与沉积作用,11,du,dy,=,du,dy,a,b,c,d,牛顿内摩擦定律,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,非时变性非牛顿流体,12,（二）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 紊流,13,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V,2,d,2,/VdVd/,Re1 层流,Re140 临界流,Re 40 紊流,14,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。,15,（三）缓流、急流和佛罗德数（Fr）,明渠水流,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（V,2,/D）/gV,2,/（gD）,标志惯性力与重力之间的关系,描述流体的运动强度,16,Fr1：急流，水浅流急上部流动体制，高流态,Fr1：临界流，过渡流态,Fr1：缓流，水深流缓下部流动体制，低流态,17,18,类别,牵引流,重力流,流体性质,牛顿流体,非牛顿流体,密度,低,高（1.08，海水比重）,水动力学机制,地形、潮流或风,重力,液固相,分明,不分,搬运介质,流水、空气,沉积物,搬运动力,推力、负荷力,重力,搬运方式,滚动、跳跃、悬浮,悬浮,运动关系,水主动，颗粒被动,水被动，颗粒主动,搬运物质,碎屑物质、溶解物质,碎屑物质为主,沉积作用,流速、能量减小,能力减小转化或稀释,沉积环境,地形变化较小,山前或斜坡及其下游方向,沉积构造,各种类型层理,粒序/递变层理,牵引流和重力流的区别,19,有重要地质意义的流体：,碎屑流（层流）,牵引流（紊流）,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,20,牵引流沉积物重力流,牛顿流体非牛顿流体,层流紊流,急流缓流,21,二、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,22,（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：,水体浮力（已计算在有效重力中）；,颗粒上下因流速差而引起的压力差；,紊流中存在涡流的扬举作用,/,上举涡力,P,f,P,x,P,y,P,c,w,水流方向,23,（二）流体搬运碎屑物质的方式,推移搬运（滚动,+,跳跃）,床沙载荷,(bed load),，,粗,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。,24,滚动,跳跃,悬浮,推移载荷,悬移载荷,25,26,27,28,29,（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,30,两线：,开始搬运曲线,/,继续搬运曲线,三区：,剥蚀区,/,搬运区,/,沉积区,三段：,砾级,难搬易沉,山区,粉砂和泥级,难搬难沉,深水,砂级,易搬易沉,分布最广,搬运和沉积的决定因素,粒径和流速,搬运区,侵蚀区,沉积区,31,泥粉砂砂砾,剥蚀区,沉积区,搬运区,32,（四）,机械沉积作用,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。,33,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,34,（五）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,圆度与球度变好,35,三、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,36,37,38,39,第三节,化学搬运和沉积作用,40,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,41,（一）胶体溶液的特点,受重力影响极其微弱；,扩散能力很弱；,类型有正负之分,正胶体，表面带正电荷，,Fe,、,Al,含水氧化物胶体；,负胶体，表面带负电荷，,Si,、,Mn,氧化物，,Pb,、,Cu,硫化物；,具有吸附现象,一、胶体溶液物质的搬运与沉积,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1100m间，多呈分子状态。,42,（二）,胶体溶液稳定的因素搬运,布朗运动可抗衡重力作用，不使胶粒下沉。,同种电荷的胶粒之间的排斥力。,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。,43,（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,44,二、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是溶解度。,溶解度大，易搬难沉；反之，易沉难搬。,45,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，,SiO,2,沉淀而,CaCO,3,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。,pH=6,7,，溶液含,CO,2,，以,FeCO,3,沉淀。,Fe,2+,和,Fe,3+,沉淀时所需,Eh,值也不同。锰的情况同铁类似。,46,47,2.,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,48,3.,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,CO,2,含量影响很大,4.,溶液中,CO,2,的含量,对碳酸盐的沉淀和溶解度有很大的影响,CaCO,3,+CO,2,+H,2,O=Ca(HCO,3,),2,。,CO,2,浓度增高，平衡向右移动，,CaCO,3,溶解，反之，向左移动，,CaCO,3,沉淀。,水中,CO,2,含量与温度、压力有关,5.其它-气候、蒸发作用,49,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。,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。,50,二、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,H,2,S,、,NH,3,、,CH,4,、,O,2,等气体或吸收,CO,2,气体，影响介质环境的物化条件，使某些物质溶解或沉淀。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。,51,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,52,一、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,与之对立的是“掺和作用”或“混合作用”、“混杂作用”,。,53,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,圆度与球度变好,54,碎屑物质在流水中搬运及沉积过程中,发生,矿物成分,、,粒度、形状等方面的变化,是受,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的影响,与机械沉积分异作用机制不同！,55,1.颗粒大小分异,从上游到下游，粒度由大到小、分选由差变好；,2.比重分异,体积小比重大和比重小体积大的沉积物可能一起堆积，如含金砾岩。,3.形状分异,片状颗粒比等轴粒状颗粒搬运得远；,圆度和球度高的滚动颗粒更易于搬运,。,4.矿物成分分异,颗粒比重和形状同矿物成分密切相关，颗粒大小与矿物物性有关，如脆性、解理、硬度等,56,机械沉积分异结果,随搬运距离的增长,碎屑物质的矿物成分趋向简单,稳定组分增多,重矿物含量减少,粒度变细,分选、磨圆变好,57,二、化学沉积分异作用,溶解物质由于化学活泼性或溶解度的差异，以及受所处环境pH,和Eh的影响，将按一定的顺序依次从溶液中沉淀出来的现象。,氧化物磷酸盐硅酸盐碳酸盐硫酸盐和卤化物,(普斯托瓦洛夫,1954),58,59,三、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。,60,第六节 正常沉积作用和事件沉积作用（均变论和灾变论）,一、,正常沉积作用,在正常情况或条件下发生的，有明显机械沉积分异作用的，缓慢的、均匀变化的沉积作用，一般发生在河流、湖泊和海洋。,二 、,事件沉积作用,由于重力、洪水、火山爆发、风暴等因素所引起的阵发性的、突然性的或灾变性的（搬运和）沉积作用，也叫幕式沉积作用,61,三、两者关系,可发生于同一沉积环境,交替进行，互为消长关系,垂向上任一剖面可由正常沉积和事件沉积的互层构成,对立统一论,62,第七节 沉积后作用,一、沉积后作用的概念,沉积物形成以后到沉积岩的风化和变质作用以前,这一演化阶段的所有变化和作用,广义的成岩作用,63,变质作用,成岩作用,自然界一般不存在此种状态,温度,深度,64,二、阶段划分,方案很多：粘土矿物、煤岩学、地球化学环境、埋深、综合,在生产和科研时间中，一般用中油集团公司的划分规范，,同生期、早成岩期、晚成岩期和表生期四大阶段。,65,1.同生作用,指沉积物刚刚沉积后而且,尚与上覆水体相接触时,的变化，也称为“海底风化作用”或“海解作用”。,66,2.准同生作用,这一变化发生在同生作用后，沉积物,已基本与水体脱离，但基本上还未脱离沉积时的环境,主要指潮上带的疏松CaCO3沉积物被高镁粒间水白云化的作用。,67,3.成岩作用,是指沉积物已,基本与上覆水体脱离,的情况下，由疏松的沉积物转变为固结的沉积岩的作用。,狭义的成岩作用,68,4.后生作用,泛指沉积岩形成以后，到遭受风化和变质作用以前发生的变化或作用。,69,5.表层后生作用,在接近地表的沉积岩层中，主要是在地下水面附近所发生的一些作用。,70,6.深部后生作用,是指地层深部沉积岩的后生作用。深度可达60008000m。,71,沉积岩的分类,72,本章重点第一节,沉积岩的形成包括哪些阶段？,一、母岩的风化作用和产物,风化作用,元素迁移系列,母岩风化的阶段性及其特征（以玄武岩为例）,母岩风化产物,（,碎屑残留物质、化学风化物质,、,溶解物质）,风化壳,二、沉积物的其它来源,沉积物的几大来源,（母岩风化产物、生物物质、深源物质、宇宙物质）,73,本章重点第二节,一、流体的几个基本概念和基础知识,碎屑物质被搬运和沉积的方式,牛顿流体和非牛顿流体（牵引流和沉积物重力流）,概念与区别,层流、紊流和雷诺数,缓流、急流和佛罗德数,Fr与流态的关系 ,二、碎屑颗粒在流水中的搬运和沉积作用,尤尔斯特隆图解,碎屑物质在流水搬运过程中的变化,74,第三节 溶解物质的搬运和沉积作用,一、胶体溶液物质的搬运与沉积,二、真溶液物质的搬运和沉积作用,第四节 生物的搬运和沉积作用,第五节 沉积分异作用（概念） ,第六节 正常沉积作用和事件沉积作用,第七节 沉积后作用（概念） ,75,Osborne Reynolds,（奥斯本，雷诺）,1842-1912,Mathematics， Cambridge, 1867,engineering,professor ，,University of,Manchester， 1868,magnetism and electricity,hydraulics and hydrodynamics,An experimental investigation of the circumstances which determine whether the motion of water in parallel channels shall be direct or sinuous and of the law of resistance in parallel channels , 1883.,Reynolds number,76,