第三四讲沉积物的搬运和沉积

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,第二节 机械沉积物的搬运和沉积作用,风化作用的产物及其它来源的沉积物质除了少量残留原地以外，大部分将进入搬运状态向沉积盆地转移。,母岩风化：碎屑物质、新生成物质、溶解物质,生物来源：生物硬体、生物软体,深部来源：岩浆、卤水、气热液,宇宙来源：陨石,-搬运、沉积作用的类型：物理、化学、生物,沉积物发生物质搬运和沉积作用的介质,（搬运介质）,-流水、风（大气）、冰川,搬运动力,：,-风、重力、流水、波浪、潮汐,-流体,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。,服从内摩擦定律牛顿流体,牵引流（含少量泥砂的流水：河流、波浪流、潮汐流、大气流等）,。,不服从内摩擦定律非牛顿流体-,重力流（浊流、泥石流、风暴流、狂风流等）,。,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）,液固相,不分,搬运介质,流水,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,二）,沉积物机械搬运的方式和床沙形态,（一）,碎屑颗粒在流水中的受力分析,1.,有效重力（,w,）：,颗粒受到的重力和浮力两者之差,2.,粘结力（,Pc,）：,由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：,Py,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；,Pc,Px,紊流中存在涡流的扬举作用,/,上举涡力,W,紊流的上举力大于层流。,（二）沉积物的搬运方式、载荷,载荷：流体中被搬运的沉积物（Load）,载荷量：单位时间内流经某一横断面的沉积物总量,搬运方式：,沉积物：,溶解物质-化学-溶解载荷（solutional load),碎屑物质,滚动、跳跃搬运-推移（床沙）载荷(bed load),粗,悬浮搬运悬移载荷（suspended load）,细,（三）福劳德数（Fr）与床沙形态,1.佛罗德数（Fr）-判断水流状态的参数,Fr惯性力/重力（V,2,/l）/gV,2,/（lg）,标志惯性力与重力之间的关系、描述流体的运动强度,明渠水流：河流、湖泊、海洋中的牵引流无压流,Fr1：缓流，水深流缓上部流动体制，低流态,Fr1：临界流，过渡流态,Fr1：急流，水浅流急下部流动体制，高流态,2.床沙（bed）形态（底形）-bedform,-,流水在床沙表面流动时形成的几何形态，受流动强度（Fr）控制,明渠水流随流动强度加大在床面依次出现下列床沙形态：,无颗粒运动的平坦床沙-沙纹-沙浪-沙丘-过渡型-平坦底床-逆行沙丘-槽、坑,（四）层流、紊流和雷诺数,两种流动型态层流与紊流/涡流,层流,缓慢流动，流体质点平行线状流动，彼此不相掺混。,紊流,充满旋涡的流动，流速大小和流动方式随时间变化，流体质点运动轨迹极不规则，彼此掺混。,层流 紊流,雷诺数（Re,Reynolds numbers,）-判断层流和紊流的参数,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,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 强 上,自然界中流水多为紊流，使沉积物得以搬运，层流类似于静水，易发生沉积,二、碎屑颗粒在牵引流中的搬运和沉积作用,一）碎屑颗粒在单向水流中的搬运、沉积作用,1。碎屑颗粒的搬运、沉积作用的条件,受力分析：,动力：上举力：流速、水深,水平推力：大小、密度,-流速、颗粒大小,-,尤尔斯特隆用图解方式定量表示了颗粒大小、流速与搬运、沉积的关系,-尤尔斯特隆图解,上举力,水平推力,阻力,有效重力,碎屑颗粒在流水中的搬运和沉积与流速和颗粒大小的关系尤尔斯特隆图解,几个概念：,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,尤尔斯特隆图解,两条曲线：,开始搬运曲线,继续搬运曲线,三个区：,剥蚀区，搬运区和沉积区,三个段：,砾级 难搬易沉 山区,d2mm,，,V,开,大，,V,继,大，,V,V,开,V,继,，小。,粉砂和泥级 易搬难沉 深水,d0.01mm,，,V,开大，,V,继很小，,V,很大，,砂级 易搬易沉 跳跃 分布最广,0.1,2mm,，,V,开最小，,V,继中等，,V,不大。,剥蚀区,搬运区,沉积区,搬运和沉积的决定因素粒径和流速,2.碎屑颗粒在流水中的沉积作用,斯托克实验公式：,V=(,2(d,1,-d,2,)/(9),)*gr,2,适用于静水、室温、r0.1mm 的颗粒，下沉速度与其半径平方根成正比。根据实验极细砂下沉30m约2小时，细粘土则需要1年；下沉30004000m，极细砂需要10天，细粘土需要100年。,二）、碎屑物质在空气中的搬运和沉积作用,特点：,1,）风只搬运碎屑物质,2,）搬运能力小，只搬运细颗粒,，,相同速度，搬运能力只有流水,1/300,。,3,）颗粒分选、磨圆好，常具霜面、棱面。,4,）作用空间大,二）、碎屑物质在空气中的搬运和沉积作用,2.搬运方式：,跳跃0.5mm（70-80%）；,滚动0.52mm（20%）；,悬移0.10.2mm（10%）,视风速可互相转化,搬运作用的控制因素：,1）风速,2）碎屑颗粒的湿度,3）颗粒的大小,尘暴的搬运和沉积：0.05mm的粉砂和粘土,3.沉积作用,风速降低：障碍物-障碍堆积,两股风相遇,问题：在平坦的沙漠中沙丘如何形成？,沙丘形成以后，,起到障碍作用，,可逐渐加高。,沙丘的沉积：,砂供给充足时，,迎风面和背风,面均发生沉积,不足时，,迎风面侵蚀,背风面沉积,三)碎屑物质在海湖水体中的搬运和沉积作用,Question:,流水搬运的碎屑物质最终都要流入海洋、湖泊，那么是否这些物质流入海洋、湖泊中就立即发生沉积呢？,海洋、湖泊中除了流水搬运来的碎屑物质外，是否还有其它来源的碎屑物质呢？,三）碎屑物质在海湖水体中的搬运和沉积作用,海洋主要营力:,波浪,潮汐,近岸流,风暴流,浊流,等深流,湖泊主要营力:,波浪,湖流,风暴流,浊流,三、沉积物重力流的 机械搬运与沉积作用,沉积物重力流（sediment gravity flow)：,在重力作用下，发生流动的弥散有大量沉积物的高密度流体。,类型：,水上重力流：岩崩、颗粒流（火山碎屑流）,水下重力流：,泥石流、颗粒流、沉积物液化流、浊流,四、碎屑物质在冰川中的搬运和沉积作用,现代冰川覆盖面积约占陆地面积的10%，在地质历史中的一些时期地球上曾有广泛的冰川分布。,特点：,1.冰川和浮冰固体搬运和沉积,2.能力巨大，碎屑为主，数十数千吨浮于冰上或包于冰中,3.搬运作用：,1）塑性流动,冰,川自身重力使其下部处于塑性状态。,2）滑动,底,部存在冰融水的现象,3）破裂面,内,部,整体搬运,4.沉积作用：,冰川消融，碎屑沉积-冰碛物。,特点：,1）混杂堆积，没有分选和磨圆,2）冰川擦痕，特征“丁”字痕、“V”形刻蚀坑。,五、碎屑颗粒在搬运和沉积作用中变化,1.矿物成分,不稳定组分减少，稳定组分增加,2.粒度（颗粒大小）,变细，分选变好,3.颗粒形状,圆度与球度变好,第三节 溶解物质的搬运和沉积作用化学搬运和沉积作用,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,（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，如,Fe,、,Al,含水氧化物胶体；,负胶体，表面带负电荷，如,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,一、胶体溶液物质的搬运与沉积,（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。,（三）促使胶体聚集和沉淀的因素沉积原因,正负胶体相遇,“,相互聚沉”。,SiO,2,胶体同氢氧化铝胶体相遇后电荷中和，形成如高岭石沉淀。,电解质作用,-,不同名电荷（电解质）与胶粒电荷中和，胶体降低电动电势，失去稳定性而凝聚。海水有大量电解质，河流携的胶体与其相遇，形成凝胶沉淀，三角洲和海岸常见大量粘土及氧化铁胶体沉积物，还能凝集成铁、铝、锰巨大沉积矿床。,蒸发作用,一方面促使胶体浓度增加，胶粒间的碰撞机会增加，另一方面也增大了胶体溶液中电解质的浓度。,穿透能力较强的辐射线,-,如带负电荷的,射线可使正胶体凝聚。,溶液的,pH,和,Eh,值变化,-,胶体沉淀时都有一定,的,pH,和,Eh,值。高岭石在酸性介质,(pH,6.6,6.8),中发生凝聚，蒙脱石在碱性介质,(pH=7.8),中凝聚。,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,呈贝壳状断口。,陈化脱水出现收缩裂隙，易敲击成尖棱角状碎块。,常呈钟乳状、肾状、豆状。,孔隙度较大，吸收性较强。,巨厚层、透镜状、结核状产出。,化学成分常不固定,。常吸附不定量的水分、有机质及各种金属元素，,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，难搬易沉。,除溶解度外，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，SiO,2,沉淀而CaCO,3,溶解，,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。,如：AI在pH=4-10时最稳定，发生Al（OH）3沉淀,pH4、10时则易溶解,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。铁、锰,氧化,条件呈高价赤铁矿、软锰矿沉淀；弱氧化弱还原形成海绿石、鲕绿泥石；,还原条件,低价菱铁矿、菱锰矿。强还原则生成黄铁矿、硫锰矿。低价铁、锰矿物溶解度比高价大数十数千倍，易搬难沉。,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,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,。Pco,2,升高，即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,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，不仅数量多、分布广、繁殖快、适应性强，而且在地质历史上,其它生物还没有大量出现前就参与沉积作用。叠层石与藻类有关，早在,25,亿年前太古代末就有叠层石。,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、硅无机盐通过生物分泌作用形成外壳和骨骼,。,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。,第四节 生物的搬运和沉积作用,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。,生物产生大量,H,2,S,、,NH,3,、,CH,4,、,O,2,等气体或吸收大量,CO,2,气体，影响介质环境的物理化学条件，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。,藻类分泌的粘液捕获和粘结水中的碳酸盐颗粒，使之沉积于藻体表面，当一层藻席被新沉积物覆盖时，藻丝体就会穿过上覆沉积物并繁殖于其表面，重新形成新的藻席。周而复始，形成富藻纹层和富屑纹层交替的叠层石类沉积物。,当流水流经丛生的枝状珊瑚或枝状藻类时，流速降低，流水中携带的沉积物就会障积成岩。植物造成风沙的障碍堆积，也生物障积作用。,第五节 沉积分异作用,沉积分异作用概念（sedimentary differentiation),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。,一、机械沉积分异作用,碎屑物质在流水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,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,:由于颗粒的比重和形状同矿物成分密切相关，颗粒大小与矿物的物性有关，如脆性、解理、硬度等,颗粒粒度分异,矿物比重分异,含金砾岩,第五节 沉积分异作用,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,第五节 沉积分异作用,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,第五节 沉积分异作用,三、两种分异作用的关系,并存,机械沉积分异作用早些，化学沉积分异作用晚些。,第六节 沉积后作用,一、沉积后作用的概念（postdeposition),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(diagenesis),1.同生作用（syngenesis),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”。,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,。,3.成岩作用(diagenesis),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。,真正的成岩作用，也叫狭义的成岩作用。通常所说的成岩作用一般是指广义的成岩作用。,3.后生作用(anadiagenesis),泛指沉积岩形成以后，转变为变质岩以前发生的变化或作用。,4.表层作用（epigenesis),指沉积岩抬升近地表，在潜水面以下常温常压的条件下，地下水所发生的作用、变化,第七节 沉积岩的分类,分类的分类原则：成因分类和物质来源,沉积岩的成因分类可从不同角度考虑：,（1）,沉积作用方式不同,，即沉积岩的形成是受物理（机械）作用还是化学和生物化学作用控制的，可将沉积岩分成碎屑岩、化学岩和生物化学岩等基本类型；,（2）,沉积物来源不同,，即来自地球内部（如火山碎屑）还是地表风化产物，或者说沉积物是形成于盆地内部还是盆地外部，而分成内源（内生、自生、盆内）沉积和外源（外生、他生、盆外、陆源）沉积；,（3）,沉积物堆积方式,不同，即是搬运沉积的或是残积的；,（4）,按沉积岩生成的顺序,（即分异作用）；,（5）,按沉积岩形成时的动力条件和自然地理环境,（海、河、冰川、或风成的）,根据沉积岩原始沉积物质来源,主要由,母岩风化产物,组成的沉积岩,碎屑岩 化学岩,砾岩 砂岩 粉砂岩 粘土岩 碳酸盐岩 硫酸盐岩 卤化物岩 硅岩 其它化学岩,主要由,火山碎屑物质,组成的沉积岩,火山碎屑岩,主要由,生物遗体,组成的沉积岩,可燃有机岩 非可燃有机岩,煤 油页岩,