第二章 沉積物的搬運和沉積作用

1、第二章第二章 沉積物的搬運和沉積作用沉積物的搬運和沉積作用（Transportation and sedimentation of sediment）第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 搬運和沉積碎屑物質(zhì)的流體主要是搬運和沉積碎屑物質(zhì)的流體主要是流水流水和和大氣大氣，在高寒地，在高寒地區(qū)的區(qū)的冰川冰川和干旱地區(qū)的和干旱地區(qū)的風(fēng)風(fēng)也是搬運和沉積碎屑物質(zhì)的營力。也是搬運和沉積碎屑物質(zhì)的營力。沉積物被搬運和沉積方式的劃分：沉積物被搬運和沉積方式的劃分： （1）機械搬運和沉積作用）機械搬運和沉積作用 （2）溶解物質(zhì)的搬運和沉積作用）溶解物質(zhì)的搬運和沉積作用 （3）生物搬運和沉積作用）生物搬運和沉積作用 P19:

2、1第二節(jié)第二節(jié) 流體的一些基本知識和概念流體的一些基本知識和概念 1. 牛頓流體和非牛頓流體牛頓流體和非牛頓流體 牛頓流體（牛頓流體（Newtonian fluid）服從牛頓內(nèi)摩擦定服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體。律的流體。 非牛頓流體（非牛頓流體（Non-Newtonian fluid）不服從牛頓不服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體。內(nèi)摩擦定律的流體。 作為碎屑物質(zhì)搬運和沉積的流體，自然界存在兩作為碎屑物質(zhì)搬運和沉積的流體，自然界存在兩種基本類型，即種基本類型，即牽引流牽引流和和沉積物重力流沉積物重力流。 牽引流：牽引流：牛頓流體（牛頓流體（Newtonian fluid）服從牛頓服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體。

3、內(nèi)摩擦定律的流體。 重力流：重力流：非牛頓流體（非牛頓流體（Non-Newtonian fluid）不不服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體。服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體。 內(nèi)摩擦定律：內(nèi)摩擦定律：=* *(du/dy(du/dy) ) 搬運力搬運力推力推力負(fù)荷力負(fù)荷力（載荷（定義（載荷（定義P20)：溶：溶解、懸移、推移或床沙載荷）解、懸移、推移或床沙載荷）搬運力搬運力重力重力2. 急流、緩流和福勞德數(shù)急流、緩流和福勞德數(shù) 在明渠水流中按流動強度不同可分為：在明渠水流中按流動強度不同可分為：急流、緩流和臨界急流、緩流和臨界流流三種狀態(tài)。三種狀態(tài)。 這三種流態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)是這三種流態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)是福勞德數(shù)福勞德數(shù)

4、(Froude Numbers) (Fr)： 福勞德數(shù)福勞德數(shù)v是平均流速，是平均流速，h是水深是水深 Fr1，急流急流，超臨界流，水淺流急，超臨界流，水淺流急 Fr=1，臨界流臨界流 Fr 40時，出現(xiàn)時，出現(xiàn)“卡門渦卡門渦街街”，紊流紊流(渦流渦流) （ ）a從層流過度到紊流（ ）cRe = 40 12 0（ ）bR e = 1 4 0在背流尾跡中具有不規(guī)則旋渦的層流層流R e 1自然界中絕大數(shù)水體是紊流運動自然界中絕大數(shù)水體是紊流運動 第三節(jié)第三節(jié) 機械搬運和沉積作用機械搬運和沉積作用 一、牽引流的機械搬運和沉積作用一、牽引流的機械搬運和沉積作用 牽引流牽引流(Traction curr

5、ent)符合牛頓流體定律的流符合牛頓流體定律的流體。其搬運機制是流體動能拖曳牽引沉積物一起運動，體。其搬運機制是流體動能拖曳牽引沉積物一起運動，如河流、風(fēng)流和波浪流等。如河流、風(fēng)流和波浪流等。 牽引搬運牽引搬運(牽引作用牽引作用)能使碎屑物質(zhì)作底負(fù)載移動能使碎屑物質(zhì)作底負(fù)載移動的各種作用的各種作用 牽引流牽引流（一）水流的機械搬運和沉積作用（一）水流的機械搬運和沉積作用 1. 流水中碎屑顆粒的搬運作用流水中碎屑顆粒的搬運作用 碎屑顆粒在流水中的搬運和沉積，主要與水的流動狀態(tài)關(guān)系密切，是層流還紊碎屑顆粒在流水中的搬運和沉積，主要與水的流動狀態(tài)關(guān)系密切，是層流還紊流，是急流還緩流；流，是急流還緩流

6、； 還與碎屑顆粒的本身特點還與碎屑顆粒的本身特點(大小、相對密度和形狀等大小、相對密度和形狀等)有關(guān)。有關(guān)。 （1）碎屑顆粒在水中的受力分析）碎屑顆粒在水中的受力分析(圖解板書）圖解板書） A 有效重力（有效重力（W）：重力和水體浮力的差）：重力和水體浮力的差 B 水平推移力（水平推移力（Px）：水流作用于顆粒上的順流水方向的力）：水流作用于顆粒上的順流水方向的力 C 垂直上舉力（垂直上舉力（Py）：）：水體浮力；水體浮力； 顆粒上下存在的流速差所顆粒上下存在的流速差所 引起的壓力差；引起的壓力差； 渦流中的上舉力渦流中的上舉力 【伯諾利方程伯諾利方程】p23 D 粘結(jié)力（粘結(jié)力（Pc） （2

7、） 搬運方式搬運方式 A 推移搬運（滾動搬運，包括跳躍搬運）推移搬運（滾動搬運，包括跳躍搬運） B 懸浮搬運懸浮搬運(懸移搬運懸移搬運) C 溶解搬運溶解搬運 （3） 起動條件（起動條件（P25:3) 粒徑對數(shù)坐標(biāo)，m m流速對數(shù)坐標(biāo)，c m /s繼續(xù)搬運流速曲線開始搬運流速曲線1000100101.00.10.0010.010.11.010100尤爾斯特隆圖解尤爾斯特隆圖解 碎屑物質(zhì)在流水中的搬運和沉積，流速和顆粒大小之碎屑物質(zhì)在流水中的搬運和沉積，流速和顆粒大小之間的關(guān)系最為關(guān)鍵。間的關(guān)系最為關(guān)鍵。 礫砂粉砂侵蝕 未固結(jié)的粘土和粉砂沉積搬運尤爾斯特隆的曲線（）1939森德伯格的修正曲線（）

8、1956固結(jié)粘 土和粉 砂顆粒直徑，-6-4-2024680.51248163264128256512流速，c m /s經(jīng)森德伯格經(jīng)森德伯格(Sundborg，1956)修改過的修改過的尤爾斯特隆圖解尤爾斯特隆圖解 碎屑物質(zhì)在靜水中下沉情況可用斯托克斯實驗公式表示碎屑物質(zhì)在靜水中下沉情況可用斯托克斯實驗公式表示(G.G.Stokes，1850)： (適用于粒徑適用于粒徑0.06mm粒徑的石英砂粒者為高密度流，否則為粒徑的石英砂粒者為高密度流，否則為低密度流低密度流 濁流常具有粒序?qū)永?，自上而下粒度變粗濁流常具有粒序?qū)永?，自上而下粒度變?海底濁流海底濁流2. 碎屑流碎屑流(泥石流）泥石流） 是

9、一種礫、砂、泥和水相混合的高密度流體，泥和水是一種礫、砂、泥和水相混合的高密度流體，泥和水相混合組成的雜基支撐著砂、礫使之呈懸浮狀態(tài)被搬運。相混合組成的雜基支撐著砂、礫使之呈懸浮狀態(tài)被搬運。 3. 顆粒流顆粒流 是一種由無凝聚力顆粒（主要是砂、礫）所組成的重力流。由是一種由無凝聚力顆粒（主要是砂、礫）所組成的重力流。由于顆粒的相互碰撞所產(chǎn)生的向上支撐力，阻止了顆粒從流動中沉積下于顆粒的相互碰撞所產(chǎn)生的向上支撐力，阻止了顆粒從流動中沉積下來。來。 4. 液化沉積物流液化沉積物流 （1）當(dāng)沉積物緩慢沉積時，沉積物的重量全由固態(tài)顆粒支撐，）當(dāng)沉積物緩慢沉積時，沉積物的重量全由固態(tài)顆粒支撐，此時孔隙壓

10、力為流體靜壓力，顆粒與流體處于平衡狀態(tài)。此時孔隙壓力為流體靜壓力，顆粒與流體處于平衡狀態(tài)。 （2）當(dāng)快速堆積時，碎屑重量可傳遞給孔隙間流體，使孔隙）當(dāng)快速堆積時，碎屑重量可傳遞給孔隙間流體，使孔隙間流體壓力超過靜壓力，即產(chǎn)生超孔隙壓力，使流體向上流動能以支間流體壓力超過靜壓力，即產(chǎn)生超孔隙壓力，使流體向上流動能以支撐顆粒呈懸浮狀，沉積物強度就減弱為零，即沉積物發(fā)生撐顆粒呈懸浮狀，沉積物強度就減弱為零，即沉積物發(fā)生“液化液化” （3）常見于砂和粉砂沉積物中。）常見于砂和粉砂沉積物中。冰磧物冰磧物冰川攜帶的碎屑物質(zhì)冰川攜帶的碎屑物質(zhì)冰川具有巨大的搬運能力冰川具有巨大的搬運能力南極大陸冰蓋南極大陸冰

11、蓋三、冰川的搬運和沉積作用三、冰川的搬運和沉積作用 在寒冷的兩極地區(qū)和高寒山區(qū)，冰川的搬運及沉積作用是主要的。在寒冷的兩極地區(qū)和高寒山區(qū)，冰川的搬運及沉積作用是主要的。 冰磧物的基本特征：冰磧物的基本特征： （1） 結(jié)構(gòu)疏松，大小混雜，分選極差；結(jié)構(gòu)疏松，大小混雜，分選極差； （2）冰磧物中礫石磨圓極差；）冰磧物中礫石磨圓極差； （3）一般缺乏層理構(gòu)造。）一般缺乏層理構(gòu)造。 冰蘑菇（冰川飄礫）冰蘑菇（冰川飄礫）冰川飄礫冰川飄礫四、四、 碎屑物質(zhì)在流水搬運過程中的碎屑物質(zhì)在流水搬運過程中的變化變化 1.成分上的變化：不穩(wěn)定組分逐漸減少，穩(wěn)定組分則相應(yīng)增加，同其它組成分上的變化：不穩(wěn)定組分逐漸減少

12、，穩(wěn)定組分則相應(yīng)增加，同其它組分也就變得更加簡單了。分也就變得更加簡單了。 2. 碎屑顆粒度逐漸變小碎屑顆粒度逐漸變小 3. 碎屑顆粒的圓度逐漸變好碎屑顆粒的圓度逐漸變好 4. 碎屑顆粒的球度也有所增高碎屑顆粒的球度也有所增高 一、溶解物質(zhì)一、溶解物質(zhì) 母巖風(fēng)化產(chǎn)物中的溶解物質(zhì)，主要為母巖風(fēng)化產(chǎn)物中的溶解物質(zhì)，主要為Cl、S、Ca、Na、K、Mg、P、Si、Al、Fe 等。等。 前面的溶解度前面的溶解度較大，多呈真溶液；較大，多呈真溶液； 后面的溶解度較小，后面的溶解度較小，多呈膠體溶液。多呈膠體溶液。 它們均呈溶解狀態(tài)，在河水或地下水中，向湖泊和海洋中轉(zhuǎn)移。它們均呈溶解狀態(tài)，在河水或地下水中

13、，向湖泊和海洋中轉(zhuǎn)移。 第四節(jié)第四節(jié) 化學(xué)和生物搬運和沉積作用化學(xué)和生物搬運和沉積作用 1. 膠體溶液物質(zhì)的搬運和沉積作用膠體溶液物質(zhì)的搬運和沉積作用 膠體：一種物質(zhì)的細(xì)微質(zhì)點分散在另一種物質(zhì)中的不均勻分散體系。膠體：一種物質(zhì)的細(xì)微質(zhì)點分散在另一種物質(zhì)中的不均勻分散體系。 膠體質(zhì)點一般介于膠體質(zhì)點一般介于1001m之間，多呈分子狀態(tài)。之間，多呈分子狀態(tài)。 膠體質(zhì)點常有電荷。膠體質(zhì)點常有電荷。 膠體沉積物的特征：膠體沉積物的特征： 常呈鐘乳狀、腎狀、豆?fàn)?、膠凍狀等常呈鐘乳狀、腎狀、豆?fàn)?、膠凍狀等 常具貝殼狀斷口常具貝殼狀斷口 多為含水礦物，且含水量很不固定多為含水礦物，且含水量很不固定 其化學(xué)成

14、分也不夠固定其化學(xué)成分也不夠固定 常具離子交換性及吸附性常具離子交換性及吸附性 常失水干裂老化或重結(jié)晶常失水干裂老化或重結(jié)晶2. 真溶液物質(zhì)的搬運和沉積作用真溶液物質(zhì)的搬運和沉積作用 母巖風(fēng)化產(chǎn)物中的真溶液物質(zhì)主要是母巖風(fēng)化產(chǎn)物中的真溶液物質(zhì)主要是Cl、S、Ca、Na、K、Mg等，等，P、Si、Al、Fe、Mn等也可部分呈真溶液狀態(tài)。等也可部分呈真溶液狀態(tài)。真溶液物質(zhì)的搬運及沉積作用的根本控制因素是它們的溶解度真溶液物質(zhì)的搬運及沉積作用的根本控制因素是它們的溶解度 溶解度越大，越易搬運，越難沉積。溶解度越大，越易搬運，越難沉積。溶解度越小，越易沉積，越難搬運。溶解度越小，越易沉積，越難搬運。

15、Fe、Mn、Si、Al等溶解物質(zhì)的溶解度較小，易于沉淀，等溶解物質(zhì)的溶解度較小，易于沉淀，在它們的搬運和沉積作用中，水介質(zhì)的各種物理化學(xué)條件的影在它們的搬運和沉積作用中，水介質(zhì)的各種物理化學(xué)條件的影響十分重要。響十分重要。 各種鐵、錳礦物生成時所需要的各種鐵、錳礦物生成時所需要的pH值及值及Eh值值SiO2及及CaCO3的溶解度的溶解度與介質(zhì)與介質(zhì)PH值的關(guān)系值的關(guān)系A(chǔ)l2O3的溶解度與介質(zhì)的溶解度與介質(zhì)PH值的關(guān)系值的關(guān)系 對于溶解度大的物質(zhì)的搬運和沉積作用，水介質(zhì)的影響不對于溶解度大的物質(zhì)的搬運和沉積作用，水介質(zhì)的影響不大。它們只有在干熱的氣候條件下，在封閉或半封閉的盆地中，大。它們只有在

16、干熱的氣候條件下，在封閉或半封閉的盆地中，或在水循環(huán)受限制的潮上地帶，即在蒸發(fā)條件下，才能沉積下或在水循環(huán)受限制的潮上地帶，即在蒸發(fā)條件下，才能沉積下來。如石膏、硬石膏、鈉鹽、鉀鹽、鎂鹽等。來。如石膏、硬石膏、鈉鹽、鉀鹽、鎂鹽等。二、生物的搬運和沉積作用二、生物的搬運和沉積作用 生物在母巖風(fēng)化產(chǎn)物的搬運和沉積過程中起著重要的作用，不少沉積生物在母巖風(fēng)化產(chǎn)物的搬運和沉積過程中起著重要的作用，不少沉積巖和沉積礦產(chǎn)的形成都與生物作用有關(guān)，或直接由生物作用而形成。如碳巖和沉積礦產(chǎn)的形成都與生物作用有關(guān)，或直接由生物作用而形成。如碳酸鹽巖、磷酸鹽巖、沉積鐵礦、硅藻土、白堊、煤、油頁巖和石油等。酸鹽巖、磷

17、酸鹽巖、沉積鐵礦、硅藻土、白堊、煤、油頁巖和石油等。在各類生物中，尤以藻類和細(xì)菌等微生物在沉積巖和沉積礦產(chǎn)形成作用在各類生物中，尤以藻類和細(xì)菌等微生物在沉積巖和沉積礦產(chǎn)形成作用中的意義較大。中的意義較大。生物的搬運和沉積作用有兩種方式：生物的搬運和沉積作用有兩種方式： 生物通過新陳代謝作用，在其生活過程中不斷地從周圍介質(zhì)中吸取一生物通過新陳代謝作用，在其生活過程中不斷地從周圍介質(zhì)中吸取一定的物質(zhì)成分，從而把一些元素富集起來定的物質(zhì)成分，從而把一些元素富集起來 。 另一種方式是由于生物作用而引起的周圍介質(zhì)條件的改變，從而影響另一種方式是由于生物作用而引起的周圍介質(zhì)條件的改變，從而影響某些物質(zhì)的搬

18、運和沉積。某些物質(zhì)的搬運和沉積。 各種生物殼體是形成生物灰?guī)r的主要成分各種生物殼體是形成生物灰?guī)r的主要成分生物碎屑灰?guī)r生物碎屑灰?guī)r棘屑灰?guī)r里大量出現(xiàn)海百合莖化石示底構(gòu)造示底構(gòu)造生物礁的造礁生物藻粘結(jié)形成疊層石藻粘結(jié)形成疊層石 2. 機械沉積分異作用機械沉積分異作用(mechanical sedimentary (mechanical sedimentary differentiation)differentiation)碎屑物質(zhì)在搬運和沉積過程中，當(dāng)介質(zhì)運動的速度碎屑物質(zhì)在搬運和沉積過程中，當(dāng)介質(zhì)運動的速度和運移的能力在一定的方向上作有規(guī)律的變化時，它們也相應(yīng)按照顆粒大和運移的能力在一定的方向

19、上作有規(guī)律的變化時，它們也相應(yīng)按照顆粒大小、密度和形狀發(fā)生分異，依次沉積。小、密度和形狀發(fā)生分異，依次沉積。 第五節(jié)第五節(jié) 沉積分異作用沉積分異作用 3. 沉積分異作用包括：沉積分異作用包括： 粒度分異粒度分異 相對密度的分異相對密度的分異 形狀上的分異，片狀碎屑顆粒較粒狀碎屑顆粒搬運遠(yuǎn)，形狀上的分異，片狀碎屑顆粒較粒狀碎屑顆粒搬運遠(yuǎn)， 成分分異成分分異 1. 沉積分異作用：沉積分異作用：母巖風(fēng)化產(chǎn)物以及其它來源的沉積物，在搬運和母巖風(fēng)化產(chǎn)物以及其它來源的沉積物，在搬運和沉積過程中按照顆粒大小、形狀、比重、礦物成分和化學(xué)成分在地表依沉積過程中按照顆粒大小、形狀、比重、礦物成分和化學(xué)成分在地表依次沉積下來。次沉積下來。 一、一、 碎屑物質(zhì)在流水搬運及沉積作用過程中的分異作用碎屑物質(zhì)在流水搬運及沉積作用過程中的分異作用 二、二、 化