沉积岩第2章

第二章第二章 沉积物的搬运和沉积作用沉积物的搬运和沉积作用 第一节第一节 概概 述述一、沉积物搬运和沉积的地质营力一、沉积物搬运和沉积的地质营力主要为流动的水和风，其次为冰川、重力、生物等主要为流动的水和风，其次为冰川、重力、生物等二、沉积物的搬运和沉积方式二、沉积物的搬运和沉积方式1、机械搬运和沉积作用（受流体力学定律所支配）、机械搬运和沉积作用（受流体力学定律所支配）（ 1）悬移搬运）悬移搬运（ 2）推移搬运）推移搬运 (床沙搬运床沙搬运 ):滚动、滑动、跳动滚动、滑动、跳动2、化学搬运和沉积作用（受化学和物理化学定律支配）、化学搬运和沉积作用（受化学和物理化学定律支配）（ 1）真溶液）真溶液（ 2）胶体溶液或络合物）胶体溶液或络合物3、生物搬运和沉积作用（受生物生理、生物物理、生物、生物搬运和沉积作用（受生物生理、生物物理、生物化学作用所支配）化学作用所支配）生物搬运作用相对意义不大，但其沉积作用意义巨大生物搬运作用相对意义不大，但其沉积作用意义巨大三、流体两种基本类型三、流体两种基本类型1、牵引流、牵引流（ 1）搬运方式：推移、悬移及溶解物质）搬运方式：推移、悬移及溶解物质由高往低流，也可由低往高流由高往低流，也可由低往高流（ 2）搬运驱动力：流体作用于沉积物上的推力（牵引力）搬运驱动力：流体作用于沉积物上的推力（牵引力）负荷力（载荷力）负荷力（载荷力）（ 3）沉积作用：机械、化学和生物沉积作用）沉积作用：机械、化学和生物沉积作用2、重力流、重力流（ 1）搬运方式：悬移（沿斜坡向下移动）搬运方式：悬移（沿斜坡向下移动）（ 2）搬运驱动力：重力）搬运驱动力：重力（ 3）沉积作用：机械沉积作用）沉积作用：机械沉积作用四、有关流体力学基本概念物质表面 物质演化 物质运动原因（形态学） （运动学） （动力学）1、液体的粘滞性（ 1）内摩擦力和粘滞力： T = A * du / dy（ 2） 粘滞切应力 : = * du / dy （ 3） 粘滞性 :(一般用运动粘滞系数 v = /( 单位 :m2/s)2、 牛顿流体和非牛顿流体du/dy五、层流和紊流（湍流或涡流）与雷诺数（ Re）1、 流动形态（按流动特点）（ 1）层流（ laminar）临界流速（ critical speed）（ 2） 紊流（ turbulent flow）2、 雷诺数（ Re）（ Reynolds number） : Re=惯性力 /粘滞力当管 中流速增大到一定数值后当 管 中流速较小时Re=惯性力 /粘滞力惯性力 =质量 *加速度 =r2 ut * u/t = r2 u2 Re= r2 u2 / A*du/dy = r2 u2 / r2 *du/dy= u2 / *du/dy = u *dy / = u d / v = /( 单位 :m2/s) Re= u d / v = u d / v (无量纲数 ) 管道流 : Rek(临界雷诺数 )=2320 2000Re 2000 紊流（湍流或涡流）Re 2000 层流明渠流 :(用水力半径 -R代替管道直径 -d,R=过水断面 / 湿周R= r2/2 r =r/2 =d/4 明渠流 临界雷诺数 Rek=500雷诺数的意义 ： 描述流体的流动形态，当流体是大于或小于某一临界雷诺数的情况下流动时，其流动方式根本不同，这对沉积物的搬运和沉积作用的研究具有重要的意义。即， Re2000 是紊流， 2000 Re500 是过渡流， Re 500是层流。六、急流、缓流与福劳得数（明渠水流中）1、流动状态（按流动的强度）（ 1）急流（ rapid flow or supercritical flow）（ 2） 临界流（ critical flow）（ 3） 缓流（ tranquil flow or subcritical flow）2、 福劳得数（幅氏值）（ Froude number）（ Fr）Fr=惯性力 /重力 =u / (gh) 福劳得数（幅氏值）的意义第二节第二节 牵引流中的碎屑物质的机械搬运和沉积作用牵引流中的碎屑物质的机械搬运和沉积作用一、在流水中碎屑颗粒的搬运作用一、在流水中碎屑颗粒的搬运作用1、碎屑颗粒在水中的受力分析、碎屑颗粒在水中的受力分析 (4种力种力 ):W、 Px、 Py、 Pc床沙形体（床沙形体（ bed form）：）： 把随着流体流把随着流体流动强度变化在床沙表面出现的不同几何动强度变化在床沙表面出现的不同几何形体称为床沙形体形体称为床沙形体流动强度增大流动强度增大当当 Py W和和 Px f （ W Py） 时，碎屑颗粒以滑动方式搬运时，碎屑颗粒以滑动方式搬运2、碎屑颗粒的搬运方式、碎屑颗粒的搬运方式（ 1）推移载荷（也称床沙载荷）：）推移载荷（也称床沙载荷）：床沙载荷（床沙载荷（ bed load） :在介质底部以滑在介质底部以滑动、滚动和跳动方式进行搬运的粗粒沉动、滚动和跳动方式进行搬运的粗粒沉积物（砾、砂）称为床沙载荷积物（砾、砂）称为床沙载荷当 Px*L1+Py*L2 W*L 3时，碎屑颗粒以滚动方式搬运A当 Py W和 Py W不断变化时，碎屑颗粒以跳动方式搬运（ 2） 悬移载荷的搬运：悬移载荷的搬运： 当 Py W上述搬运方式随着上述搬运方式随着 u增大，滑动增大，滑动 跳动跳动 悬浮悬浮二、在流水中碎屑颗粒的沉积作用二、在流水中碎屑颗粒的沉积作用1、碎屑颗粒沉降的机理、碎屑颗粒沉降的机理u 当当 Px f（ WW P） 时时 推移颗粒停止推移颗粒停止当当 Py WW 时时 悬移颗粒沉降悬移颗粒沉降2、沉降速度公式、沉降速度公式球体碎屑：球体碎屑： V=2gr2(s-)/9 不规则碎屑：不规则碎屑： Vp=grp2(s-)/7 3、碎屑颗粒的搬运和沉积影响因素、碎屑颗粒的搬运和沉积影响因素流动状态有关流动状态有关 ： u、 、 、 h、 Q本身的特点有关：如比重、大小、形状等本身的特点有关：如比重、大小、形状等3、影响碎屑颗粒沉度的主要因素、影响碎屑颗粒沉度的主要因素（ 1）形态：）形态： Vp / V=1/7： 2/9=0.64(半径相同时）半径相同时）（ 2）颗粒大小：）颗粒大小： rp/r=71/2/（ 9/2） 1/2=1.25(沉降速度相同时）沉降速度相同时）（ 3）比重；）比重； （ 4）盐度和含沙量）盐度和含沙量第三节第三节 风的搬运与沉积作用风的搬运与沉积作用 （自学用点）（自学用点）一、只能搬运碎屑物质：以跳跃为主，其次是悬浮、滚动一、只能搬运碎屑物质：以跳跃为主，其次是悬浮、滚动二、因为二、因为 、 比水小得多比水小得多1、搬运砂级以下的细粒物质、搬运砂级以下的细粒物质2、分选好、分选好3、磨圆好、磨圆好4、具风棱面特征、具风棱面特征 如冲坑、霜面如冲坑、霜面三、空气作用空间大不受固体边界限制，也不像流水那样三、空气作用空间大不受固体边界限制，也不像流水那样明显受重力控制，所以可以把沉积物由地势低处移向高处明显受重力控制，所以可以把沉积物由地势低处移向高处。四、水层和风层沙丘在粒度上区别四、水层和风层沙丘在粒度上区别 第四节第四节 沉积物重力流的机械搬运和沉积作用沉积物重力流的机械搬运和沉积作用1885年，福雷尔（年，福雷尔（ Forel） 注意到浊流（当时称比重流）注意到浊流（当时称比重流）1936年，戴利（年，戴利（ Daly） 用浊流来解释海底峡谷的成因用浊流来解释海底峡谷的成因划时代的研究则是五十年代后，如奎恩（划时代的研究则是五十年代后，如奎恩（ Kuenen）、）、 鲍马（鲍马（ Bouma） 等的研究，成为沉积学研究历史的一个里程碑，开始了近代沉积等的研究，成为沉积学研究历史的一个里程碑，开始了近代沉积学。随着研究深入发现浊流仅是沉积物重力流中的一种类型。学。随着研究深入发现浊流仅是沉积物重力流中的一种类型。浊流和沉积岩发现的重要意义：突破了传统的机械沉积分异作用的浊流和沉积岩发现的重要意义：突破了传统的机械沉积分异作用的理论。理论。一、沉积物重力流的概念和分类一、沉积物重力流的概念和分类1、沉积物重力流（、沉积物重力流（ gravity current）、）、 整体流或块状流（整体流或块状流（ mass flow）沉积物重力流是一种在沉积物重力流是一种在 重力作用下发生流动重力作用下发生流动 的的 弥散有大量沉积弥散有大量沉积物物 的的 高密度流体高密度流体 。（密度流有多种，如盐度的差异、温度的差异等）（密度流有多种，如盐度的差异、温度的差异等）2、 沉积物重力流分类沉积物重力流分类首先分为水下 沉积物重力流沉积物重力流 和大气 沉积物重力流，再根据碎屑沉积物重力流，再根据碎屑颗粒支撑机理（碎屑颗粒的悬浮机理）进一步各划分出四类：颗粒支撑机理（碎屑颗粒的悬浮机理）进一步各划分出四类：水下重力流碎屑流或水下泥石流 砂、砾、泥和水，水泥混合基质屈服强度支撑颗粒流主要为砂，少量砾和水，颗粒相互碰撞作用支撑液化沉积物流 泥、砂，超孔隙压力产生向上的粒间流支撑浊流 沉积物与水混，湍流支撑大气沉积物重力流岩块崩塌流 颗粒流泥石流 碎屑流热气底浪沉积 热灰云 二、浊流二、浊流1、浊流的概念和分类、浊流的概念和分类（ 1）浊流（）浊流（ turbidity current):它是由沉积物与水混合成高密度它是由沉积物与水混合成高密度湍流与上伏水体之间有一密度差，在重力作用下产生流动，其中碎湍流与上伏水体之间有一密度差，在重力作用下产生流动，其中碎屑颗粒靠湍流支撑呈悬浮状态。屑颗粒靠湍流支撑呈悬浮状态。（ 2）分类）分类A,按密度分为：高密度浊流和低密度浊流按密度分为：高密度浊流和低密度浊流（ 1.1克克 /cm3或或 0.06mm石英砂粒）石英砂粒）B,按形成持续性分为：稳定性浊流和阵发性（间歇性）浊流按形成持续性分为：稳定性浊流和阵发性（间歇性）浊流C,按悬浮颗粒大小分为：粗粒、中粒和细粒浊流按悬浮颗粒大小分为：粗粒、中粒和细粒浊流2、浊流的形成、浊流的形成阵发性浊流可分为头部、体部、尾部阵发性浊流可分为头部、体部、尾部1962年鲍马（年鲍马（ A.H.Bouma)提出浊流形成和运动的四个阶段提出浊流形成和运动的四个阶段1）三角洲阶段：物质储备阶段）三角洲阶段：物质储备阶段2）滑动阶段：在外界机制的触发下，沉积物发生）滑动阶段：在外界机制的触发下，沉积物发生 “ 液化液化 ” 而滑动而滑动3）流动阶段：流体内部出现速度差，粗粒物质开始向头部集中）流动阶段：流体内部出现速度差，粗粒物质开始向头部集中4）浊流阶段：沉积物与水完全混合成悬浮的高密度浊流）浊流阶段：沉积物与水完全混合成悬浮的高密度浊流触发因素：地震、暴风浪、海底滑动、三角洲等环境的快速堆触发因素：地震、暴风浪、海底滑动、三角洲等环境的快速堆积而引起的沉积物液化。积而引起的沉积物液化。第五节第五节 机械搬运过程中碎屑物质的变化机械搬运过程中碎屑物质的变化沉积物在搬运过程中，由于颗粒与地面以及颗粒间碰撞和摩擦沉积物在搬运过程中，由于颗粒与地面以及颗粒间碰撞和摩擦、流体的分选、继续进行化学分解和机械破碎，使碎屑矿物成分、流体的分选、继续进行化学分解和机械破碎，使碎屑矿物成分、粒度、形态等都要发生变化粒度、形态等都要发生变化一、粒度和分选性的变化一、粒度和分选性的变化由于磨蚀和破碎、水力分选以及由于磨蚀和破碎、水力分选以及流速减小流速减小 随着搬运距离增大，颗粒越来越细随着搬运距离增大，颗粒越来越细 随着搬运距离增大，分选程度越来越高随着搬运距离增大，分选程度越来越高二、颗粒形状的变化二、颗粒形状的变化由于随搬运距离的增长，磨蚀作用使颗粒的圆度和球度越来越高由于随搬运距离的增长，磨蚀作用使颗粒的圆度和球度越来越高但要注意但要注意 1、机械破碎可部分抵消圆度；、机械破碎可部分抵消圆度； 2、磨圆度受物理性质（硬、磨圆度受物理性质（硬度、解理）和搬运介质（流水和风）的影响；度、解理）和搬运介质（流水和风）的影响； 3、球度受矿物结晶、球度受矿物结晶习性影响，如片状习性影响，如片状 三、矿物成分的变化三、矿物成分的变化随着搬运距离的增加，不稳定组分减少，稳定组分增加。随着搬运距离的增加，不稳定组分减少，稳定组分增加。四、比重的变化四、比重的变化随着搬运距离的增加，比重大的组分减少随着搬运距离的增加，比重大的组分减少上述为一般情况，但要注意掺合作用的影响上述为一般情况，但要注意掺合作用的影响第六节第六节 溶解物质的搬运和沉积作用溶解物质的搬运和沉积作用与溶解度有关与溶解度有关真溶液搬运真溶液搬运 ：如：如 Ka、 Na、 Ca、 Mg等元素组成的盐类，溶解度大等元素组成的盐类，溶解度大胶体溶液搬运胶体溶液搬运 ：如：如 Al、 Fe、 Mn、Si等氧化物难溶于水等氧化物难溶于水一、胶体溶液的搬运与沉积一、胶体溶液的搬运与沉积胶体溶液的性质介于粗分散系（悬浮液胶体溶液的性质介于粗分散系（悬浮液 100nm） 和离子分散和离子分散系（真溶液系（真溶液 7和还原环境中沉淀。和还原环境中沉淀。4、由胶体凝聚、沉积而形成的沉积物或岩石的一般特点、由胶体凝聚、沉积而形成的沉积物或岩石的一般特点 ：（ 1）未脱水硬化的凝胶呈胶状、糊状或冻状，固结成岩后常具）未脱水硬化的凝胶呈胶状、糊状或冻状，固结成岩后常具贝壳状断口。贝壳状断口。（ 2）胶体沉积颗粒细小，孔隙度较大，因而有较强的吸收性。）胶体沉积颗粒细小，孔隙度较大，因而有较强的吸收性。（ 3）由于胶体陈化脱水而常出现收缩裂隙，易敲击成尖棱角状碎）由于胶体陈化脱水而常出现收缩裂隙，易敲击成尖棱角状碎块。块。（ 4）一般有微晶、放射状、鲕状、球粒状、扇状集合晶等结构。）一般有微晶、放射状、鲕状、球粒状、扇状集合晶等结构。（ 5）胶体沉积可以呈巨厚层产出，也可成透镜体，结核产出。）胶体沉积可以呈巨厚层产出，也可成透镜体，结核产出。（ 6）由于胶体有较强的离子交换和吸附能力，常吸附有不定量的）由于胶体有较强的离子交换和吸附能力，常吸附有不定量的水分、有机质以及各种金属元素，其化学成分场不固定。水分、有机质以及各种金属元素，其化学成分场不固定。二、真溶液物质的搬运与沉积二、真溶液物质的搬运与沉积1、影响真溶液搬运或沉积的物质本身条件、影响真溶液搬运或沉积的物质本身条件 溶度积溶度积真溶液物质的搬运及沉积作用的根本控制因素是它们的溶解度真溶液物质的搬运及沉积作用的根本控制因素是它们的溶解度，即溶解度越大，越易搬运，越难沉积；反之，溶解度越小，则越，即溶解度越大，越易搬运，越难沉积；反之，溶解度越小，则越易沉积，越难搬运。易沉积，越难搬运。溶解度的大小与该物质溶度积（溶解度的大小与该物质溶度积（ Ksp） 有关。有关。当难溶电解质溶于水形成饱和溶液时当难溶电解质溶于水形成饱和溶液时AmBn（ 固）固） mA+n + nBm- Ksp=A+nmB -mn （ 为一常数）为一常数）当溶液中物质的离子浓度乘积大于该物质的当溶液中物质的离子浓度乘积大于该物质的 Ksp时该物质沉淀时该物质沉淀根据根据 Ksp判断物质的沉淀判断物质的沉淀 溶解平衡移动的原理，称为溶度积规则溶解平衡移动的原理，称为溶度积规则例如：硬石膏的溶度积为例如：硬石膏的溶度积为 6.1 10 -5当当 Ksp(CaSO4)= Ca+2SO4-2 6.1 10 -5时，硬石膏沉淀，反之溶解时，硬石膏沉淀，反之溶解当有当有 Ca+2与与 Sr+2混合液，且混合液，且 Ca+2= Sr+2= 0.1mol时：时：Ksp(CaSO4)=Ca+2SO4-2= 6.110 -5 = 0.1molSO4-2Ksp(SrSO4)=Sr+2SO4-2= 2.810 -7 = 0.1molSO4-2加入加入 SO4-2时，