风化作用概述.ppt

第三篇沉积岩第十三章沉积岩及其一般特征 一 概念沉积岩 Sedimentaryrocks 是地表或近地表环境的母岩 在常温 常压下 由风化作用 生物作用和某种火山作用形成的产物 经搬运 沉积 固结成岩而成的岩石 岩浆岩 Magmaticrocks Igneousrocks 是地壳深处或上地幔的岩石 经熔融或部分熔融形成的高温岩浆 侵入地下或喷出地表冷凝而成的岩石 即由岩浆冷凝固结而成的岩石 上述定义说明 1 形成环境不同 地表或近地表 环境多样性 2 物化条件不同 常温 常压 3 作用类型不同 外力作用 4 形成过程不同 松散固结成岩或水体沉淀固结成岩 二 一般特征 与岩浆岩相比 一 沉积物的来源1 陆源物质 母岩风化产物 如砂砾碎屑 化学溶解物 不溶残余物 是形成沉积物的主要来源 物质供给区域称为 物源区 或 陆源区 2 生物源物质 生物遗体 贝壳 骨骼 有机质 3 深源物质 火山喷发带来的气 液 碎屑 以及来自深大断裂带的富多金属元素的热卤水等 4 宇宙源物质 陨石的降落 简称为 陆 海 空 生 二 化学成分1 Fe2O3 FeO 氧化强烈 2 K2O Na2O含量低 易溶解 淋滤 3 K2O Na2O 粘土矿物吸附或云母 4 H2O CO2等含量高 5 有机质丰富 三 矿物成分1 沉积岩中大量出现粘土矿物 碳酸盐矿物 盐类矿物 铁质矿物 有机质 蛋白石 玉髓等 2 沉积岩中较少出现橄榄石 基性斜长石 普通辉石 普通角闪石等 3 沉积岩和岩浆岩中都大量出现石英 酸性斜长石 钾长石等 沉积岩与岩浆岩平均矿物成分对比表 四 结构与构造岩浆岩 高温低温 液态固态 结晶结构 为主 沉积岩 形成环境多样性导致结构多样性 构造成层性 碎屑 碎屑结构风化作用粘土 泥质结构化学溶解物 结晶粒状结构结构生物作用 生物结构火山作用 火山碎屑结构构造 成层性 层理 层面构造等 和生物遗迹等 三 分布1 陆地表面覆盖75 最大厚度13km 平均1 8km Blatt 1970 洋底几乎全部覆盖 0 2 3km 平均1km 2 最老的岩石年龄为36亿年 前苏联科拉半岛 3 各岩类分布情况 页岩 砂岩和石灰岩 95 四 矿产资源沉积型与沉积变质型矿产占世界矿产资源总量的80 主要有 矿物燃料 煤炭 石油 天然气等 矿物肥料 钾盐 磷酸盐 硝酸盐等 金属矿产 Fe Al Mn Cu Mg等 以及砂矿里的W Sn Au Pt U Zr等 非金属矿产 石膏 重晶石 漂白土 硅藻土 建筑砂等 冶金熔剂 水泥原料 人造纤维原料 石灰岩 白云岩 耐火材料 陶瓷原料 钻井泥浆原料 吸收剂 净化剂等原料 泥质岩 五 沉积岩石学 SedimentaryPetrology 的研究任务1 特征研究研究沉积岩的物质成分 结构构造 分类命名 岩体产状和岩层间的关系 2 模拟实验研究沉积岩和沉积矿产的形成机理 包括风化作用 搬运作用 沉积作用以及沉积期后变化的机理 3 沉积环境分析研究时空演化 分布规律以及与大地构造的关系 恢复沉积岩形成时的古气候条件 古地理环境以及大地构造环境 欧美学者称其为 沉积学 Sedimentology 常混用 六 沉积岩石学的研究方法1 野外通过测剖面 填图等方法 研究沉积岩 物 的物质成分 结构构造 岩体产状 岩层间接触关系 岩层厚度 成因标志 岩石组合 横向与纵向延伸变化 以及古流向等 引进新技术 新方法 如遥感技术 测视雷达 测视声纳 测井技术 深海钻探等 2 室内显微镜薄片法是最基本方法 以及粒度分析 重矿物分析 不容残渣分析 热分析 X衍射分析 光谱分析 电子探针 红外光谱 原子吸收光谱 扫描电镜等 参考书1 沉积岩岩石学 曾允孚夏文杰 1986 地质出版社2 沉积岩 华东石油学院3 沉积岩成因 布拉特等 1978 科学出版社4 沉积岩 裴蒂庄 1981 石油工业出版社5 陆源碎屑沉积环境 赖内克和辛格 1979 石油工业出版社6 沉积学讲稿汇编 许靖华 1980 成都地矿所 第十四章风化作用 青藏高原物理风化 4000m 一 风化作用 是指地表或近地表的岩石 在外地质营力 大气 温度 水 生物 冰川等 作用下发生破坏 物理 化学 生物 的过程 一 物理风化作用由于大气 温度 流水 冰川等作用下 根劈 冰劈 重力效应 盐晶生长 使母岩发生机械破坏 形成不同大小的碎屑 岩屑 矿屑 并不改变化学成分 主要出现在特殊地区 例如寒冷的高原地区 两极地带等 与化学风化作用相比较次要 物理风化滚石坡 一号冰川 4044m 二 化学风化作用在大气 水 有机酸的作用下 使岩石破坏 矿物分解 发生化学变化 形成新物质的过程 主要发育在潮湿 温暖环境中 作用广泛而强烈 是自然界主要风化作用之一 常见方式 1 氧化作用含变价元素的矿物 在H2O O2的作用下变成氧化物 氢氧化物和含氧盐等 附带产生的酸体改变了环境的酸碱度 有利于进一步化学风化作用 Fe2SiO4 O2 4H2O Fe2O3 2H4SiO4铁橄榄石赤铁矿或褐铁矿硅酸2FeS2 O2 4H2O Fe2O3 nH2O 4H2SO4黄铁矿赤铁矿或褐铁矿硫酸 2 水化 合 作用由不含水矿物变为含水矿物 使体积膨胀 硬度降低 Fe2O3 nH2O Fe2O3 nH2O赤铁矿褐铁矿2K AlSi3O8 2H2OK 1Al2 Si Al 4O10 OH 2 nH2O钾长石水云母3 水解作用 离子交换反应 弱酸强碱盐或强酸弱碱盐遇水后解离 与水中的H OH 离子相互交换 形成两种产物 真溶液 不溶残余物 4K AlSi3O8 6H2OAl4 Si4O10 OH 8 8SiO2 4KOH钾长石高岭石胶体真溶液注 1 矿物中的金属阳离子与OH 结合 生成易溶的真溶液被带出 而络阴离子团则与H 结合 生成难溶的粘土矿物残留原地 同时产生胶体溶液 2 弱酸盐最易水解 如碳酸盐 硅酸盐和铝硅酸盐岩石 3 温度高有利于水解 如热带环境化学风化作用强烈 4 碳酸化作用硅酸盐和铝硅酸盐矿物与含CO2的水溶液相遇 CO2水溶液与分解出的K Na Ca等金属阳离子结合 形成可随水迁移的碳酸盐和SiO2胶体 CaSiO3 CO2 nH2OCaCO3 SiO2 nH2O1硅灰石碳酸盐胶体如果水介质中游离的CO2少 则CaCO3多沉淀下来 如果游离的CO2多 则CaCO3转变为易溶的重碳酸盐被搬运走 CaCO3 CO2 H2OCa HCO3 24K AlSi3O8 2CO2 4H2O2K2CO3 Al4 Si4O10 OH 8 8SiO2钾长石真溶液高岭石胶体5 溶解作用使矿物发生部分溶解分化的作用 不同矿物溶解度不同 矿物溶解度的差异性导致岩石空隙加大 加速风化 三 生物风化作用1 生物物理风化作用例如 根劈作用 动物潜穴活动等 2 生物化学风化作用生物的生命活动 新陈代谢 光合作用 生物化学分解作用 以及生物死亡后 以粘液 粪便 气体 有机体腐化等形式 产生大量的有机酸 CO2 H2S等成份 直接腐蚀岩石 与其它生物相比 微生物和藻类数量多 分布广 适应性强 广布在地表以及浅部地带 制造着各种酸碱物质 分解岩石 人类工程活动对岩石的破坏 如资源滥采 爆破 污水排放等 苏州天平山花岗岩根劈 三种风化作用的关系 物理风化 使母岩形成裂隙 碎块 有利于化学风化作用和生物风化作用 化学风化 使母岩固结度 硬度降低 有利于物理风化作用和生物风化作用 生物风化 有利于化学风化作用和物理风化作用的加速进行 三种风化作用相互联系 互相促进 互相影响 三种作用在不同环境里影响程度有所侧重 严寒极地 高山地区和沙漠地区 以物理风化作用为主 潮湿温暖地区 以化学风化 生物化学风化作用为主 自然界 化学风化作用和生物化学风化作用最具有地质意义 二 元素的风化分异性 是指在特定的条件下 由于元素迁移能力不同 造成各种元素按一定顺序 先后从母岩中分离出来的规律 苏联 波雷诺夫 1934 和 彼列尔曼 1955 提出 元素水迁移系数 Kx Kx Kx x元素的水迁移系数mx x元素在河水中的含量 mg L nx 河水中矿物质残渣总量 mg L x元素在在该流域岩石里的平均含量 该式说明 Kx系数越大 说明x元素越易迁移 岩石里残留的越少 根据硅酸盐岩石在潮湿 温暖条件下发生风化进行计算 将元素迁移能力分为 1 最易迁移元素 Kx n 10 n 102 Cl Br I S2 易迁移元素 Kx n n 10 Ca Mg Na F Sr K Zn3 迁移元素 Kx n 10 1 n Cu Ni Co Mo V Mn Si 硅酸盐 P4 惰性 微弱迁移 元素 Kx n 10 1 Fe Al Ti Sc Y TR 稀土元素 5 几乎不移动的元素 Kx n 10 10 Si 石英 该分类说明 1 各元素迁移能力相差很大 成百上千倍 使得岩石中共生的元素 因风化迁移性能不同而发生分异 化学风化 2 元素的迁移能力与该元素的物化性质不完全一致 除与元素本身的原子和离子特性有关外 还取决于含有该元素的矿物特征 及其抗风化能力有关 如CaCO3 CaSO4 MgCO3比NaCl KCl难溶解 但是 Ca Mg比Na K易迁移 如钙长石抗风化能力比钠长石弱 Ca先于Na析出矿物 三 岩石风化带发育的阶段性 波雷诺夫根据元素在风化带迁移的分移性 将结晶岩石完整风化过程分为四个阶段 不同阶段形成于不同的环境和独特的产物 1 碎屑阶段以物理风化为主 形成岩石和矿物碎屑 如干旱沙漠地区 2 饱和硅铝阶段化学风化初期阶段 在CO2 H2O的作用下 岩石中易溶组分全部溶解 铝硅酸盐和硅酸盐矿物开始分解 游离出Ca2 Mg2 Na K 介质呈碱性或中性 部分SiO2进入溶液 并形成碱性条件下稳定的蒙脱石 水云母 拜来石 绿脱石 绿泥石等 3 酸性硅铝阶段化学风化中期阶段 碱金属与碱土金属大量被溶滤出来后 有机质分解形成大量有机酸和CO2 碳酸 介质由碱性转为酸性 蒙脱石等矿物进一步脱失Ca2 Mg2 转变成酸性条件下稳定的高岭石 变埃落石等 例如植被发育的温暖潮湿地区 该作用通常又被称为 粘土型风化作用 4 铝铁土阶段风化作用的最后阶段 铝硅酸盐矿物彻底分解 碱金属与碱土金属全部游离出来 介质又呈碱性或中性 SiO2继续被迁移进入溶液 可迁移元素全部从岩石中析出 原地仅剩余极难溶的Fe Al Si含水氧化物 形成水铝石 水铝矿 褐铁矿 针铁矿 赤铁矿 蛋白石 玉髓等混杂一起的土状堆积物 红土 例如潮湿炎热地区 该作用通常又被称为 红土型风化作用 四 主要造岩矿物与岩石在风化带中的稳定性和习性 矿物的稳定性主要取决于它的化学成分 物理性质 晶体构造和气候条件等因素 1 长石主要在碳酸的作用下分解 析出Ca2 Na K 水化为水云母 在碱性介质中进一步分解为蒙托石 在酸性介质中分解为高岭石 在湿热气候条件下 进一步分解为水铝石 水铝矿 蛋白石 玉髓 长石抗风化能力较低 与种类有关 抗风化能力由强到弱为 钾长石斜长石 酸性斜长石基性斜长石 所以 沉积岩中常见钾长石和酸性斜长石 地质意义 是干燥气候 造山带或火山喷发环境的指示矿物 2 铁镁矿物在酸的作用下 析出Ca2 Mg2 Fe2 在强氧化和碱性介质中进一步水解为蒙托石 在弱还原条件下变为绿泥石 蒙托石在酸性介质中可再次分解为高岭石 在湿热气候条件下 进一步分解为褐铁矿 蛋白石 玉髓的红土堆积 抗风化稳定性 低高橄榄石辉石角闪石黑云母所以 铁镁矿物在沉积岩中含量少 常以重矿物出现 3 云母类白云母稳定性高于黑云母 沉积岩中常见 白云母水云母蒙托石高岭石黑云母蛭石或绿泥石蒙托石高岭石 4 SiO2矿物包括石英 玉髓 蛋白石 方英石 鳞石英等 矿物分解与温度或环境酸碱度有关 温度高则溶解度增大 碱性条件易水解迁移析出 SiO2 2H2OH4SiO4H4SiO4H H3SiO4 SiO2的溶解度与酸碱度 pH 和温度的关系图 R M Garrels等 1974 五 风化带中主要造岩矿物稳定性分类表 六 风化带中岩石的稳定性 影响因素主要有 1 矿物组成 1 单矿物组成的岩石抗风化能力强 膨胀 收缩系数相同 2 稳定矿物组成的岩石抗风化能力强 长石砂岩弱于石英砂岩 3 早结晶者易风化 岩浆岩抗风化能力与鲍温反应中矿物晶出顺序有关 如超基性岩石抗风化能力弱于酸性岩石 2 结构 1 岩石疏松程度 疏松的结构易风化 如雨花台砾石层 2 粒度 粗粒岩石易风化 3 其它 1 硬度 坚硬的岩石抗风化能力强 如硅化带 2 节理 节理发育者易风化 如苏州虎丘的试剑石 石桌 黄山的鲫鱼背 华山的鱼脊背 3 地下水丰富程度等 花岗岩风化产物类型 七 风化产物类型 1 碎屑 陆源碎屑岩 外源沉积岩 2 粘土 化学风化残余物 泥质岩 外源沉积岩 3 化学溶解物 化学或生物化学岩 内源沉积岩 本章重点 1 沉积岩的一般特征2 三大风化作用3 四大风化阶段4 主要造岩矿物的稳定性5 反映风化作用强弱的指示矿物6 三大风化产物 第十五章搬运 沉积作用与碎屑物 一 概述 风化产物及其他沉积物除部分残留原地外 大部分将被搬运到沉积盆地沉积下来 据统计 河流每年约搬运165亿吨物质 海洋中每年新生成的岩石圈物质约300亿吨 黄润秋 1997 沉积物的搬运作用和沉积作用常交替进行 并且在过程中也继续发生着风化作用 如化学分解 机械破碎等 三个作用阶段密切联系 又相互独立 一 搬运介质水 河 湖 海 地下水等 空气 风 冰川生物 二 搬运与沉积方式1 机械搬运与沉积作用对象 碎屑 粘土以及内源颗粒 鲕粒 生物碎屑等 方式 滑动式 滚动式 跳跃式和悬浮式 机理 受流体力学定理支配 2 化学搬运与沉积作用对象 化学溶解物 真溶液 胶体 方式 真溶液 胶体或络合物形式 机理 受化学 物理化学定理支配 3 生物搬运与沉积作用 后者大于前者 对象 岩石 水 大气中的元素 方式 光合作用 新陈代谢等形式 机理 受生物物理 生物化学 生物生理定理支配 三 流体类型风和水都是流体 也是搬运和沉积的主要介质 分为 牵引流 沉积物重力流 1 牵引流介质里含有少量沉积物质 在介质的推动下运动 沉积物处于被动状态 大多情况下沉积物由高处向低处运移 有时也可以由低处向高处运移 例如风流 河流 湖流 海流 波浪流 潮汐流 等深流等 搬运力 牵引力 推力 与流体的流速呈正相关关系 如山区河流或洪流 流速高 牵引力大 搬运的砾石大 但搬运的数量不一定多 载荷力 负荷力 与流体的流量呈正相关关系 如平原河流 流量大 载荷力大 搬运的碎屑数量大 但搬运的颗粒小 注 牵引力大不一定载荷力也大 反之亦然 2 沉积物重力流介质里含有大量沉积物质 呈悬浮态高密度混合一起 在重力下运动 沉积物处于主动状态 沉积物都是沿斜坡由高处向低处运移 例如泥石流 浊流等 搬运力 重力 注 随着密度降低 沉积物重力流逐渐转变为牵引流 二 与沉积学相关的流体力学基本原理 一 内摩擦力 F 河水流动中 水流受河道摩擦影响 流速由河床底部的零值开始 向上逐渐增大 各微层水流速不同 产生相对运动 快层对慢层沿流向产生拖力 慢层对快层反流向产生阻滞力 内摩擦力 F 作用在流体内部两微层接触面上 大小相同 方向相反的一对力 河道底部 水流方向 河流表面 流速梯度 流速 0 二 内摩擦定律F A F 内摩擦力 牛 动力粘滞系数 Pa S 与流体和温度有关 A 接触面积 m2 dv 单位层内上下流速差dz 单位层厚度 流速梯度 秒 1 剪切应力 F A 应用 凡符合于牛顿内摩擦定律的流体 称为牛顿流体 如牵引流 凡不符合于牛顿内摩擦定律的流体 称为非牛顿流体 如沉积物重力流 三 水流流动状态 层流 紊流与雷诺数自然界的水流流动状态分为 层流 流速缓慢 各质点的流速 方向不变 呈平行线状 分层流动 紊流 流速湍急 各质点的流速 方向随时间而变 运动轨迹不规则 质点混乱 呈漩涡状 临界流 介于上述两者之间 注 随着水流的粘度 密度 管道直径因素改变 流动状态可以转化 转变时的流速称为临界流速 雷诺 ReynoldsNumber 英国物理学家 1883 提出实验室的临界流速计算公式 管道和明渠流条件下层流 A 与紊流 B 关系示意图 曾允孚和夏文杰 1986 紊流 层流 层流 紊流 雷诺数与地质意义 水流状态判断依据 雷诺数 Re 无量纲 Re 惯性力 粘滞力 vd vd 密度v 平均流速d 管道直径 粘滞系数对于管道流 Re 2000为层流 Re 2000为紊流 Re 2000为临界流 粘滞力大时水体易为层流 惯性力大时水体易为紊流 地质意义 1 任何水体都存在层流和紊流两种流动状态 层流的深度与雷诺数为反相关关系 2 层流有利于沉积物沉积 3 紊流有利于沉积物搬运 四 水流流动强度 急流 缓流与福劳德数急流 水流在障碍物处形成浪花 迅速越过 上部水面略有升高 不向上游传播 影响范围较小 缓流 水流在障碍物前形成跌落 在障碍物后形成壅高 向上游传播能力强 影响范围较大 临界流 介于上述两者之间 急流 a 缓流 b 遇到障碍物时的流动特点 华东水利学院 1979 急流 缓流 福劳德数 Fr 与地质意义 水流强度判断依据 福劳德数 Fr 无量纲 Fr 惯性力 重力 v v 流速g 重力加速度h 水深分类与地质意义 1 Fr 1 水流强度为急流 也称高流态 对床砂形体破坏大 2 Fr 1 水流强度为缓流 也称低流态 对床砂形体破坏小 3 Fr 1 水流强度为临界流 也称过渡流态 实验室水道沙床上各种床沙类型特征与水流强度的关系 曾允孚和夏文杰 1986 三 机械搬运与沉积作用 一 牵引流搬运与沉积作用1 水的机械搬运与沉积作用 1 沉积物受力分析与搬运方式水流对底载荷施加的力包括 1 有效重力 W 重力 浮力2 水平推移力 Px 3 垂直上举力 Py 浮力 紊流产生的上升涡力 压力差产生的上举力4 底部摩擦力 Pf 5 颗粒间的粘结力 Pc Px Py增大有利于颗粒搬运 而W Pc Pf增大则不利于颗粒搬运 若 1 Px W Pc Pf Py 则以滑动方式 如砾石 2 Px与Py形成合力 W与Pf形成合力 则以滚动方式 如砾石 3 Py与W反复无常变化时 则以跳跃方式 如砂粒 4 Py始终大于W时 则以悬浮方式 如粉砂 粘土 重力 摩擦力和粘结力 推移力 浮力和上举力 合力 河床底部 水流对碎屑颗粒的三种搬运方式 R C Selly 1982 合力 跳跃方式搬运理想模型伯诺利方程 p gy v2 2 常数p 压力 水密度y 距床沙底面的高度v 流速意义 流速与压力呈反相关关系 流速快部位形成的压力低 流速慢部位形成的压力高 压力差形成上举力 上举力与颗粒的跳跃高度成正比 例如飞机机翼上下的差异性 经计算得出的在槽底流过一个圆柱体的理想流体流态 Blatt等 1972 2 碎屑搬运 沉积与流体流速的关系碎屑在牵引流中的搬运与沉积 与颗粒大小有关 而颗粒大小又与流体流速相关 其相互关系见尤尔斯特隆图 经森德伯格修改的尤尔斯特龙图解 ASundborg 1956 水力学意义1 沉积物的侵蚀 始动 速度大于搬运速度 2 2mm的砾石 要求始动速度和沉积速度差值不大 且随着粒度增大而增高 说明砾石难以侵蚀 极易沉积 不易长距离搬运 多沿河床底部滚动式推移前进 3 0 05 2mm的砂粒 尤其是细砂 要求始动速度与沉积速度相差也不大 而且始动速度最小 易搬运 易沉积 极为活跃 多呈跳跃式搬运 4 0 05mm固结的粉砂和泥粒 要求始动速度很高 但沉积速度很低 一旦侵蚀起来后 长期悬浮 很难沉积 在平静的沉积盆地里沉积下来 对于未固结的粉砂和泥粒 始动速度和沉积速度都很低 很难沉积 5 在一定流速下 所搬运的颗粒是一个群体 而不是某粒级 既有悬浮体 也有跳跃体 甚至滚动体 6 随流速降低 碎屑颗粒从粗到细依次沉积 沉积分异 但是 流速频繁变换 则形成混杂堆积 注 随流速增大 同一颗粒的运动方式可以变化 随流动强度变化 流水所能搬运最大悬浮和滚动颗粒的关系曲线 R G Walker 1975 3 碎屑物沉降速度斯托克斯 G G Stokes 1850 沉降公式 实验条件 实验室 静水 恒温20 球体 0 1mm 粘度 密度不变 球体沉降速度g 重力加速度r 球体半径 水的粘度 s 球体和水的密度意义 1 当介质 碎屑一定后 颗粒直径与沉降速度呈正相关 2 当介质 粒度一定后 颗粒比重与沉降速度呈正相关 故自然界中 大而轻的常与小而重的颗粒沉积在一起 3 可以进行粒度分析 莎巴宁法 魏德尔认为碎屑是不规则的颗粒 沉降速度应改为 p 碎屑沉降速度g 重力加速度rp 碎屑半径 水的粘度 s 碎屑和水的密度两个公式比较 p 64 比较后看出 碎屑颗粒因形状不规则 表面积增大 沉降速度仅为规则颗粒的64 实验证明 当体积相同时 假定球形颗粒的沉速为100 则椭球为84 61 立方体为74 长柱体为50 片状为80 38 片状颗粒搬运最远 与泥沙在一起 2 风的机械搬运与沉积作用 是仅次于水的搬运与沉积介质 可以将内陆砂尘搬运到海洋 也可以将海滩砂搬运到内陆 仅能搬运碎屑 密度和粘滞性小于水 w 1000kg m3 a 1 22kg m3 15 在相同流速里 风搬运的粒度约为水体的1 30 大大小于水体 一般仅搬运砂级以下颗粒 故往往砾石滞留于原地 粗砂靠近物源地 作用的空间范围大 从低处到高处 搬运方式 1 跳跃 占70 80 一般是 0 5mm颗粒 尤其细砂 0 1 0 3mm 最为活跃 呈弓形轨迹 角度一致 10 16 2 蠕动 滚动 20 一般是0 5 2mm 更大的颗粒一般原地不动 跳跃和蠕动的搬运距离近 多在来源地附近堆积形成砂丘 3 悬浮 10 小于0 1 0 2毫米的颗粒 可搬运很远 空气密度小 风速变化快 搬运的砂粒粒径范围窄 一旦减速便沉积 故颗粒大小较均匀 分选好 颗粒活跃 碰撞较多 表面较圆 具 沙漠漆 形成大型交错层理 层系厚度达几十厘米 几米 沉积 1 风速降低 2 遇障碍 莫斯 A J Moss 1963 推移障碍 松散砂粒容易移动 一旦聚集 彼此相靠 便稳定下来形成沙丘 供给不足时 迎风坡遭侵蚀 背风坡沉积 导致沙丘向前移动 当砂粒足量供给时 迎风坡和背风坡均有沉积 砂丘迁移示意图 风成砂的跳跃轨迹 R A Bagnold 1941 3 沉积分异作用 是指依据沉积物的物理 化学性质有规律地依次沉积 具体分为机械沉积分异作用 化学沉积分异作用 机械沉积分异作用沉积物随流速和运移能力降低 按其物理特性 大小 形状 比重等 在地表依次沉积 1 颗粒大小水流方向砾岩砂岩粘土岩 2 形状粒状近源沉积 片状远源沉积 常与粘土沉积一起 沉积岩层面常见白云母碎片 3 比重粒度相同时 重者先沉积 粒度不相同时 比重大而体积小者可以与比重小而体积大者沉积一起 例如金 锆石等重矿物与石英砂堆积 碎屑物质在流水搬运过程中的变化 随着碎屑物质被搬运的时间和距离增长 不稳定成分逐渐变少 粒度逐渐变小 圆度逐渐变好 球度有所增高 碎屑湖泊沉积的理想模式 据特温霍费尔 1932 现代青海湖沉积物分布 据中国科学院兰州地质研究所 1979 二 沉积物重力流搬运与沉积作用 是指介质里含有大量沉积物质 呈悬浮态 自悬浮 高密度与介质混合一起 在重力下沉积物沿斜坡由高处向低处运移 沉积物处于主动状态 例如泥石流 浊流等 沉积物重力流是一种密度流 密度流还包括海洋因温度差异形成的寒流 等深流 因盐度差异形成的盐水楔等 1 分类米德尔顿和汉普顿根据颗粒的支撑机理和堆积的沉积物类型 将沉积物重力流分成泥石流 颗粒流 液化沉积物流和浊流 1 泥石流 碎屑流 水介质中含有大量的粘土和砂 水含量仅40 60 高度混合 形成具有一定密度和支撑强度 屈服强度 的载体 砂泥浆 将砾石 岩块悬浮搬运 如含砾泥岩 2 颗粒流介质中主要含有砂粒 少量粘土和砾石 由于颗粒之间相互碰撞产生的支撑应力 使颗粒悬浮于流体中 例如 西部地区的岩块崩塌流 雪崩流 底部气垫 前部气浪 火山碎屑流 底部气垫 前部气浪 风成砂丘突然崩塌 沿坡体形成的砂流 水底坡度变陡地带 沉积物因断层 地震或暴风浪的强烈震动作用 崩落 液化 高速向深处流动形成的流体 3 液化沉积物流当碎屑缓慢堆积时 其重量由下覄沉积物所支撑 孔隙压力等于静水压力 负荷增大 孔隙减小 孔隙水向侧方挤压出去 达到固结 当大量碎屑快速堆积 下覄沉积物难以支撑上覆急剧增加的重量 部分碎屑重量传递给孔隙流体 孔隙压力大于静水压力 形成超孔隙压力 使颗粒悬浮 沸腾 液化 形成高密度流体 砾石孔隙大 粉砂 粘土凝聚性较好 不易形成超孔隙压力 液化沉积物流常发育于中细碎屑岩中 4 浊流沉积物靠紊流或由紊流的向上分力 上举力 支撑悬浮 在重力作用下搬运 与介质组成高密度流体 如砾 砂 泥的沉积组合体 引发原因 地震 海啸 暴风浪 构造运动等震动 或失重 浊流 紊流与沉积物悬浮三者相互作用 互相影响 三者关系为 紊流 沉积物悬浮 浊流 扰动作用 重力作用 紊流作用 2 浊流发育阶段鲍玛 A H Bouma 1962 提出四个发育阶段 a 三角洲阶段 河流将大量沉积物带到湖 海盆地 堆积成三角洲 b 滑动阶段 因某种作用震动 开始液化 整体向下方缓慢滑移 随着水量增加 速度加快 c 流动阶段 流体速度加快 内部出现速度分层 粗粒涌向前端 d 浊流阶段 沉积物与水高度混合 形成悬浮态高密度流体 随流动速度加快 冲刷 侵蚀下部物质 增大规模 内部分层 平面为锥形或扇形堆积体 具有高浓度悬浮沉积物的河流 H S Bell 1942 突发高速型浊流的形成示意图 A H Bouma 1962 风暴流沉积形成的理想成因示意图类理想的风暴岩垂向层序 据艾格尔 1982 3 浊流内部构造一般分为三部分 头部 呈舌状 比体部厚 粒度最粗 密度最高 流速最快 侵蚀能力最强 冲刷痕与刻痕发育 以侵蚀搬运为主 体部 厚度较均匀 粒度较细 密度降低 流速减缓 尾部 厚度迅速变薄 粒度变细 密度最低 流速减缓 以沉积作用为主 高速浊流内部划分图 G V MiddletonandM A Hampton 1973 4 鲍马层序 三 碎屑结构与碎屑成熟度 1 碎屑结构包括粒度 圆度 球度 形状 分选度 支撑类型和孔隙等方面 1 粒度指碎屑颗粒的最大视直径 测量方法 放大镜 显微镜 筛析法 莎巴宁法等 粒度划分方法 1 自然粒级法砾 2mm砂2 0 05mm粉砂0 05 0 005mm泥 0 005mm适用于水利学研究 与尤氏图相吻合 2 粒级法 2dd 颗粒直径 mm 有利于粒度统计与绘图 值粒级与教材划分对照表相应粒级分别称为相应结构 如砾状结构 细砂结构等 2 分选度 分选性 指碎屑颗粒大小分布的均匀程度 可以反映流体的动能强度 簸选能力 和搬运距离 牵引流对颗粒的分选作用 a上游环境b沉积环境c下游环境 F1流入水动力 F2流出水动力 F1 F2 分选好 F1和F2差值越大 分选越差 3 圆度碎屑棱角被磨圆的程度 不同矿物的物化性质不同 抗磨蚀性能不同 通常根据石英的圆滑程度 分为五级 将次圆到极圆等级称为砾状结构 将次棱角到棱角等级称为角砾状结构 4 球度指碎屑三维空间近球体的程度 5 形状由颗粒中A B C三个轴的相对大小决定 分为球状 椭球状 扁球状 片状 不规则状 6 孔隙原生孔隙 次生孔隙 7 支撑类型根据岩石中碎屑与填隙物 杂基 的支撑情况 分为颗粒支撑 杂基 基质 支撑以及过渡支撑三种类型 分别称为支撑结构和漂浮状结构 地质意义 可以反映流体的性质 颗粒支撑 杂基含量少或无 为牵引流 杂基支撑为沉积物重力流 注 杂基 基质 以机械方式沉积 与主体碎屑混杂堆积 充填孔隙的细小碎屑 通常指泥和细粉砂 8 成熟度指碎屑接近理想终极状态 稳定 的程度 包括成分成熟度和结构成熟度 1 成分成熟度指碎屑中稳定碎屑成分 石英 石英岩屑 燧石岩屑 锆石 金红石 电气石 的含量 含量越多 成分成熟度越高 成分成熟度指数 CMI 稳定碎屑成分与不稳定碎屑成分的量比关系 不同粒级碎屑中判别依据不同 砾级碎屑 燧石岩屑 石英岩屑 其它岩屑砂级与粉砂级碎屑 石英 长石 石英 燧石岩屑 长石 其它岩屑泥级碎屑 AL2O3 Na2O 化学分析结果 地质意义 反映沉积时的构造环境与气候条件 成分成熟度高 表明物源区沉积环境湿热温暖 大地构造稳定 剥蚀量较少 长距离搬运 化学风化作用强烈等特征 成分成熟度低 表明物源区沉积环境寒冷 大地构造活跃 剥蚀量较多 短距离搬运 埋藏速度快 物理风化作用弱等特征 2 结构成熟度指碎屑结构接近理想终极状态 无杂基 分选极好 磨圆极好 的程度 地质意义 一般讲 结构成熟度高 表明物源区大地构造稳定 剥蚀埋藏缓慢 碎屑长时间 长距离搬运 磨蚀圆度高 流体清澈 簸选能力强 分选好 形成无杂基的颗粒支撑结构 相反 则表明结构成熟度低 结构成熟度分级以及与沉积环境的关系 四 化学搬运 沉积作用与沉积物 一 胶体搬运与沉积作用100 胶体溶液真溶液0 AlFeMnSiO2P2O5CaCO3CaSO4NaClMgCl2 溶解度 溶解度低的Fe Mn Al Si等组分 常呈胶体形式搬运与沉积 1 胶体特征 1 质点小 1 100um 大于真溶液 扩散能力弱 小于悬浮颗粒 不受重力影响 2 带电荷 表面积大 吸附离子带有电荷 成为正胶体或负胶体 自然界常见的胶体有 3 吸附性强粒度小 表面积大 具有很强的选择性吸收 通常正胶体吸附各种酸根以及络阴离子团 负胶体常吸附各种金属离子 例如 粘土胶体吸附 Au Ag K Hg V Pt等SiO2胶体吸附 放射性元素Fe胶体吸附 V P As等Mn胶体吸附 Co Cu Ni Ag W Hg等 2 胶体凝聚沉积以及沉积物特征胶体凝聚沉积作用 称为胶凝作用或絮凝作用 1 胶体凝聚沉积原因 1 正 负胶体相遇 电性中和 是海 湖 粘土岩形成的重要原因之一 如 2Al2O3 nH2O 4SiO2 nH2OAl4 Si4O10 OH 8 nH2O正胶体负胶体高岭石凝胶体 2 胶体溶液里加入电解质 电性中和 河流携带的含有金属阳离子的负胶体与海水 湖水相遇后 沉积在三角洲地带 脱水后成为沉积岩或沉积矿产 例如 河流搬运的Si Al Fe Mn等胶体物质进入海洋后大都在近岸地区迅速下沉 目前世界上发现的海相沉积大型铁 锰 铝等矿床都是胶体凝聚沉积而成 3 蒸发作用使胶体溶液浓缩 增加胶体粒子的碰撞几率 形成胶体团下沉 如干燥气候下湖泊 河漫滩水体干涸时 泥质类的沉积 主要由此原因引起 4 pH值 Eh值的影响有些胶体沉积要求具备一定的pH或Eh值 若不满足 即使有异性电荷的电解质或胶体混合 也不发生沉淀 例如 SiO2和Al2O3胶体 在pH值4 5 5 2可中和生成高岭石 如果不满足 即使两种胶体混合也不发生沉淀 即高岭石在酸性介质中凝聚 蒙脱石在碱性介质中凝聚 对于两性胶体影响显著 例如Al OH 3 酸性环境带正电荷 碱性环境带负电荷 5 腐殖酸的保护自然界大量存在的腐殖酸本身易于水化 成为稳定胶粒 常与金属氢氧化物胶体结合生成螯合物 起到 护胶作用 提高了金属氢氧化物胶体的搬运能力 如河水中搬运的Fe Mn Al氢氧化物胶体以及硫化物胶体较多 而河流中沉积的胶体沉积物较少 2 胶体沉积物特征1 未脱水时呈凝胶状 冻状 成岩后具贝壳状断口 2 脱水后具龟裂纹 裂隙发育 敲击后碎屑易显棱角 3 呈放射状 扇状 鲕状 肾状 以及结核状等结构 重结晶后具微晶结构 4 产状常为结核状 透镜状 层状产出 5 吸附能力与离子交换能力强 导致其颜色 化学成分不定 二 真溶液搬运与沉积作用母岩风化产物中以真溶液搬运与沉积的物质主要是溶解度高的Cl S K Na Ca Mg等组分 常呈离子形式溶于水中 其溶解或沉淀晶出的控制因素是溶解度 溶度积 只有当离子浓度大于或等于其溶解度时 才能晶出 因此 溶解度大的物质不容易沉淀 溶解度小的首先沉淀 影响真溶液搬运 沉积 溶解度 的因素较多 如pH值 Eh值 温度 压力和CO2含量等 尤其是对溶解度较小的Si Al Fe Mn等的影响更为明显 1 pH值 1 溶解度随pH值增高而增高 如SiO2在碱性条件易溶解搬运 酸性条件易沉淀 Fe3 PH 3时沉淀 2 溶解度随pH值增高而降低 如CaCO3弱碱性环境沉淀 Fe2 PH 5 5 7时沉淀 其氢氧化物在碱性条件易沉淀 酸性条件易溶解搬运 因此 常见石英与方解石 铁质矿物之间的交代 25 时 pH值与方解石 非晶质SiO2和石英的溶解度关系图 Blatt 1972 3 溶解度随pH值增高而变化 如Al2O3溶液pH值为4 7时沉淀 4或 7时均不能沉淀 2 Eh值主要影响变价元素 Fe Mn 的溶解度 氧化条件下易形成高价氧化物或氢氧化物 而还原条件下形成低价氧化物或氢氧化物 低价化合物的溶解度高出高价化合物几百 几千倍 故Fe Mn等变价元素在还原条件易溶解搬运 在氧化条件易沉淀 3 温度温度升降影响蒸发作用 影响Cl S Na K Mg等溶解度大的盐类物质的溶解与沉淀 只有在干热 蒸发的条件下 沉积形成石膏 硬石膏 钠盐等 称为蒸发岩 4 CO2含量主要影响碳酸盐类矿物的形成 环境温度高 压力低时 溶液中CO2含量少 溶解度小 碳酸盐类矿物易沉淀 相反 则易搬运 如泉水口碳酸盐类沉淀物的形成 海湖中 上部水体CaCO3易沉淀晶出方解石矿物 但是 下部水体方解石则易溶解 方解石晶出后 重力下沉将遭受溶解 使方解石全部溶解的最大可能深度 称为CaCO3补偿深度 CCD 其下部将没有方解石沉淀物的堆积 注 现代海洋CaCO3的补偿深度约为4000 5000m 三 化学沉积物与结构 1 化学沉积物是指由化学方式形成的沉积物 既包括直接从溶液中晶出的物质 如盐类矿物 也包括后期改造形成的矿物 如重结晶或交代形成 起胶结作用的称为胶结物 不起胶结作用的称为自生矿物 2 化学结构 结晶结构 其晶出方式与岩浆相近 故有很多相近点 环境不同 结构命名方法与岩浆岩相同 如 非晶质结构 隐晶质结构 显晶质结构 自形 半自形 它形 等粒 不等粒 似斑状 粗晶结构 中晶结构 细晶结构 微晶结构 粒度划分等同于碎屑结构 等 3 化学沉积分异作用在沉积过程中 由于各种元素和化合物的化学性质差异 导致不同组分先后沉积的过程 五 生物搬运 沉积作用与沉积物 是指在生物的生命活动中 以直接或间接方式进行的物质迁移和聚集作用 特点 历史悠久 35亿年 澳大利亚叠层石 分布广泛 地下1000m以上到地表 繁殖迅速 藻类 菌类等 作用重要 硅藻 铁藻 泥晶方解石 一 直接作用生物通过光合作用 新陈代谢 吸收大气 水 岩石圈层里的N P O C Ca Mg Si以及U Au Ag等组分 组成生物肌体和骨骼 随沉积环境演变而迁移 死亡后堆积 形成某些组分的迁移和富集 有机体 软体 转化为石油 天然气 油页岩 泥炭和煤等 硬体部分则与沉积物混杂堆积 形成岩石 如生物碎屑灰岩 礁灰岩 硅藻土 岩 等 二 间接作用1 生物化学作用生物的生命活动 改变环境的物理化学条件 pH值 Eh值 进而影响了物质的溶解度 胶体粒子电性 离子团等性质 发生组分的迁移或聚集作用 如蓝绿藻类光合作用消耗CO2 使pH值上升 有利于碳酸盐类物质沉积 如生物腐烂 分解后产生大量H2S NH3 CH4 H2气体 造成还原条件 有利于变价元素 金属硫化物搬运等 2 生物物理作用 1 藻类的粘结作用生物分泌粘液 捕获 粘结水体中细小沉积物质点 如CaCO3质点 形成叠层石等 2 生物障积作用由于生物肢体阻碍了介质流速 使介质携带的沉积物质沉积在后面 如珊瑚 海湖底的植物等 六 复合搬运 沉积作用于沉积物 是指沉积物经过物理 化学和生物的共同作用下形成 如盆地里的沉积物 前期以化学 生物化学和生物作用沉积 后期可能遭受流体冲刷 侵蚀改造破坏 形成大