沉积岩石学-第2章 kong沉积岩的形成演化（2）

1,第二章 沉积岩的形成与演化,第1节 物质来源母岩的风化产物第2节 碎屑物质的搬运与沉积作用第3节 溶解物质的搬运与沉积作用第4节 沉积后作用及其阶段的划分,2,3,碎屑物质的搬运与沉积作用,*一、机械搬运和沉积作用*二、碎屑物质在水流中的搬运和沉积作用*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六、正常沉积作用和事件沉积作用,4,母岩的风化产物:(1)原地形成风化壳，(2)大部分搬运到沉积盆地。 搬运过程中物质还要发生机械破坏和化学分解。搬运介质能量减弱，会发生沉积，沉积下来的物质可直接进入成岩阶段，也可能被再次搬运。物质搬运和沉积的营力：主要有流水，其次为风、冰川、重力、生物等等。,物质的搬运和沉积作用,5,*物质搬运和沉积的方式：机械搬运和沉积：搬运碎屑物质、不溶残余物质搬运方式滑动、滚动、跳跃和悬浮。滑动、滚动和跳跃又称推移搬运或床沙搬运；悬浮搬运又称悬移搬运。化学搬运和沉积：被搬运物质溶解物质搬运方式真溶液、胶体溶液或络合物。生物搬运和沉积：被搬运物质溶解物质、内源粒屑物质及部分粘土物质 搬运方式生物生理作用、生物物理作用、生物化学作用。,6,一、机械搬运和沉积作用,（一）有关流体力学的几个基本概念1. 牵引流与重力流牵引流是指使碎屑物质作牵引运动的流体。从流体力学性质来看，凡服从牛顿内摩擦定律的流体称作牛顿流体,内摩擦定律可表示为：,式中： 为单位面积上的内摩擦力； 是动力粘滞系数。,7,牛顿通过实验发现相邻液层之间内摩擦力F的大小（1）与du/dy成正比；（2）与液体的接触面积成正比；（3）与液体的性质有关；（4）与接触面上的法向应力无关。,当液体流动时，液体质点之间存在着相对运动，液体质点之间会产生一种摩擦力阻碍液体的相对运动，液体的这种性质称为粘滞性，这种质点之间的内摩擦力也称为粘滞力。,补充,8,牛顿内摩擦定律：当液体内部的液层之间存在相对运动时，相邻液层间单位面积内摩擦力的大小与流速梯度成正比，与液体的性质（即粘滞性）有关，而与接触面上的压力无关。,凡服牛顿内摩擦定律流体称牛顿流体，如：水、空气、乙醇等。否则为非牛顿流体，如泥浆、沉积物重力流等。,补充,9,牛顿内摩擦（黏性）定律指出，在纯剪切流动中相邻两流体层之间的剪应力（或粘性摩擦应力）为式中du/dy，即垂直流动方向的法向速度梯度。即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。也可表示为：,10,（二） 层流、紊流与雷诺数,自然界的流体按其流动特点分两种流动型态。层流是一种缓慢的流动，流体质点作有条不紊的平行的线状运动、彼此不相掺混。紊流是一种充满了漩涡的急湍的流动，流体质点的运动轨迹极不规则，其流速大小和流动方向随时间而变化，彼此互相掺混。,11,层流与紊流的判别依据是雷诺数：,临界雷诺数：液流型态开始转变时的雷诺数。 对圆管： 对明渠及天然河道,式中： 动力粘滞系数（动力粘度）； 运动粘滞系数（运动粘度）， / 。,12,层流与紊流的判别依据是雷诺数：,临界雷诺数：液流型态开始转变时的雷诺数。 对圆管： 对明渠及天然河道,Re1 层流 Re 40 现卡门涡街、 紊流,13,自然界绝大多数水体是紊流运动。与固体边界接触处:固体边界效应，如河道底和两壁?思考：河道底和两壁，流动仍是( 力)起主导作用下的流动，流体运动型态仍属( )，所以称此层为( )。,14,流动仍是( 粘滞力 )起主导作用下的流动，流体运动型态仍属(层流 )，所以称此层为( 层流底层/粘性底层 )。,层流底层的厚度是随雷诺数的增加而减小的,意义重大。,15,层流和紊流力学性质不同：紊流:粘滞切应力，惯性切应力。另漩涡扬举作用层流:粘滞切应力。那类流体中搬运能力强？紊流？层流？,16,层流和紊流不同：对沉积物的阻力：紊流:粘滞阻力，惯性阻力。层流:粘滞阻力。因此在那类流体中沉积物更易沉积？紊流？层流？,17,（三） 缓流、急流和佛劳德数,明渠中由于流速与波速的比值不同而出现的两种不同性质的水流形态。流速小于波速，外界干扰引起的水面波动能逆流上传的水流称为缓流。缓流水势平稳，遇到底部障碍物时水面下跌。流速大于波速，外界干扰引起的水面波动不能上传的水流称为急流。急流水势湍急，遇到底部障碍物时水面隆起，一跃而过（图1）。,18,自然界中，决定水流平稳与否的因素除流速外还有水深。水流的总牵引力是随流速的增大或水深的减小而增大。这个总牵引力称为水动力，在水力学中用佛劳德数来衡量（动能/势能）：,19,在水力学中用佛劳德数来衡量：,20,牵引流和沉积物重力流1.牵引流由自身运动并驱使沉积物运动的流体称为牵引流。沉积物是其中的载荷，沉积物以各种底形运动（推移载荷）和悬浮运动(悬移载荷)的形式搬运沉积。牵引流是服从内摩擦定律的牛顿流体。含少量沉积物的流水(如河流、海流、触及海底的波浪流属牛顿流体)和大气流都是牵引流。在沉积学范畴中牵引流是最常见的。,（四）两类流体及其搬运和沉积作用方式,21,牵引流的搬运力表现在两个方面：一是流体作用于沉积物上的推力(即牵引力)，推力的大小主要取决于流体的流速，推力愈大则能搬运的沉积物颗粒就大，二是负荷力(或称载荷力)，负荷力的大小取决于流体流量，负荷力愈大则能搬运的沉积物数量就愈多。推力大不一定负荷力就大，反之亦然。,22,2.重力流重力流（沉积物重力流）是一种在重力下流动的弥散有大量沉积物的高密度流体。沉积物重力流是不服从内摩擦定律的非牛顿流体。沉积物重力流主要以悬移载荷方式搬运。浊流、泥石流等都属沉积物重力流。重力流在流动过程中是重力驱使沉积物运动进而带动隙间流体运动，这是它与牵引流的本质区别。,23,*二、碎屑物质在流水中的搬运和沉积作用,碎屑颗粒在流水中的搬运和沉积，主要与水的流动状态关系密切（层流？紊流？急流？缓流？）；还与碎屑颗粒本身特点（大小、比重、形状）等有关。 碎屑颗粒由静止状态进入运动状态时的临界水流条件称作碎屑颗粒的起动条件。促使颗粒运动的力阻止颗粒运动的力，颗粒会？反之？因此要研究起动条件必须首先分析颗粒在水中的受力状况，由于受力状况不同，可出现滑动、滚动、跳动和悬浮的各种搬运方式。,24,1、搬运方式：流水搬运碎屑物质的方式主要有三种：滚动搬运：即较粗粒的碎屑沿流水的底部呈移动、滚动式地前进。跳跃搬运：碎屑一边跳跃一边向前搬运。比如砂级的碎屑。（滚动搬运和跳跃搬运也可统称为推移搬运）悬浮搬运：对细碎屑，如粉砂、粘土等。,25,1.1 碎屑颗粒在水中的受力分析,26,*1.2. 碎屑颗粒的搬运方式及特点,当Px WPy时，碎屑颗粒开始滑动；当Pxl1+Pyl2Wl3时，碎屑开始滚动；当PyW，碎屑开始跳跃；细小的颗粒Pc较大，一旦脱离床底，由于W较小，则很难下沉，则进入悬浮状态。,27,碎屑颗粒的沉速主要与颗粒的粒度、比重、形状和水介质的性质(如水的流速、比重、粘度)等有关。它们之间的关系可用斯托克 (G.G.Stokes,1850)公式表示：,式中：V颗粒的沉降速度(毫米/秒)，d1颗粒的比重d2介质的比重，g重力加速度(毫米/秒2)r球体(球状颗粒)的半径(毫米)介质的粘度(克/毫米秒或泊),2、机械沉积作用,28,29,斯托克公式适用于：粒径小于0. 1毫米球形颗粒，表面光滑，水温200C，静水或层流条件。 假如颗粒不是球形，则沉速会有所不同，实验证明，假定球形颗粒的沉速为100，则椭球形颗粒的沉速为8461（体积相同的前提下），立方体为74，长柱体为50，片状颗粒为8038。 由此可见，球形颗粒沉速最大，片状颗粒沉速最小，所以，片状矿物（如白云母）常被搬运的很远，与较细的粉砂、粘土沉积在一起。,斯托克公式只在静水和层流中适用，可探讨碎屑颗粒的机械沉积作用.,30,（2）尤尔斯特 隆图解：由图可以看出： 始动流速比继续搬运流速大。 0.052毫米颗粒：易搬运、易沉积，常呈跳跃式前进。2毫米的颗粒：不易搬运、易沉积，多呈滚动式搬运。0.05毫米颗粒：不易搬运、不易沉积，呈悬浮式搬运。,31,l *经森德伯格修改过的尤尔斯特隆图解： 始动流速被分为二条：未固结的和固结的。由图可知固结的始动流速高于未固结的。且未固结的始动流速线粘土、粉砂段比尤氏图解低了。,图示为水深1米的河床上石英颗粒发生侵蚀、搬运和沉积的临界流速,32,33,3. 搬运过程中碎屑物质的变化,碎屑物质在搬运过程中，由于颗粒间的碰撞和摩擦，流体对颗粒的分选作用，以及持续进行的化学分解和机械破碎，使得碎屑物质在搬运过程中要发生变化。,34,随着碎屑物质被流水搬运的时间和距离的增长，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。,35,（1）成分的变化由于搬运过程中的化学分解、机械的破碎和磨蚀作用，随着搬运距离和时间的增长不稳定组分（如铁镁矿物、长石等）逐渐减少，而稳定组分（如石英、燧石等）的含量则相对增加。从而使碎屑物质的成分变得更加简单。,36,（2）碎屑颗粒形状和大小的变化在搬运过程中，圆化，粒度逐渐变小，们称之为磨蚀作用和细粒化作用。碎屑颗粒磨蚀的程度与搬运的距离有关，同时也与碎屑颗粒搬运的方式和碎屑颗粒本身的性质有关。一般来说搬运距离长、推移搬运、矿物的硬度低、易破碎的碎屑磨蚀相对较强，反之磨蚀相对较弱。,37,（3）碎屑颗粒均匀程度的变化在某一沉积环境（或某一地段）中，当流入水动力大于流出水动力时，在该环境中沉积下来的最大和最小碎屑的粒径，将分别对应于流入和流出的水动力，更大的碎屑不会被带入，更小的碎屑则会被带出该环境，也就是说，只有一定粒度范围的碎屑才会在该环境中沉积或静止下来。碎屑颗粒的粒度大小与环境的水动力大小相对应，而碎屑颗粒大小的均匀程度则随环境水动力的稳定性相一致。这种环境条件使沉积碎屑物大小趋于均匀的作用称为分选作用。碎屑颗粒大小均匀的程度称为分选性。,38,4. 机械沉积分异作用： 母岩的风化产物在搬运和沉积过程中，根据其本身的特性，在外部条件的影响下，按一定顺序沉积下来，称为沉积分异作用。主要受物理因素支配 粒度分异： 碎屑物质在搬运过程中，粗粒者首先沉积，细粒者后沉积。结果沿着搬运方向，从物源区起由近而远依次沉积：砾（岩）、砂（岩）、粉砂（岩）、粘土（岩），沉积物分选越来越好，并作有规律的带状分布。搬运的时间和距离越长，这种粒度分异现象越明显。,39,密度分异： 密度大者首先沉积，搬运距离较近；密度小者后沉积，搬运距离较远。 形状分异： 碎屑物质的搬运还受其形状的影响。比如，同样大小的粒状碎屑不如片状碎屑搬运的远。 成分分异： 不同成分的碎屑，其粒度、密度、形状上都有所不同，所以，粒度、密度、形状上的分异必然导致成分上的分异。 在碎屑物质的搬运和沉积过程中，上述各种分异作用同时进行。,40,三、碎屑物质在海、湖水体中的搬运和沉积作用,（一）碎屑物质在海水中的搬运和沉积作用： 1、波浪： 浪底（波基面）：指波浪所能影响的最大深度位置。一般4060米，最深不超过200米。波浪通过时，水质点的运动特征：海水作波浪式运动时，其中水质点基本是在原地作圆周运动，而很少向前移动。,41,波浪作用机理：,横向搬运：假定波浪的运动方向（即波浪法线的方向）是垂直海岸的，而海底又位于浪底之上。由于海底常有一定的坡度，波浪向岸方向的推力和向海方向的回返力在海岸带的不同位置其关系是不同的，从而使碎屑物质在波浪作用下呈现三种运动状态：,42,波浪作用机理：,三种运动状态：远岸的较深水地区：上推力回返力重力，碎屑往复运动、向海方向的运动。 较浅水地区：上推力=回返力重力，碎屑只作往复运动近岸的更浅水地区：上推力回返力重力，碎屑往复运动、向岸方向的运动。,43,表面波向岸传递，总趋势是沉积物向海搬运,44,纵向搬运：在大多数情况下，海浪运动方向与海岸是斜交的，此时海底碎屑的运动路线不再是简单的直线式往返，而是呈复杂的“之”字形轨迹，总趋势是大致平行海岸移动。,45,沉积：由于波浪和潮汐的作用，可在滨海带形成沙滩、沿岸沙堤及水下沙坝沉积；碎屑在纵向运移过程中，若遇河口、海湾处，或是外侧有岬角、岛屿遮掩，使流速减低，都会沉积下来，形成各种形状的海滩、砂嘴、连岛砂坝等滨岸沉积。,46,波浪与流水相似，但由于表层流速大于底部流速，故波浪对海底的粗碎屑物质影响较小，常搬运的是上部的溶解物质和悬浮物质。波浪的搬运主要发生在浅海陆棚区。 潮汐作用对海岸沉积物的改造和形成也有很大影响，但潮汐作用的强度要比波浪弱。 碎屑物质在流水中的搬运，主要是呈单向的前进运动，而水盆地中的搬运既有单向运动(如海流)、也有往复的运动(如波浪及潮汐)。海洋对沉积物的改造比河流大，所造成的海相碎屑沉积物分选好、磨圆好、岩石的结构成熟度及成分成熟度均高。,47,风暴浪风暴浪可构成比正常波浪更深的浪基面，其最深可达200米。由于风暴浪的作用，可使原来沉积的浅海沉积物被冲刷，并携带进行再搬运沉积，形成风暴沉积物。,48,49,2、潮汐： 潮汐作用可以冲刷海底，清扫河口，搬运泥沙，在海洋地质作用中占有重要的地位。 水体大规模的涨潮和落潮也使水底碎屑物质作相应的往返运动，也冲刷部分海底沉积物向岸或向海搬运，这一点近似波浪。 其不同于波浪的地方是有“憩流期”（即涨潮转落潮或落潮转涨潮时，潮流流速近于零），可在河口海湾或平坦开阔海岸地区形成大面积泥质沉积 。,50,3、近岸流： 当波浪运动方向斜交于海岸时，进流与退流不在同一方向上往复，形成沿岸流和循环流。近岸流对滨岸带碎屑物质的搬运和沉积作用以及岸线变动都有较大的影响。,波长变小，波高增大，前坡变陡后坡变缓，波形越来越不对称,51,（二）碎屑物质在湖水中的搬运和沉积作用：,1、湖浪：湖浪的浪基面一般小于20米，因此，湖浪的搬运和沉积作用主要表现在滨岸的浅水地带，其作用机理与海浪相近似。 由于湖浪的搬运和沉积作用，使湖泊中碎屑物质的机械分异作用明显。 2、湖流：湖流通常由于风的拖曳力、大气压不平衡、河水注入的惯性等因素引起，影响碎屑物质的搬运和沉积。,52,53,四、碎屑物质在空气中的搬运和沉积作用 （一）与流水的搬运及沉积作用相比，风的搬运与沉积作用有以下特点： 1、搬运能力比水小，一般只搬运细粒碎屑（砂以下）。 2、风成沉积物的粒度分选性较好。 3、较粗的风成沉积物圆度较好，颗粒常见“霜状”表面。,54,（二）风的三种搬运方式： 1、跳跃：为主，占7080%，一般是0.5毫米颗粒，尤其细砂（0.10.3毫米）最为活跃。 2、蠕动（滚动）：20%，一般是0.52、3毫米颗粒，更大的颗粒一般原地不动。跳跃和蠕动搬运距离近，多在来源地附近堆积形成砂丘。 3、悬浮：10%，小于0.10.2毫米的颗粒，可搬运很远。 （三）常见的风成沉积： 沙漠沙丘、滨海沙丘、滨湖沙丘、河漫沙丘和黄土等。,55,56,（四）沙丘的形成与移动： 形成：在风速降低时，超载荷的颗粒降落堆积聚集成彼此分散的沙堆。沙堆形成后就起障碍作用，可逐步加高增大发展成沙丘。,57,移动：当砂的供给很充足时，迎风坡和背风坡均有沉积；当供应不充足时，迎风坡被侵蚀而背风坡沉积，沙丘就不断向前移动。,58,五、碎屑物质在冰川中的搬运和沉积作用,1、冰川的搬运与堆积 （1）搬运,冰川在运动过程中，不仅具有强大的侵蚀力，而且还能携带冰蚀作用产生的许多岩屑物质，接受周围山地因冰融风化、雪崩、泥石流等作用所造成的坠落堆积物。它们不加分选地随着冰川的运动而位移。这些大小不等的碎屑物质，统称为冰碛物。冰碛物中的巨人石块称为漂砾。,59,60,（2）堆积 随着冰川的衰退，冰川携带的冰碛物就相应地被堆积下来。当冰川的冰雪积累与消融处于相对平衡阶段时，冰川边缘比较稳定冰川源源不断地将上游的表碛、中碛、内碛等各类冰碛物向下游运送，直至冰川末端堆积；部分底碛还沿冰川前缘剪切滑动面上移，并暴露在冰面，当冰体消融后，也堆积于冰川边缘地带：若冰川迅速消退，冰体大量融化后，表碛、中碛、内碛等各种冰碛物就地坠落，即运动冰碛转化为消融堆积冰碛，从而形成了各类冰碛沉积物和地貌特征。,61,2、冰碛物基本特征 由砾、沙、粉砾、粘土物质组成的泥混杂堆积、分选性差； 砾石磨圆度差，擦痕、磨光面、石英沙粒 棱角尖锐，在冰川研磨下颗粒常具贝壳状断口； 冰碛物里的矿物成分和冰川源头、冰川下覆基岩 性质一致； 冰碛物般缺乏层理构造，砾石排列有时略具定向性，漂砾长轴与冰川流向基本一致，扁平面倾向上游。在冰碛物的表层与下层之间，常