第二章 沉积物搬运和沉积作用

1、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（Transportation and sedimentation of sediment）第一节第一节 概概 述述 搬运和沉积碎屑物质的流体主要是搬运和沉积碎屑物质的流体主要是流水流水和和大气大气，在高寒地，在高寒地区的区的冰川冰川和干旱地区的和干旱地区的风风也是搬运和沉积碎屑物质的营力。也是搬运和沉积碎屑物质的营力。沉积物被搬运和沉积方式的划分：沉积物被搬运和沉积方式的划分： （1）机械搬运和沉积作用）机械搬运和沉积作用 （2）溶解物质的搬运和沉积作用）溶解物质的搬运和沉积作用 （3）生物搬运和沉积作用）生物搬运和沉积作用 P19:

2、1第二节第二节 流体的一些基本知识和概念流体的一些基本知识和概念 1. 牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体和非牛顿流体 牛顿流体（牛顿流体（Newtonian fluid）服从牛顿内摩擦定服从牛顿内摩擦定律的流体。律的流体。 非牛顿流体（非牛顿流体（Non-Newtonian fluid）不服从牛顿不服从牛顿内摩擦定律的流体。内摩擦定律的流体。 作为碎屑物质搬运和沉积的流体，自然界存在两作为碎屑物质搬运和沉积的流体，自然界存在两种基本类型，即种基本类型，即牵引流牵引流和和沉积物重力流沉积物重力流。 牵引流：牵引流：牛顿流体（牛顿流体（Newtonian fluid）服从牛顿服从牛顿内摩擦定律的流体。

3、内摩擦定律的流体。 重力流：重力流：非牛顿流体（非牛顿流体（Non-Newtonian fluid）不不服从牛顿内摩擦定律的流体。服从牛顿内摩擦定律的流体。 内摩擦定律：内摩擦定律：=* *(du/dy)(du/dy) 搬运力搬运力推力推力负荷力负荷力（载荷（定义（载荷（定义P20)：溶：溶解、悬移、推移或床沙载荷）解、悬移、推移或床沙载荷）搬运力搬运力重力重力2. 急流、缓流和福劳德数急流、缓流和福劳德数 在明渠水流中按流动强度不同可分为：在明渠水流中按流动强度不同可分为：急流、缓流和临界急流、缓流和临界流流三种状态。三种状态。 这三种流态的判别标准是这三种流态的判别标准是福劳德数福劳德数(

4、Froude Numbers) (Fr)： 福劳德数福劳德数v是平均流速，是平均流速，h是水深是水深 Fr1，急流急流，超临界流，水浅流急，超临界流，水浅流急 Fr=1，临界流临界流 Fr 40时，出现时，出现“卡门涡卡门涡街街”，紊流紊流(涡流涡流) （ ）a从层流过度到紊流（ ）cRe = 40 12 0（ ）bRe = 1 4 0在背流尾迹中具有不规则旋涡的层流层流Re 1自然界中绝大数水体是紊流运动自然界中绝大数水体是紊流运动 第三节第三节 机械搬运和沉积作用机械搬运和沉积作用 一、牵引流的机械搬运和沉积作用一、牵引流的机械搬运和沉积作用 牵引流牵引流(Traction current

5、)符合牛顿流体定律的流符合牛顿流体定律的流体。其搬运机制是流体动能拖曳牵引沉积物一起运动，体。其搬运机制是流体动能拖曳牵引沉积物一起运动，如河流、风流和波浪流等。如河流、风流和波浪流等。 牵引搬运牵引搬运(牵引作用牵引作用)能使碎屑物质作底负载移动能使碎屑物质作底负载移动的各种作用的各种作用 牵引流牵引流（一）水流的机械搬运和沉积作用（一）水流的机械搬运和沉积作用 1. 流水中碎屑颗粒的搬运作用流水中碎屑颗粒的搬运作用 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，是层流还紊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，是层流还紊流，是急流还缓流；流，是急流还缓流； 还

6、与碎屑颗粒的本身特点还与碎屑颗粒的本身特点(大小、相对密度和形状等大小、相对密度和形状等)有关。有关。 （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(图解板书）图解板书） A 有效重力（有效重力（W）：重力和水体浮力的差）：重力和水体浮力的差 B 水平推移力（水平推移力（Px）：水流作用于颗粒上的顺流水方向的力）：水流作用于颗粒上的顺流水方向的力 C 垂直上举力（垂直上举力（Py）：）：水体浮力；水体浮力； 颗粒上下存在的流速差所颗粒上下存在的流速差所 引起的压力差；引起的压力差； 涡流中的上举力涡流中的上举力 【伯诺利方程】伯诺利方程】p23 D 粘结力（粘结力（Pc） （2）

7、搬运方式搬运方式 A 推移搬运（滚动搬运，包括跳跃搬运）推移搬运（滚动搬运，包括跳跃搬运） B 悬浮搬运悬浮搬运(悬移搬运悬移搬运) C 溶解搬运溶解搬运 （3） 起动条件（起动条件（P25:3) 粒径对数坐标，m m流速对数坐标，c m /s继续搬运流速曲线开始搬运流速曲线1 0 0 01 0 01 01 .00 .10 .0 0 10 .0 10 .11 .01 01 0 0尤尔斯特隆图解尤尔斯特隆图解 碎屑物质在流水中的搬运和沉积，流速和颗粒大小之碎屑物质在流水中的搬运和沉积，流速和颗粒大小之间的关系最为关键。间的关系最为关键。 砾砂粉砂侵蚀 未固结的粘土和粉砂沉积搬运尤尔斯特隆的曲线（

8、）1939森德伯格的修正曲线（）1956固结粘土和粉砂颗粒直径，-6-4-2024680.51248163264128256512流速，c m /s经森德伯格经森德伯格(Sundborg，1956)修改过的修改过的尤尔斯特隆图解尤尔斯特隆图解 碎屑物质在静水中下沉情况可用斯托克斯实验公式表示碎屑物质在静水中下沉情况可用斯托克斯实验公式表示(G.G.Stokes，1850)： (适用于粒径适用于粒径0.06mm粒径的石英砂粒者为高密度流，否则为粒径的石英砂粒者为高密度流，否则为低密度流低密度流 浊流常具有粒序层理，自上而下粒度变粗浊流常具有粒序层理，自上而下粒度变粗 海底浊流海底浊流2. 碎屑流

9、碎屑流(泥石流）泥石流） 是一种砾、砂、泥和水相混合的高密度流体，泥和水是一种砾、砂、泥和水相混合的高密度流体，泥和水相混合组成的杂基支撑着砂、砾使之呈悬浮状态被搬运。相混合组成的杂基支撑着砂、砾使之呈悬浮状态被搬运。 3. 颗粒流颗粒流 是一种由无凝聚力颗粒（主要是砂、砾）所组成的重力流。由是一种由无凝聚力颗粒（主要是砂、砾）所组成的重力流。由于颗粒的相互碰撞所产生的向上支撑力，阻止了颗粒从流动中沉积下于颗粒的相互碰撞所产生的向上支撑力，阻止了颗粒从流动中沉积下来。来。 4. 液化沉积物流液化沉积物流 （1）当沉积物缓慢沉积时，沉积物的重量全由固态颗粒支撑，）当沉积物缓慢沉积时，沉积物的重量

10、全由固态颗粒支撑，此时孔隙压力为流体静压力，颗粒与流体处于平衡状态。此时孔隙压力为流体静压力，颗粒与流体处于平衡状态。 （2）当快速堆积时，碎屑重量可传递给孔隙间流体，使孔隙）当快速堆积时，碎屑重量可传递给孔隙间流体，使孔隙间流体压力超过静压力，即产生超孔隙压力，使流体向上流动能以支间流体压力超过静压力，即产生超孔隙压力，使流体向上流动能以支撑颗粒呈悬浮状，沉积物强度就减弱为零，即沉积物发生撑颗粒呈悬浮状，沉积物强度就减弱为零，即沉积物发生“液化液化” （3）常见于砂和粉砂沉积物中。）常见于砂和粉砂沉积物中。冰碛物冰碛物冰川携带的碎屑物质冰川携带的碎屑物质冰川具有巨大的搬运能力冰川具有巨大的搬

11、运能力南极大陆冰盖南极大陆冰盖三、冰川的搬运和沉积作用三、冰川的搬运和沉积作用 在寒冷的两极地区和高寒山区，冰川的搬运及沉积作用是主要的。在寒冷的两极地区和高寒山区，冰川的搬运及沉积作用是主要的。 冰碛物的基本特征：冰碛物的基本特征： （1） 结构疏松，大小混杂，分选极差；结构疏松，大小混杂，分选极差； （2）冰碛物中砾石磨圆极差；）冰碛物中砾石磨圆极差； （3）一般缺乏层理构造。）一般缺乏层理构造。 冰蘑菇（冰川飘砾）冰蘑菇（冰川飘砾）冰川飘砾冰川飘砾四、四、 碎屑物质在流水搬运过程中的碎屑物质在流水搬运过程中的变化变化 1.成分上的变化：不稳定组分逐渐减少，稳定组分则相应增加，同其它组成分

12、上的变化：不稳定组分逐渐减少，稳定组分则相应增加，同其它组分也就变得更加简单了。分也就变得更加简单了。 2. 碎屑颗粒度逐渐变小碎屑颗粒度逐渐变小 3. 碎屑颗粒的圆度逐渐变好碎屑颗粒的圆度逐渐变好 4. 碎屑颗粒的球度也有所增高碎屑颗粒的球度也有所增高 一、溶解物质一、溶解物质 母岩风化产物中的溶解物质，主要为母岩风化产物中的溶解物质，主要为Cl、S、Ca、Na、K、Mg、P、Si、Al、Fe 等。等。 前面的溶解度前面的溶解度较大，多呈真溶液；较大，多呈真溶液； 后面的溶解度较小，后面的溶解度较小，多呈胶体溶液。多呈胶体溶液。 它们均呈溶解状态，在河水或地下水中，向湖泊和海洋中转移。它们均

13、呈溶解状态，在河水或地下水中，向湖泊和海洋中转移。 第四节第四节 化学和生物搬运和沉积作用化学和生物搬运和沉积作用 1. 胶体溶液物质的搬运和沉积作用胶体溶液物质的搬运和沉积作用 胶体：一种物质的细微质点分散在另一种物质中的不均匀分散体系。胶体：一种物质的细微质点分散在另一种物质中的不均匀分散体系。 胶体质点一般介于胶体质点一般介于1001m之间，多呈分子状态。之间，多呈分子状态。 胶体质点常有电荷。胶体质点常有电荷。 胶体沉积物的特征：胶体沉积物的特征： 常呈钟乳状、肾状、豆状、胶冻状等常呈钟乳状、肾状、豆状、胶冻状等 常具贝壳状断口常具贝壳状断口 多为含水矿物，且含水量很不固定多为含水矿物

14、，且含水量很不固定 其化学成分也不够固定其化学成分也不够固定 常具离子交换性及吸附性常具离子交换性及吸附性 常失水干裂老化或重结晶常失水干裂老化或重结晶2. 真溶液物质的搬运和沉积作用真溶液物质的搬运和沉积作用 母岩风化产物中的真溶液物质主要是母岩风化产物中的真溶液物质主要是Cl、S、Ca、Na、K、Mg等，等，P、Si、Al、Fe、Mn等也可部分呈真溶液状态。等也可部分呈真溶液状态。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 溶解度越大，越易搬运，越难沉积。溶解度越大，越易搬运，越难沉积。溶解度越小，越易沉积，越难搬运。溶解度

15、越小，越易沉积，越难搬运。 Fe、Mn、Si、Al等溶解物质的溶解度较小，易于沉淀，等溶解物质的溶解度较小，易于沉淀，在它们的搬运和沉积作用中，水介质的各种物理化学条件的影在它们的搬运和沉积作用中，水介质的各种物理化学条件的影响十分重要。响十分重要。 各种铁、锰矿物生成时所需要的各种铁、锰矿物生成时所需要的pH值及值及Eh值值SiO2及及CaCO3的溶解度的溶解度与介质与介质PH值的关系值的关系Al2O3的溶解度与介质的溶解度与介质PH值的关系值的关系 对于溶解度大的物质的搬运和沉积作用，水介质的影响不对于溶解度大的物质的搬运和沉积作用，水介质的影响不大。它们只有在干热的气候条件下，在封闭或半

16、封闭的盆地中，大。它们只有在干热的气候条件下，在封闭或半封闭的盆地中，或在水循环受限制的潮上地带，即在蒸发条件下，才能沉积下或在水循环受限制的潮上地带，即在蒸发条件下，才能沉积下来。如石膏、硬石膏、钠盐、钾盐、镁盐等。来。如石膏、硬石膏、钠盐、钾盐、镁盐等。二、生物的搬运和沉积作用二、生物的搬运和沉积作用 生物在母岩风化产物的搬运和沉积过程中起着重要的作用，不少沉积生物在母岩风化产物的搬运和沉积过程中起着重要的作用，不少沉积岩和沉积矿产的形成都与生物作用有关，或直接由生物作用而形成。如碳岩和沉积矿产的形成都与生物作用有关，或直接由生物作用而形成。如碳酸盐岩、磷酸盐岩、沉积铁矿、硅藻土、白垩、煤

17、、油页岩和石油等。酸盐岩、磷酸盐岩、沉积铁矿、硅藻土、白垩、煤、油页岩和石油等。在各类生物中，尤以藻类和细菌等微生物在沉积岩和沉积矿产形成作用在各类生物中，尤以藻类和细菌等微生物在沉积岩和沉积矿产形成作用中的意义较大。中的意义较大。生物的搬运和沉积作用有两种方式：生物的搬运和沉积作用有两种方式： 生物通过新陈代谢作用，在其生活过程中不断地从周围介质中吸取一生物通过新陈代谢作用，在其生活过程中不断地从周围介质中吸取一定的物质成分，从而把一些元素富集起来定的物质成分，从而把一些元素富集起来 。 另一种方式是由于生物作用而引起的周围介质条件的改变，从而影响另一种方式是由于生物作用而引起的周围介质条件

18、的改变，从而影响某些物质的搬运和沉积。某些物质的搬运和沉积。 各种生物壳体是形成生物灰岩的主要成分各种生物壳体是形成生物灰岩的主要成分生物碎屑灰岩生物碎屑灰岩棘屑灰岩里大量出现海百合茎化石示底构造示底构造生物礁的造礁生物藻粘结形成叠层石藻粘结形成叠层石 2. 机械沉积分异作用机械沉积分异作用(mechanical sedimentary (mechanical sedimentary differentiation)differentiation)碎屑物质在搬运和沉积过程中，当介质运动的速度碎屑物质在搬运和沉积过程中，当介质运动的速度和运移的能力在一定的方向上作有规律的变化时，它们也相应按照颗

19、粒大和运移的能力在一定的方向上作有规律的变化时，它们也相应按照颗粒大小、密度和形状发生分异，依次沉积。小、密度和形状发生分异，依次沉积。 第五节第五节 沉积分异作用沉积分异作用 3. 沉积分异作用包括：沉积分异作用包括： 粒度分异粒度分异 相对密度的分异相对密度的分异 形状上的分异，片状碎屑颗粒较粒状碎屑颗粒搬运远，形状上的分异，片状碎屑颗粒较粒状碎屑颗粒搬运远， 成分分异成分分异 1. 沉积分异作用：沉积分异作用：母岩风化产物以及其它来源的沉积物，在搬运和母岩风化产物以及其它来源的沉积物，在搬运和沉积过程中按照颗粒大小、形状、比重、矿物成分和化学成分在地表依沉积过程中按照颗粒大小、形状、比重、矿物成分和化学成分在地表依次沉积下来。次沉积下来。 一、一、 碎屑物质在流水搬运及沉积作用过程中的分异作用碎屑物质在流水搬运及沉积作用过程中的分异作用 二、二、