风化作用概述

1、风化作用概述第1页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四一、概念 沉积岩(Sedimentary rocks)： 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(Magmatic rocks, Igneous rocks)： 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

2、成岩或水体沉淀 固结成岩）第2页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四二、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”。第3页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（二）化学成分 1. Fe2O3 FeO（氧化强烈）。 2. K2O +Na2

3、O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。第4页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四沉积岩与岩浆岩平均矿物成分对比表矿物种类沉积岩%岩浆岩% 粘土矿物沉积铁质矿物白云石及部分菱铁矿方解石石膏及硬石膏磷酸盐矿物有机物质14.514.009.074.250.97

4、0.150.73白云母石英榍石及钛铁矿磁铁矿正长石钠长石15.1134.800.020.0711.024.553.8520.401.453.1514.8525.60钙长石黑云母角闪石辉石橄榄石9.803.861.6612.102.65第5页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（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。第6页，共90页，2022年，

5、5月20日，15点40分，星期四三、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，0.23km，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%。统计方法页岩（%）砂岩（%）石灰岩（%） 地球化学方法（F.T.Mackenzie，1971）81118地层剖面厚度552520第7页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四四、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

6、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。第8页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四五、沉积岩石学（Sedimentary Petrology）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

7、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。第9页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四六、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

8、、电子探针、红外光谱、原子吸收光谱、扫描电镜等。第10页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四参考书 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11页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四第十四章 风化作用第12页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四青藏高原物理风化（4000m）一、风

9、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）第13页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（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

10、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=Fe2O3nH2O+4H2SO4 黄铁矿 赤铁矿或褐铁矿 硫酸第14页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四2.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=Fe2O3nH2O 赤铁矿 褐铁矿 2KAlSi3O8+2H2

11、O K1Al2（Si,Al)4O10(OH)2nH2O 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。 4KAlSi3O8+6H2O Al4（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。第15页，共90页，2022年，5月

12、20日，15点40分，星期四4.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+nH2O CaCO3+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+H2O Ca（HCO3）2 4KAlSi3O8+2CO2+4H2O 2K2CO3+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

13、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。第16页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（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第17页，共90

14、页，2022年，5月20日，15点40分，星期四三种风化作用的关系 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。第18页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四二、元素的风化分异性 是指在特定的条

15、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= Kxx元素的水迁移系数 mxx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。第19页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四 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=n10n102 ） Cl、Br、I 、S 2）易迁移元素：（

16、Kx=nn10 ） Ca、Mg、Na、F、Sr、K、Zn 3）迁移元素：（Kx=n10-1n ） Cu、Ni、Co、Mo、V、 Mn、Si（硅酸盐）、P 4）惰性（微弱迁移）元素：（Kx n10-1） Fe、Al、Ti、Sc、Y、TR （稀土元素）、。 5）几乎不移动的元素：（Kx n10-10） Si（石英）第20页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四该分类说明： 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

17、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。第21页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四三、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+、N

18、a+、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。第22页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四3. 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

19、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”。第23页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四四、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

20、。 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。第24页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四2.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

21、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 高岭石第25页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四4. 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+2H2O H4SiO4 H4SiO4 H+ H3SiO4 -SiO2的溶解度与酸碱度（pH）和温度的关系图（等，1974）第26页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四五、风化带中主要造岩矿物稳定性分类表不稳定矿物次稳定矿物稳定矿物橄榄石辉石、角闪石基性

22、斜长石白云石方解石金属硫化物白云母钾长石中酸性斜长石黑云母、伊利石磁铁矿、帘石、磷灰石榍石、十字石、石榴石石 英高岭石 （轻矿物）锆 石（Z）金红石（R） （重矿物）电气石（T）高价铁、锰、铝的氧化物或氢氧化物（红土）第27页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四六、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

23、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。第28页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四花岗岩风化产物类型石英钾长石 SiO2 残留不变 K2O 成为碳酸盐、氟化物进入溶液 Al2O3 、SiO2 水化后成为含水铝硅酸盐砂粒溶解物粘土更长石 Na2O 成为碳酸盐、氟化物进入溶液 CaO 成为碳酸盐溶于CO2的水中 Al2O3 、SiO2 （同钾长石）溶解物溶解物粘土白云母 H2O K2O 残留

24、不变 Al2O3 SiO2 云母碎片黑云母 H2O K2O （Mg，Fe) O 成为碳酸盐、氟化物进入溶液，碳酸铁氧化为赤铁矿、褐铁矿等 Al2O3 、SiO2 成为含水铝硅酸盐，部分SiO2溶于水溶解物可溶解的色素物粘土锆石ZrO2 SiO2 残留不变砂粒磷灰石Ca3PO42（F，Cl）溶解或不变溶解物或砂粒第29页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四七、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）第30页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四本章重点：

25、 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31页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四第十五章 搬运、沉积作用与碎屑物第32页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四一、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

26、相互独立。 （一）搬运介质 水（河、湖、海、地下水等） 空气（风） 冰川 生物第33页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（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。第3

27、4页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（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

28、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。第35页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四二、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

29、底部水流方向河流表面流速梯度流速0第36页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（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。第37页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（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

30、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（Reynolds Number ，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）紊流层流层流紊流第38页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四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 =v d/ = v d/ 密度 v平均流

31、速 d管道直径 （）粘滞系数 对于管道流，Re2000为层流，Re2000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。第39页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（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

32、）缓流（b）遇到障碍物时的流动特点 （华东水利学院，1979）急流缓流第40页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四 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） 第41页，共90页，2022年，5月20日，1

33、5点40分，星期四三、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第42页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（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，

34、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 （，1982）合力第43页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四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

35、流态（Blatt等，1972）第44页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（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）第45页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四水力学意义 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）0.052mm的砂粒，尤其是细砂，要求

36、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。第46页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四 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

37、变化，流水所能搬运最大悬浮和滚动颗粒的关系曲线（，1975）第47页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（3）碎屑物沉降速度 斯托克斯（，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

38、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8461，立方体为74，长柱体为50，片状为8038。片状颗粒搬运最远，与泥沙在一起。第48页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四2.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

39、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。 第49页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四搬运方式 （1）跳跃：占7080%，一般是0.5mm颗粒，尤其细砂（0.10.3mm）最为活跃，呈弓形轨迹，角度一致（1016）。 （2）蠕动（滚动）：20%，一般是0.52mm， 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0.10.2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

40、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（，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）第50页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四3.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，

41、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。 第51页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四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

42、质研究所，1979） 第52页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（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。第53页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（1）泥石流（碎屑流） 水介质中含有大量的粘

43、土和砂（水含量仅4060%），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。第54页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（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

44、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

45、流扰动作用重力作用紊流作用第55页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四2.浊流发育阶段 鲍玛（，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（，1942）突发高速型浊流的形成示意图（，1962）风暴流沉积形成的理想

46、成因示意图类理想的风暴岩垂向层序（据艾格尔，1982）第56页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四3.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（，1973）第57页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四4.鲍马层序粒 度分层编号鲍马层序分段 （1962）解 释泥E内浊流沉积（一般为页岩）深海沉积作用或细粒的、低密度浊流沉积作用粉

47、砂D上平行纹层（水平层理）？C波纹、波状、包卷交错层理下降流动体制的下部 细砂 粗砂底部含 砾 石B下平行纹层（平行层理）上升流动体制形成的平坦床沙A块状、粒序层理底部发育槽模上升流动体制快速沉积作用或流沙形成（？）第58页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（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。第59页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四粒度划分方法：1）自然粒级法 砾 2mm 砂 20.05mm 粉砂

48、0.050.005mm 泥 0.005mm 适用于水利学研究，与尤氏图相吻合。2）粒级法 = -2d d颗粒直径（mm） 有利于粒度统计与绘图。第60页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四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。粒级值与mm教材粒级值与mm教材粒级值与mm教材砾巨砾-8 2561000砂极粗砂/巨砂-10 2121粉砂粗粉砂45 0.0630.03150.050.03卵石-8-6 642562501000粗砂01 10.510.5粗砾-6-4 166450250中砂12 0.50.250.50.25细粉砂58 0.03150.

49、00390.030.005中砾-4-2 4161050细砂23 0.250.1250.250.1细砾-2-124210极细砂/微砂34 0.1250.0630.10.05泥 80.00390.005第61页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（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。F1F2 ，分选好； F1和F2 差值越大，分选越差）第62页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（3）圆度 碎屑棱角被磨圆

50、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。第63页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（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。 第64页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（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

51、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。第65页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（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

52、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。第66页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四 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

53、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成熟度级别结构特征可能的沉积环境圆度分选度杂基含量%极不成熟差差15大陆泥石流、洪积物、冰磯物不成熟差差515洪积物、河流、浅湖次成熟差中等5洪积物、河流、浅湖、风成沙丘成熟中等好5河流、风成沙丘、海滩极成熟好好5风成沙丘、海滩第67页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四四、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% Al Fe Mn SiO2 P2O5 CaCO3 CaSO4 NaCl MgCl2溶解度第68页，共90页

54、，2022年，5月20日，15点40分，星期四 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。1100um，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：正胶体负胶体Al(OH)3、 Fe(OH)3、Cr(OH)3、 Ti(OH)3、Ce(OH)3、 Cd(OH)3、CuCO3、 MgCO3、CaF2PbS、CuS、CdS、As2S3、Sb2S等硫化物；S、Au、Ag、Pt、粘土质胶体、腐殖质胶体SiO2、SnO2、MnO2、V2O5、第69页，共90页，20

55、22年，5月20日，15点40分，星期四 （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：2Al2O3nH2O+4SiO2nH2O Al4（Si4O10）（OH）8+nH2O 正胶体

56、负胶体 高岭石凝胶体第70页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四 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

57、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4.55.2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。第71页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（2）

58、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。第72页，共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四（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

59、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+PH3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+PH5.57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）第73页，

60、共90页，2022年，5月20日，15点40分，星期四 （3）溶解度随pH值增高而变化。 如Al2O3溶液pH值为47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