搬运和沉积 沉积学及古地理学教程

第四章

沉积物的搬运和沉积作用

第四章沉积物的搬运和沉积作用第一节

概述第二节

沉积物搬运和沉积的主要地质营力第三节

搬运和沉积中流体的基本类型第四节

沉积物的机械搬运方式和床沙形体第五节

沉积物的搬运方式和沉积方式第一节概述沉积物的形成作用包括风化作用、搬运作用及沉积作用。风化、搬运和沉积是三个连续而又独立的阶段，但又是相互交替和重叠的。

不同类型的沉积物有不同的搬运和沉积作用特点。碎屑物质和粘土物质（在水和风介质中）服从于力学定律，而溶解物质则服从化学定律。

按沉积物被搬运和沉积的方式不同将搬运和沉积类型分为：机械搬运和沉积作用化学搬运和沉积作用

生物搬运和沉积作用沉积物的搬运和沉积作用类型：

(1)机械搬运和沉积作用：碎屑物质、粘土物质及内源颗粒物质的搬运和沉积作用是受流体力学定律支配。如悬浮在介质中被搬运，称作悬移搬运；如在介质底部呈滚动或跳动方式被搬运，称为推移搬运。

(2)溶解物质的搬运和化学沉积作用：溶解物质在水介质中以真溶液、胶体溶液状态被搬运。其搬运和沉积作用是受化学和物理化学定律所支配。

(3)生物搬运和沉积作用：生物的搬运作用相对来说意义不大，但其沉积作用意义巨大。通过生物生理作用、生物物理作用和生物化学作用可使大量溶解物质、内源颗粒物质以及部分粘土物质发生沉积。第二节沉积物搬运和沉积的主要地质营力地质作用：造成地壳物质组成、结构、构造等发生变化的各种作用。地质营力：地质作用的能量。介质：传播能量的媒介物质。风化、搬运和沉积作用的介质类型有三种（三态）：液态：水，包括地面流水、地下水、湖泊和海洋等固态：冰川气态：大气和风一、液态地面流水按水源补给特点分为暂时性流水和常年性流水两种，前者包括片流和洪流，后者为河流。地下水以化学作用为主，特别在可溶性岩石地区，这种地质作用比较发育。湖泊与海洋营力的特点很相似，只是前者在规模上小一些。其最显著特点是以沉积作用为主。二、气态

大气是通过气温的频繁变化、大气中水汽、CO2

气的存在等因素对地表产生地质作用。大气对流便形成风。风的地质作用是纯机械的，在干旱、半干旱地区比较盛行。三、固态

冰川是一种固体冰流，它分布于高寒地区，运动速度慢，而且是整体向前运动。所以，冰川的地质作用仅分布于寒冷地区，如高山、极地，且作用方式是纯机械的。第三节

搬运和沉积中流体的基本类型水和大气是两种最主要的搬运和沉积介质，它们都是流体。自然界有两种基本类型的流体：牵引流与重力流。牵引流和重力流的力学性质、沉积物的搬运方式、流体与颗粒之间的力学关系等方面有显著差异，形成的沉积物也有各自的特点。牵引流包括水流(包括河流、海流、波浪流、潮汐流、等深流等)和大气流。重力流包括泥石流、颗粒流、液化流、浊流。牵引流重力流（瀑布）地表水流类型1、牵引流牵引流:是以一定的动力（推力或上举力）拖曳（或牵引）导致流体运动并带动碎屑颗粒运动的流体。河流、海流、波浪流、潮汐流等都是牵引流。牵引流属于牛顿流体。牵引流对沉积物的机械搬运方式既有推移方式搬运，又有悬移方式搬运。重力流属于非牛顿流体（宾汉流体）。重力流对沉积物的机械搬运方式以悬移方式搬运为主。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，推力愈大搬运的沉积物颗粒愈大；另一是负荷力(或称载荷力)，负荷力的大小主要取决于流体流量，负荷力愈大搬运的沉积物数量愈多。牵引流驱使沉积颗粒移动的动力是流体流动所产生的推力。推力大不一定负荷力就大，反之亦然。例如，山间急流可以搬运达几十吨重的巨石，而浩翰的长江，尽管每年能搬运970×106t物质，却不能推动一块大的砾石。山间急流的负荷力虽小而推力却很大；长江推力小而负荷力却很大。流体中被搬运的沉积物称载荷，单位时间内流经某一横断面的沉积物总量(容量)称作载荷量。按沉积物搬运方式不同分为:(1)

溶解载荷(2)悬移载荷(3)推移载荷或床沙载荷。当一流体不能再携带更多的沉积物时，称满载；随着流速降低，流量减小，流体的推力和负荷力减弱，成为超载，这时沉积物就会由粗到细依次发生沉积。2.重力流重力流：是水和悬浮颗粒的高密度混合体，是在重力作用下发生流动的高密度流体，属于非牛顿流体的宾汉流体。重力流的流动以及驱使沉积物发生移动的动力是重力。其流动是沿斜坡向下移动的，因此，重力流沉积物大量分布在大陆斜坡边缘的盆地深处。重力流的沉积在一定位置上整体沉积。在流动时，以整体形式搬运，并且有明显的边界，所以有人把重力流称为整体流。

重力流是一种在重力作用下发生流动的弥散有大量沉积物的高密度流体。约翰逊(1930)曾将这类流体称作“浊流”，随着研究工作的深入，发现浊流仅是重力流中的一种类型。

重力流随着搬运距离增大，浊流可与上覆水体混合而降低其密度，但这种混合作用是相当缓慢的，或者由于流速降低而使运载的悬浮物下沉,密度也就降低。重力流随着密度降低，可向牵引流转变。牵引流与重力流的基本特征对比

牵引流重力流

水流（河流、海流、泥石流、颗粒流、潮汐流、等深流）和液化流、浊流大气流流体类型牛顿流体非牛顿流体（宾汉流体）机械搬运方式推移和悬浮搬运悬浮搬运沉积物呈床沙（推移）方式搬运主要见于牵引流中。随着流体流动强度的变化，在床沙表面相应出现不同的几何形体，称为床沙形体。在明渠流中，随流动强度加大(缓流—临界流—急流)，在床面上会依次出现不同的床沙形体：其中，沙纹和沙丘都是低流态(缓流)产物，Fr＜1,均属异相波；受冲刷的沙丘为临界水流态的产物，Fr≈1；受冲刷的平坦床沙、逆行沙丘（同相波）、冲槽和冲坑都是高流态下的底形，Fr＞1。①无颗粒运动的平坦床沙（水体平静，无颗粒运动，若水体中有悬浮或溶解物质缓慢沉降，可形成水平层理）→

②沙纹(小波痕)(Fr＜＜1，波高＜5cm，波长＜30cm，可形成小型交错层理，异相波)→

③沙丘(大波痕，Fr＜1

波高10-20cm，波长可达几米，可形成板状、槽状大型交错层理，异相波)→

④受冲刷的沙丘(Fr≈1，波痕规模大，波长几米—几十米，波高<<波长,若流向发生变化，常形成楔状交错层理)→随流动强度加大依次出现的床沙形体：⑤受冲刷的平坦床沙(Fr＞1，波痕消失，再次呈平底，但与初始平底有别，在于砂粒在平坦底面作连续迁移，并形成平行层理)→⑥逆行沙丘（Fr＞＞1，可形成交错层理，同相波）→

⑦冲槽和冲坑（Fr＞＞＞1，可形成交错层理，同相波）。需要指出，自然界底形层理的形成条件很复杂，受水深、流速、沉积物粒度、水体运动特征（单向运动或往复震荡运动）等多因素控制。在环境分析中，要注意各种标志的综合分析。据实验，影响床沙形体最重要的因素是流动强度、平均流速、颗粒大小以及水体深度。索瑟德(1975)分别以0.10mm、0.50-0.55mm以及1.15-1.35mm代表细、中、粗颗粒研究了床沙形体与流速、粒度等参数的关系。一、机械搬运和沉积作用

1.牵引流的机械搬运和沉积作用牵引流不但能搬运碎屑物质，而且能搬运溶解物质；不仅有机械沉积作用，而且还有化学和生物沉积作用。而重力流占绝对优势的是机械搬运和沉积作用。

(1)碎屑颗粒在牵引流介质中的搬运方式按碎屑物质或颗粒与所在流体的力学关系，颗粒在流体中明显地具有三种搬运方式，即滚动、跳跃和悬浮。第五节沉积物的搬运和沉积方式碎屑在牵引流中的搬运方式滚动跳跃悬浮溶解水流方向

A-1(底载荷搬运方式).mov(1)碎屑颗粒在牵引流介质中的搬运方式A.滚动搬运

假定颗粒是球粒的，停留在平滑的底面上，水力直接作用于颗粒向上游的一面。因为底部有摩擦阻力，所以作用于其顶部的流水比其下部的流水速度更快，推力更大，故颗粒趋向于滚动。结论：推动更粗的砾石需要更大的力。因此，流速一致的情况下，较细的砂比粗的砾更容易移动；而当河流的流速下降，最粗的颗粒因推力减小首先沉积。B.跳跃搬运

碎屑颗粒顺流一边跳跃一边向前(时沉时浮)，称跳跃搬运。引起颗粒跳跃的条件是：①底部不平，使颗粒碰撞底部障碍物或其它颗粒而激发的向上弹跳力；②由流速引起的顺流推力；③水流引起的上举力(或扬举力)，此种力一是起源于向上涡流，一是起源于颗粒附近流速变化引起的压力差。流线密集处(A)，流速高，压力低，产生垂向上的压力差，这种压力差把颗粒举起。一旦颗粒被举起，压力差消失，颗粒又落下。A

C.悬浮搬运

碎屑颗粒或沉积颗粒能否在静水中呈悬浮状取决于两种力的比率：一是向下的力，即mg；一是反向的向上摩擦阻力(f)，这是由水的粘滞性产生的。如果颗粒较粗，其向下的力(mg)＞向上的力(f)，不能悬浮；细颗粒不能很快克服向上的阻力，所以经常悬浮在水体中。流速增大，悬浮颗粒的粒度随之增大。颗粒的沉降速度一般与颗粒的粒度、相对密度、形状以及水介质的性质有关。上表为在澄清的静水中悬浮物质的沉降速度与颗粒粒度的关系；悬浮物的沉降速度与流体的运动特点（层流、紊流）有关：层流中颗粒的沉降与静水中一直，紊流中颗粒的沉降较慢；球状颗粒不易悬浮，而片状颗粒更易悬浮；(2)牵引流的搬运特点和载荷碎屑颗粒在牵引流中的搬运方式（滚动、跳跃和悬浮）与碎屑大小有关，而颗粒大小又与水体流速关系密切。尤尔斯特隆图解流速(cm/s)侵蚀搬运沉积粘土粉砂砂砾细粗粒径（2）大于2mm的砾级碎屑的起动流速比沉积临界流速大，但二者差较小（两个速度都较大），而且随流速增大起动的颗粒也同样增大，因此砾石很难作长距离搬运，多沿河底呈滚动式推移前进。（1）颗粒开始搬运(侵蚀）的起动流速，因需克服其本身的重力和彼此间的吸引力，要比继续搬运的速度大；(4)小于0.05mm的泥级颗粒，两种流速相差很大，特别是更细的泥级颗粒，在流水中长期悬浮，大部分搬运到比较安静的水体中慢慢沉积下来。

(3)0.05-2mm砂级碎屑颗粒所需的起动流速最小，与沉积临界流速相差较小。砂级颗粒易搬运、易沉积，最为活跃，故砂粒常常是呈跳跃式前进；总之，随着流速逐渐变小，碎屑颗粒从粗到细依次沉积，或流速频繁变化可形成大小颗粒混杂堆积。(3)牵引流形成的碎屑沉积物的分布规律沉积分异作用--按沉积物的物理特性(颗粒的大小、形状、比重)或化学成分，呈规律性依次沉积的现象,称为沉积分异作用。划分为：机械沉积分异作用

化学沉积分异作用影响机械沉积分异作用的物理因素主要有：颗粒大小、形状、密度。在机械分异时，碎屑颗粒的物理特性是内因，搬运介质的性质与速度是外因。A、颗粒大小：当河流流速逐渐降低时，碎屑颗粒按大小不同作有规律分异：近源处粗颗粒先沉积，细颗粒被搬运到远源处沉积，即按砾石→砂→粉砂→粘土的顺序分布。B、密度：矿物相对密度与其沉速成正比。沿河流的流动方向，在碎屑粒度相近的条件下，矿物按相对密度不同进行分异，重者先沉积、轻的后沉积（砂金常和比其粒度粗的粗砂和细砾共生）。C、颗粒形状：按形状分异即是粒状颗粒近源沉降，片状矿物可以搬运到较远处，与较细的粒状矿物共同沉积，故在细粒沉积岩层面上常富集较大的片状白云母。

机械分异作用对于金属与非金属矿物富集有很大的影响。机械沉积分异愈完全，碎屑沉积物分异程度也就越高。如果原来的矿物成分种类比较简单，常形成单矿物堆积，石英砂就是一例。如果是多种矿物组成的碎屑物质，在机械分异作用下，往往是比重大而体积小的碎屑矿物同比重小而颗粒大的碎屑矿物混在一起。如很多含金砾岩，其中砾石可达3-5cm，而自然金的颗粒却不过几毫米。2.重力流的机械搬运和沉积作用

重力流是一种高密度流体。重力流的沉积过程常常是在一定位置上整体沉积。在流动时，以整体形式搬运，并且有明显的边界，所以有人把重力流称为整体流(块体流)。根据颗粒的支撑机理和堆积的沉积物类型，重力流分为泥石流、颗粒流、液化流和浊流四类

。水下重力流的四种类型(1)泥石流（碎屑流）定义：是一种含有大量粗碎屑和粘土、呈涌浪状前进的粘稠流体。即：是一种砾、砂、泥和水相混合的高密度流体。发育部位和条件：在陆上山麓环境中常见。泥石流流动所需坡度大于牵引流，一般为5°左右。在水体中也能形成泥石流，如峡谷的源头处，海底扇的顶部。但水体中的泥石流易被周围的水稀释，凝聚力减少，颗粒粒度变细，逐渐失去泥石流性质。组成：泥石流中含水量仅40-60%，密度为2-2.4，粘度可高达100Pa·s(纯水仅0.001Pa·s)。形成机理:由“基质凝聚力”支撑，即泥和水混合组成的杂基支撑着砂、砾使之呈悬浮状态被搬运。沉积特征:基质支撑结构的砾石质泥岩或含砾粗砂质泥岩。(2)颗粒流定义：颗粒之间没有粘结力或凝聚力的流体（砂、砾所组成的重力流）。发育部位和条件：未固结的颗粒沉积物(物质基础)，斜坡(部位)，地震、风暴（诱发因素）。颗粒的扩散应力是颗粒流形成流体的基本因素，它促使沉积物“液化”，未固结的砂体因突然受地震、暴风浪的强烈作用，使局部斜坡变陡或沉积物不稳而崩落，并顺坡高速向深部流动，最后在坡脚散开而沉积。如果中途裹协有大量泥，则颗粒流向浊流转化。形成机理：由于颗粒的相互碰撞所产生的向上支撑应力，阻止了颗粒从流动中沉积下来。沉积特征：颗粒流沉积物中常含有粗大的颗粒，砾石分散地“漂浮”在砂粒中，常形成砾状砂岩或砾岩。(3)液化沉积物流定义：由颗粒间空隙中液体的向上流动而支撑颗粒，并在重力作用下呈块体运动的重力流。发育部位和条件：未固结的颗粒沉积物(物质基础)，斜坡(部位)，地震、风暴（诱发因素）。形成机理:当沉积作用很缓慢时，沉积物的重量全由固态颗粒所支撑，这时空隙压力与流体静压力相等，颗粒与流体处于平衡状态；当快速堆积时（或沉积物受到振动时），孔隙压力大于沉积物中的静水压力，使流体向上流动并使颗粒呈悬浮状，即沉积物发生“液化”。然后重力作用把沸腾化的沉积物顺坡向下推动，便形成了液化流。沉积特征:在流动过程中，孔隙压力将很快消散，液化沉积物强度逐渐减小，于是就发生沉积作用。液化沉积物流也可能向颗粒流或浊流转化。(4)浊流定义：是一种混合着大量自悬浮沉积物质的高速紊流状态的混浊高密度流，也是由重力推动流动的重力流。发育部位和条件：未固结的颗粒沉积物(物质基础)，斜坡(部位)，地震、风暴（诱发因素）。诱发因素引起液化沉积物流或沉积物滑移、滑塌体沿斜坡由重力驱使向下流动，碎屑自身重力→引起高速流动→产生紊流出现上举力，又使自身悬浮，形成大规模突发的高速型浊流。形成机理:

浊流的支撑和搬运机理是由流体内湍流的向上分力(上举力)支撑并搬运沉积物。沉积特征:浊积岩，鲍马序列。浊流沉积的特征

B-4(浊流)Bouma（1962）将浊流的形成与活动分4个阶段：

A.三角洲阶段

B.滑动阶段

C.流动阶段

D.浊流阶段浊流沉积的特征浊流沉积的特征浊流沉积的特征--鲍玛序列重力流与牵引流沉积作用的区别:

（1）从分布规律上看，浊流及其它重力流沉积不服从机械沉积分异顺序，只在深部沉积位置上沿流动方向出现由粗到细的变化，而且在完整的浊积物层内，自下而上也有相应的变化。

（2）在浊流内的碎屑颗粒(粗到细)几乎全部呈悬浮状态，并且是高浓度的。悬浮颗粒可以较粗。在牵引流中，三种搬运方式都存在，其中仅细颗粒(如泥质)具有悬浮搬运的特点，浓度也低。

牵引流和浊流在实际作用过程中是可以互相转化的。3.搬运过程中碎屑物质的变化碎屑物质在长距离搬运过程中，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，使得它们的矿物成分、粒度、分选性和外形都发生变化。(1)矿物成分的变化由于搬运过程中的化学分解、破碎和磨蚀作用，随着搬运距离增长，不稳定组分如长石、铁镁矿物等就会逐渐减少，而稳定组分如石英、燧石等含量就会相对增加。(2)粒度和分选性的变化随着搬运距离的增长，沉积颗粒愈来愈细，分选程度愈来愈高，即颗粒大小愈趋向于一致。(3)颗粒形状的变化由于磨蚀作用，随着搬运距离的增长，颗粒的磨圆程度(圆度)与接近于球形的程度(球度)一般是愈来愈高。3.搬运过程中碎屑物质的变化

4.风的搬运和沉积作用

风与流水在搬运和沉积机理上有相同之处，也有区别：（1）空气只能搬运碎屑物质；（2）风的分选作用很强，能搬运的碎屑物质粒径范围很窄，分选性很好；（3）风的搬运作用不受重力控制，可将碎屑物由地势低处移到高处；（4）风的搬运方式主要是跳跃式的，其次是表面挪动式；（5）由于颗粒在风中的碰撞和磨蚀作用比在水中强烈，故风成砂的磨圆度较好。5、冰的搬运和沉积作用

冰川是固体搬运，搬运能力很大；其搬运的碎屑无磨圆和分选；冰川移动到雪线以下逐渐消融，所载运的碎屑物就沉积下来。二、溶解物质的搬运和化学沉积作用溶解物质可以呈胶体溶液或真溶液被搬运，这与物质的溶解度有关，Al、Fe、Mn、Si的氧化物难溶于水，常呈胶体溶液搬运；而Ca、Na、Mg的盐类则常呈真溶液搬运。在沉积盆地中沉淀形成各种自生氧化物和盐类矿物。

1.胶体溶液的搬运和沉积作用

低溶解度的金属氧化物、氢氧化物和硫化物常呈胶体溶液被搬运，胶体溶液是介于粗分散系(悬浮液)和离子分散系(真溶液)之间的一种溶液，胶体粒子的直径介于1～100μm之间，在普通显微镜下不能识别。

在搬运过程中，当胶体溶液因两种带不同电荷的胶体相遇，或电解质作用，或浓度增大以及pH值的影响失去稳定时，胶体就发生凝聚，胶体物质即在溶液中集结成为絮状、团块状。在重力作用下，于合适的沉积环境里，逐渐沉积下来。胶体的搬运和沉积特点：①胶体质点极小，故重力的影响很微弱；②胶体质点带电荷；③胶体粒子比真溶液中的离子大得多，故扩散能力很弱；④天然胶体普遍具有的吸附性。如SiO2水溶胶体能吸附放射性元素。2.真溶液的搬运和沉积作用

可溶物质能否溶解而搬运或沉淀，与本身溶解度和溶度积有关，而影响溶解度和搬运及沉积的因素除pH、Eh值和含盐度外，还有温度、压力、CO2的含量、离子的吸附作用等。

由真溶液化学组分的类型和外界化学条件的变化使真溶液发生有规律性的沉积现象称为化学沉积分异作用。即形成的自生矿物或化学沉积物的分布有一定的趋势或规律。化学分异的模式自沉积盆地边缘向海盆方向的沉积顺序是：铝土矿→鲕状赤铁矿→鲕状氧化锰矿→二氧化硅→磷酸钙→海绿石→鲕绿泥石→菱铁矿→方解石→白云石，最后在盐盆地中出现石膏、硬石膏以及氯化钠、钾盐、镁盐。简化顺序则是：氧化物→硅酸盐→碳酸盐→硫酸盐→卤化物。影响化学沉淀的因素很多，所以该分异顺序是一般的模式，自然界的实际顺序比它复杂得多。化学沉积分异作用示意图三、生物的搬运和沉积作用

生物作为一种搬运营力的意义较小，但生物的沉积作用却是很重要的。生物在沉积岩和沉积矿产形成中起着重要作用。生物的沉积作用包括直接方式和间接方式两种：(1)直接沉积作用为生物遗体直接堆积形成岩石或沉积矿床，或通过生命活动和生理作用，例如通过光合作用或吸取养料形成有机体。(2)间接沉积作用是生物的生命活动过程中或生物遗体分解过程中引起介质的物理化学环境的变化，从而促使某些溶解物质沉淀，或由于有机质的吸附作用而使得某些元素沉积，称为生物化学沉积作用。还可以在生物生命活动过程中通过捕获、粘结或障