第2章沉积岩的形成和演化-2(朱锐)

朱锐沉积岩石学SedimentaryPetrology2013年9月6日沉积岩的形成及演化Formationandevolutionofsedimentaryrocks

1)陆源物质—母岩的风化产物（陆源碎屑）2)生物源物质—生物残骸（生物碎屑）和有机质4)宇宙源物质—陨石、宇宙尘3)深源物质—火山物质（火山碎屑）和深部热卤水沉积原始物质的来源

物理风化作用physicalweathering

化学风化作用chemicalweathering

生物风化作用biologicalweathering风化作用的分类沉积岩原始物质的形成

机械搬运和沉积作用

化学搬运和沉积作用沉积后作用及其划分阶段沉积岩的分类内容提要

沉积学相关的流体力学基础粘滞性的概念

流体的粘滞性和内摩擦定律

相邻流体产生相对运动时，快层对慢层产生的是一个拖曳力，使慢层加速(作用力)；相反，慢层对快层产生一个方向相反的阻滞力，使快层减速(反作用力)。一对大小相等、方向相反的拖曳力和阻滞力称为内摩擦力(粘滞力)。在河道中的流水，因受固体边界影响，使得由河底往上流速逐渐增大，由于各水层的流速不同，各水层之间就要产生相对运动，从而产生成对的切力（拖曳力、阻滞力）。

粘滞流体流体都具有一定的粘滞性。当它沿容器器壁流动时，由于附着力的作用，与壁紧接的一层粘附其上(流动慢)，而邻层则相对于这层滑动(快)，这是因为,流体流动受到阻力。流体具有粘滞性。流体的粘度对流动影响极大粘度小，流动性好，摩擦阻力小；粘性大，流动性差，增加了流体摩擦阻力。牛顿内摩擦定律(粘滞定律)

内摩察力(F)与接触面积(A)和相对速度差(dv

)成正比，而与垂直距离(dz

)成反比，这一结论称为牛顿内摩擦定律(或粘滞定律)，表示为：

F：内摩擦力(牛)；

dv/dz

：流速梯度(秒-1)(沿垂直水流方向单位距离的流速变化值也称剪切变形率)；

A：接触面积(m2)；

η：与流体种类、温度有关的系数，称为动力黏滞性系数（运动黏度）(帕·秒，即Pa·s)

。各种类型流体的粘滞系数(η)与黏滞剪切应力(τ)和流速梯度(du/dy)关系

τ为黏滞切应力

影响流体粘滞系数变化的因素有：流体种类、压力、温度。在温度不变的条件下，随着du/dy的变化，μ值始终保持一常数，则为服从内摩擦定律。在温度不变的条件下，μ值随着du/dy的变化而变化，则为不服从内摩擦定律凡是服从内摩擦定律的流体称为牛顿流体。

气体和分子结构简单的液体，如空气、水及油属于牛顿流体。牵引流为牛顿流体。把不服从内摩擦定律的流体称为非牛顿流体。例如重力流、血液、高分子液体等是非牛顿流体。牛顿流体的内摩擦力与速度梯度呈线性关系，而非牛顿流体不是线性关系。假塑性流体和膨胀性流体：η值随内摩擦力的增加而减小或加大。宾汉流体：当内摩擦力达到τ

0后才开始流动。沉积物重力流即属宾汉流体。

牵引流(Tractioncurrent)—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，如河流、风流和波浪流等

沉积物重力流(Gravityflow)

—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。

牵引搬运(牵引作用)—能使碎屑物质作底负载移动的各种作用

牵引流的搬运力包括推力和载荷力。推力(牵引力)与流速有关载荷力(负荷力)与流量有关推力大不一定负荷力大，反之亦然。

牵引流搬运方式：溶解载荷、悬移载荷、推移载荷或床沙载荷。

重力流搬运的驱动力主要起因于重力

流体流动分为管道流和明渠流两种类型。前者是流体充满了管道，为有压流；后者为液体表层与大气接触的自由表面，是在重力作用下的流动，为无压流。急流、缓流与福劳德数按流动强度，流体可分为：急流、缓流和临界流三种流态。缓流急流福劳德数的概念：是无量纲数，表示流体的流动强度，是判别急流和缓流的定量准则，福劳德数（Fr）=贯性力（v

）/重力（g

）。式中，h为水深。

明渠流中，急流和缓流的变化是受重力控制，要使Fr值达到1，要求水深10m，流速9.9m/秒，这样高的流速在自然界中极为罕见。在浅水的海洋环境中，一般只有2m/秒时速度。因此，急流一般是局部地段或几厘米—几米的浅水条件下出现。急流、缓流、临界流的福劳德数标准：

缓流：

Fr<1，惯性力小于重力，是重力起主导作用下的流动。

临界流：Fr=1，惯性力等于重力。

急流：

Fr>1，惯性力大于重力，是惯性力起主导作用下的流动。急流、缓流、福劳德数与波痕、交错层理的关系层流、紊流和雷诺数表示流体的流动状态。流体有两种不同的流动状态：层流和紊流。雷诺水槽实验：微开阀门A，再将阀门B打开，使红颜色水流入玻璃管中，观察显示红色液流质点的运动轨迹。此时，由于管内流速较慢，流体质点的运动有条不紊，呈不混杂并呈现分层流动的状态，这种流态称为层流。小开水龙头、细水长流。阀门A开大，流束呈现波纹状，上下摆动，称此为过渡状态。阀门A继续开大，使管中流速增大，直到流体质点的运动呈分层流动状态被破坏，发生互相混杂，并且有纵向脉动，这种流动状态为紊流。大开水龙头的水流状态、瀑布、洪水等。

可见，随着水流流速加大，层流可以转变为紊流；反之，随着水流流速减小，紊流可以转变为层流，这种流体形态转变时的平均流速(V)叫做临界流速(VK)。

层流、紊流与雷诺数

雷诺通过实验表明，流动形态不仅与流速有关，还与流体的粘滞系数、密度、管道直径有关。

流速、密度、管道直径愈大就愈易转变为紊流，粘滞系数愈大则愈不易转变为紊流。

不论密度、粘滞系数、管道直径如何变化，其惯性力与粘滞力的比值却是固定不变的，而且是一个无量纲数。将平均流速(v)、管道直径(d)、黏滞系数(η或υ)和密度(ρ)归纳为一个无量纲数，称为雷诺数。雷诺数的概念：是无量纲数，表示流体的流动状态，是判别层流和紊流的定量准则，雷诺数是贯性力与粘滞力比值。13/20

在管道条件下：

层流：Re<2320时为层流，一种缓慢流动，流体质点有条不紊的平行的线状运动，彼此不相掺混。临界流：Re=2320时为临界流，流动状态介于层流与紊流的转换点，其对应的是临界流速。

Re>2320时为紊流，紊流是一种充满了游涡的急湍的流动，流体质点的运动轨迹极不规则，有纵向运动，其流速大小和流动方向随时间而变化，彼此相互掺混

但是，在明渠条件下，层流与紊流的雷诺数值范围与管道条件是不同的(即临界雷诺数不等于2320)。它应该用水力半径(R)代替管道直径(d)来计算临界雷诺数，因：R=1/4

d，为管道条件下2320的1/4，其临界雷诺数应为500。紊流层流明渠流的临界雷诺数为：500河南焦作云台山一、空气的流态水流在管道条件下临界雷诺数为2320；明渠条件下临界雷诺数为500。空气：以大气圈的对流层上限为界（即不是整个大气圈），其临界雷诺数为1400；当风速超过1m/s时，空气呈紊流状态。大气圈是地球的空气层。分为对流层、平流层、中间层、热成层、外大气层等。天气现象发生在对流层内。空气的流体力学k值大小与地面粗糙度有关，k值约为地表沙砾直径D的1/30，这与水流分布所不同的。由于受到地面摩擦阻力，愈近地面风速愈小。可见风速的垂向分布特征与河道流水类似。空气搬运能力低于流水的原因

空气的密度低于流水一颗石英相当于同体积水的重量的2.65倍；一颗石英相当于同体积空气重量的2000倍。要移动同一石英颗粒，风速要比水速大得多才行。当风速为水速的28.3倍时，才能得到相同的推移力。即在同一速度下风所能移动的颗粒比水移动的颗粒小得多

碎屑物质在流水中的搬运和沉积作用地面流水:是指沿陆地表面流动的水体，其运动是改变地球面貌的一种重要的地质营力。(1)暂时性流水:指在降雨以后或雨季才有水流动的地面流水。片流(Sheetflow):无固定水道、沿整个斜坡流动的暂时性流水。洪流(Floodflow):片流汇集到沿沟谷流动，但无固定流向的线状暂时性流水。(2)常年流水:有稳定水源补给的水流，通常具有相对固定的流水渠道。河流(River):在固定线状河床中流动的经常性流水。地面流水环流(Circularcurrent):

是水质点在流动过程中作螺旋形的运动。单向环流(SingleCircularcurrent):是水质点的运动轨迹在过水断面上的投影为单向的环流。

单向环流普遍存在于河流和洪流的弯曲处。对河流在凹岸进行冲刷，并把冲刷下的产物携往凸岸沉积。地面流水的质点运动双向环流(DoubleCircularcurrent):是水质点的运动轨迹在过水断面上的投影为两个环形。

双向环流普遍存在于河流的直线段。对河流的河床进行冲刷，并把冲刷的产物进行择地沉积。涡流(Eddycurrent):

是水质点在河流中绕轴旋转的现象。旋转轴分为竖直和水平。按照搬运的方式分为机械搬运作用(为主)和化学搬运作用。

机械搬运作用搬运类型分为：推移(滚动)、跳跃和悬移三种方式。河流的搬运

机械搬运作用尤尔斯特隆图解：颗粒的搬运、沉积与粒径和流速的图解关系。继续搬运流速曲线开始搬运流速曲线

颗粒开始搬运所需的流速比继续搬运所需的流速要大。

机械搬运作用尤尔斯特隆图解：颗粒的搬运、沉积与粒径和流速的图解关系。继续搬运流速曲线开始搬运流速曲线

0.05-2mm粒径的颗粒启动搬运所需流速最小，而且起动和沉积两者的临界流速差较小。

机械搬运作用尤尔斯特隆图解：颗粒的搬运、沉积与粒径和流速的图解关系。继续搬运流速曲线开始搬运流速曲线

大于2mm的颗粒与小于0.05mm颗粒的起动流速都分别随粒度增加和减少而加大。沃克(Walker，1975)的图解当流动强度为P时，它所能滚动的砾石最大粒径为8cm，同时所悬浮的颗粒最大粒径为2.2mm。当流动强度略小于P时，可使粒径为8cm和2.2mm的砾石同时沉积，从而形成双众数的砾岩。当流动强度在P附近反复变动时，则可能形成粗、细砾石沉积的互层，其平均粒度分别为8cm和2.2mm。如果流动强度急剧减少，则可能造成分选极差的多众数的砾、砂、粉砂和泥的混合沉积物。沉积1mm砂粒所需的流动强度要比沉积7cm砾石所需强度小得多，因此，在平均粒度为7cm的砾石沉积的孔隙中所充填1mm的砂，不可能是同时沉积物。碎屑物质在流水搬运过程中的变化

成分上的变化：不稳定组分逐渐减少，稳定组分则相应增加，同其它组分也就变得更加简单了。

碎屑颗粒度逐渐变小

碎屑颗粒的圆度逐渐变好

碎屑颗粒的球度也有所增高碎屑物质在流水搬运及沉积作用过程中的分异作用

沉积分异作用(SedimentaryDifferentiation)

—母岩在风化产物在搬运和沉积过程中根据本身特性，在外部条件的影响下，按照一定顺序分别堆积在一定程度上是可以分开的地表沉积带内。

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次沉积下来，这种现象称作地表沉积分异作用。沉积分异作用包括：

粒度分异

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，

成分分异

机械沉积分异作用(mechanicalsedimentarydifferentiation)——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，它们也相应按照颗粒大小、密度和形状发生分异，依次沉积。

与沉积分异作用相对立的是“掺和作用”或“混合作用”、“混杂作用”。碎屑物质在海、湖水中的搬运和沉积作用Transportationandsedimentationofclasticmaterialsinseaandlakewater

引起海洋中碎屑物质搬运和沉积的营力主要是波浪和潮汐，其次是海流。

波浪主要由风引起，波浪的大小主要取决于风的大小。

波基面(浪底)(wavebase)——波浪作用的下限，即波浪所影响的最大深度。当波浪运动的方向与海岸垂直时，而海底又位于浪底之上。在理想的情况下，波浪只能使海底的碎屑颗粒作一定幅度的往返运动，当一个周期后，颗粒又回到原来的位置。

海底的碎屑既作往返运动，也有沿着倾斜的海底向下移动的趋势。如果波浪不垂直海岸，而与海岸斜交，则海底碎屑运动的路线呈更加复杂的“之”字形。其最大特点是波浪作用力方向与重力沿岸分力作用的方向不一致，而使物质沿着二者合力方向移动。除正常天气情况下，碎屑物质在横向和纵向波浪作用下的搬运和沉积作用外。还有阵发性的风暴浪将浅海沉积物卷起而重新搬离或搬向海岸，形成风暴沉积物

潮汐作用对滨岸地区的碎屑物质影响很大，在潮汐作用带，水体作大规模地涨潮和落潮运动，因此也使水底的碎屑物质作相应的往返运动。

近岸地带的海流或深海的浊流、等深流、内潮汐流、冷流、暖流、赤道洋流和上返洋流等对碎屑物质的搬运和沉积均有一定的作用。

北大西洋海底盆地环流样