第四章搬運(yùn)與沉積

應(yīng)用沉積學(xué)主講：杜振川研究生課程應(yīng)用沉積學(xué)—上篇沉積學(xué)基本原理

第四章

沉積物的搬運(yùn)和沉積作用

第一節(jié)

概

述

大部分沉積物的形成作用包括風(fēng)化作用、搬運(yùn)作用及沉積作用。風(fēng)化作用是搬運(yùn)和沉積作用的前提條件，搬運(yùn)和沉積是受一定的臨界點(diǎn)控制的，如某一級(jí)顆粒在其臨界點(diǎn)以上處于搬運(yùn)狀態(tài)，小于其臨界點(diǎn)則沉積。

第四章

沉積物的搬運(yùn)和沉積作用

第一節(jié)

概

述

沉積物被搬運(yùn)和沉積的方式

①機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用：陸源碎屑、粘土及內(nèi)源顆粒物，以在介質(zhì)底部呈滑動(dòng)、滾動(dòng)或跳動(dòng)方式或以懸浮在介質(zhì)中被搬運(yùn),搬運(yùn)和沉積作用受流體力學(xué)定律所支配；

②溶解物質(zhì)的搬運(yùn)和化學(xué)沉積作用：溶解物質(zhì)以真溶液、膠體溶液或絡(luò)合物的狀態(tài)被搬運(yùn)，其搬運(yùn)和沉積作用受化學(xué)和物理化學(xué)定律所支配；③生物搬運(yùn)和沉積作用：通過生物生理和生物化學(xué)作用可使大量溶解物質(zhì)、內(nèi)源顆粒物質(zhì)以及部分粘土物質(zhì)發(fā)生沉積。

第四章

沉積物的搬運(yùn)和沉積作用

第二節(jié)

沉積物風(fēng)化、搬運(yùn)和沉積的主要地質(zhì)營力

地質(zhì)作用：引起地殼或巖石圈的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等發(fā)生變化的各種作用。把引起這些變化的能量稱為地質(zhì)營力，傳播能量的媒介稱為介質(zhì)。地質(zhì)營力一方面不斷地破壞著地殼巖石的物質(zhì)組分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，同時(shí)又不斷地形成新的物質(zhì)組分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，即處于破壞與建設(shè)的矛盾運(yùn)動(dòng)之中。

第四章

沉積物的搬運(yùn)和沉積作用

第二節(jié)

沉積物風(fēng)化、搬運(yùn)和沉積的主要地質(zhì)營力

介質(zhì)的三種類型

①介質(zhì)為液態(tài)的營力主要是水，包括地面流水、地下水、湖泊和海洋等；②介質(zhì)為固態(tài)的營力主要有冰川；③介質(zhì)為氣態(tài)的營力主要為大氣或風(fēng)。

流水和大氣是兩種最主要的搬運(yùn)和沉積介質(zhì)，它們都是流體

第四章

沉積物的搬運(yùn)和沉積作用

第三節(jié)

搬運(yùn)和沉積中流體的基本類型

自然界存在有兩種基本類型的流體，即牽引流與重力流

牽引流：是以一定介質(zhì)動(dòng)力（推力或上舉力）導(dǎo)致流體運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)碎屑顆粒遷移的流體。

水流（包括河流、海流、波浪流、潮汐流以及等深流等）大氣流

牽引流牽引流屬于牛頓流體。第四章

沉積物的搬運(yùn)和沉積作用

第三節(jié)

搬運(yùn)和沉積中流體的基本類型

自然界存在有兩種基本類型的流體，即牽引流與重力流

牽引流的搬運(yùn)力表現(xiàn)在兩個(gè)方面

一是流體作用于沉積物上的推力（即牽引力），推力的大小主要取決于流體的流速，推力愈大則能搬運(yùn)的沉積物顆粒愈大；另一是負(fù)荷力（或稱載荷力），負(fù)荷力的大小取決于流體流量，負(fù)荷力愈大則能搬運(yùn)的沉積物數(shù)量就愈多。

第四章

沉積物的搬運(yùn)和沉積作用

第三節(jié)

搬運(yùn)和沉積中流體的基本類型

推力大不一定負(fù)荷力就大，反之亦然。例如，山間急流的負(fù)荷力雖小而推力卻很大，它可以搬運(yùn)幾十噸重的巨石；而浩瀚的長江，盡管每年能搬運(yùn)9億7千萬噸物質(zhì)，卻不能推動(dòng)一塊大的礫石；第四章

沉積物的搬運(yùn)和沉積作用

第三節(jié)

搬運(yùn)和沉積中流體的基本類型

流體中被搬運(yùn)的沉積物稱為載荷（load）；單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)某一橫斷面的沉積物總量稱為載荷量。

沉積物搬運(yùn)方式

溶解載荷（solutionalload）懸移載荷（suspendedload）推移載荷（fractionalload）床沙載荷（bedload）

第四章

沉積物的搬運(yùn)和沉積作用

第三節(jié)

搬運(yùn)和沉積中流體的基本類型

重力流：是在重力作用下發(fā)生流動(dòng)，含有大量沉積物的高密度流體。重力流因其密度較高，通常是在其他流體的底部沿斜坡向下流動(dòng)，到沉積盆地深處堆積下來。重力流屬非牛頓流體

從機(jī)械搬運(yùn)方式來看，牽引流既有推移方式搬運(yùn)，又有懸移方式搬運(yùn)。而重力流則以懸移方式搬運(yùn)為主。

第四章

沉積物的搬運(yùn)和沉積作用

第四節(jié)沉積物的機(jī)械搬運(yùn)方式和床沙形體隨著流體流動(dòng)強(qiáng)度的變化，在床沙表面會(huì)相應(yīng)出現(xiàn)不同的幾何形體，稱為床沙形體（bedform）。不同流態(tài)可出現(xiàn)不同類型床沙形體。在明渠水流中，隨著流動(dòng)強(qiáng)度的增大，在床面上會(huì)依次出現(xiàn)下列床沙形體；無顆粒移動(dòng)的平坦床沙→沙紋（小波痕）→沙丘（大波痕）→受沖刷的沙丘（受沖刷的大波痕）→受沖刷的平坦床沙→逆行沙丘→沖槽和沖坑。

第四章

沉積物的搬運(yùn)和沉積作用

第四節(jié)沉積物的機(jī)械搬運(yùn)方式和床沙形體Fr<1屬低流態(tài)（緩流）：形成沙紋和沙丘；Fr≈1屬臨界水流動(dòng)態(tài)形成受沖刷的沙丘（受沖刷的大波痕）；Fr>1屬高流態(tài)：受沖刷的平坦床沙、逆行沙丘、沖槽和沖坑。無顆粒運(yùn)動(dòng)的平坦床沙：水體平靜，無顆粒運(yùn)動(dòng)，底床平坦，即無沙紋及沙丘遷移。沙紋（小波痕）：波高小于5cm，波長小于30cm，水的流速小，水面平靜或具小型波浪現(xiàn)象。沙丘（大波痕）：流速50cm/s，彼高10～20cm，波長可達(dá)幾米，水面出現(xiàn)洶涌的波浪。受沖刷的平坦床沙：顆粒的移動(dòng)平行于水的流動(dòng)方向，波長幾米至幾十米，波高很小。逆行沙丘：沙丘呈正弧曲線，沙丘是指向上游移動(dòng)的波浪狀床沙形體，表現(xiàn)為向上游一側(cè)進(jìn)行加積，下游一側(cè)受到侵蝕；

沖槽和沖坑：流速最大。第四章

沉積物的搬運(yùn)和沉積作用

第四節(jié)沉積物的機(jī)械搬運(yùn)方式和床沙形體影響床沙形體最重要的因素是流動(dòng)強(qiáng)度、平均流速、顆粒大小以及水體深度。第五節(jié)

沉積物的搬運(yùn)方式和沉積方式

一、機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用

1、牽引流的機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用牽引流和重力流在搬運(yùn)和沉積方式上的表現(xiàn)牽引流搬運(yùn)沉積

碎屑物質(zhì)（機(jī)械）溶解物質(zhì)

（化學(xué)）機(jī)械沉積作用

化學(xué)沉積作用生物沉積作用

重力流

是機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用

第五節(jié)

沉積物的搬運(yùn)方式和沉積方式

一、機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用

1、牽引流的機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用1）碎屑顆粒在牽引流介質(zhì)中的搬運(yùn)方式

三種搬運(yùn)方式

滾動(dòng)跳躍懸浮

水流對(duì)碎屑顆粒的三種搬運(yùn)方式

A－懸浮式；B－跳躍式；C－滾動(dòng)式

第五節(jié)

沉積物的搬運(yùn)方式和沉積方式

一、機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用

1、牽引流的機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用1）碎屑顆粒在牽引流介質(zhì)中的搬運(yùn)方式

滾動(dòng)搬運(yùn)：是底部牽引流產(chǎn)生的沉積物顆粒沿底面運(yùn)動(dòng)的最簡單搬運(yùn)形式第五節(jié)

沉積物的搬運(yùn)方式和沉積方式

一、機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用

1、牽引流的機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用1）碎屑顆粒在牽引流介質(zhì)中的搬運(yùn)方式

跳躍搬運(yùn)：碎屑顆粒順流一邊跳躍一邊向前（時(shí)沉?xí)r?。┮痤w粒跳躍的條件

①底部不平，使顆粒碰撞底部障礙物或其他顆粒而產(chǎn)生向上的彈跳力

②主要由流速引起的順流推力；

③水流引起的上舉力（或揚(yáng)舉力）

第五節(jié)

沉積物的搬運(yùn)方式和沉積方式

一、機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用

1、牽引流的機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用1）碎屑顆粒在牽引流介質(zhì)中的搬運(yùn)方式

懸浮搬運(yùn)：顆粒長期被水流懸浮2）牽引流的搬運(yùn)特點(diǎn)和載荷

滾動(dòng)、跳躍和懸浮搬運(yùn)方式與碎屑大小有關(guān)，而顆粒大小又與水體流速關(guān)系密切。尤爾斯特隆圖解（Hjulstmm,1936）可以說明這種關(guān)系：

懸浮2）牽引流的搬運(yùn)特點(diǎn)和載荷

①顆粒開始搬運(yùn)（侵蝕）的起動(dòng)流速，因需克服其本身的重力和彼此間的吸引力，要比繼續(xù)搬運(yùn)的速度大；②大于2mm的礫級(jí)顆粒的起動(dòng)流速比沉積臨界流速大，但兩者差值較小，而且隨流速增大起動(dòng)的顆粒也同樣增大，因此，礫石很難作長距離搬運(yùn)，多沿河底呈滾動(dòng)式推移前進(jìn)；③0.05～2mm砂級(jí)顆粒所需的起動(dòng)流速最小，與沉積臨界流速相差不大，砂級(jí)顆粒易搬運(yùn)、易沉積，最為活躍，故砂粒常常是呈跳躍式前進(jìn)；④小于0.05mm的泥級(jí)顆粒，兩種流速相差很大，特別是更細(xì)的泥級(jí)顆粒，在流水中長期懸浮，大部分搬運(yùn)到比較安靜的水體中慢慢沉積下來。第五節(jié)

沉積物的搬運(yùn)方式和沉積方式

一、機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用

1、牽引流的機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用1）碎屑顆粒在牽引流介質(zhì)中的搬運(yùn)方式

3)牽引流的機(jī)械沉積作用

沉積分異作用：按沉積物的物理特性（顆粒的大小、形狀、比重）或化學(xué)成分，呈規(guī)律性依次沉積的現(xiàn)象。機(jī)械沉積分異作用：是指母巖風(fēng)化的碎屑和粘土物質(zhì)在搬運(yùn)和沉積過程中，當(dāng)沉積介質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)移能力降低時(shí)，按顆粒大小、形狀、比重在地表發(fā)生分異并依次沉積。

第五節(jié)

沉積物的搬運(yùn)方式和沉積方式

一、機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用

1、牽引流的機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用1）碎屑顆粒在牽引流介質(zhì)中的搬運(yùn)方式

3)牽引流的機(jī)械沉積作用

1、牽引流的機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用3)牽引流的機(jī)械沉積作用

當(dāng)河流流速逐漸降低時(shí)，碎屑顆粒按大小不同作有規(guī)律分異：近源處粗顆粒先沉積，細(xì)顆粒被搬運(yùn)到遠(yuǎn)源處沉積，即按礫石→砂→粉砂→粘土的順序分布。

沿河流的流動(dòng)方向，在碎屑粒度相近的條件下，礦物按相對(duì)密度不同進(jìn)行分異，重者先沉積、輕的后沉積。

按形狀分異即是粒狀顆粒近源沉降，片狀礦物可以搬運(yùn)到較遠(yuǎn)處，與較細(xì)的粒狀礦物共同沉積，故在細(xì)粒沉積巖層面上常富集較多的片狀白云母。

第五節(jié)

沉積物的搬運(yùn)方式和沉積方式

一、機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用

2、重力流的機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用沉積物重力流：當(dāng)物體在斜坡上聚積時(shí)，其位能大于與底面或與水體界面的摩擦阻力時(shí)，便產(chǎn)生流動(dòng)，逐漸形成高速的重力流。

米德爾頓和漢普頓（G.V.MiddletonandM.A.Hampton,1973）對(duì)水底重力流進(jìn)行了系統(tǒng)研究，根據(jù)顆粒的支撐機(jī)理和堆積的沉積物類型，可分成四類，即泥石流、顆粒流、液化流和濁流。2、重力流的機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用水下沉積物重力流的類型

2、重力流的機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用1）泥石流也稱作碎屑流

是一種含大量粗碎屑和粘土、呈涌浪狀前進(jìn)的黏稠流體。

泥石流的搬運(yùn)機(jī)理表現(xiàn)為：由“基質(zhì)凝聚力”支撐，即在塊體內(nèi)由被填隙的粘土和水的基質(zhì)起著支撐和搬運(yùn)動(dòng)力，其沉積物為基質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)的礫石質(zhì)泥巖或礫狀泥巖。

2、重力流的機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用2）顆粒流

顆粒流是顆粒之間沒有什么粘結(jié)力的流體，主要為砂質(zhì)

該流體由顆粒相互碰撞作用，產(chǎn)生擴(kuò)散應(yīng)力而支撐和搬運(yùn)沉積物。

顆粒流沉積物中常常含有粗大的顆粒，常形成礫狀砂巖或礫巖。

2、重力流的機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用3）液化流

液化流：其支撐和搬運(yùn)的機(jī)理是由沉積物孔隙壓力大于沉積物中的靜水壓力，使未固結(jié)的沉積物失去平衡而“沸騰化”，并呈塊體流動(dòng)?？紫秹毫Φ扔诔练e物中流體的靜水壓力時(shí)，沉積物保持穩(wěn)定。如沉積物沉積較快，其中水分來不及排除，或者從外部滲進(jìn)孔隙空間的水分過多時(shí)，可造成孔隙壓力大于沉積物中的靜水壓力，因而大大降低沉積物的固結(jié)強(qiáng)度，導(dǎo)致出現(xiàn)內(nèi)部“沸騰化”。這樣，沉積物中的流體連同顆粒將向上移動(dòng)，這時(shí)沉積物變得像流砂一樣。然后，重力作用把“沸騰化”的沉積物順坡向下推動(dòng)，便形成了液化流。

2、重力流的機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用4）濁流

濁流：一種混合著大量懸浮沉積物質(zhì)的高速紊流狀態(tài)的混濁高密度流

濁流的支撐和搬運(yùn)機(jī)理是由流體內(nèi)湍流的向上分力（上舉力）支撐并搬運(yùn)沉積物。濁流的沉積形成濁積巖。

在大陸斜坡和三角洲等處的不穩(wěn)固的沉積物，由于地震、海嘯、暴風(fēng)、滑坡，形成液化沉積物流使沉積物滑動(dòng)，以及在起動(dòng)后不斷與水體混合形成高密度流體，由坡度和重力驅(qū)使而高速流動(dòng)，同時(shí)，沉積物質(zhì)在紊流情況下呈自懸浮，產(chǎn)生紊流出現(xiàn)上舉力，使自身呈懸浮狀態(tài)，形成大規(guī)模突發(fā)的高速型濁流。

2、重力流的機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用4）濁流

根據(jù)濁流的成因，可將其分為兩種類型

一類是連續(xù)低速型（或稱洪積型）：含泥砂的河流入湖盆形成的濁流

2、重力流的機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用4）濁流

根據(jù)濁流的成因，可將其分為兩種類型

另一類是突發(fā)高速型：是再沉積的或液化的沉積物流轉(zhuǎn)化而成。

這種類型濁流可以劃分成四部分：頭部、頸部、本體部和尾部

2、重力流的機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用4）濁流

在頭部邊界之內(nèi)，水流環(huán)繞著頭部發(fā)散和上掃，并有一系列大的漩渦扯開。所以在這種濁流中，頭部有較強(qiáng)的侵蝕力，可在深部軟泥底面上形成特征的沖刷痕和刻劃痕，后又由本體沉積保存下來。因此，最初的碎屑可以在頭部保持其懸浮狀態(tài)，這種情況一直延續(xù)到由于坡度變緩或流體變稀而造成普遍減速的時(shí)候。

2、重力流的機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用4）濁流

重力流的形成階段和形成過程:三角洲階段：由于地震、海嘯、暴風(fēng)等作用，或由于沉積物大量堆積形成不穩(wěn)固陡坡，或因超孔隙壓力而液化等原因，使大量物質(zhì)發(fā)生整體移動(dòng)。

2、重力流的機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用4）濁流

重力流的形成階段和形成過程:流動(dòng)階段：以漸增的速度繼續(xù)流動(dòng)直到盆地中心。

2、重力流的機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用4）濁流

重力流的形成階段和形成過程:濁流階段：在條件適合情況下，流動(dòng)的沉積物質(zhì)可能形成典型的濁流。在濁流中，粗粒物質(zhì)集中到前鋒，流速可能繼續(xù)增加。

2、重力流的機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用4）濁流

重力流與牽引流沉積作用的區(qū)別：①從分布規(guī)律上看，重力流沉積不服從機(jī)械沉積分異順序，只在完整的濁積物層內(nèi)，自上而下有相應(yīng)的變化；②在濁流內(nèi)的碎屑顆粒幾乎全部呈懸浮狀態(tài)，并且是高濃度的；③濁流中懸浮顆?？梢暂^粗，而且具有自懸浮的性質(zhì)；④在牽引流中，隨著顆粒粒度的粗細(xì)變化，三種搬運(yùn)方式都存在，其中僅細(xì)顆粒具有懸浮搬運(yùn)的特點(diǎn)。第五節(jié)

沉積物的搬運(yùn)方式和沉積方式

二、溶解物質(zhì)的搬運(yùn)和化學(xué)沉積作用

溶解物質(zhì)可以呈膠體溶液或真溶液被搬運(yùn)，這與物質(zhì)的溶解度有關(guān)；Al、Fe、Mn、Si的氧化物難溶于水，常呈膠體溶液搬運(yùn)；而Ca、Na、Mg的鹽類則常呈真溶液搬運(yùn)。這些物質(zhì)在沉積盆地中沉淀，形成各種自生氧化物和鹽類礦物。1．膠體溶液的搬運(yùn)和沉積作用膠體物質(zhì)的搬運(yùn)和沉積特點(diǎn)可以歸納為：①膠體的質(zhì)點(diǎn)極?。?～l00μm），在搬運(yùn)和沉積中，重力的影響是很微弱的；②由于表面的離子化作用，膠體質(zhì)點(diǎn)常帶電荷；③膠體粒子的大小比真溶液中離子要大得多，故擴(kuò)散能力很弱，往往不能通過致密的巖石；④天然膠體有普遍的吸附現(xiàn)象，例如，二氧化硅水溶膠體能積極吸收放射性元素，鐵的水溶膠體能吸收As、V、P等，錳的膠體可強(qiáng)烈吸收Ni、Ca、Co、Zn、Hg、Ba、K、W、Ag等。二、溶解物質(zhì)的搬運(yùn)和化學(xué)沉積作用1．膠體溶液的搬運(yùn)和沉積作用在搬運(yùn)過程中，當(dāng)膠體溶液因兩種帶不同電荷的膠體相遇，或電解質(zhì)作用，或濃度增大以及pH值的影響失去穩(wěn)定時(shí)，膠體就發(fā)生凝聚（絮凝作用），膠體物質(zhì)即在溶液中集結(jié)成為絮狀、團(tuán)塊狀。這時(shí)的膠體就可以克服原來膠體質(zhì)點(diǎn)的布朗作用，在重力作用下，于合適的沉積環(huán)境里，逐漸沉積下來。

在沉積巖中常見的膠體化合物有A12O3、P2O5、MnO2、SiO2粘土礦物和磷酸鹽礦物。

二、溶解物質(zhì)的搬運(yùn)和化學(xué)沉積作用1．膠體溶液的搬運(yùn)和沉積作用由膠體凝聚生成的沉積物和巖石具有如下特點(diǎn)：①未脫水硬化的凝膠沉積物呈膠狀，固結(jié)成巖后常具貝殼狀斷口；②膠體沉積顆粒細(xì)小，因有較強(qiáng)的吸收性故有黏舌現(xiàn)象；③一般有微晶、放射狀、鮞狀、球粒狀、扇狀集合晶等結(jié)構(gòu)；④膠體沉積巖常呈透鏡體、結(jié)核產(chǎn)出，也可呈層狀產(chǎn)出；⑤由于膠體有較強(qiáng)的離子交換和吸附能力，常吸附有不定量的水、有機(jī)質(zhì)以及各種金屬元素，其化學(xué)成分常不固定。二、溶解物質(zhì)的搬運(yùn)和化學(xué)沉積作用2．真溶液的搬運(yùn)和沉積作用二、溶解物質(zhì)的搬運(yùn)和化學(xué)沉積作用母巖化學(xué)風(fēng)化以及其他來源提供的化學(xué)物質(zhì)中，C1、S、Ca、Na、Mg、K等成分呈離子狀態(tài)溶解于水中，即呈真溶液狀態(tài)被搬運(yùn)。有時(shí)Fe、Mn、Si、Al也可以呈離子狀態(tài)在水中被搬運(yùn)。

如果介質(zhì)的溶解度、Ph，Eh值、含鹽度、溫度、壓力、CO2的含量、離子的吸附作用等發(fā)生改變，這些可溶物質(zhì)就會(huì)發(fā)生沉淀。

2．真溶液的搬運(yùn)和沉積作用二、溶解物質(zhì)的搬運(yùn)和化學(xué)沉積作