第四章搬運與沉積

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、搬運作用及沉積作用。風(fēng)化作用是搬運和沉積作用的前提條件，搬運和沉積是受一定的臨界點控制的，如某一級顆粒在其臨界點以上處于搬運狀態(tài)，小于其臨界點則沉積。

第四章

沉積物的搬運和沉積作用

第一節(jié)

概

述

沉積物被搬運和沉積的方式

①機械搬運和沉積作用：陸源碎屑、粘土及內(nèi)源顆粒物，以在介質(zhì)底部呈滑動、滾動或跳動方式或以懸浮在介質(zhì)中被搬運,搬運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，其搬運和沉積作用受化學(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

沉積物的搬運和沉積作用

第二節(jié)

沉積物風(fēng)化、搬運和沉積的主要地質(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)的矛盾運動之中。

第四章

沉積物的搬運和沉積作用

第二節(jié)

沉積物風(fēng)化、搬運和沉積的主要地質(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和沉積介質(zhì)，它們都是流體

第四章

沉積物的搬運和沉積作用

第三節(jié)

搬運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)動力（推力或上舉力）導(dǎo)致流體運動并帶動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

沉積物的搬運和沉積作用

第三節(jié)

搬運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

牽引流的搬運力表現(xiàn)在兩個方面

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，推力愈大則能搬運的沉積物顆粒愈大；另一是負荷力（或稱載荷力），負荷力的大小取決于流體流量，負荷力愈大則能搬運的沉積物數(shù)量就愈多。

第四章

沉積物的搬運和沉積作用

第三節(jié)

搬運和沉積中流體的基本類型

推力大不一定負荷力就大，反之亦然。例如，山間急流的負荷力雖小而推力卻很大，它可以搬運幾十噸重的巨石；而浩瀚的長江，盡管每年能搬運9億7千萬噸物質(zhì)，卻不能推動一塊大的礫石；第四章

沉積物的搬運和沉積作用

第三節(jié)

搬運和沉積中流體的基本類型

流體中被搬運的沉積物稱為載荷（load）；單位時間內(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

沉積物的搬運和沉積作用

第三節(jié)

搬運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，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，到沉積盆地深處堆積下來。重力流屬非牛頓流體

從機械搬運方式來看，牽引流既有推移方式搬運，又有懸移方式搬運。而重力流則以懸移方式搬運為主。

第四章

沉積物的搬運和沉積作用

第四節(jié)沉積物的機械搬運方式和床沙形體隨著流體流動強度的變化，在床沙表面會相應(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，隨著流動強度的增大，在床面上會依次出現(xiàn)下列床沙形體；無顆粒移動的平坦床沙→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

沉積物的搬運和沉積作用

第四節(jié)沉積物的機械搬運方式和床沙形體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。無顆粒運動的平坦床沙：水體平靜，無顆粒運動，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：顆粒的移動平行于水的流動方向，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的波浪狀床沙形體，表現(xiàn)為向上游一側(cè)進行加積，下游一側(cè)受到侵蝕；

沖槽和沖坑：流速最大。第四章

沉積物的搬運和沉積作用

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

沉積物的搬運方式和沉積方式

一、機械搬運和沉積作用

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

碎屑物質(zhì)（機械）溶解物質(zhì)

（化學(xué)）機械沉積作用

化學(xué)沉積作用生物沉積作用

重力流

是機械搬運和沉積作用

第五節(jié)

沉積物的搬運方式和沉積方式

一、機械搬運和沉積作用

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

三種搬運方式

滾動跳躍懸浮

水流對碎屑顆粒的三種搬運方式

A－懸浮式；B－跳躍式；C－滾動式

第五節(jié)

沉積物的搬運方式和沉積方式

一、機械搬運和沉積作用

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

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

沉積物的搬運方式和沉積方式

一、機械搬運和沉積作用

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

跳躍搬運：碎屑顆粒順流一邊跳躍一邊向前（時沉?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（或揚舉力）

第五節(jié)

沉積物的搬運方式和沉積方式

一、機械搬運和沉積作用

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

懸浮搬運：顆粒長期被水流懸浮2）牽引流的搬運特點和載荷

滾動、跳躍和懸浮搬運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）牽引流的搬運特點和載荷

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

沉積物的搬運方式和沉積方式

一、機械搬運和沉積作用

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

3)牽引流的機械沉積作用

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)在搬運和沉積過程中，當沉積介質(zhì)運動速度和運移能力降低時，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)

沉積物的搬運方式和沉積方式

一、機械搬運和沉積作用

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

3)牽引流的機械沉積作用

1、牽引流的機械搬運和沉積作用3)牽引流的機械沉積作用

當河流流速逐漸降低時，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，細顆粒被搬運到遠源處沉積，即按礫石→砂→粉砂→粘土的順序分布。

沿河流的流動方向，在碎屑粒度相近的條件下，礦物按相對密度不同進行分異，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，片狀礦物可以搬運到較遠處，與較細的粒狀礦物共同沉積，故在細粒沉積巖層面上常富集較多的片狀白云母。

第五節(jié)

沉積物的搬運方式和沉積方式

一、機械搬運和沉積作用

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

米德爾頓和漢普頓（G.V.MiddletonandM.A.Hampton,1973）對水底重力流進行了系統(tǒng)研究，根據(jù)顆粒的支撐機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、重力流的機械搬運和沉積作用水下沉積物重力流的類型

2、重力流的機械搬運和沉積作用1）泥石流也稱作碎屑流

是一種含大量粗碎屑和粘土、呈涌浪狀前進的黏稠流體。

泥石流的搬運機理表現(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)起著支撐和搬運動力，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、重力流的機械搬運和沉積作用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)生擴散應(yīng)力而支撐和搬運沉積物。

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、重力流的機械搬運和沉積作用3）液化流

液化流：其支撐和搬運的機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。孔隙壓力等于沉積物中流體的靜水壓力時，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，或者從外部滲進孔隙空間的水分過多時，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，這時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，便形成了液化流。

2、重力流的機械搬運和沉積作用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

濁流的支撐和搬運機理是由流體內(nèi)湍流的向上分力（上舉力）支撐并搬運沉積物。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，以及在起動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，同時，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、重力流的機械搬運和沉積作用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、重力流的機械搬運和沉積作用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、重力流的機械搬運和沉積作用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候。

2、重力流的機械搬運和沉積作用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。

2、重力流的機械搬運和沉積作用4）濁流

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

2、重力流的機械搬運和沉積作用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、重力流的機械搬運和沉積作用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變化，三種搬運方式都存在，其中僅細顆粒具有懸浮搬運的特點。第五節(jié)

沉積物的搬運方式和沉積方式

二、溶解物質(zhì)的搬運和化學(xué)沉積作用

溶解物質(zhì)可以呈膠體溶液或真溶液被搬運，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；而Ca、Na、Mg的鹽類則常呈真溶液搬運。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．膠體溶液的搬運和沉積作用膠體物質(zhì)的搬運和沉積特點可以歸納為：①膠體的質(zhì)點極?。?～l00μm），在搬運和沉積中，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，錳的膠體可強烈吸收Ni、Ca、Co、Zn、Hg、Ba、K、W、Ag等。二、溶解物質(zhì)的搬運和化學(xué)沉積作用1．膠體溶液的搬運和沉積作用在搬運過程中，當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，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、團塊狀。這時的膠體就可以克服原來膠體質(zhì)點的布朗作用，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)的搬運和化學(xué)沉積作用1．膠體溶液的搬運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：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膠體沉積顆粒細小，因有較強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由于膠體有較強的離子交換和吸附能力，常吸附有不定量的水、有機質(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)的搬運和化學(xué)沉積作用2．真溶液的搬運和沉積作用二、溶解物質(zhì)的搬運和化學(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。有時Fe、Mn、Si、Al也可以呈離子狀態(tài)在水中被搬運。

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)就會發(fā)生沉淀。

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