第四章

沉積物的搬運和沉積作用

第四章沉積物的搬運和沉積作用第一節

概述第二節

沉積物搬運和沉積的主要地質營力第三節

搬運和沉積中流體的基本類型第四節

沉積物的機械搬運方式和床沙形體第五節

沉積物的搬運方式和沉積方式第一節概述沉積物的形成作用包括風化作用、搬運作用及沉積作用。風化、搬運和沉積是三個連續而又獨立的階段，但又是相互交替和重疊的。

不同類型的沉積物有不同的搬運和沉積作用特點。碎屑物質和粘土物質（在水和風介質中）服從于力學定律，而溶解物質則服從化學定律。

按沉積物被搬運和沉積的方式不同將搬運和沉積類型分為：機械搬運和沉積作用化學搬運和沉積作用

生物搬運和沉積作用沉積物的搬運和沉積作用類型：

(1)機械搬運和沉積作用：碎屑物質、粘土物質及內源顆粒物質的搬運和沉積作用是受流體力學定律支配。如懸浮在介質中被搬運，稱作懸移搬運；如在介質底部呈滾動或跳動方式被搬運，稱為推移搬運。

(2)溶解物質的搬運和化學沉積作用：溶解物質在水介質中以真溶液、膠體溶液狀態被搬運。其搬運和沉積作用是受化學和物理化學定律所支配。

(3)生物搬運和沉積作用：生物的搬運作用相對來說意義不大，但其沉積作用意義巨大。通過生物生理作用、生物物理作用和生物化學作用可使大量溶解物質、內源顆粒物質以及部分粘土物質發生沉積。第二節沉積物搬運和沉積的主要地質營力地質作用：造成地殼物質組成、結構、構造等發生變化的各種作用。地質營力：地質作用的能量。介質：傳播能量的媒介物質。風化、搬運和沉積作用的介質類型有三種（三態）：液態：水，包括地面流水、地下水、湖泊和海洋等固態：冰川氣態：大氣和風一、液態地面流水按水源補給特點分為暫時性流水和常年性流水兩種，前者包括片流和洪流，后者為河流。地下水以化學作用為主，特別在可溶性巖石地區，這種地質作用比較發育。湖泊與海洋營力的特點很相似，只是前者在規模上小一些。其最顯著特點是以沉積作用為主。二、氣態

大氣是通過氣溫的頻繁變化、大氣中水汽、CO2

氣的存在等因素對地表產生地質作用。大氣對流便形成風。風的地質作用是純機械的，在干旱、半干旱地區比較盛行。三、固態

冰川是一種固體冰流，它分布于高寒地區，運動速度慢，而且是整體向前運動。所以，冰川的地質作用僅分布于寒冷地區，如高山、極地，且作用方式是純機械的。第三節

搬運和沉積中流體的基本類型水和大氣是兩種最主要的搬運和沉積介質，它們都是流體。自然界有兩種基本類型的流體：牽引流與重力流。牽引流和重力流的力學性質、沉積物的搬運方式、流體與顆粒之間的力學關系等方面有顯著差異，形成的沉積物也有各自的特點。牽引流包括水流(包括河流、海流、波浪流、潮汐流、等深流等)和大氣流。重力流包括泥石流、顆粒流、液化流、濁流。牽引流重力流（瀑布）地表水流類型1、牽引流牽引流:是以一定的動力（推力或上舉力）拖曳（或牽引）導致流體運動并帶動碎屑顆粒運動的流體。河流、海流、波浪流、潮汐流等都是牽引流。牽引流屬于牛頓流體。牽引流對沉積物的機械搬運方式既有推移方式搬運，又有懸移方式搬運。重力流屬于非牛頓流體（賓漢流體）。重力流對沉積物的機械搬運方式以懸移方式搬運為主。牽引流的搬運力表現在兩個方面：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)，負荷力的大小主要取決于流體流量，負荷力愈大搬運的沉積物數量愈多。牽引流驅使沉積顆粒移動的動力是流體流動所產生的推力。推力大不一定負荷力就大，反之亦然。例如，山間急流可以搬運達幾十噸重的巨石，而浩翰的長江，盡管每年能搬運970×106t物質，卻不能推動一塊大的礫石。山間急流的負荷力雖小而推力卻很大；長江推力小而負荷力卻很大。流體中被搬運的沉積物稱載荷，單位時間內流經某一橫斷面的沉積物總量(容量)稱作載荷量。按沉積物搬運方式不同分為:(1)

溶解載荷(2)懸移載荷(3)推移載荷或床沙載荷。當一流體不能再攜帶更多的沉積物時，稱滿載；隨著流速降低，流量減小，流體的推力和負荷力減弱，成為超載，這時沉積物就會由粗到細依次發生沉積。2.重力流重力流：是水和懸浮顆粒的高密度混合體，是在重力作用下發生流動的高密度流體，屬于非牛頓流體的賓漢流體。重力流的流動以及驅使沉積物發生移動的動力是重力。其流動是沿斜坡向下移動的，因此，重力流沉積物大量分布在大陸斜坡邊緣的盆地深處。重力流的沉積在一定位置上整體沉積。在流動時，以整體形式搬運，并且有明顯的邊界，所以有人把重力流稱為整體流。

重力流是一種在重力作用下發生流動的彌散有大量沉積物的高密度流體。約翰遜(1930)曾將這類流體稱作“濁流”，隨著研究工作的深入，發現濁流僅是重力流中的一種類型。

重力流隨著搬運距離增大，濁流可與上覆水體混合而降低其密度，但這種混合作用是相當緩慢的，或者由于流速降低而使運載的懸浮物下沉,密度也就降低。重力流隨著密度降低，可向牽引流轉變。牽引流與重力流的基本特征對比

牽引流重力流

水流（河流、海流、泥石流、顆粒流、潮汐流、等深流）和液化流、濁流大氣流流體類型牛頓流體非牛頓流體（賓漢流體）機械搬運方式推移和懸浮搬運懸浮搬運沉積物呈床沙（推移）方式搬運主要見于牽引流中。隨著流體流動強度的變化，在床沙表面相應出現不同的幾何形體，稱為床沙形體。在明渠流中，隨流動強度加大(緩流—臨界流—急流)，在床面上會依次出現不同的床沙形體：其中，沙紋和沙丘都是低流態(緩流)產物，Fr＜1,均屬異相波；受沖刷的沙丘為臨界水流態的產物，Fr≈1；受沖刷的平坦床沙、逆行沙丘（同相波）、沖槽和沖坑都是高流態下的底形，Fr＞1。①無顆粒運動的平坦床沙（水體平靜，無顆粒運動，若水體中有懸浮或溶解物質緩慢沉降，可形成水平層理）→

②沙紋(小波痕)(Fr＜＜1，波高＜5cm，波長＜30cm，可形成小型交錯層理，異相波)→

③沙丘(大波痕，Fr＜1

波高10-20cm，波長可達幾米，可形成板狀、槽狀大型交錯層理，異相波)→

④受沖刷的沙丘(Fr≈1，波痕規模大，波長幾米—幾十米，波高<<波長,若流向發生變化，常形成楔狀交錯層理)→隨流動強度加大依次出現的床沙形體：⑤受沖刷的平坦床沙(Fr＞1，波痕消失，再次呈平底，但與初始平底有別，在于砂粒在平坦底面作連續遷移，并形成平行層理)→⑥逆行沙丘（Fr＞＞1，可形成交錯層理，同相波）→

⑦沖槽和沖坑（Fr＞＞＞1，可形成交錯層理，同相波）。需要指出，自然界底形層理的形成條件很復雜，受水深、流速、沉積物粒度、水體運動特征（單向運動或往復震蕩運動）等多因素控制。在環境分析中，要注意各種標志的綜合分析。據實驗，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。索瑟德(1975)分別以0.10mm、0.50-0.55mm以及1.15-1.35mm代表細、中、粗顆粒研究了床沙形體與流速、粒度等參數的關系。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不但能搬運碎屑物質，而且能搬運溶解物質；不僅有機械沉積作用，而且還有化學和生物沉積作用。而重力流占絕對優勢的是機械搬運和沉積作用。

(1)碎屑顆粒在牽引流介質中的搬運方式按碎屑物質或顆粒與所在流體的力學關系，顆粒在流體中明顯地具有三種搬運方式，即滾動、跳躍和懸浮。第五節沉積物的搬運和沉積方式碎屑在牽引流中的搬運方式滾動跳躍懸浮溶解水流方向

A-1(底載荷搬運方式).mov(1)碎屑顆粒在牽引流介質中的搬運方式A.滾動搬運

假定顆粒是球粒的，停留在平滑的底面上，水力直接作用于顆粒向上游的一面。因為底部有摩擦阻力，所以作用于其頂部的流水比其下部的流水速度更快，推力更大，故顆粒趨向于滾動。結論：推動更粗的礫石需要更大的力。因此，流速一致的情況下，較細的砂比粗的礫更容易移動；而當河流的流速下降，最粗的顆粒因推力減小首先沉積。B.跳躍搬運

碎屑顆粒順流一邊跳躍一邊向前(時沉時浮)，稱跳躍搬運。引起顆粒跳躍的條件是：①底部不平，使顆粒碰撞底部障礙物或其它顆粒而激發的向上彈跳力；②由流速引起的順流推力；③水流引起的上舉力(或揚舉力)，此種力一是起源于向上渦流，一是起源于顆粒附近流速變化引起的壓力差。流線密集處(A)，流速高，壓力低，產生垂向上的壓力差，這種壓力差把顆粒舉起。一旦顆粒被舉起，壓力差消失，顆粒又落下。A

C.懸浮搬運

碎屑顆粒或沉積顆粒能否在靜水中呈懸浮狀取決于兩種力的比率：一是向下的力，即mg；一是反向的向上摩擦阻力(f)，這是由水的粘滯性產生的。如果顆粒較粗，其向下的力(mg)＞向上的力(f)，不能懸浮；細顆粒不能很快克服向上的阻力，所以經常懸浮在水體中。流速增大，懸浮顆粒的粒度隨之增大。顆粒的沉降速度一般與顆粒的粒度、相對密度、形狀以及水介質的性質有關。上表為在澄清的靜水中懸浮物質的沉降速度與顆粒粒度的關系；懸浮物的沉降速度與流體的運動特點（層流、紊流）有關：層流中顆粒的沉降與靜水中一直，紊流中顆粒的沉降較慢；球狀顆粒不易懸浮，而片狀顆粒更易懸浮；(2)牽引流的搬運特點和載荷碎屑顆粒在牽引流中的搬運方式（滾動、跳躍和懸浮）與碎屑大小有關，而顆粒大小又與水體流速關系密切。尤爾斯特隆圖解流速(cm/s)侵蝕搬運沉積粘土粉砂砂礫細粗粒徑（2）大于2mm的礫級碎屑的起動流速比沉積臨界流速大，但二者差較小（兩個速度都較大），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。（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，要比繼續搬運的速度大；(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。

(3)0.05-2mm砂級碎屑顆粒所需的起動流速最小，與沉積臨界流速相差較小。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；總之，隨著流速逐漸變小，碎屑顆粒從粗到細依次沉積，或流速頻繁變化可形成大小顆粒混雜堆積。(3)牽引流形成的碎屑沉積物的分布規律沉積分異作用--按沉積物的物理特性(顆粒的大小、形狀、比重)或化學成分，呈規律性依次沉積的現象,稱為沉積分異作用。劃分為：機械沉積分異作用

化學沉積分異作用影響機械沉積分異作用的物理因素主要有：顆粒大小、形狀、密度。在機械分異時，碎屑顆粒的物理特性是內因，搬運介質的性質與速度是外因。A、顆粒大小：當河流流速逐漸降低時，碎屑顆粒按大小不同作有規律分異：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。B、密度：礦物相對密度與其沉速成正比。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（砂金常和比其粒度粗的粗砂和細礫共生）。C、顆粒形狀：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大的片狀白云母。

機械分異作用對于金屬與非金屬礦物富集有很大的影響。機械沉積分異愈完全，碎屑沉積物分異程度也就越高。如果原來的礦物成分種類比較簡單，常形成單礦物堆積，石英砂就是一例。如果是多種礦物組成的碎屑物質，在機械分異作用下，往往是比重大而體積小的碎屑礦物同比重小而顆粒大的碎屑礦物混在一起。如很多含金礫巖，其中礫石可達3-5cm，而自然金的顆粒卻不過幾毫米。2.重力流的機械搬運和沉積作用

重力流是一種高密度流體。重力流的沉積過程常常是在一定位置上整體沉積。在流動時，以整體形式搬運，并且有明顯的邊界，所以有人把重力流稱為整體流(塊體流)。根據顆粒的支撐機理和堆積的沉積物類型，重力流分為泥石流、顆粒流、液化流和濁流四類

。水下重力流的四種類型(1)泥石流（碎屑流）定義：是一種含有大量粗碎屑和粘土、呈涌浪狀前進的粘稠流體。即：是一種礫、砂、泥和水相混合的高密度流體。發育部位和條件：在陸上山麓環境中常見。泥石流流動所需坡度大于牽引流，一般為5°左右。在水體中也能形成泥石流，如峽谷的源頭處，海底扇的頂部。但水體中的泥石流易被周圍的水稀釋，凝聚力減少，顆粒粒度變細，逐漸失去泥石流性質。組成：泥石流中含水量僅40-60%，密度為2-2.4，粘度可高達100Pa·s(純水僅0.001Pa·s)。形成機理:由“基質凝聚力”支撐，即泥和水混合組成的雜基支撐著砂、礫使之呈懸浮狀態被搬運。沉積特征:基質支撐結構的礫石質泥巖或含礫粗砂質泥巖。(2)顆粒流定義：顆粒之間沒有粘結力或凝聚力的流體（砂、礫所組成的重力流）。發育部位和條件：未固結的顆粒沉積物(物質基礎)，斜坡(部位)，地震、風暴（誘發因素）。顆粒的擴散應力是顆粒流形成流體的基本因素，它促使沉積物“液化”，未固結的砂體因突然受地震、暴風浪的強烈作用，使局部斜坡變陡或沉積物不穩而崩落，并順坡高速向深部流動，最后在坡腳散開而沉積。如果中途裹協有大量泥，則顆粒流向濁流轉化。形成機理：由于顆粒的相互碰撞所產生的向上支撐應力，阻止了顆粒從流動中沉積下來。沉積特征：顆粒流沉積物中常含有粗大的顆粒，礫石分散地“漂浮”在砂粒中，常形成礫狀砂巖或礫巖。(3)液化沉積物流定義：由顆粒間空隙中液體的向上流動而支撐顆粒，并在重力作用下呈塊體運動的重力流。發育部位和條件：未固結的顆粒沉積物(物質基礎)，斜坡(部位)，地震、風暴（誘發因素）。形成機理:當沉積作用很緩慢時，沉積物的重量全由固態顆粒所支撐，這時空隙壓力與流體靜壓力相等，顆粒與流體處于平衡狀態；當快速堆積時（或沉積物受到振動時），孔隙壓力大于沉積物中的靜水壓力，使流體向上流動并使顆粒呈懸浮狀，即沉積物發生“液化”。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。沉積特征:在流動過程中，孔隙壓力將很快消散，液化沉積物強度逐漸減小，于是就發生沉積作用。液化沉積物流也可能向顆粒流或濁流轉化。(4)濁流定義：是一種混合著大量自懸浮沉積物質的高速紊流狀態的混濁高密度流，也是由重力推動流動的重力流。發育部位和條件：未固結的顆粒沉積物(物質基礎)，斜坡(部位)，地震、風暴（誘發因素）。誘發因素引起液化沉積物流或沉積物滑移、滑塌體沿斜坡由重力驅使向下流動，碎屑自身重力→引起高速流動→產生紊流出現上舉力，又使自身懸浮，形成大規模突發的高速型濁流。形成機理:

濁流的支撐和搬運機理是由流體內湍流的向上分力(上舉力)支撐并搬運沉積物。沉積特征:濁積巖，鮑馬序列。濁流沉積的特征

B-4(濁流)Bouma（1962）將濁流的形成與活動分4個階段：

A.三角洲階段

B.滑動階段

C.流動階段

D.濁流階段濁流沉積的特征濁流沉積的特征濁流沉積的特征--鮑瑪序列重力流與牽引流沉積作用的區別:

（1）從分布規律上看，濁流及其它重力流沉積不服從機械沉積分異順序，只在深部沉積位置上沿流動方向出現由粗到細的變化，而且在完整的濁積物層內，自下而上也有相應的變化。

（2）在濁流內的碎屑顆粒(粗到細)幾乎全部呈懸浮狀態，并且是高濃度的。懸浮顆粒可以較粗。在牽引流中，三種搬運方式都存在，其中僅細顆粒(如泥質)具有懸浮搬運的特點，濃度也低。

牽引流和濁流在實際作用過程中是可以互相轉化的。3.搬運過程中碎屑物質的變化碎屑物質在長距離搬運過程中，由于顆粒間的碰撞和摩擦，流體對顆粒的分選作用，以及持續進行的化學分解和機械破碎，使得它們的礦物成分、粒度、分選性和外形都發生變化。(1)礦物成分的變化由于搬運過程中的化學分解、破碎和磨蝕作用，隨著搬運距離增長，不穩定組分如長石、鐵鎂礦物等就會逐漸減少，而穩定組分如石英、燧石等含量就會相對增加。(2)粒度和分選性的變化隨著搬運距離的增長，沉積顆粒愈來愈細，分選程度愈來愈高，即顆粒大小愈趨向于一致。(3)顆粒形狀的變化由于磨蝕作用，隨著搬運距離的增長，顆粒的磨圓程度(圓度)與接近于球形的程度(球度)一般是愈來愈高。3.搬運過程中碎屑物質的變化

4.風的搬運和沉積作用

風與流水在搬運和沉積機理上有相同之處，也有區別：（1）空氣只能搬運碎屑物質；（2）風的分選作用很強，能搬運的碎屑物質粒徑范圍很窄，分選性很好；（3）風的搬運作用不受重力控制，可將碎屑物由地勢低處移到高處；（4）風的搬運方式主要是跳躍式的，其次是表面挪動式；（5）由于顆粒在風中的碰撞和磨蝕作用比在水中強烈，故風成砂的磨圓度較好。5、冰的搬運和沉積作用

冰川是固體搬運，搬運能力很大；其搬運的碎屑無磨圓和分選；冰川移動到雪線以下逐漸消融，所載運的碎屑物就沉積下來。二、溶解物質的搬運和化學沉積作用溶解物質可以呈膠體溶液或真溶液被搬運，這與物質的溶解度有關，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。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

低溶解度的金屬氧化物、氫氧化物和硫化物常呈膠體溶液被搬運，膠體溶液是介于粗分散系(懸浮液)和離子分散系(真溶液)之間的一種溶液，膠體粒子的直徑介于1～100μm之間，在普通顯微鏡下不能識別。

在搬運過程中，當膠體溶液因兩種帶不同電荷的膠體相遇，或電解質作用，或濃度增大以及pH值的影響失去穩定時，膠體就發生凝聚，膠體物質即在溶液中集結成為絮狀、團塊狀。在重力作用下，于合適的沉積環境里，逐漸沉積下來。膠體的搬運和沉積特點：①膠體質點極小，故重力的影響很微弱；②膠體質點帶電荷；③膠體粒子比真溶液中的離子大得多，故擴散能力很弱；④天然膠體普遍具有的吸附性。如SiO2水溶膠體能吸附放射性元素。2.真溶液的搬運和沉積作用

可溶物質能否溶解而搬運或沉淀，與本身溶解度和溶度積有關，而影響溶解度和搬運及沉積的因素除pH、Eh值和含鹽度外，還有溫度、壓力、CO2的含量、離子的吸附作用等。

由真溶液化學組分的類型和外界化學條件的變化使真溶液發生有規律性的沉積現象稱為化學沉積分異作用。即形成的自生礦物或化學沉積物的分布有一定的趨勢或規律。化學分異的模式自沉積盆地邊緣向海盆方向的沉積順序是：鋁土礦→鮞狀赤鐵礦→鮞狀氧化錳礦→二氧化硅→磷酸鈣→海綠石→鮞綠泥石→菱鐵礦→方解石→白云石，最后在鹽盆地中出現石膏、硬石膏以及氯化鈉、鉀鹽、鎂鹽。簡化順序則是：氧化物→硅酸鹽→碳酸鹽→硫酸鹽→鹵化物。影響化學沉淀的因素很多，所以該分異順序是一般的模式，自然界的實際順序比它復雜得多。化學沉積分異作用示意圖三、生物的搬運和沉積作用

生物作為一種搬運營力的意義較小，但生物的沉積作用卻是很重要的。生物在沉積巖和沉積礦產形成中起著重要作用。生物的沉積作用包括直接方式和間接方式兩種：(1)直接沉積作用為生物遺體直接堆積形成巖石或沉積礦床，或通過生命活動和生理作用，例如通過光合作用或吸取養料形成有機體。(2)間接沉積作用是生物的生命活動過程中或生物遺體分解過程中引起介質的物理化學環境的變化，從而促使某些溶解物質沉淀，或由于有機質的吸附作用而使得某些元素沉積，稱為生物化學沉積作用。還可以在生物生命活動過程中通過捕獲、粘結或障