第2章沉積巖的形成和演化-2(朱銳)

朱銳沉積巖石學(xué)SedimentaryPetrology2013年9月6日沉積巖的形成及演化Formationandevolutionofsedimentaryrocks

1)陸源物質(zhì)—母巖的風(fēng)化產(chǎn)物（陸源碎屑）2)生物源物質(zhì)—生物殘?。ㄉ锼樾迹┖陀袡C(jī)質(zhì)4)宇宙源物質(zhì)—隕石、宇宙塵3)深源物質(zhì)—火山物質(zhì)（火山碎屑）和深部熱鹵水沉積原始物質(zhì)的來源

物理風(fēng)化作用physicalweathering

化學(xué)風(fēng)化作用chemicalweathering

生物風(fēng)化作用biologicalweathering風(fēng)化作用的分類沉積巖原始物質(zhì)的形成

機(jī)械搬運(yùn)和沉積作用

化學(xué)搬運(yùn)和沉積作用沉積后作用及其劃分階段沉積巖的分類內(nèi)容提要

沉積學(xué)相關(guān)的流體力學(xué)基礎(chǔ)粘滯性的概念

流體的粘滯性和內(nèi)摩擦定律

相鄰流體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，快層對(duì)慢層產(chǎn)生的是一個(gè)拖曳力，使慢層加速(作用力)；相反，慢層對(duì)快層產(chǎn)生一個(gè)方向相反的阻滯力，使快層減速(反作用力)。一對(duì)大小相等、方向相反的拖曳力和阻滯力稱為內(nèi)摩擦力(粘滯力)。在河道中的流水，因受固體邊界影響，使得由河底往上流速逐漸增大，由于各水層的流速不同，各水層之間就要產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生成對(duì)的切力（拖曳力、阻滯力）。

粘滯流體流體都具有一定的粘滯性。當(dāng)它沿容器器壁流動(dòng)時(shí)，由于附著力的作用，與壁緊接的一層粘附其上(流動(dòng)慢)，而鄰層則相對(duì)于這層滑動(dòng)(快)，這是因?yàn)?流體流動(dòng)受到阻力。流體具有粘滯性。流體的粘度對(duì)流動(dòng)影響極大粘度小，流動(dòng)性好，摩擦阻力?。徽承源?，流動(dòng)性差，增加了流體摩擦阻力。牛頓內(nèi)摩擦定律(粘滯定律)

內(nèi)摩察力(F)與接觸面積(A)和相對(duì)速度差(dv

)成正比，而與垂直距離(dz

)成反比，這一結(jié)論稱為牛頓內(nèi)摩擦定律(或粘滯定律)，表示為：

F：內(nèi)摩擦力(牛)；

dv/dz

：流速梯度(秒-1)(沿垂直水流方向單位距離的流速變化值也稱剪切變形率)；

A：接觸面積(m2)；

η：與流體種類、溫度有關(guān)的系數(shù)，稱為動(dòng)力黏滯性系數(shù)（運(yùn)動(dòng)黏度）(帕·秒，即Pa·s)

。各種類型流體的粘滯系數(shù)(η)與黏滯剪切應(yīng)力(τ)和流速梯度(du/dy)關(guān)系

τ為黏滯切應(yīng)力

影響流體粘滯系數(shù)變化的因素有：流體種類、壓力、溫度。在溫度不變的條件下，隨著du/dy的變化，μ值始終保持一常數(shù)，則為服從內(nèi)摩擦定律。在溫度不變的條件下，μ值隨著du/dy的變化而變化，則為不服從內(nèi)摩擦定律凡是服從內(nèi)摩擦定律的流體稱為牛頓流體。

氣體和分子結(jié)構(gòu)簡單的液體，如空氣、水及油屬于牛頓流體。牽引流為牛頓流體。把不服從內(nèi)摩擦定律的流體稱為非牛頓流體。例如重力流、血液、高分子液體等是非牛頓流體。牛頓流體的內(nèi)摩擦力與速度梯度呈線性關(guān)系，而非牛頓流體不是線性關(guān)系。假塑性流體和膨脹性流體：η值隨內(nèi)摩擦力的增加而減小或加大。賓漢流體：當(dāng)內(nèi)摩擦力達(dá)到τ

0后才開始流動(dòng)。沉積物重力流即屬賓漢流體。

牽引流(Tractioncurrent)—符合牛頓流體定律的流體。其搬運(yùn)機(jī)制是流體動(dòng)能拖曳牽引沉積物一起運(yùn)動(dòng)，如河流、風(fēng)流和波浪流等

沉積物重力流(Gravityflow)

—在重力作用下發(fā)生流動(dòng)的彌散有大量沉積物的高密度流體。

牽引搬運(yùn)(牽引作用)—能使碎屑物質(zhì)作底負(fù)載移動(dòng)的各種作用

牽引流的搬運(yùn)力包括推力和載荷力。推力(牽引力)與流速有關(guān)載荷力(負(fù)荷力)與流量有關(guān)推力大不一定負(fù)荷力大，反之亦然。

牽引流搬運(yùn)方式：溶解載荷、懸移載荷、推移載荷或床沙載荷。

重力流搬運(yùn)的驅(qū)動(dòng)力主要起因于重力

流體流動(dòng)分為管道流和明渠流兩種類型。前者是流體充滿了管道，為有壓流；后者為液體表層與大氣接觸的自由表面，是在重力作用下的流動(dòng)，為無壓流。急流、緩流與福勞德數(shù)按流動(dòng)強(qiáng)度，流體可分為：急流、緩流和臨界流三種流態(tài)。緩流急流福勞德數(shù)的概念：是無量綱數(shù)，表示流體的流動(dòng)強(qiáng)度，是判別急流和緩流的定量準(zhǔn)則，福勞德數(shù)（Fr）=貫性力（v

）/重力（g

）。式中，h為水深。

明渠流中，急流和緩流的變化是受重力控制，要使Fr值達(dá)到1，要求水深10m，流速9.9m/秒，這樣高的流速在自然界中極為罕見。在淺水的海洋環(huán)境中，一般只有2m/秒時(shí)速度。因此，急流一般是局部地段或幾厘米—幾米的淺水條件下出現(xiàn)。急流、緩流、臨界流的福勞德數(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

緩流：

Fr<1，慣性力小于重力，是重力起主導(dǎo)作用下的流動(dòng)。

臨界流：Fr=1，慣性力等于重力。

急流：

Fr>1，慣性力大于重力，是慣性力起主導(dǎo)作用下的流動(dòng)。急流、緩流、福勞德數(shù)與波痕、交錯(cuò)層理的關(guān)系層流、紊流和雷諾數(shù)表示流體的流動(dòng)狀態(tài)。流體有兩種不同的流動(dòng)狀態(tài)：層流和紊流。雷諾水槽實(shí)驗(yàn)：微開閥門A，再將閥門B打開，使紅顏色水流入玻璃管中，觀察顯示紅色液流質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。此時(shí)，由于管內(nèi)流速較慢，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)有條不紊，呈不混雜并呈現(xiàn)分層流動(dòng)的狀態(tài)，這種流態(tài)稱為層流。小開水龍頭、細(xì)水長流。閥門A開大，流束呈現(xiàn)波紋狀，上下擺動(dòng)，稱此為過渡狀態(tài)。閥門A繼續(xù)開大，使管中流速增大，直到流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)呈分層流動(dòng)狀態(tài)被破壞，發(fā)生互相混雜，并且有縱向脈動(dòng)，這種流動(dòng)狀態(tài)為紊流。大開水龍頭的水流狀態(tài)、瀑布、洪水等。

可見，隨著水流流速加大，層流可以轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳎环粗?，隨著水流流速減小，紊流可以轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鳎@種流體形態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的平均流速(V)叫做臨界流速(VK)。

層流、紊流與雷諾數(shù)

雷諾通過實(shí)驗(yàn)表明，流動(dòng)形態(tài)不僅與流速有關(guān)，還與流體的粘滯系數(shù)、密度、管道直徑有關(guān)。

流速、密度、管道直徑愈大就愈易轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳎硿禂?shù)愈大則愈不易轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳌?/p>

不論密度、粘滯系數(shù)、管道直徑如何變化，其慣性力與粘滯力的比值卻是固定不變的，而且是一個(gè)無量綱數(shù)。將平均流速(v)、管道直徑(d)、黏滯系數(shù)(η或υ)和密度(ρ)歸納為一個(gè)無量綱數(shù)，稱為雷諾數(shù)。雷諾數(shù)的概念：是無量綱數(shù)，表示流體的流動(dòng)狀態(tài)，是判別層流和紊流的定量準(zhǔn)則，雷諾數(shù)是貫性力與粘滯力比值。13/20

在管道條件下：

層流：Re<2320時(shí)為層流，一種緩慢流動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)有條不紊的平行的線狀運(yùn)動(dòng)，彼此不相摻混。臨界流：Re=2320時(shí)為臨界流，流動(dòng)狀態(tài)介于層流與紊流的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的是臨界流速。

Re>2320時(shí)為紊流，紊流是一種充滿了游渦的急湍的流動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡極不規(guī)則，有縱向運(yùn)動(dòng)，其流速大小和流動(dòng)方向隨時(shí)間而變化，彼此相互摻混

但是，在明渠條件下，層流與紊流的雷諾數(shù)值范圍與管道條件是不同的(即臨界雷諾數(shù)不等于2320)。它應(yīng)該用水力半徑(R)代替管道直徑(d)來計(jì)算臨界雷諾數(shù)，因：R=1/4

d，為管道條件下2320的1/4，其臨界雷諾數(shù)應(yīng)為500。紊流層流明渠流的臨界雷諾數(shù)為：500河南焦作云臺(tái)山一、空氣的流態(tài)水流在管道條件下臨界雷諾數(shù)為2320；明渠條件下臨界雷諾數(shù)為500?？諝猓阂源髿馊Φ膶?duì)流層上限為界（即不是整個(gè)大氣圈），其臨界雷諾數(shù)為1400；當(dāng)風(fēng)速超過1m/s時(shí)，空氣呈紊流狀態(tài)。大氣圈是地球的空氣層。分為對(duì)流層、平流層、中間層、熱成層、外大氣層等。天氣現(xiàn)象發(fā)生在對(duì)流層內(nèi)?？諝獾牧黧w力學(xué)k值大小與地面粗糙度有關(guān)，k值約為地表沙礫直徑D的1/30，這與水流分布所不同的。由于受到地面摩擦阻力，愈近地面風(fēng)速愈小。可見風(fēng)速的垂向分布特征與河道流水類似。空氣搬運(yùn)能力低于流水的原因

空氣的密度低于流水一顆石英相當(dāng)于同體積水的重量的2.65倍；一顆石英相當(dāng)于同體積空氣重量的2000倍。要移動(dòng)同一石英顆粒，風(fēng)速要比水速大得多才行。當(dāng)風(fēng)速為水速的28.3倍時(shí)，才能得到相同的推移力。即在同一速度下風(fēng)所能移動(dòng)的顆粒比水移動(dòng)的顆粒小得多

碎屑物質(zhì)在流水中的搬運(yùn)和沉積作用地面流水:是指沿陸地表面流動(dòng)的水體，其運(yùn)動(dòng)是改變地球面貌的一種重要的地質(zhì)營力。(1)暫時(shí)性流水:指在降雨以后或雨季才有水流動(dòng)的地面流水。片流(Sheetflow):無固定水道、沿整個(gè)斜坡流動(dòng)的暫時(shí)性流水。洪流(Floodflow):片流匯集到沿溝谷流動(dòng)，但無固定流向的線狀暫時(shí)性流水。(2)常年流水:有穩(wěn)定水源補(bǔ)給的水流，通常具有相對(duì)固定的流水渠道。河流(River):在固定線狀河床中流動(dòng)的經(jīng)常性流水。地面流水環(huán)流(Circularcurrent):

是水質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)過程中作螺旋形的運(yùn)動(dòng)。單向環(huán)流(SingleCircularcurrent):是水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡在過水?dāng)嗝嫔系耐队盀閱蜗虻沫h(huán)流。

單向環(huán)流普遍存在于河流和洪流的彎曲處。對(duì)河流在凹岸進(jìn)行沖刷，并把沖刷下的產(chǎn)物攜往凸岸沉積。地面流水的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)雙向環(huán)流(DoubleCircularcurrent):是水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡在過水?dāng)嗝嫔系耐队盀閮蓚€(gè)環(huán)形。

雙向環(huán)流普遍存在于河流的直線段。對(duì)河流的河床進(jìn)行沖刷，并把沖刷的產(chǎn)物進(jìn)行擇地沉積。渦流(Eddycurrent):

是水質(zhì)點(diǎn)在河流中繞軸旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)軸分為豎直和水平。按照搬運(yùn)的方式分為機(jī)械搬運(yùn)作用(為主)和化學(xué)搬運(yùn)作用。

機(jī)械搬運(yùn)作用搬運(yùn)類型分為：推移(滾動(dòng))、跳躍和懸移三種方式。河流的搬運(yùn)

機(jī)械搬運(yùn)作用尤爾斯特隆圖解：顆粒的搬運(yùn)、沉積與粒徑和流速的圖解關(guān)系。繼續(xù)搬運(yùn)流速曲線開始搬運(yùn)流速曲線

顆粒開始搬運(yùn)所需的流速比繼續(xù)搬運(yùn)所需的流速要大。

機(jī)械搬運(yùn)作用尤爾斯特隆圖解：顆粒的搬運(yùn)、沉積與粒徑和流速的圖解關(guān)系。繼續(xù)搬運(yùn)流速曲線開始搬運(yùn)流速曲線

0.05-2mm粒徑的顆粒啟動(dòng)搬運(yùn)所需流速最小，而且起動(dòng)和沉積兩者的臨界流速差較小。

機(jī)械搬運(yùn)作用尤爾斯特隆圖解：顆粒的搬運(yùn)、沉積與粒徑和流速的圖解關(guān)系。繼續(xù)搬運(yùn)流速曲線開始搬運(yùn)流速曲線

大于2mm的顆粒與小于0.05mm顆粒的起動(dòng)流速都分別隨粒度增加和減少而加大。沃克(Walker，1975)的圖解當(dāng)流動(dòng)強(qiáng)度為P時(shí)，它所能滾動(dòng)的礫石最大粒徑為8cm，同時(shí)所懸浮的顆粒最大粒徑為2.2mm。當(dāng)流動(dòng)強(qiáng)度略小于P時(shí)，可使粒徑為8cm和2.2mm的礫石同時(shí)沉積，從而形成雙眾數(shù)的礫巖。當(dāng)流動(dòng)強(qiáng)度在P附近反復(fù)變動(dòng)時(shí)，則可能形成粗、細(xì)礫石沉積的互層，其平均粒度分別為8cm和2.2mm。如果流動(dòng)強(qiáng)度急劇減少，則可能造成分選極差的多眾數(shù)的礫、砂、粉砂和泥的混合沉積物。沉積1mm砂粒所需的流動(dòng)強(qiáng)度要比沉積7cm礫石所需強(qiáng)度小得多，因此，在平均粒度為7cm的礫石沉積的孔隙中所充填1mm的砂，不可能是同時(shí)沉積物。碎屑物質(zhì)在流水搬運(yùn)過程中的變化

成分上的變化：不穩(wěn)定組分逐漸減少，穩(wěn)定組分則相應(yīng)增加，同其它組分也就變得更加簡單了。

碎屑顆粒度逐漸變小

碎屑顆粒的圓度逐漸變好

碎屑顆粒的球度也有所增高碎屑物質(zhì)在流水搬運(yùn)及沉積作用過程中的分異作用

沉積分異作用(SedimentaryDifferentiation)

—母巖在風(fēng)化產(chǎn)物在搬運(yùn)和沉積過程中根據(jù)本身特性，在外部條件的影響下，按照一定順序分別堆積在一定程度上是可以分開的地表沉積帶內(nèi)。

母巖風(fēng)化產(chǎn)物以及其它來源的沉積物，在搬運(yùn)和沉積過程中按照顆粒大小、形狀、比重、礦物成分和化學(xué)成分在地表依次沉積下來，這種現(xiàn)象稱作地表沉積分異作用。沉積分異作用包括：

粒度分異

相對(duì)密度的分異

形狀上的分異，片狀碎屑顆粒較粒狀碎屑顆粒搬運(yùn)遠(yuǎn)，

成分分異

機(jī)械沉積分異作用(mechanicalsedimentarydifferentiation)——碎屑物質(zhì)在搬運(yùn)和沉積過程中，當(dāng)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的速度和運(yùn)移的能力在一定的方向上作有規(guī)律的變化時(shí)，它們也相應(yīng)按照顆粒大小、密度和形狀發(fā)生分異，依次沉積。

與沉積分異作用相對(duì)立的是“摻和作用”或“混合作用”、“混雜作用”。碎屑物質(zhì)在海、湖水中的搬運(yùn)和沉積作用Transportationandsedimentationofclasticmaterialsinseaandlakewater

引起海洋中碎屑物質(zhì)搬運(yùn)和沉積的營力主要是波浪和潮汐，其次是海流。

波浪主要由風(fēng)引起，波浪的大小主要取決于風(fēng)的大小。

波基面(浪底)(wavebase)——波浪作用的下限，即波浪所影響的最大深度。當(dāng)波浪運(yùn)動(dòng)的方向與海岸垂直時(shí)，而海底又位于浪底之上。在理想的情況下，波浪只能使海底的碎屑顆粒作一定幅度的往返運(yùn)動(dòng)，當(dāng)一個(gè)周期后，顆粒又回到原來的位置。

海底的碎屑既作往返運(yùn)動(dòng)，也有沿著傾斜的海底向下移動(dòng)的趨勢(shì)。如果波浪不垂直海岸，而與海岸斜交，則海底碎屑運(yùn)動(dòng)的路線呈更加復(fù)雜的“之”字形。其最大特點(diǎn)是波浪作用力方向與重力沿岸分力作用的方向不一致，而使物質(zhì)沿著二者合力方向移動(dòng)。除正常天氣情況下，碎屑物質(zhì)在橫向和縱向波浪作用下的搬運(yùn)和沉積作用外。還有陣發(fā)性的風(fēng)暴浪將淺海沉積物卷起而重新搬離或搬向海岸，形成風(fēng)暴沉積物

潮汐作用對(duì)濱岸地區(qū)的碎屑物質(zhì)影響很大，在潮汐作用帶，水體作大規(guī)模地漲潮和落潮運(yùn)動(dòng)，因此也使水底的碎屑物質(zhì)作相應(yīng)的往返運(yùn)動(dòng)。

近岸地帶的海流或深海的濁流、等深流、內(nèi)潮汐流、冷流、暖流、赤道洋流和上返洋流等對(duì)碎屑物質(zhì)的搬運(yùn)和沉積均有一定的作用。

北大西洋海底盆地環(huán)流樣