Question

沉积物的搬运和沉积作用

Answer 1

母岩的风化产物有碎屑物质、粘土物质和溶解物质三类。它们除少部分残留原地组成风化壳堆积外，大部分被搬运走，并在新的环境沉积下来。由于三类沉积物质的性质不同，故各自的搬运和沉积方式也不同。使沉积物发生搬运和沉积的地质营力主要是流水、风、冰川、重力和生物，按搬运方式可分为机械搬运、化学搬运和生物搬运。

1.机械搬运与沉积作用

碎屑物质在水、风、冰及重力等作用下，以机械方式进行搬运和沉积，其搬运和沉积过程受流体力学定律支配，既可呈悬浮状态(简称悬移载荷)搬运，也可呈滑动、滚动或跳跃方式(简称推移或床沙载荷)搬运。按搬运流体的性质可划分为牵引流(牛顿流体)和重力流(非牛顿流体)两种，以浅水环境的牵引流最常见，重力流主要出现在深水环境中。

(1)碎屑物质在流水中的搬运和沉积

碎屑物质的搬运与沉积，与其颗粒的大小、相对密度、形状和水深与流速有关，尤尔斯特隆研究了物质的侵蚀(开始搬运)、继续搬运、沉积与水流速度的关系(图4－1)，他发现碎屑颗粒的大小(图的横坐标)与水流速度(图的纵坐标)的密切关系，图4－1可说明:

图4－1 尤尔斯特隆(F.Hjalstrom)图解

1)颗粒开始搬运(侵蚀)所需的起(始)动流速，要大于继续搬运所需的流速，这是因为起动时不仅要克服颗粒本身的重力，还要克服颗粒间的吸引力和摩擦力。

2)水流速>1500cm/s，粒径<1000mm的颗粒均可被侵蚀;当水流速度<18cm/s，几乎所有粒径的颗粒都不会被侵蚀。

3)对颗粒间吸引力和摩擦力更大的粘土及粉砂而言，其固结的要比未固结的抗侵蚀能力强得多，侵蚀前者的流速要比侵蚀后者大几至几十倍。侵蚀固结粘土所需的流速甚至超过侵蚀松散的中砾石。

4)0.0625～2mm粒度的颗粒所需的起动流速最小，而且起动流速与沉积临界曲线相差也不大，说明砂粒在流水中搬运时很活跃，易搬运也易沉积，故常呈跳跃式前进。其中0.125～0.25mm的砂粒(细砂)最易受侵蚀、搬运和沉积，故在河流中下游细砂最丰富。

5)>2mm的颗粒起动流速与沉积临界流速差值小，两者曲线接近，且都随粒径增大而增加，故砾石不易搬运，但易沉积，并呈滑动或滚动式移动，故搬运不远，大多出现在河流上游。

6)<0.0625mm的颗粒(粉砂)，起动和沉积两个临界流速相差很大(曲线相离很远)，而且粒径越小两个临界流速的差值越大，因而粉砂(0.0625～0.0039mm)和泥质(<0.0039mm)一经流水搬运，就长期悬浮于水中不易沉积下来，可长距离搬运至较远的深水环境中，而且它们沉积之后又不易呈分散质点再搬运，即使水流速度发生急剧改变，也只能冲刷成粉砂质或泥质碎块(简称泥砾)继续搬运。

碎屑物在沉积盆地(海、湖)中的搬运与沉积作用，因受波浪流、潮汐流和洋流、湖流的反复改造，特别是海洋对碎屑沉积物的改造能力比河流大100倍，故海洋沉积物常具有很好的分选性、磨圆度，以及更高的成分成熟度和结构成熟度。其中碎屑岩的结构成熟度是用碎屑物中杂基含量的多少(少则好，多则差)，以及分选性与磨圆度(好则高)来综合表示的。

(2)碎屑物质在风中的搬运与沉积

风的机械搬运与沉积作用，广泛地分布在气候干旱的沙漠区，在某些海岸区也发育有风成的海岸沙丘。风搬运沉积物的方式有悬浮、跳跃、滚动、弹动、弹跳和表面蠕动等(在沙丘崩落面上的崩落作用，属于重力流类的颗粒流搬运)。搬运距离可以很近也可以很远，可以从高处往低处搬运，也可以从低处向高处搬运，分布面积一般很广，也可以局限于很小的海岸地带。风一般只能搬运碎屑物质，不搬运溶解物质。与流水的搬运和沉积作用相比较，风的搬运与沉积作用有如下两个显著的特点:

1)由于空气的密度比水小得多，仅为水的1/800(15℃时，空气为0.00122g/cm³;水为1g/cm³)，故风的搬运能力比流水小得多，搬运的颗粒细得多，但分选性好得多。风一般只能搬粉砂和黄土(细粉砂和泥的混合物)，风力大时才能搬运砂(主要粒径0.18～0.30mm)，甚至小砾石。

2)空气的黏度比水小得多，仅为水的1/55(20℃时，空气为0.018Pa·s;水为1.005Pa·s)，故颗粒在空气中的沉降速度比在水中快30～50倍，且易碰撞、弹跳、受磨圆，因此，风搬运的碎屑磨圆度好，发育有特征的霜面和棱面(风棱石)。

(3)冰川的搬运与沉积作用

多见于寒冷的两极地区和高寒的山区，现代冰川(glacier)覆盖面积约占陆地的10%，但在地质历史的某些时期有广泛的冰川沉积物分布。

冰川是固体物质，它的移动分为塑性流动和滑动，因此其运动机理较复杂，一般在雪线以上呈固体搬运，属重力流搬运，而在雪线以下冰消融而转化成牵引流搬运。冰川的搬运力是极强的，主要搬运碎屑物质，大的砾石可重达千吨，以及砂、粉砂和泥，但多呈固态块体搬运，故冰川沉积物具有分选极差、磨圆不好、有冰川擦痕、沉积物无层理等特征。

另外，浮冰和冰水的搬运力也是巨大的，浮冰及其碎屑物可被带到海洋中融化后再沉积下来，形成冰坠石等沉积物。冰川纹泥是受季节变化形成的冰湖沉积物。

(4)浊流的搬运与沉积作用

浊流是一种含有大量碎屑物质的高密度底流，属于一类最常见的水下重力流(水下沉积物重力流包括泥石流、浊流、颗粒流和液化沉积物流)。在海或湖盆地的斜坡处，沉积物由于地震、风暴浪、构造作用等引起重力滑塌，即可形成浊流，它可携带大量碎屑物质至海或湖盆底部堆积而成浊积物。

图4－2 自然界中胶体溶液与真溶液的分布

2.化学搬运与沉积作用

沉积物中的溶解物质，常呈胶体溶液或真溶液被搬运和沉积，这主要与物质的溶解度有关(图4－2)，Al、Fe、Mn、Si的氧化物难溶于水，多呈胶体溶液搬运，而Ca、Na、K、Mg的盐类溶解度大，则常呈真溶液搬运。

(1)胶体物质的搬运与沉积

胶体物质的性质介于粗分散系(悬浮液，其中的粒子直径>10μm)和离子分散系(真溶液，分子或离子直径<0.01μm)之间，质点大小在0.01～10μm之间，普通显微镜下不能识别。

由胶体凝聚沉淀而形成的沉积物及沉积岩有以下特点:

1)呈胶状，具贝壳状断口。

2)颗粒细小，吸收性强，有粘舌现象，可吸收有机染料和脂肪。常呈微晶、放射状结构。

3)由于胶体陈化脱水而产生收缩裂隙，孔隙性较好，被敲击易成尖棱角碎块状。

4)具有较强的离子交换和吸附能力，常可吸收不定量的水分、有机质及各种金属元素，故其化学成分不固定。

5)胶体沉积物可呈巨厚岩层，也可成透镜状、结核状产出。

(2)真溶液物质的搬运与沉积

化学溶解物质中的Cl、S、Ca、Na、K、Mg等成分都呈离子状态，存在于水溶液中，呈真溶液搬运(有时Fe、Mn、Al、Si也可呈真溶液搬运)，并通过化学作用而沉淀。它们沉淀的先后，主要由物质的溶解度(或溶积度)决定，即溶解度愈大，愈容易搬运，不易沉淀。而物质的溶解度又受介质条件———pH、E_h、温度、压力、CO₂含量等因素的控制。有以下特点:

图4－3 SiO₂、CaCO₃的溶解度与pH关系(据科林斯，1950)

1)介质的pH值对大部分溶解物的沉淀有显著影响，但对易溶盐类影响不大。pH值的变化对物质的溶解与沉淀的影响因物质而异，有些物质，如SiO₂的溶解度随pH值增加而增加(图4－3)，但有些物质则相反，如CaCO₃在pH>8时，溶解度小(图4－3)，易沉淀，而在pH<7时溶解度大，易溶解。由此可知，CaCO₃与SiO₂的情况正相反:SiO₂在酸性介质中沉淀，在碱性介质中溶解;而CaCO₃在酸性介质中溶解，在碱性介质中沉淀。故当介质pH降低时可见石英(SiO₂)交代方解石(CaCO₃)的现象，而介质pH增加时，则可见方解石交代石英的现象。但当pH=7.4～9，t>25℃，SiO₂浓度大于120mg/L时，石英与方解石可同时沉淀(图4－4)。

图4－4 方解石、非晶质氧化硅、石英溶解度与pH的关系

2)pH值的变化对不同类型的粘土矿物沉淀有显著的影响，如在强酸性(pH<5)介质中沉淀出高岭石，弱酸性(pH=5.5～6.6)介质中沉淀多水高岭石;中性(pH=6.6～7.2)介质中沉淀复水高岭石及拜来石;弱碱性(pH=7.2～8)介质中沉淀拜来石和钙蒙脱石;碱性(pH=8～9)介质中沉淀钙－镁蒙脱石;强碱性(pH>9)介质中沉淀镁蒙脱石。

3)介质的氧化－还原电位(E_h)对变价元素(如Fe、Mn)的氧化物影响较大(见表4－2)，而对铝、硅等元素影响很小。

4)溶液中CO₂的含量对碳酸盐矿物的溶解与沉淀有很大影响，若溶液中CO₂高，则pH降低呈酸性，碳酸盐呈重碳酸盐使其溶解度增大，碳酸盐矿物易溶解;反之，若CO₂从水中逸出，pH增大，呈碱性，则利于碳酸盐矿物沉淀。水中溶解的CO₂量与温度、压力有关。若温度降低或压力加大，CO₂含量增加而不利于CaCO₃沉淀，故温度低、压力大的深海环境很少CaCO₃沉淀。

5)温度、压力对溶解度影响的一般规律为:物质溶解度随温度升高而增大。特别是温度及蒸发作用对盐类矿物的沉淀有特殊影响，盐类矿物都需要在一定的封闭条件下，气候炎热干燥，蒸发强的水盆地中才能沉淀。温度可改变化学反应的方向，如降低温度有利于化学平衡向放热方向移动，否则相反;当压力增大时化学平衡向体积减小的方向移动，反之亦反。

3.生物搬运与沉积作用

随着地史的演化，生物在沉积岩形成过程中的意义愈来愈大，生物通过生命活动，直接或间接地对化学元素、有机或无机的各种沉积、成岩和成矿物质进行分解与化合，分散与聚集，以及迁移与沉积等作用，在适当的水体中沉淀堆积成相关的岩石和矿床。生物作为一种搬运介质和营力意义较小，但生物的沉积作用是巨大的，可归纳为以下几方面:

1)生物残骸(硬体)直接堆积成岩，如礁灰岩、生物灰岩、硅藻土、某些磷块岩等。

2)生物有机体(软体)，可转变成石油、天然气、煤、油页岩等。

3)生物化学作用，生物能产生CO₂、H₂S、NH₃、CH₄等，影响沉积介质的氧化－还原条件，促使某些物质溶解或再分配。如藻类进行光合作用，吸收CO₂，促进碳酸盐的沉淀;铁细菌(ferrobacillus)能将Fe²⁺氧化成Fe³⁺，利于铁的沉淀;还原硫酸盐细菌(sulfate-reducing bacteria)能将硫酸盐还原成H₂S，它可与金属离子结合成硫化物沉淀。

4)生物物理作用，某些生物(如藻类、层孔虫)的捕获粘结和障积作用，有利于某些岩石(如藻碳酸盐岩、礁灰岩)和矿产(如磷、铁、锰)的形成;生物及有机质对某些金属元素的吸附、沉淀，可形成有用矿产，如煤及黑色页岩中的铀、钒等矿产。

4.沉积分异作用

沉积岩的原始物质经过搬运、沉积而分化为比较简单的沉积物(岩石和矿产)类型的作用，称为沉积分异作用。沉积分异作用可分为机械沉积分异作用、化学沉积分异作用及生物沉积分异作用，以前二者为主。

(1)机械沉积分异作用

主要受物理因素支配的分异作用，叫机械沉积分异作用。随着搬运距离的增长，碎屑物质按其颗粒大小、密度、形状和矿物成分进行分异，依次沉积下来。其一般规律是:

1)按颗粒粗细进行的沉积分异作用。碎屑物质沿搬运方向，从物源区起由近而远，按颗粒大小依次沉积砾石→砂→粉砂→泥质。

2)按密度大小进行的沉积分异作用。密度相对大的矿物搬运近，先沉积，而小者搬运远，后沉积。

3)按形状进行的沉积分异作用。与搬运方式有关，如在悬浮搬运物中，球度高的较小粒状矿物先沉积，片状矿物后沉积;滚动搬运物中，球度高的较大粒状矿物搬运远，片状矿物搬运近，但总的变化趋势为搬运愈远，圆度、球度愈高。

4)按矿物成分的稳定进行的沉积分异作用。近陆源区碎屑成分复杂，不稳定矿物和重矿物含量均高，即成分成熟度低;远陆源区则情况相反。

(2)化学沉积分异作用

化学沉积分异作用模式受化学性质支配的沉积分异作用，称为化学沉积分异作用。它主要受矿物溶解度的影响，其次是外界条件，如介质的pH值、E_h值、气候和构造条件，以及有机质的作用等的影响。按沉积岩中常见矿物的溶解度，普斯托瓦洛夫提出如图4－5所示的化学沉积分异作用模式。

对普斯托瓦洛夫沉积分异学说的评价 ①沉积分异模式对研究沉积物的搬运和沉积规律，了解沉积岩和沉积矿产的成因和分布规律，指导普查找矿等均有重大理论和现实意义。②但普斯托瓦洛夫所提出的沉积分异模式，过于简单化和抽象化，有的是推论的，而不是根据事实作出的总结，忽视了与沉积分异作用相对立的“掺合作用”，更没有注意到沉积期后的物质调整和分异作用。③对化学沉积分异作用而言，他提出的矿物很多不是同一时期形成的，如白云石、菱锰矿多是成岩期矿物，而天青石、重晶石、萤石多是成岩后生期矿物，不能把它们与同生沉积矿物相提并论。同时，他也没有考虑气候、大地构造、火山物质和生物作用等因素。④我们认为物质的分异作用可贯穿于沉积岩和沉积矿产形成过程的始终，可以把风化作用阶段所发生的物质分异，称为风化分异作用或沉积期前分异作用;把搬运和沉积阶段的分异，称为沉积分异作用，而把成岩、后生及表生成岩作用阶段所发生的物质分异，称为沉积期后分异作用。后者对某些有用矿产的形成和对岩石某些性质的改造，愈来愈显示出其重要性。

图4－5 化学沉积分异图