Question

学习任务了解风化产物的搬运和沉积作用

Answer 1

一、碎屑物质的搬运与沉积作用

风化产物除了少部分残积在原地外，大部分物质都要在流水、冰川、风等外地质营力的作用下被搬运，最后在特定的环境下沉积下来。由于风化产物类型不同，故其搬运与沉积的方式也各异。

碎屑物质的搬运与沉积作用是一种机械作用，它受流体力学定律的支配。搬运碎屑的介质有流水、冰川、风、海湖波浪等，但流水是陆地上最重要的搬运介质。

（一）流水的搬运与沉积作用

碎屑物质在流水中被搬运的状况主要取决于两个因素：①碎屑本身的特点，如大小、形状、密度等；②流水能量的大小，它主要决定于流速和流量。

在一般情况下，当流水的动能大于碎屑颗粒的重力和颗粒间的吸附力时，颗粒即可发生移动。在碎屑颗粒被搬运的过程中，流水作用于碎屑颗粒上有两种力，一种是推力，另一种是负荷力。推力是指流水所能移动碎屑颗粒大小的能力，它主要与水流的速度有关。实验证明，被推运碎屑颗粒的质量（m）与流水的速度（v）的六次方成正比，即m∝v⁶。负荷力是指流水所能搬运物质的总重量，它主要与流水的流量有关。例如浩瀚的长江，由于它的流量很大，所以每年能搬运970×10⁶t的碎屑物质。但它所搬运的碎屑粒度却不一定很大。山区奔腾的洪流，虽然它搬运物质总量不多，但由于它的流速快、推力大，能推动重达几十吨的巨石。

碎屑物质在流水中一般是以沿底部滚动或跳跃和呈悬浮状态等方式运移的。若碎屑颗粒较粗，如砾石、砂等，它们主要是在河底以滚动或挪动的方式前进，或以跳跃的方式前进，这两种前进方式称为推移搬运。若碎屑颗粒较细，如粉砂、黏土等密度小的碎屑，它们的重力小于介质的浮力、不易沉到河底，而以悬浮状态前进，这种方式称为悬浮搬运。碎屑物质在被搬运的过程中，由于水动力条件的改变和碎屑粒度变小，被搬运的方式也会发生变化。

碎屑物质的沉积作用是因流水速度慢而发生。当碎屑颗粒的沉降速度大于流速（若为悬浮运时，颗粒沉降速度大于平均流速的8%）时就会发生沉积。所以在河流的坡降变缓、支流汇入主流、河流入海等地段，由于流水速度突然变慢，常是碎屑物质沉积的最好场所。

碎屑颗粒的沉降速度一般与颗粒的大小、密度、形状以及水介质的性质有关。粒度粗、密度大、圆形的颗粒沉降速度大，反之则沉降速度小。

碎屑物质的沉积作用少部分开始于搬运阶段，大部分发生在搬运阶段的后期。实际上碎屑物质的搬运与沉积往往是互相穿插和重叠的，在它们之间难以划分截然的界限。

（二）风的搬运与沉积作用

风的搬运作用主要表现在干旱的沙漠地带，其他地区虽然也可看到，但远不如沙漠明显。风力主要搬运砂粒、尘土等碎屑物质。砂粒主要是在地面及距地面0.5～1.5 m高度范围内以跳跃或滚动的方式被搬运；尘土则以悬浮状态被搬运。由于在风的搬运过程中选择性较强，磨蚀作用明显，所以风积物的分选和磨圆一般都很好。风成的粗碎屑，由于常遭到地面流沙磨蚀而具有特殊的棱面，通称风棱石。

风的搬运作用是一种面状运动，因而它的搬运量是很巨大的。现代陆地面积中达几千万平方千米的沙漠和近300×10⁴km²的黄土，都是在近200万年内主要由风力搬运而成。

当风速减低或遇障碍物时，风力变小，其所携带的碎屑物质就会沉积下来。颗粒较粗的砂粒，搬运距离不远，就在附近堆积下来，形成风成砂堆积；颗粒细小的尘土，则飘扬到远处堆积下来，形成风成黄土，在平面上具有明显的分带性。

（三）冰川的搬运与沉积作用

冰川对碎屑物质的搬运方式是部分碎屑浮在冰面上或固结在冰块中呈悬浮搬运；另一部分碎屑则沿冰川谷底被拖运。冰川的搬运能力是很大的，它可以载运上千吨的巨大石块。

在冰川的末端由于蒸发和融化，冰体脱离冰川体系，被搬运的碎屑便作为踪迹而堆积下来。此外，在冰川前进途中，若底部或两侧碎屑过多，冰川不足以将大量碎屑冻结在一起，也会导致冰运物中途停积。

冰碛物具有无分选性和无明显层理，碎屑棱角显著，并常具有擦痕、压坑等特点。

（四）碎屑物质在被搬运过程中的变化

碎屑物质在被各种地质营力搬运的过程中，由于颗粒之间或颗粒与基岩之间的相互摩擦、碰撞，将进一步发生机械破碎，甚至产生化学分解而使碎屑在成分、粒度及外形都发生显著的变化。主要有：

（1）粒度（颗粒大小）的变化：随着搬运距离的增加，碎屑颗粒的粒度变化趋势是由粗变细；颗粒大小愈来愈趋于一致。在河流的上游，因为流速大，不同粒度的碎屑一起被搬运，随着搬运距离的增加，流速逐渐变慢，颗粒从大到小依次有规律的沉积下来。这种搬运的颗粒在不同的水动力条件下以不同的粒度级别分离（分别沉积）称为分选作用。

（2）颗粒形态（圆度与球度）的变化：碎屑颗粒的形态包括圆度、球度及形状三个方面。圆度指颗粒的棱和角被磨蚀圆化程度；球度指接近球体的程度。由于摩擦作用的结果，随着搬运距离的加长，碎屑颗粒的磨圆程度与趋近于球形的程度一般都是愈来愈高的。但是碎屑颗粒的圆度与球度除与搬运距离的长短有关外，矿物的物理性质、碎屑颗粒的大小和形状对于颗粒的圆化和球度有影响。如粗粒的比细粒的易磨圆；硬度大和有解理的颗粒则不易磨圆等。此外，在搬运过程中仍然存在机械破碎，而部分抵消了颗粒的圆化。

（3）碎屑颗粒中矿物成分的变化：碎屑颗粒在被搬运的过程中，那些性质不稳定的矿物，如长石、铁镁矿物等，仍然继续崩解和化学分解，随着搬运距离的加长，数量会逐渐减少；而那些性质稳定的矿物，如石英，其含量就会相对的增加，矿物成分愈来愈单一。

二、溶解物质的搬运与沉积作用

风化产物中的可溶物质，它们分别以离子形式进入溶液，如Na₂CO₃、NaCl、Ca（HCO₃）₂、FeSO₄等，这种溶液称为真溶液；或以胶体微粒分散在溶液中，如Al₂O₃、SiO₂、Fe（OH）₃等，这种溶液称为胶体溶液。真溶液和胶体溶液随着流水的运移，可溶物质被带出风化侵蚀区，这种运移方式称为溶运。

河流的溶运量取决于它的流量和河水性质。一般说来河流的溶运量是很大的。如在1958年测得长江、黄河、黑龙江、西江和钱塘江的溶运量分别为：17790×10⁴t、2018×10⁴t、362×10⁴t、2346×10⁴t、210×10⁴t。河流的溶运量虽然很大，却远远没有达到饱和的程度，所以溶解物质很少在河床中发生沉淀（积）。溶解物质的沉淀主要发生在内陆湖泊和海洋盆地之中。

（一）胶体溶液物质的搬运和沉积作用

在母岩的风化产物中，低溶解度的金属氧化物和氢氧化物，常常呈胶体溶液的形式搬运。胶体的质点很小，介于1～100μm之间。由于其质点很小，所以，它具有自己的特点及其影响搬运与沉积的特殊因素。主要有：

（1）由于其质点小，所以在搬运和沉积过程中，重力影响是很微弱的。

（2）胶体质点的比面积特别大，因此它具有特殊的表面电荷。这种特殊的表面电荷，在胶体凝聚或沉积过程中，对离子的吸附起很大的作用。

（3）胶体的扩散能力很弱，不容易通过致密的岩石。

（4）胶体质点带有电荷，带正电荷的为正胶体，带负电荷的为负胶体。

自然界常见的正负胶体如表2-1-1。同种胶体质点的电荷使它们之间相互排斥而不凝聚。这种性质是影响它的搬运和沉积的一个很重要的因素。若胶体的电荷能够长期保持稳定状态而不被中和，则胶体质点可长期处于搬运状态，随水流的方向而运移。若胶体溶液中含有一定数量的腐殖质，可以增加胶体的稳定性，有利于它的搬运。

表2-1-1 自然界常见的正负胶体

若胶体质点的电荷因某种因素而发生中和（如“异性”或不同“电荷的”电解质的加入），质点间的相互排斥力消失，胶体质点相互凝聚，受重力的影响而下沉。此外，某些原因（如蒸发作用），使胶体溶液的浓度增大；胶体溶液与外界物质发生反应，亦可使胶体发生凝聚作用。

由凝聚作用而成的胶体物质称为凝胶。凝胶呈絮状、果冻状、糊状，并含有大量的水分。凝胶逐渐失去水分，体积缩小，变得致密坚硬，并可进一步发生重结晶作用，这一过程称胶体陈化或胶体老化。胶体成因的矿物和岩石，具有如下特点：①常呈钟乳状、肾状、豆状和鲕状等；②具有贝壳状断口；③吸收性强，常具有黏舌现象；④常呈透镜状、结核状产出。

（二）真溶液的搬运和沉积作用

母岩风化产物中溶解度较大的物质，如氯、硫、钾、钠、钙、镁等成分多呈离子状态溶解于水中形成真溶液。真溶液中物质的搬运或沉积，主要决定于可溶物质的溶解度。溶解度大的物质，易于搬运，难于沉积（沉淀）溶解度小的物质则相反。

物质溶解度的大小就其本身来讲与该物质溶度积有关，即当温度为一定时，难溶的强电解质溶液中离子浓度乘积为一常数，此常数称为溶度积，用K_sp表示。当溶液中某物质的离子积达到该物质（化合物）的溶度积大小时，则该物质即可析出。

物质的溶解度除与溶度积有关外，还与介质的pH值、E_h值、温度、压力以及CO₂含量等一系列因素有关。

（1）介质的酸碱度（pH值）：pH值除对那些溶解度很大的盐类影响不大外，对大部分溶解物质的沉积都有较显著的影响。但不同物质的溶解度所受pH值的影响不一样，如SiO₂的溶解度，是随pH值的增大而增加；但CaCO₃、Fe（OH）₃则相反，当介质的pH值增加时，其溶解度反而降低。Al₂O₃溶解和沉积时所需的pH值情况甚为特殊，它是在pH＝4～10的范围内发生沉淀，而在pH值不在此范围内时，均呈溶解状而被搬运。各种氧化物与氢氧化物与pH值的关系如图2-1-1所示。常见金属氢氧化物沉淀时所需的pH值如表2-1-2。

图2-1-1 各种氧化物和氢氧化物的溶解度与pH 值的关系

（据Lovennan，1969，简化）

表2-1-2 常见的金属氢氧化物沉淀时所需的pH 值

（2）介质的氧化还原电位（E_h值）：介质的E_h值对铁、锰等变价元素的溶解或沉淀影响较大；对铝、硅等元素的影响较微。铁、锰等元素在氧化条件下，易成高价化合物，如Fe₂O₃（磁铁矿）、MnO₂（软锰矿）等，它们的溶解度小易于沉淀。若在还原和强还原的条件下，铁、锰等变价元素则形成低价化合物，如 FeCO₃（菱铁矿）、MnCO₃（菱锰矿）、FeS₂（黄铁矿）等，它们的溶解度比高价化合物的要大数百倍至数千倍，因而难于沉积而有利于搬运。

沉积成因的铁、锰矿物，在不同的氧化还原条件下形成的矿物组合是不同的。利用铁、锰矿物组合的特点，可作为判断沉积环境的氧化还原电位高低的标志。如含铁矿物在E_h值很低的强还原介质或硫化氢存在的环境下，形成黄铁矿、白铁矿；在E_h值较低的弱还原条件，并由于有机物质分解而造成碳酸过多的情况下往往形成菱铁矿；在出现少量游离氧的弱氧化环境下，形成海绿石；在游离氧充足的氧化环境下，形成赤铁矿、针铁矿、水针铁矿等。图2-1-2表示各种铁锰矿物的沉淀生成与pH值及E_h值的关系。

（3）介质中的CO₂含量：介质中CO₂的含量对碳酸盐类矿物的溶解和沉积影响是很大的。如水溶液中CO₂含量增多，则pH值就相应地降低，此时碳酸盐矿物在水中的溶解度就会增大，而不利于沉淀（积）。若水溶液中CO₂含量减少，情况则相反。

（4）温度：一般说来，温度升高，物质的溶解度增大。但因在地表的条件下，温度变化不大，故其对物质的溶解度的影响亦不是很大的，最多不超过1.5～2.0倍左右。

图2-1-2 各种铁锰矿物的沉淀的物理化学条件

（据W.C.克鲁宾和R.W.卡瑞尔斯，1952）

温度以及蒸发作用对盐类矿物的析出有特殊的影响。由于温度升高，蒸发作用增强使物质的浓度增大，有利于沉积。从另一方面来说，温度的升高或降低，能改变化学反应进行的方向。温度降低，有利于化学平衡向放热方向移动，温度升高，有利于化学平衡向吸热方向移动。

（5）压力：压力对碳酸盐矿物在水中的溶解度影响也较大。压力较大时，溶液中有较多的CO₂使CaCO₃变为Ca（HCO₃）₂，后者的溶解度较前者高出约1000倍；当压力减少时CO₂逸出，Ca（HCO₃）₂转变成CaCO₃而发生沉淀。碳酸盐岩石地区的石钟乳、石笋以及温泉出口处的泉华都是这样形成的。

（三）生物的搬运与沉积作用

在母岩风化产物的搬运与沉积过程中，生物作用同样产生重要的影响。不少的沉积岩和沉积矿床的形成都与生物作用有关，或完全由生物遗体堆积而成。例如，生物灰岩、硅藻岩、白垩、磷块岩、油页岩、煤、石油等。

生物的搬运和沉积作用主要有两种方式：一种是生物的新陈代谢作用，生物在生活的活动中总要经常不断地从周围介质中吸取一定的物质成分组成其肉体和骨骼，从而一些元素发生富集；当生物死亡后，其遗体的堆积物就可以形成特殊的岩石或矿床。另一种作用是生物作用而引起周围介质条件的改变，从而影响某些物质的搬运和沉积。如由生物作用排出的CO₂，对碳酸盐的溶解与沉淀就有很大的影响；又如由生物作用排出的有机酸，可使水介质的pH值变低，从而使氧化铁更易于搬运。

三、沉积分异作用

母岩的风化产物在搬运和沉积的过程中，根据其本身的特性，在外部条件的影响下，按照一定的顺序有规律地分别进行沉积，称为沉积分异作用。

按物质沉积的特点，沉积分异作用可分机械沉积分异作用和化学沉积分异作用。此外，生物作用对沉积分异也有一定的影响。

（一）机械沉积分异作用

母岩风化产物中的碎屑物质，根据其本身的特征：粒度、密度、形状和矿物成分，在重力的影响下，按一定顺序沉积下来的作用，称为机械沉积分异作用。

碎屑物质在被搬运过程中，首先按粒度进行沉积分异，即沿着搬运方向，碎屑物质按照砾石→砂→粉砂→黏土的颗粒大小顺序，作有规律的带状分布（图2-1-3）。这种分异的现象，在自然界是屡见不鲜的。如河流及湖、海盆地的沉积物，均表现出从上游至下游，从边缘至中心，按颗粒大小作有规律的带状分布现象。

在重力作用下，颗粒的沉积速度与它的密度成正比关系：密度大的颗粒沉积快，搬运距离短；密度小的颗粒沉积慢，搬运距离长。因此，从同一母岩区搬运来的碎屑物质，在搬运沉积过程中，出现了按密度大小进行沉积分异的现象。例如，金的密度为19g/cm³、黄铁矿的密度为5g/cm³、石英的密度为2.65g/cm³，如果这些矿物都从同一母岩体风化出来，在其他条件基本相同的情况下，它们就会按本身密度的不同，沿搬运方向，依次沉积下来（图2-1-4）。

图2-1-3 按粒度大小的机械分异图解

图2-1-4 按密度（g/cm³）大小的机械分异

碎屑颗粒形状的不同也是机械沉积分异作用产生的原因之一。粒状矿物的悬浮能力小，重力对它的影响较大，因而首先沉积，搬运距离较短，片状矿物悬浮能力强，所以沉积较晚，常被搬运至距母岩区较远的地方，故在泥质沉积物中常能发现较大的白云母鳞片。

由矿物成分的不同引起机械沉积分异作用主要表现在那些风化稳定性低的矿物，被搬运的距离较短，而那些风化稳定性高的矿物，如白云母、石英等，则可以搬运很远的距离。沉积碎屑岩中的矿物成分一般较母岩的矿物成分简单，就是按矿物成分发生分异的结果。

（二）化学沉积分异作用

母岩风化产物中的溶解物质，在沉积作用过程中，由于各种元素和化合物的溶解度不同，以及介质的酸碱度、浓度、温度等因素的影响，常常依一定顺序沉积下来，这种作用称为化学沉积分异作用。

化学沉积分异作用主要受化合物的溶解度支配。化学性质活泼的元素及溶解度较大的化合物，难于沉淀；化学性质较稳定的元素及溶解度较小的化合物，比较容易从溶液中沉淀出来。化学沉积分异顺序的一般模式如图2-1-5所示。这一模式可简化为如下几个阶段，即自盆地岸边至海盆方向沉积次序是：氧化物→磷酸盐→硅酸盐→碳酸盐→硫酸盐→卤化物。

在沉积物形成的过程中、不仅有分异作用，同时还有与其相对立的掺和作用。分异作用使物质按粒度、密度、形状、矿物成分和化学成分的不同进行重新的分配和组合，而掺和作用则使成分、性质不同的物质混杂在一起。

图2-1-5 化学沉积分异图解

物质的掺和作用在自然界中屡见不鲜。例如，岩性复杂地区的坡积物，就呈现极其明显的掺和现象。母岩的风化产物在被流水搬运的过程中，由各支流所带来的粒度和成分各不相同的物质，与主流中正在进行分异的物质发生掺和，因而打乱了主流搬运的物质的沉积分异顺序，结果使沉积物的性质变得更加复杂。