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1、fqh,1,第 二 章 沉积岩的形成及演化,地质科学与工程学院,2,本章主要内容,第一节 沉积岩原始物质的形成作用 第二节 物质的搬运和沉积作用 第三节 沉积分异作用 第四节 沉积后作用,3,第一节 原始物质的形成作用,组成沉积岩的原始沉积物质来源有： (1)陆源物质-母岩的风化产物； (2)生物源物质-生物残骸和有机质； (3)深源物质-火山喷发碎屑物质和深部卤水； (4)宇宙源物质-陨石。 母岩风化产物是沉积物最主要的来源，提供这类沉积物地区，即母岩存在的地区，称作陆源区或物源区。,4,一、母岩的风化产物,（一）风化作用及其特点 风化作用的结果是破坏岩石。 1、物理风化作用： 机械破碎、母
2、岩崩解，产生碎屑物质。 2、化学风化作用： 矿物化学分解，形成稳定的次生矿物。 3、生物风化作用： 既有直接的机械作用，又有间接的化学作用和生物化学作用。,5,（二）各种造岩矿物的风化及其产物,各种造岩矿物在风化作用条件下的稳定性不同，主要造岩矿物的风化产物如下： 1、石英： 在风化作用中稳定性极高，几乎不发生化学溶解作用，只发生机械破碎作用。 2、长石： 长石的风化稳定性次于石英。 在长石类矿物中，钾长石的稳定性较高，多钠的酸性斜长石次之，中性斜长石又次之，多钙的基性斜长石稳定性最低。 因此，在沉积岩中钾长石多于斜长石。,6,钾长石的风化过程及其产物如下：,铝土矿是钾长石风化的最终产物，是风
3、化带中很稳定的矿物。但是，只有在十分有利的条件下，钾长石才能完全风化成铝土矿，在一般情况下，钾长石大都转变为水白云母和高岭石。,7,3、云母 白云母的抗风化能力较强，所以它在沉积岩中相当常见。黑云母的抗风化能力比白云母差的多。 白云母（KAl2AlSi3O10(OH)2）：白云母在风化过程中，主要是析出钾和加入水，先变为水白云母，最后可变为高岭石。 黑云母（K(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH,F)2）： 黑云母遭风化后，钾、镁等成分首先析出，同时加入水，常经过水黑云母、绿泥石Mg5AlAlSi3O10(OH)8(Fe3O4)、最终变为褐铁矿或高岭石等粘土矿物。 在海底风化条件下，黑云母可
4、变成海绿石：,8,4、铁镁硅酸盐矿物（橄榄石、辉石、角闪石） 它们的抗风化能力比石英、长石、云母都低得多，所以在沉积岩中较少见，其中以橄榄石最易风化，辉石次之，角闪石又次之。 这些矿物在遭受风化时，铁、镁、钙等易溶元素首先析出，硅也部分或全部地析出，大部分元素呈溶液状态流失走，一部分元素在风化带中形成褐铁矿、蛋白石等。 这类矿物在沉积岩中含量很少，一般多呈重矿物的形式存在。,9,5、粘土矿物（如高岭石、蒙脱石、水云母等） 粘土矿物本来就是在风化条件下或者沉积环境中生成的，在风化带中相当稳定。但在一定的条件下，它们也还会发生变化，转变为更加稳定的矿物，如铝土矿、蛋白石等。 6、碳酸盐矿物（如方解
5、石、白云石等） 风化稳定性甚小，很易溶于水并转移，因此在碎屑沉积岩中很难见到它们。 只有在干旱的气候条件下，在距母岩很近的快速搬运和堆积的沉积物中，才可能看到由它们组成的岩屑。 7、各种硫酸盐矿物（如石膏、硬石等）、硫化物矿物（如黄铁矿）、卤化物矿物（如石盐） 它们的风化稳定性最低，最易溶于水，多呈真溶液状流失走。,10,矿物的稳定性分级,11,矿物的稳定性分级,12,造岩矿物的风化稳定性差别的原因：,2.与矿物化学成分的化学活泼性有关。 3.与矿物的化学成分及其晶体构造的特征。 总之，矿物在风化作用过程中的稳定性的定量标志及其顺序的确定，是一个异常复杂的现象，还有待于进一步研究解决。,1.与
6、矿物的结晶温度有关。,13,（三）各种岩石的风化及其产物,岩石是矿物的集合体，因此岩石的风化及其产物主要是由组成它的矿物的风化情况决定的。,14,15,中性和碱性侵入岩的风化情况大体与花岗质岩石相似； 基性和超基性侵入岩主要由较易风化的橄榄石、辉石、基性斜长石组成，远比花岗质岩石易风化； 火山岩及火山碎屑岩由于含有相当多的甚至大量的玻璃质或火山灰，故其风化速度相当快； 沉积岩的风化情况比较简单，其中以蒸发岩最易溶解、最易风化，碳酸盐岩次之，粘土岩、石英砂岩、硅岩等最难风化。,16,（四）母岩风化过程中元素的转移顺序及母岩风化的阶段性,1、元素的转移顺序,17,18,彼列尔曼(1955)在雷波诺
7、夫的研究基础上提出了水迁移系数Kx，用来衡量元素在风化带中的迁移能力。,式中：mx：元素x在河水中的含量mg/L; a ：河水中矿物质残渣总量mg/L; nx：元素在流域岩石中的含量 Kx值愈大，元素从风化壳中迁出的能力愈强；相反，则愈弱。,19,元素的风化分异由于各种元素在特定的风化条件下迁移（从母岩中析出）的能力不同，而造成的不同元素按一定顺序从母岩中先后分离出来的现象。 元素的风化分异的结果表现为某些元素的淋滤分散和另一些元素的残积富集。形成金属和非金属矿床（如高岭石矿、铝土矿、铁矿、镍矿等）。,20,I、机械破碎阶段 、饱和硅铝阶段 、酸性硅铝阶段 、铝铁土阶段,2、风化过程的阶段性,
8、21,（五）母岩风化产物的类型,1.风化产物的类型 1)碎屑残留物质（碎屑物质）：母岩机械破碎的产物。 2)新生成的矿物（不溶残余物质）：母岩在分解过程中新生成的矿物。 3)溶解物质：母岩在化学风化作用过程中被溶解的组分。 母岩风化产物是沉积岩最主要的物质来源。三类风化产物构成了最常见的三类沉积岩的基本物质.,22,（六） 影响风化产物形成的因素,风化产物的性质及各类产物间的数量比取决于母岩的性质、风化作用类型及母岩的风化程度。,1）母岩性质的影响 岩石是矿物的集合体，因此母岩的风化及其产物主要由组成组成它的矿物的风化情况所决定。 2）气候背景对风化的影响 气候背景是指一个较长时间段内出现在大
9、气中的物理现象的总和，其中最有影响力的是气温和降水。 气温和降水通过控制风化作用的性质、风化速率和动植物的分布，控制最重要的原始物质的类型和数量。,23,3）构造背景对风化作用的影响 构造背景是指包括母岩区到相关盆地的整个区域所在的构造部位及其活动阶段。 一般情况下，如果某地处于构造持续抬升部位，那么风化剥蚀将会使该地下面的岩石由浅到深依次成为母岩，不同深度的岩石类型取决于该地地壳的岩石构成。 母岩成分和母岩类型基本上是随抬升部位地壳演化史和抬升速率和抬升幅度而变的。,24,二、沉积物的其它来源,1. 生物成因的沉积物 生物死亡后的遗体，可以成为沉积岩的组成部分。生物遗体包括两个部分： 一是无
10、机成分为主的生物残骸，即动物的外壳和骨骼，藻类、植物的钙化遗体。 二是有机生物残体，即植物体和动物的软梯部分。重要是C、H、O、S、N、P等元素的碳氢化合物，一般称为有机质。,25,2. 深部来源的物质 主要由火山爆发作用带到地表或水下的火山碎屑物，可直接堆积成火山碎屑岩，也可混入正常沉积碎屑岩中。 沿深断裂流出地表或注入地下的热卤水、温泉、热气液等，对形成某些岩石（如岩盐、硅岩和铁锰岩等）和矿床（如铅、锌等）也有较大意义。 3.宇宙来源的物质,26,第二节 物质的搬运和沉积作用,母岩的风化产物除一部分残留在原地形成风化壳，大部分物质会被搬运到沉积盆地。当风化产物被介质带离母岩区时，就进入了搬
11、运沉积阶段。 搬运过程中物质还要发生机械破坏和化学分解。 随着搬运介质能量的减弱，被搬运的物质要发生沉积，沉积下来的物质可直接进入成岩阶段，也可能被再次搬运。 物质搬运和沉积的营力：主要有流水，其次为风、冰川、重力、生物等等。,27,物质搬运和沉积的方式： 机械搬运和沉积：被搬运的物质碎屑物质、不溶残余物质 搬运方式滑动、滚动、跳跃和悬浮。滑动、滚动和跳跃又称推移搬运或床沙搬运；悬浮搬运又称悬移搬运。 化学搬运和沉积：被搬运物质溶解物质 搬运方式真溶液、胶体溶液或络合物。 生物搬运和沉积：被搬运物质溶解物质、内源粒屑物质及部分粘土物质 搬运方式生物生理作用、生物物理作用、生物化学作用。,28,
12、一、机械搬运和沉积作用,（一）有关流体力学的几个基本概念 1. 牛顿流体和非牛顿流体 从流体力学性质来看，凡服从牛顿内摩擦定律的流体称作牛顿流体,内摩擦定律可表示为：,式中： 粘滞切应力为单位面积上的内摩擦力； ：是动力粘滞系数。,运动粘滞系数：,29,牛顿通过实验发现相邻液层之间内摩擦力F的大小 （1）与du/dy成正比； （2）与液体的接触面积成正比； （3）与液体的性质有关；（4）与接触面上的法向应力无关。,当液体流动时，液体质点之间存在着相对运动，液体质点之间会产生一种摩擦力阻碍液体的相对运动，液体的这种性质称为粘滞性，这种质点之间的内摩擦力也称为粘滞力。,30,牛顿内摩擦定律：当液体
13、内部的液层之间存在相对运动时，相邻液层间的内摩擦力F的大小与流速梯度 和接触面面积A成正比，与液体的性质（即粘滞性）有关，而与接触面上的压力无关。,凡服牛顿内摩擦定律流体称牛顿流体，如：水、空气、乙醇等。否则为非牛顿流体，如泥浆、沉积物重力流等。,31,重力流（沉积物重力流）是一种在重力下流动的弥散有大量沉积物的高密度流体。沉积物重力流是不服从内摩擦定律的非牛顿流体。 在沉积学范畴中牵引流是最常见的，例如，含有少量沉积物的流水(包括河流、海流、波浪流、潮汐流以及六十年代中期提出来的等深流等)和大气流。随着流体中碎屑颗粒数量的不断增加，逐渐向着重力流过渡，例如，水中浓集有大量沉积物的浊流、泥石流
14、等都属沉积物重力流。 牵引流和沉积物重力流在流体力学性质、沉积物的搬运方式和驱动力、流体与沉积颗粒之间的力学关系等方面都有显著差异，亦即它们的沉积机理是不一样的，从而形成的沉积物也有各自的特点。,32,牵引流的搬运力表现在两个方面：一是流体作用于沉积物上的推力(即牵引力)，推力的大小主要取决于流体的流速，推力愈大则能搬运的沉积物颗粒就大，二是负荷力(或称载荷力)，负荷力的大小取决于流体流量，负荷力愈大则能搬运的沉积物数量就愈多。推力大不一定负荷力就大，反之亦然。,沉积物重力流是密度流，其主要以悬移载荷方式搬运，重力流搬运的驱动力主要起因于重力，因此沉积物重力流的搬运是沿斜坡向下移动的。当坡度变
15、缓，流速降低时，沉积物重力流会发生骤然卸载，故在沉积盆地的斜坡根部常常形成各种类型的重力流沉积物。,33,2. 层流、紊流与雷诺数,自然界的流体按其流动特点分为层流与紊流(或称湍流)两种流动型态。 层流是一种缓慢的流动，流体质点作有条不紊的平行的线状运动、彼此不相接触。 紊流是一种充满了漩涡的急湍的流动，流体质点的运动轨迹极不规则，其流速大小和流动方向随时间而变化，彼此互相掺混。,34,层流与紊流的判别依据是雷诺数：,临界雷诺数：液流型态开始转变时的雷诺数。 对圆管： 对明渠及天然河道,式中： 动力粘滞系数（动力粘度）； 运动粘滞系数（运动粘度）， / 。,35,层流和紊流的力学性质及对沉积物
16、的搬运和沉积特点是不同的。 紊流不仅具粘滞切应力，而且还有流体质点的紊乱流动而引起的附加切应力(或称惯性切应力)。而层流只有粘滞切应力。因此紊流的搬运能力要强于层流。紊流还有扬举作用，这是使沉积物呈跳跃和悬浮的主要因素。,36,自然界绝大多数水体是紊流运动。但受边界效应的影响，任何紊流在水体与固体边界接触处（如河道底和两壁) 的流动仍是粘滞力起主导作用下的流动，即流体运动型态仍属层流，所以称此层为层流底层。层流底层的厚度是随雷诺数的增加而减小的。层流底层的存在对沉积物的搬运和沉积起着重要作用，使得沉积 物与流体之间界面 上发生的搬运和沉 积的交替作用非常 活跃。,37,3. 缓流、急流和佛劳德数,自然界中，决定水流平稳与否的因素除流速外还有水深。通常流速或水深越大，越容易形成紊流。由于较大水深只需较小流速就可形成紊流，所以大水深的紊流对颗粒的总牵引力不一定比小水深的层流大。水流的总牵引力是随流速的增大或水深的减小而增大。这个总牵引力称为水动力，在水力学中用佛劳德
