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1、第二章 沉积岩的形成及演化,Formation and evolution of sedimentary rocks,第一节 母岩的风化作用 沉积岩最原始物质的形成,Weathering of source rocks formation of the most primitive materials of sedimentary rocks,一、风化作用的概念,风化作用（weathering）是地壳最表层的岩石在温度变化、大气、水、生物等因素的作用下，发生机械破碎和化学变化的一种作用。,风化作用是地壳表层岩石的一种破坏作用。,风化作用按其性质可分为三种类型：,物理风化作用（physical
2、weathering ）,化学风化作用（chemical weathering ）,生物风化作用（biological weathering ）,二、各种造岩矿物的风化及其产物,石英（quartz）：主要的造岩矿物，在风化作用中稳定性极高，它几乎不发生化学溶解作用，一般只发生机械破碎作用。,Weathering and products of various rock-forming minerals,矿物在一定的地质和物理化学条件下处于相对稳定的自然元素的单质或它们的化合物，它们是岩石和矿石的组成单位，其成分和结构比较均一，具有一定的形态、物理性质和化学性质，并呈各种物态出现的自然体,长石（
3、feldspar）：稳定性次于石英，风化稳定性由高到低的顺序是：钾长石、多钠的酸性斜长石、中性斜长石、基性斜长石。,KAlSi3O3 (钾长石),K1Al2(Si，Al) 4O10OH 2nH2O (水白云母 ),Al4Si4O10OH 8 (高岭石 ),SiO2nH2O (蛋白石) / Al2O3nH2O (铝土矿),最先析出的成分是钾，其次是硅，最后才是铝,云母（mica）： 白云母抗风化能力较强,白云母在风化过程中，主要是析出钾和加入水，先变成水白云母，最后变为高岭石,黑云母的抗风化能力比白云母差得多。黑云母遭受风化后，钾、镁等成分首先析出，同时加入水，转变为蛭石、绿泥石、褐铁矿等,橄榄
4、石、辉石、角闪石等镁硅酸盐矿物抗风化能力低。 这些矿物在风化产物中保留较少，故在沉积岩中较少见。,各种粘土矿物（如高岭石、蒙脱石、水云母等）在风化带中相当稳定。,各种碳酸盐矿物如方解石、白云石等，风化稳定性甚小，极易溶于水并顺水转移。,各种硫酸盐矿物(如石膏、硬石膏)、硫化物矿物(如黄铁矿)、卤化物矿物(如石盐)等，风化稳定性最低，最易溶于水，呈溶液状态流失走。,重矿物（heavy mineral）： 风化稳定性的差别很大，如锆石、金红石、电气石等较稳定，为沉积岩中常见的稳定重矿物。,影响造岩矿物风化稳定性的因素,与它们的结晶温度有关,在岩浆岩的主要造岩矿物中，橄榄石结晶温度最高，其风化稳定性
5、最低，最易被风化破坏掉。 辉石、角闪石、黑云母的结晶温度依次降低，而它们的风化稳定性却依次增高。 基性斜长石、中性斜长石、酸性斜长石、钾长石的结晶温度也依次降低，它们的风化稳定性也依次增高。 石英的结晶温度最低，故其搞风化能力最强。,影响造岩矿物风化稳定性的因素,与其化学成分的化学活泼性（主要是在水中的溶解能力）有关 与其晶体构造特征及化学键强度有关,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由组成它的矿物的风化情况决定的 。,Weathering and products of various rocks,花岗岩的风化及其产物,中性和碱性侵入岩的风化情况大体与
6、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,四、母岩风化过程中元素的转移顺序及母岩风化的阶段性,Transportation sequence of elements in the course of weathering of source rocks，and stages of weathering,1、风化过程中元素的析出顺序,母岩在化学风化过程中
7、表现为某些元素的淋滤分散和另外一些元素的残积富集两个方面。各种元素在特定的风化条件下迁移能力是不一样的，因而造成各种元素按一定顺序从母岩中分离出来即元素的风化分异。,前苏联学者雷波诺夫(1934)首先根据河水中元素的含量与该河流域的岩石中相应元素的含量相比较的办法，了解各种元素迁移的相对活动性，并得出了元素迁移序列。,岩浆岩平均化学成分与流经该地区的河流流水溶解物质平均化学成分的对比,彼列尔曼(1955)在雷波诺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。,Kx =,=,其中：mx x元素在河水中的含量(mg/l) a 河水中矿物残渣总量(mg/l) nx x元素在河
8、流域岩石中的平均含量(%),将风化带中的元素分为五类：,最易迁移元素(Kx=n10n102)：CI，Br，I，S 易迁移元素(Kx=nn10)：Ca，Mg，Na，F，Sr，K，Zn 可迁移元素(Kx=n10-1n)：Cu，Ni，Co，V，Mn，Si(硅酸盐)，P 惰性(微弱迁移元素) (Kxn10-1)：Fe，Al，Ti，Sc，Y，Tr， 几乎不迁移元素(Kx=n10-10)：Si(石英),2、母岩风化的阶段性,波雷诺夫根据元从风化带中析出的顺序，将结晶岩的风化过程分为四个阶段，不同阶段有其独特的风化产物 。,破碎阶段(碎屑阶段)：以物理风化为主，风化产物主要为岩屑或矿物碎屑,饱和硅铝阶段：岩
9、石中的氯化物和硫酸盐将全部被溶解，首先带出Cl-和SO42-。然后在CO2和H2O的共同作用下，铝硅酸盐和硅酸盐矿物开始分解，游离出碱金属和碱土金属(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)盐基，其中Ca和Na的流失比K和Mg要快些。这些阳离子组成弱酸盐，使溶液呈碱性或中性反应，并使一部分SiO2转入溶液。此阶段 的粘土矿物有蒙脱石、水云母、拜来石、绿脱石等。同时碱性条件下难溶的CaCO3开始堆积。,酸性硅铝阶段(粘土型风化作用)：碱金属和碱土金属大量被溶滤掉，SiO2进一步游离出来。因此碱性条件逐渐为酸性条件所代替。使上阶段形成的矿物(蒙脱石和水云母等)转变成在酸性条件下稳定的不含碱和碱土金属的粘
10、土矿物高岭石和变埃洛石等。,铝铁土阶段(红土型风化作用)：风化的最后阶段。在此阶段，铝硅酸盐被彻底地分解，全部可移动的元素都被带走。主要剩下铁和铝的氧化物及一部分SiO2，在原地形成水铝石、针铁矿、赤铁矿及蛋白石的堆积。由于它是一种红色疏松的铁质或铝质土镶，所以也称红土。,五、母岩风化产物的类型,Types of weathering products of various rocks,1. 碎屑残留物质：母岩的岩石碎屑或矿物碎屑。,2. 新生成的矿物：主要是在化学风化作用过程中新生成的一些矿物，如水白云母、高岭石、蒙脱石、蛋白石和铝土矿等。,3. 溶解物质：主要是指在化学风化过程中被溶解的那
11、些成分，如CI、S、Ca、Mg、K、Na、Si、Fe、Al、P等。,六、风化壳(Weathering crust),由风化残余物质组成的地表岩石的表层部分，或者说已经风化了的地表岩石的表层部分。,鄂尔多斯延安组（J2y）顶部古暴露面：高岭土化和硅结层,七、沉积物的其它来源,Other sources of sediments,1. 生物成因的沉积物 ：生物遗体，一部分为无机成分为主的生物残骸，另一部分为有机生物残体，即动植物的软体（有机质）。,2. 深部来源的沉积物 ：由火山爆发作用带到地表或水下的火山碎屑物，沿深断裂流出地表或注入地下的热卤水、温泉、热气液等。,3. 宇宙来源的沉积物 ：从宇
12、宙空间落到地球上的陨石及其尘埃。,第二节 碎屑物质的搬运和沉积作用,Transportation and sedimentation of clastic materials,搬运和沉积碎屑物质的流体主要是流水和大气，在高寒地区的冰川和干旱地区的风也是搬运和沉积碎屑物质的营力。,作为碎屑物质搬运和沉积的流体，自然界存在两种基本类型，即牵引流和沉积物重力流。,一、流体的一些基本知识和概念,1. 牛顿流体和非牛顿流体,牛顿流体（Newtonian fluid）服从牛顿内摩擦定律的流体。,非牛顿流体（Non-Newtonian fluid）不服从牛顿内摩擦定律的流体。,其中：粘滞切应力(单位面积上的
13、内摩擦力) u 流体速度， y 由底部起计算的距离(流体两滑动面之间的) du/dy 流体梯度(剪切变形率) 动力粘滞系数,在温度不变的条件下，随着du/dy的变化，值始终保持一常数，则为服从内摩擦定律。,在温度不变的条件下，值随着du/dy的变化而变化，则为不服从内摩擦定律 。,=,2. 层流、紊流和雷诺数,层流（laminar flow）一种缓慢流动的流体，流体质点作有条不紊的平行线状运动，彼此不相掺混。,2. 层流、紊流和雷诺数,紊流（turbulent flow）湍流，一种充满了漩涡的多湍流的流体，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，彼此相互掺混。,英国学者雷
14、诺(O. Reyonolds)首先从实验室中观察到这一物理现象，用不同管径的管道和不同流体进行试验，获得了一个判别层流与紊流的准则，称为雷诺数（Reyonolds Numbers ）,雷诺数(Re) = 惯性力 / 粘滞力 = V2d2/Vd = Vd/,V水的流速，d颗粒直径，水的密度，动力粘滞系数,Re = 1时，流动呈层流型 Re = 140时，在颗粒背后会出现背流尾迹 Re 40时，出现“卡门涡街”，紊流(涡流),自然界中绝大数水体是紊流运动,3. 急流、缓流和佛罗德数,在明渠水流中按流动强度不同可分为急流、缓流和临界流三种状态。 这三种流态的判别标准是佛罗德数(Froude Numb
15、ers) (Fr)：,佛罗德数 Fr = 惯性力 / 重力 = V2 / Lg,Fr =,大多数工程技术人员把这一数值的平方根当作佛罗德数，即, Fr1，急流，超临界流，水浅流急, Fr=1，临界流, Fr1，静流，缓流或临界以下的流动，水深流缓,床沙表面可随水流强度变化而出现各种类型床沙形体，一种类型的床沙形体不是固定不动的，而是通过组成床沙的砂砾颗粒的滚动、滑动或跳跃移动而使床沙形体发生顺流或逆流移动。,这种现象在水力学中称为沙波运动。,明渠水流随着流动强度的加大，在床面上会依次出现下列床沙形体： 无颗粒运动的平坦床沙、 沙纹、 沙浪、 沙丘、 过渡型(低角度沙丘)、 平坦床沙、 逆行沙丘
16、、 流槽和凹坑。,4. 两种流体及其搬运和沉积作用方式,牵引流(Traction current)符合牛顿流体定律的流体。其搬运机制是流体动能拖曳牵引沉积物一起运动，如河流、风流和波浪流等。,沉积物重力流(Gravity flow)在重力作用下发生流动的弥散有大量沉积物的高密度流体。,牵引搬运(牵引作用)能使碎屑物质作底负载移动的各种作用,牵引流的搬运力包括推力和载荷力。推力(牵引力)与流速有关，载荷力(负荷力)与流量有关。推力大不一定负荷力大，反之亦然。,牵引流搬运方式： 溶解载荷、悬移载荷、推移载荷或床沙载荷。,重力流搬运的驱动力主要起因于重力,二、碎屑物质在流水中的搬运和沉积作用,Transportation and sedimentation of clastic materials in water flow,碎屑颗粒在流水中的搬运和沉积，
