沉积岩的成因.pdf

1 第二章 沉积岩的成因 沉积岩的形成一般要经过三个阶段，首先要有沉积岩的原始物质，第二，这些物质要经 过搬运和沉积作用，最后这些沉积物还要发生沉积后作用。 第一节 沉积岩原始物质的形成 沉积岩原始物质是形成沉积岩的物质基础，其来源有四种，即陆源物质、生物源物质、 深源物质及宇宙源物质。 一、陆源物质 地壳上先形成的出露（或曾出露）的岩石叫做母岩,可以是岩浆岩、变质岩或沉积岩； 母岩分布的地区叫做母岩区。陆源物质是母岩风化作用的产物，是沉积岩原始物质最主要的 来源。 （一） 风化作用的概念 沉积岩的原始物质有母岩的风化产物、火山物质、有机物质以及宇宙物质等，其中母岩 的风化产物是最主要的。 风化作用是地壳表层岩石的一种破坏作用。引起岩石破坏的外界因素有温度的变化、水 以及各种酸的溶蚀作用、生物的作用以及各种地质营力的剥蚀作用等。在这些因素的共同影 响下，地壳表层的岩石就处于新的不稳定状态，逐渐地遭受破坏，转变为风化产物。这些风 化产物就是最主要的沉积岩的原始物质成分。 风化作用按其性质可分为物理风化作用、化学风化作用及生物风化作用。 1. 物理风化作用 岩石主要发生机械破碎，而化学成分不改变的风化作用，称为物理风化作用。 引起物理风化作用的主要因素有温度的变化、晶体生长、重力作用、生物的生活活动， 水，冰及风的破坏作用。 物理风化的总趋势是使母岩崩解，产生碎屑物质，其中包括岩石碎屑和矿物碎屑等。 2. 化学风化作用 在氧、水和溶于水中的各种酸的作用下，母岩遭受氧化、水解和溶滤等化学变化，使其 分解而产生新矿物的过程称为化学风化作用。 化学风化作用不仅使母岩破碎，而且使其矿物成分和化学成分发生本质的改变。它们在 适当的条件下就形成粘土物质和化学沉淀物质（真溶液及胶体溶液物质） 。 3. 生物风化作用 在岩石圈的上部、大气圈的下部和水圈的全部，几乎到处都有生物的存在。故生物，特 别是微生物在风化作用中能起到巨大的作用。生物对岩石的破坏方式既有机械作用，又有化 学作用和生物化学作用；既有直接的作用，也有间接的作用。 生物的作用可以促进和加速化学作用的进行。实际上，几乎所有的化学风化作用均有生 物的参与，在许多情况下，岩石的风化作用是由生物的活动开始的。菌类、藻类及其它微生 物对岩石的破坏作用是巨大的，它不仅直接对母岩进行机械破坏、化学分解（吸收某些元素， 生成新矿物） ， 而且本身分泌出的有机酸， 有利于分解岩石或吸取某些元素转变成有机化合物。 生物对大气的组分（如CO2 、、N2 、O2）也有很大的影响，也影响着风化作用的强度。 生物的作用愈来愈受到重视，生物风化作用也随着地质历史发展而愈来愈显著。 （二）各种造岩矿物的风化及其产物 各种造岩矿物抵抗风化作用的能力，亦即它们在风化条件下的稳定性是很不相同的。 石英是岩石的主要造岩矿物。石英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。在长期的风化作用以及搬运和沉积作用的过程，风化稳定性 较低的一些矿物就逐渐破坏从而相对地减少了，而风化稳定性高的石英却逐渐地相对地富集 起来。因此，石英就成了碎屑沉积岩的最主要的造岩矿物。 长石的风化稳定性次于石英。在长石中，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，多钙的基性斜长石最低。因此，在沉积岩中钾长石多于斜长石。 钾长石的风化过程及其产物如下 K[AISi3O8]→K1Al2[Si,Al4O10][OH]2nH2O （钾长石） （水白云母） SiO2nH2O（蛋白石） →Al4[Si4O10]OH8→{ Al2O3nH2O（铝土矿） （高岭石） 在钾长石的风化过程中，最先析出的成分是钾，其次是硅，最后才是铝。与此同时，OH 或H2O也参加到矿物的晶格中来。随着钾、硅、铝的逐渐析出和水的加入，原来的钾长石就逐 步地转变为水白云母、高岭石、蛋白石和铝土矿。钾长石是富钾的无水的铝硅酸盐矿物，架 状构造，铝位于硅酸根的结晶格架中。水白云母中的钾已比钾长石中的钾少了，硅也有所减 少，部分的铝已从硅酸根的晶格中释放出来变为一般的阳离子，其结晶构造已不是架状而是 层状的了；但仍然还是铝硅酸盐。高岭石与水白云母相比，又有了进一步的变化，钾已完全 没有了，铝已完全从硅酸根中释放出来变为一般的阳离子，但高岭石仍然还是层状构造的硅 酸盐矿物。蛋白石和铝土矿不是硅酸盐矿物，而是含水的氧化物矿物。由此可知，由原来的 钾长石，到水白云母、高岭石，以至最后的蛋白石和铝土矿，是一个由量变到质变的、逐步 的、有阶段性的风化过程。这一过程的总趋势是原来的钾长石不断地遭受破坏，最终变为在 风化带中最为稳定的新矿物。 铝土矿是风化带中很稳定的矿物， 它是钾长石风化的最终产物。 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。 2 斜长石的风化情况与钾长石类似。斜长石风化时，除一些成分（如钙、钠、硅等）从矿 物中转移出去以外，常形成一些在风化带中相对较稳定的新矿物，如各种沸石、绿帘石、黝 帘石、蒙脱石、蛋白石、方解石等；当然，这些新矿物在风化带中也不是十分稳定，也还会 继续发生变化。基性斜长石的风化稳定性比酸性斜长石低，因此在沉积岩中，基性斜长石很 少见到。 在云母类中，白云母的抗风化能力较强，所以它在沉积岩中相当常见。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，常转变为蛭石、绿泥石、褐铁矿等。 橄榄石、辉石、角闪石等铁镁硅酸盐矿物，它们的抗风化能力比石英、长石、云母都低 得多；其中以橄榄石最易风化，辉石次之，角闪石又次之。这些矿物在风化产物中保留较少， 故在沉积岩中较少见。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 地或全部地析出，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。 粘土矿物如高岭石、蒙脱石、水云母等，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；但是，在一定的条件下，它们也还要发生变化，转变为更加稳定的矿 物，如铝土矿、蛋白石等。 碳酸盐矿物如方解石、白云石等，风化稳定性甚小，很易溶于水并顺水转移，因此在碎 屑沉积岩中很难看到它们；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中， 才可能看到由它们组成的岩屑。 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， 它们的风化稳定性最低，最易溶于水，呈溶液状流失走。 最后，在岩浆岩及变质岩中常见的一些次要矿物或副矿物，其风化稳定性的差别是很大 的。风化稳定性较大的一些，如柘榴石、锆英石、刚玉、电气石、锡石、金红石、磁铁矿、 榍石、十字石、蓝晶石、独居石、红柱石等，在沉积岩中常作为重矿物出现。 图 2－1 鲍文反应系列及矿物风化作用相对稳定性 3 4 用矿物的化学成分及其晶体构造的特征去寻求它们在风化作用过程中的相对稳定性，已 经取得了一定的成果。例如有人已经定量地计算出鲍文反应系列中的各种矿物的氧和阳离子 之间的键强度的总数（cal/mo1） ，见图 2－1。 从数字可以看出，鲍文反应系列下端的矿物，其键强度总数较大，所以其风化稳定性较 高。当然，在这些数字中也有一定的矛盾现象，即白云母的键强度总数与序列中的顺序不符， 这可能是由于氢氧根存在的原因，因为氢氧根的能量效应还是未知的。 （三）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。 花岗质的岩浆岩（包括花岗岩、花岗闪长岩等）及变质岩（如花岗片麻岩等）是分布最 广的岩浆岩及变质岩，它们的风化是具有代表性的（见表 2－1） 。 表 2－1 花岗岩的风化作用 矿物成分 化学组分 所发生的变化 风化产物 石 英 SiO2残留不变 砂 粒 K2O 成为碳酸盐、氧化物进入溶液 溶解物质 Al2O3水化后成为含水铝硅酸盐 粘 土 钾长石 KAlSi3O8 6SiO2少部分SiO2游离出来，溶于水中 溶解物质 3Na2O 成为碳酸盐，氯化物进入溶液 溶解物质 CaO 成为碳酸盐，溶于含CO2的水中 溶解物质 4Al2O3粘 土 斜长石 NaAlSi3O8 CaAl2Si2O8 20SiO2 同钾长石 溶解物质 白云母 KAl2[AlSi3O10] [OH]2 2H2O K2O 3Al2O3 20SiO2 残留不变 云母碎片 H2O 水溶液 水溶液 K2O 成为碳酸盐、氯化物进入溶液 溶解物质 Al2O3生成含水铝硅酸盐 粘 土 2Mg,FeO 成为碳酸盐、氯化物进入溶液，碳酸盐氧化为 赤铁矿、褐铁矿等 溶解物质及色素 黑云母 KMg,Fe3 [AlSi3O10]OH2 3SiO2部分SiO2游离出来溶于水中 溶解物质 锆英石 ZrSiO4 ZrO2 SiO2 残留不变 砂粒（重矿物） 磷灰石 Ca5[PO4]3F Ca5[PO4]3Cl Ca5PO43 F、Cl、OH 溶 解 或残留不变 溶解物质或砂粒 （重矿物） 中性和碱性侵入岩的风化情况与花岗质岩石相似。 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，远较花岗质岩 石易风化。风化后，除部分易溶元素转移流失外，常在原地形成一些化学残余矿物，如蛇纹 石、滑石、绿泥石、褐铁矿等。 火山岩及火山碎屑岩由于含有相当的甚至大量的玻璃质或火山灰，故其风化速度大都相 当快。如玄武岩在遭受风化时，除一部分易溶元素流失外，常形成蒙脱石、高岭石、铝土矿、 5 褐铁矿等化学残余矿物；如风化较彻底，可形成风化残余的富铁的红土层。 沉积岩的风化情况比较简单，因为它们本身就主要是由母岩的风化产物组成的。其中， 以蒸发岩（主要由卤化物及硫酸盐矿物组成）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 波雷诺夫（1934，1952）在对比岩浆岩的平均化学成分和流经该岩石分布地区的河流流 水溶解物质的平均化学成分以后，得出十分重要的数据（表 2－2） 。 表 2－2 中前两列数字是实验数字，后一列数字是根据前两行数字按下列计算出来的。 假定Cl －的转移能力最高，为 100。如果SO 4 2－的转移能力也和Cl－一样高，则河水溶解物 质中SO4 2－的含量应为Cl－的三倍，因为母岩中SO 2 4－的含量为Cl－的三倍，即 36.7520.25； 但实际情况并非如此，在河水溶解物质中，SO4 2－仅为 11.60，即只有该数值的 57，此 57 就是SO4 2－的相对转移能力或相对转移性。表 2－2 第三列中的其他数字也是这样计算出来的。 由此可见，母岩的各种化学成分在风化作用过程中的转移性的差别是很大的。 以后，波雷诺夫又根据其他一些事实，作了一定的修正和补充，拟定出母岩的元素或化 合物在风化作用过程中的转移顺序及其数量级别，见表 2－3。 表 2－2 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 （据波雷诺夫，1934，1952） 岩 浆 岩 平均化学成分（） 流经岩浆岩地区的河流流水溶解物质的平均成分 （） 元素及化合物的相对转移性 SiO2 Al2O3 Fe2O3 Ca Mg Na K Cl － SO4 2－ CO3 2－ 59.09 15.35 7.29 3.00 2.11 2.97 2.57 0.05 0.15 －－－ 12.80 0.90 0.40 14.79 4.90 9.50 4.40 6.75 11.60 38.50 0.20 0.02 0.04 3.00 1.30 2.40 1.25 100.00 57.00 －－－－－ 表 2－3 母岩的主要造岩元素或化合物在风化作用过程中的转移顺序及其数量级别 （据波雷诺夫，1948；转引自彼列尔曼，1953） 转移顺序 元素或化合物 数量级别 1.最易转移的 2.易转移的 3.可转移的 4.略可转移的 5.基本上不转移的 Cl,Br,I,S Ca,Na,Mg,K SiO2硅酸盐，P，Mn Fe,Al,Ti SiO2石英 n.10 n n.10 －1 n.10 －2 n.10 －100 当然，表 2－3 中的转移顺序及其数量级别都只是一般的概括，在不同的母岩地区和不 同的风化作用条件下，情况将会有若干出入。但这一基本轮廓还是正确的。 由于母岩的各种化学成分在风化作用中的转移性质的差异，因此母岩的风化作用过程就 6 呈现出了阶段性。 与上述元素从风化壳中淋滤出的顺序相应，波雷诺夫将结晶岩的风化过程分为四个阶 段，在各阶段中，各有其独特的风化产物。现以玄武岩为例（表 2－4）加以说明。 这四个阶段为 1.机械破碎阶段 以物理风化为主，形成岩石或矿物的碎屑。 2.饱和硅铝阶段 其特点是岩石中的氯化物和硫酸盐将全部被溶解， 首先带出Cl －和SO 4 2-。 然后在CO2和H2O的共同作用下，铝硅酸盐的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。这些析出的阳离子组成 弱酸盐，使溶液呈碱性或中性反应，并使一部分SiO2转入溶液。此阶段中形成胶体粘土矿物 蒙脱石、水云母，拜来石、脱石等。同时，溶解性较差的碳酸钙开始堆积。 3.酸性硅铝阶段 几乎全部盐基继续被溶滤掉，SiO2进一步游离出来。因此，碱性条件逐 渐为酸性条件所代替。Mg 2＋和K＋的再次淋出使上个阶段所形成的矿物（蒙脱石、水云母）又 被破坏而形成在酸性条件下稳定的、不含K、Na、Ca、Mg盐基的粘土矿物高岭石、变埃洛 石等。通常，将达到此阶段的风化作用，称为粘土型风化作用。 4.铝铁土阶段 这是风化的最后阶段。在此阶段，铝硅酸盐矿物被彻底地分解，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二氧化硅。它们呈胶体状态在酸性介 质中聚集起来，在原地形成水铝矿、褐铁矿及蛋白石的堆积。由于它是一种红色疏松的铁质 或铝质土壤，所以也称为红土。达到此阶段的风化作用，通常称为红土型风化作用。 上述四个阶段是一般的完整的风化过程，但在同一地区不一定都进行到底。风化作用的 阶段常受母岩岩性、气候、地形等因素所控制。 （五）母岩风化产物的类型 从上所述，可知地壳表层岩石的风化作用是一个十分复杂的地质过程。地壳表层岩石风 化的结果，就形成了三种性质不同的风化产物。 1. 碎屑残留物质这主要是指母岩的岩石碎屑或矿物碎屑。在风化作用的第一阶段， 这种碎屑残留物质最发育；到第四阶段，这种物质就很少了，只有那些风化稳定性最高极难 风化的石英才可能留下来。这种物质在初始阶段大都残留在母岩区，后来就可能为各种营力 搬运走。 2. 新生成的矿物 这主要是指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、铝土矿、褐铁矿等。这些物质在初始阶段也大都存在于母岩的风 化带中，所以也常称作“化学残余物质” ；后来，它们也将被各种营力搬运走。 3. 溶解物质这主要是指母岩在化学风化作用过程中被溶解的那些成分，如 Cl、S、 Ca、Na、Mg、K、Si、Fe、Al、P 等。这些物质大都呈真溶液或胶体溶液状态顺水流走，转移 至远离母岩区的湖泊或海洋中去。 碎屑残留物质是碎屑沉积岩的主要的原始物质成分。 在化学风化作用中新生成的一些矿物成分是粘土岩以及其他沉积岩的主要原始物质成 分。 碎屑残留物质和化学风化矿物可合称作碎屑物质或陆源碎屑物质，它们的搬运和沉积作 7 用主要受水动力学定律支配。这些碎屑物质被各种地质营力搬运以后，在一定的条件下沉积 下来，再经过成岩作用，就形成了碎屑岩（包括）粘土岩。 与碎屑物质相对立的是溶解物质，它们的搬运和沉积作用主要受或首先受化学定律支 配。这些溶解物质转移到海洋或湖泊后，在一定的条件（首先是各种化学条件，有时生物作 用条件和水动力作用条件也很重要）下沉积下来，再经过成岩作用就形成了各种类型的化学 岩、生物化学岩或生物岩。 由此可知，从母岩的风化作用开始，其物质成分的分异作用或沉积岩的形成作用就开始 了。 风化彻底的岩石所提供的沉积物为成熟的沉积物，这类物质几乎全是由风化最终产物组 成，即主要是粘土矿物和稳定的矿物碎屑和岩石碎屑。这些物质在搬运过程中进一步分选， 成为分别由粘土矿物或碎屑物质组成的成分单一的沉积物，其中重矿物含量很少，相反，风 化不彻底的岩石所提供的沉积物质则形成不成熟的沉积物。所谓风化不彻底是指母岩在风化 过程中，不仅所含的稳定矿物没有风化分解，就是稳定性较差的矿物也未风化或略风化。因 而，所提供的沉积物成分复杂，稳定和不稳定的矿物碎屑都有，还有较多的各种岩石碎屑和 重矿物，经搬运、堆积形成成分复杂的不成熟的沉积物。由此可见，陆源沉积岩的成分除了 反映沉积物在搬运过程中所发生的变化外，在一定程度上也能反映母岩的风化程度。 （六）风化壳 地壳表层岩石风化的结果，除一部分溶解物质流失以外，其碎屑残余物质和新生成的化 学残余物质大都残留在原来岩石的表层。这个由风化残余物质组成的地表岩石的表层部分， 或者说已风化了的地表岩石的表层部分，就叫做风化壳或风化带。 风化壳中岩石的风化程度是因深度而不同的。表层风化程度较深，深处风化程度较浅， 以致逐渐过渡到未风化的母岩。 风化壳的厚度决定于气候、地形、构造等许多因素。一般说来，在气候湿热、地形平坦、 构造活动比较稳定的地区，风化作用较强，剥蚀作用较弱，风化残余物质易于保存，故风化 壳厚度较大。在相反的条件下，风化壳厚度就较小，以至为零。 风化壳分现代和古代的，二者常以第三纪作为划分界限。由于保存条件的限制，古风化 壳大都已残缺不全了。另外，古风化壳由于已经经历了成岩作用及后生作用的变化，它们已 与现代的风化壳有很大不同，它们实际上已经算是没有经过搬运的沉积岩了。古风化壳有很 大的地质意义和经济意义，因为它是地壳上升、沉积间接、不整合的重要标志，它是古气候、 古地理分析的重要依据，其中常蕴藏着一些重要的金属和非金属矿床（如高岭石矿、铝土矿、 铁矿、镍矿等） ，在古风化壳中或其下带可以形成油气藏，如潜山油气藏。 二、沉积岩原始物质的其它来源 （一）生物来源的物质 生物通过其生命活动可营造起生物身体，生物死亡后其遗体可以在原地堆积埋藏下来， 亦可搬运到异地堆积下来， 成为沉积物的一部分。 生物遗体包括两部分 一是生物的硬体 （生 物残骸） ，即动物的外壳和骨骼，以及藻类植物的钙化遗体；二是生物软体，即动、植物的软 8 体部分。 生物的硬体成分大部分是碳酸盐质（主要是方解石和文石） ，少部分是磷酸盐质和硅质 （蛋白石及其重结晶的玉髓、石英）的。 生物的软体主要是由碳、氢、氧、氮、硫、磷等元素所组成的碳氢化合物，也称有机物。 沉积岩中的有机物经过沉积期后的生物化学演化作用，使得其有机组分与原始的成分有相当 大的差别，变得更为复杂。到目前为止，在沉积物和沉积岩中已发现有五百多种有机化合物， 其最基本类型为氨基化合物、碳水化合物、类脂化合物、木质素和色素。其中氨基化合物和 碳水化合物在生物死亡埋藏后的细菌作用下大部分均分解消耗掉，同时形成甲烷；木质素和 类脂化合物比较稳定，前者是成煤的母质，后者是主要的成油母质。上述有机化合物经过埋 藏成岩后生阶段的生物化学演化后形成的最终产物为 1）不溶物质干酪根，它是指在常温、常压下不溶于有机溶剂的固体有机质，在热解 或加氢分解时则产生烃类物质。其中包括主要由单细胞藻类残体形成的腐泥质型（I 型干酪 根，成油型） 、主要由陆生植物残体形成的腐殖质型（III 型干酪根，成煤或成气型）和两者 之间的过渡类型（II 型干酪根） 。 2）可溶物质（溶于有机酸）烃、沥青等，烃类（烷烃、环烷烃、芳香烃等）为石油 的主要成分，亦含于沥青中。沥青中还含有胶质、沥青质等有机组分。 不溶和可溶物质的量比是 9095105。 在这演化过程中还可出现一系列中间产物，其中最主要的是腐殖质的主要成分腐殖 酸。 有机物除了集中堆积形成石油、天然气、沥青、油页岩和煤以外，大量是分散在沉积岩 中。享特（JMHunt,1962）计算出沉积岩中有机物总量为 3.810 15t,而以富集状态存在 于煤和石油中的有机物分别为 610 12t和 0.21012t,它们仅占有机物总量的 1/600 和 1/19000，在页岩中所含的有机物却高达 3.610 15t。 这些生物成因的沉积物形成作用与众不同的特点是凭借阳光、二氧化碳、水和其它无 机物通过生命活动合成有机化合物，组成植物体和动物体；合成有机物所需的元素不仅来自 水圈和岩石圈，更多的是来自大气圈。 （二）深部来源的物质 这是指由火山作用带到地表的火山碎屑物及其伴生的气热液和沿断裂流出地表的热卤 水。 当火山喷发时岩浆可溢出地表冷凝成熔岩，也可爆发成火山碎屑物质喷到空中再降落地 表，可以集中堆积成火山碎屑岩，也可分散掺杂于其它沉积物中。 与火山碎屑物质喷发的同时还往往伴随有气热液的喷发，它们有时可成为某些沉积岩和 沉积矿床（如硅、铁、有色金属）的重要物质来源。 深部热卤水在成岩成矿中的意义日益为沉积学和矿床学工作者所重视。现代热卤水分布 广泛，不仅海底有，大陆上也有。最著名的是红海的海底热卤水，其盐度为 72～275‰，温 度达 34～56.5℃。在前苏联里海切列谦半岛和堪察加半岛、美国加利福尼亚洲索尔顿湖等地 区都发现有热卤水；以色列在钻井 100～3000m 深处也发现有多层热卤水；东非裂谷的热卤 9 水形成了某些咸水湖；有人认为死海有深断裂排出的氯化钙水引起钾、溴的富集。 深部热卤水的化学成分特点各不相同，但多半为氯化钙型或碳酸盐型，含钾、钙及重金 属元素量较高。 至于深部卤水的来源和成因，据研究，不仅有来自地壳深部或上地幔的岩浆水，而且还 可有来自深部埋藏的古卤水，其中有些是油田水；此外尚有地表水向下渗流萃取了地层中的 盐类物质和金属元素并加温后又流出地表的热卤水。或者是多种成因的热卤水混合而成。 过去主要着眼于热卤水对某些金属矿床形成中的作用，近年来也注意到深部卤水对形成 某些蒸发岩的可能性。如巴西和西非的白垩纪钾盐、石盐矿床富含MgCl2、CaCl2和重金属元 素，现认为除海水外，可能还有深部卤水的补给；我国柴达木盆地第四纪盐类沉积也至少有 一部分成盐物质来自深部。 我国渤海湾盆地第三系某些地区暗色生油岩与蒸发岩互层， 即 “油 盐”共生现象，有研究认为这些蒸发岩系深部卤水沿深大断裂上涌沉积而成。 （三）宇宙来源的物质 陨石即为来自宇宙空间的固体物质。陨石大小极为悬殊，如 1976 年我国吉林陨石雨中 的最大陨石重达 1770kg，最小的仅十几毫克；世界上还有重达数十吨的陨石，如西南非洲纳 米比亚的霍巴（Hoba）铁陨石。极为细小的微粒通常被称为宇宙尘埃（或称微陨石） ；宇宙 物质可能大部分成为尘埃状落到地球上。 据统计，每年落到地球上的陨石有几千颗，然而进入大气层的陨石要比穿过大气层而到 达地表的陨石多得多； 到达地表的陨石也多数落入海洋， 只有一部分落入人烟稀少的陆地上， 因此仅有很少一部分陨石被人们所发现。 可见，沉积岩（物）中的宇宙物质大部分还未被人们所识别。随着研究的深入，宇宙物 质将被识别出来。例如，在现代深海粘土中含有一些磁性小球体，根据所含钾和钙的同位素 特征以及存在有方铁矿， 而被认为属于宇宙成因的。 古代岩石中的宇宙物质近年来亦有报导。 近年来，人们利用沉积岩中宇宙来源的沉积物来研究天体演化和地壳沉积物沉积速率、沉积 间断等取得了很好的效果。 总之，上述四类沉积岩原始物质来源中，陆源物质是主要的，次为生物源物质；深部来 源的物质限于特定的环境，而宇宙来源的物质则似乎不可能构成沉积岩层。 这些原始物质除少部分残留原地外，大部分都要被搬运到沉积盆地中沉积下来。对沉积 物进行搬运和沉积的介质主要是水和大气，其次为冰川、生物等；搬运和沉积的方式有机械 的、化学的和生物的。 第二节 机械搬运与沉积作用 流水和大气是两种最主要的搬运和沉积介质，它们都是流体。自然界中的流体存在有两 种基本类型，即牵引流与沉积物重力流。过去主要是研究牵引流的搬运和沉积作用，自五十 年代开始才认识到沉积物重力流的重要性，重力流的理论有了很大的发展。区分这两种沉积 物流体，并识别牵引流和重力流所形成的沉积物，不仅具有理论意义，也有很大的实际意义。 一、有关流体力学的几个基本概念 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。 牵引流指的是能沿沉积底床搬运沉积物的流体，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、泥石流等都属沉积物重力流。重力流的重要性日益为人们所 重视，并已掌握其鉴别标志；古代的重力流沉积也不断地被发现，重力流沉积机理的研究也 正在逐步深入。 由于沉积物（岩）极大部分是在水的作用下形成的，所以这里主要介绍与水有关的牵引 流和重力流的搬运和沉积机理，先介绍一下有关的流体力学基本概念和两种沉积物流体的基 本特征。 （一） 牛顿流体和非牛顿流体 从流体力学性质来看， 凡服从牛顿内磨擦定律的流体称作牛顿流体， 否则称非牛顿流体。 内磨擦定律可表示为 dy du μτ 式中τ为单位面积上的内磨擦力，称为粘滞切应力， dy du 称作流速梯度（或称剪切变形 率） ，μ是反映流体粘滞性大小的一个系数，称为动力粘滞系数，也可用表示 ρ μ ν称为运 动粘滞系数。 所谓服从内磨擦定律是指在温度不变的条件下，随着 dy du 变化μ值始终保持一常数，牵 引流就属于牛顿流体。若μ值随 dy du 变化而变，即不服从内磨擦定律，沉积物重力流属于非 牛顿液体。 （二）沉积物机械搬运的方式和床沙形体（或称床面形态、底形） 1. 沉积物的机械搬运方式和驱动力 牵引流与重力流对沉积物的机械搬运方式和引起沉积物搬运的驱动力是不同的。牵引流 既有推移方式搬运，又有悬移方式搬运；而重力流则以悬移方式搬运为主。 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愈大；另一是负荷力（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。例如，山溪急流可以搬运达几十吨重的巨石，而浩瀚的长江， 尽管每年能搬运 4.810 8t物质，却不能推动一块大的砾石。山溪急流的负荷力虽不大而推力 10 却很大；长江推力不大而负荷力却很大。 可见，牵引流驱使沉积颗粒移动的动力是流体流动所产生的推力（牵引力） 。大部分流 体（如水）多半是由高处向低处流，沉积物亦由高处往低处搬运；但也有的流体可向高处流 动，如风与海滩上的冲流，这时亦可使沉积颗粒往高处搬运。 流体中被搬运的沉积物称作载荷， 单位时间内流经某一横断面的沉积物总量 （或称容量） 称作载荷量。按沉积物搬运方式不同可分为溶解载荷、悬移载荷、推移载荷或床沙载荷。当 一流体不能再携带更多的沉积物时，那就是满载；随着流速降低、流量减小，流体的推力和 负荷力就要减弱，成为超载，这时沉积物就会由粗到细依次发生沉积。 重力流的流动以及驱使沉积物发生移动的动力是重力。重力流是流体和悬浮颗粒的高密 度混合体，它的流动主要是由于作用于高密度固态物质上的重力所引起，因此重力流的流动 都是沿斜坡向下移动的，使重力流沉积物大量分布在大陆斜坡边缘的盆地深处。 2. 床沙形体与福劳德数 沉积物呈床沙方式搬运主要见于牵引流中。所谓“床沙载荷”按爱因斯坦 （HAEinstein,1950）的定义是指直接覆于床底上的有两个（被搬运的）颗粒直径那么 厚的作层状运动的底部颗粒。随着流体流动强度的变化，在床沙表面会相应出现不同的几何 形体，称为床沙形体（bed，有人译作底形，在我国水力学中习惯称床面形态） 。在明渠 水流（包括河流、湖、海中的水流）中按流动强度的不同可出现急流、缓流和临界流三种流 态，这三种流态的判别标志为福劳德数。不同流态可出现不同类型床沙形体。 1） 急流、缓流与福劳德数 明渠水流的特点是存在有与大气相接触的自由表面，因而明渠水流是一种无压流。这种 流动才具有上述三种流态变化。 急流与缓流的判别准则是福劳德数（Fr） ，即FrV/gh⋅ 式中ν是平均流速，h 是水深。福劳德数为一无量纲数，用它可以判别明渠水流的流态 Fr1 时水流为急流，也称超临界的流动状态或高流态，它代表一种水浅流 急的流动特点。 2）床沙形体 床沙（bed）表面可随水流强度变化而出现各种类型的床沙形体，每一类型的床沙形体 不是固定不动的，而是通过组成床沙的沙砾颗粒的滚动、滑动或跳跃移动而使床沙形体发生 顺流或逆流移动，这种现象在水力学上称作沙波运动。 明渠水流随着流动强度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（或低角度沙丘）→平坦床沙→逆行沙丘→流槽和凹坑。由于 床沙形体与层理之间的成因关系密切，有关床沙形体特征和福劳德数之间的关系，将在第三 章第三节中介绍。 3. 层流、紊流与雷诺数 自然界任何流体的流动特点有层流与紊流（或称湍流）两种流动形态。层流（laminar 11 flow）是一种缓慢的流动，流体质点作有条不紊和平行和线状运动，彼此不相掺混。紊流 turbulent flow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（图 2－2） 。层流和紊流的水力学性质及对沉 积物的搬运和沉积特点是不一样的。可以流水为例予以说明。 层流与紊流的判别准则是雷诺数（Reynolds number－Re）,即 ν vd Re A B 图 2－2 层流紊流的流动特点 A.层流；B. 紊流 式中 d 为管道直径。经过许多试验，对于任何管径和任何牛顿流体，所得紊流转变为层 流时的临界雷诺数 （Re） 大体是相同的， 约为 2000。 故对管道流当 Re2000 时为紊流。 对明渠流来说， 则应该用水力半径 （R） 代替管道直径 （d） 来计算临界雷诺数， 因 R1/4d， 层流 所以明渠流的临界雷诺数应为 500。 与紊流具有不同的力 学特 流。并且紊流还有漩涡扬举作用，这 是可使沉积物呈悬浮搬运的主要因 素。 从沉积物沉积时遭受的阻力来 说，紊流兼有粘滞阻力和惯性阻力，层流则只有粘滞阻力，因此沉积物不易从紊流中沉积下 来，而在层流中则如同在静水中一样很容易沉积下来。 自然界中绝大多数水体是紊流运动。不过任何紊流的水体在与固体边界接触处（如河道 底和两壁） ，由于固体边界效应，在紧靠固体边界处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（或叫粘性底层，图 2－3） 。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不断发生的沉积和搬运的交替作用非常活跃。 二、牵引流的机械搬运和沉积作用 图 2－3 平行流向的河流垂直剖面表示紊流及层流底 层流线长度代表流速大由小 （据 W.W.Rubay 1983） 点。 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 12 13 方式的机理上表现得最为明显。牵引流不但可以搬 运碎屑物质，而且还可搬运溶解物质；不仅有机械沉积作用，而且还广泛进行着化学和生物 沉积作用。而重力流占绝对优势的是机械搬运和沉积作用。 （一） 单向流水的机械搬运和沉积作用 碎屑颗粒在流水中的搬运和沉积，主要与水的流动状态关系密切，是层流还是紊流，是 急流还是缓流；还与碎屑颗粒本身特点，如大小、比重、形状等都有关系。由雷诺公式和福 劳德公式可看出，水流状态的变换，在很大程度上取决于流速，并且还与水的粘度、密度、 水深、水量、边界条件等因素有关。可见，受到多种因素的影响和制约，碎屑颗粒的搬运和 沉积机理是个相当复杂的问题。 1. 碎屑颗粒在流水中的搬运作用 碎屑颗粒由静止状态进入运动状态时的临界水流条件称作碎屑颗粒的起动条件。碎屑颗 粒之所由于促使颗粒运动的力超过了阻止颗粒运动的力，因此要研究起动条件必 须首先分析颗粒在水中的受力状况；也正由于受力状况不同，可出现滑动、滚动、跳动和悬 浮的各种搬运方式。 1） 碎屑颗粒在水中的受力分析 作用于碎屑颗粒上的力主要有 （1有效重力（W） 颗粒在水中同时受到重力和水体浮力的作用，两者的差值称为有效 重力。 （2）水平推移力（Px） 水流作用于颗粒上的顺水流方向的力。 （3）垂直上举力（Py） 为垂直向上的力，产生的原因有 ① 水体浮力，此力已计算在有效重力中。 ②颗粒上下存在流速差所引起的压力差。由边界底部往上水流流速逐渐增大，再加上水 流遇到颗粒发生绕流运动（图 2－4） ，在颗粒上方流水断面变窄，流速进一步加大，也即上 方的流速要明显大于下方，根据伯努利（Bernoulli）方程 两种流体的差别，在机械搬运和沉积 以能起动是 ） 常数 2 2 υP ρ gy 式中 P 为压力，y 为距某基准面高度，v 为流速，ρ为流体密度。由上式可看出流速大 则压力高，反之则压力低。由此可见，水流作用于颗粒时， 在其上下方存在有一个压力差，其方向是朝上的。 ③在紊流中除上述压力差外，还存在有涡流的扬举作用 （或称上升涡力） 。因此紊流的上举力要明显大于层流。 可见上举力主要是由压力差及上升涡力所组成。 （4）粘结力（Pc） 由多种因素造成，其中主要是由颗 粒表面的水膜所造成的粘结力。 上述几种作用力中，Px 和 Py 是促使颗粒移动的，而 W 和 颗粒的搬运和沉积就是这两类作用力的相互作用的表现。上述诸作用力中最主要的还是 Px、 Py 和 W 三种力。 Pc 则是抗拒颗粒移动的。碎屑 图 2－4 碎屑颗粒的受力情况 14 的搬运 在水体底部主要呈滑动或滚动搬运，较细碎屑（较细砂、粉 砂）强度而变，水流强 度大则偏细。 层的厚度）时上举力就 大大 ，上举力就降低。这样反复地进行，颗粒就跳 中存在有紊涡产生的水流的紊动作用。由于上 举力定高度，若遇到紊流漩涡，而漩涡又具有足够的能量，漩涡就 颗粒又因重力作用 不断 2） 碎屑颗粒的搬运方式 碎屑颗粒在流水中可以推移（床沙）载荷和悬移载荷方式被搬运。 （1） 推移载荷 较粗的碎屑（砾、较粗砂） 则呈跳跃搬运。搬运方式和碎屑大小之间的关系不是恒定的，随水流 时，跳跃颗粒偏粗，反之 假如只考虑Px、Py和W三种作用力，则 当Px≥f（W－Py）时，碎屑颗粒开始滑动； 当Pxι1P