搬运沉积作用

约 3598 字大约 12 分钟...

概述

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，即牵引流和重力流

1.碎屑物质在流水中的搬运和沉积作用

碎屑颗粒在流水中的搬运和沉积，主要与水的流动状态（是层流还紊流，是急流还缓流）关系密切；还与碎屑颗粒的本身特点（大小、相对密度和形状等）有关。（1）搬运方式

推移搬运（滚动搬运、跳跃搬运）
悬浮搬运（悬移搬运）（2）机械沉积作用处于搬运状态的碎屑物质，在一定的条件下，主要是当流水的动力不足以克服碎屑的重力时，碎屑物质就会沉积下来。（3）碎屑物质在流水搬运过程中的变化
成分：不稳定组分逐渐减少，稳定组分则相应增加，同时其组分也就变得更加简单了。
粒度逐渐变小、圆度逐渐变好、球度逐渐变好

2.碎屑物质在海水、湖水中的搬运和沉积作用

陆地表面流水搬运的碎屑物质，大部分都注入海洋，其次是湖泊。海、湖是流水搬运碎屑物质的最终场所。 ![[images/image-20250428160049.png]]

当波浪运动的方向与海岸垂直，而海底又位于浪底之上时：

远离海岸深水区：碎屑往返运动、向海方向运动；
近岸浅水区：碎屑作往返运动、向岸方向运动；
在二者之间的区域，碎屑只作往返运动。 表面波向岸传递，总趋势是沉积物向海搬运。

如果波浪不垂直海岸，而与海岸斜交，则海底碎屑运动的路线呈更加复杂的“之”字形。其最大特点是波浪作用力方向与重力沿岸分力作用的方向不一致，而使物质沿着二者合力方向移动。

阵发性的风暴浪将浅海沉积物卷起而重新搬离或搬向海岸，形成风暴沉积物。

在波浪、潮汐的作用下，海水中碎屑物质长时间往复运动（海水对颗粒间的溶蚀、颗粒与海底间的碰撞与磨蚀、颗粒间的碰撞和磨蚀），其成熟度（成分、粒度、圆度等）比陆相环境中的碎屑物质高得多，沉积分异也进行得较为彻底。与海洋相比，湖泊面积小，缺乏潮汐作用，因此，波浪和湖流是湖泊中搬运和沉积碎屑物质的主要营力

3.碎屑物质在空气中的搬运和沉积作用

在干旱地区，风的搬运和沉积作用是主要的 风是碎屑物质在空气中搬运和沉积的主要营力 空气只能搬运碎屑物质，而不能搬运溶解物质 空气可以把沉积物从高处搬到低处，也可以将其从低处搬到高处.

在正常地面条件下，搬运方式以跳跃为主（70~80%），其次是蠕动（<20%），而悬浮极少（<10%）。在一般情况下，搬运方式与粒度之间关系相当稳定。风力搬运的最大特点是碎屑呈弓形弹道轨迹前进。

风的搬运及沉积作用特点：

搬运能力远比水小，同样的速度下，风的搬运能力约为流水的1/300，因此，风一般只能搬运较细粒的碎屑物质。
风的搬运能力有限，选择性较强，因此风成沉积的粒度分选性较好。
空气密度小，颗粒碰撞磨蚀导致其圆度较好，常具霜状表面。

4. 碎屑物质在冰川中的搬运和沉积作用

搬运作用

流体流，牵引流（Fluid flow）

推移（滑动和滚动）Traction：grains rolling/sliding along substrate
跳跃 Saltation：smaller grains hopping along substrate
悬浮Suspension：very small grains carried along with water
溶解Solution: some material is dissolved and carried downstream 重力流（gravity flow ）
颗粒流Grain flow : cohesionless sediment movement
泥石流Debris flow : viscous sediment movement
液化流Liquefied flow : over-pressured interstitial fluid movement
浊流Density flow (turbidity current) : slurry movement driven by differential density

一、流体流

1.流体

1.1 流体性质

密度
黏滞性
- 抗拒流动
- 粘滞系数更高，液体越难流动

1.2 牛顿流体

动力粘滞系数 Dynamic viscosity (μ) 切应力(τ) ：液体单位面积上的内摩擦力，也称作粘滞切应力

y: 流体内两滑动面之间的距离
u：流体流速
du/dy: 流速梯度（剪切变形率）

μ = \frac{τ}{d u / d y}

服从牛顿内摩擦定律的流体（温度不变的条件下，随流速梯度变化μ保持不变）称作牛顿流体

1.3 雷诺数

自然界流体按流动特点分为层流和紊流

层流：缓慢流动、质点做平行线状运动，不掺杂
紊流：充满漩涡的急湍流动，质点运动轨迹不规则且互相掺杂

雷诺数：惯性力和粘滞力的比值

R e = \frac{ρ u L}{μ} = \frac{μ L}{ν}

1.4 惯性切应力 Eddy Viscosity

紊流中流体质点紊乱流动会引起附加的惯性切应力，也叫作附加切应力

τ = μ \frac{d u}{d y} 层流

τ = (μ + η) \frac{d u}{d y} 紊流

层流比紊流更容易沉积，紊流比层流更容易搬运

2.搬运与沉积：固体边界效应

紊流水体与固体边界接触处（比如：河道底部和两壁）

由于切应力影响流速在界面处迅速减小
流速梯度大，粘滞力起主导作用，因此流体运动形态属于层流
层流底层对于沉积物的搬运和堆积起到重要作用

3.流态 Flow regimes

3.1 弗劳德数

惯性力和重力之间的比值,代表向上游或下游传播速度相对大小；

F r = \frac{惯 性 力}{重 力} = \frac{u}{\sqrt{g D}}

其中 $u$ 是流速，

3.2 水跃（Hydraulic jump）

水跃发生在快速流动的浅水经过安静的深水时发生的现象；通常跟水体突然加深和流速突然降低有关

4.搬运的影响因素

4.1 底形和水体表面

4.1.1底形

床沙表面可随水流强度变化而出现各种类型床沙形体，组成床沙的砂砾颗粒的滚动、滑动或跳跃移动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。

4.1.2水体表面与浪基面

波基面（浪底）（wave base）——波浪作用的下限，即波浪所影响的最大深度。 FWWB：Fair Weather Wave Base 正常浪基面；

Fair weather wave base refers to the depth beneath the average daily waves （10~30m） SWB：Storm Wave Base 风暴浪基面
Storm wave base refers to the depth beneath storm driven waves and is often much deeper. （30~125+m）

不同的水波及其影响的水深

4.1.3底形与水体表面

底形与水面同相——缓流底形与水面异相——急流

4.2 底形与流态

4.2.1 水体流态

4.2.2 底形的类型

高流态平坦床砂

剥离线理结构常见于浅冰相细粒径

低流态平坦床砂

低角度的叠瓦状构

4.2.3 流态与底形

不同流态的水体环境下会形成不同的底形

急流——Antidunes （逆行沙丘） upper plane beds（高流态平坦床沙）
缓流——Ripples（波痕） dunes（沙丘） lower plane beds（低流态平坦床沙）

水体流速与颗粒大小对应的底形类型

流态影响碎屑物质的运动状态从而影响底形和层理的形成

4.3 底形和斜层理的关系

底形是活跃的、正在活动的地貌；而斜层理是底形迁移后被埋藏并保存在沉积岩中的静态记录

底形：瞬时地貌活动，流体与沉积物相互作用直接塑造
斜层理：地质历史中底形迁移的化石记录

斜层理的类型反推底形的类型、底形的类型反推沉积时水动力环境

板状交错层理反映的信息

纹层和层系底界的倾角和斜交特征可以反映水流强度 ➢急流型：纹层平直，倾角大，水流强 ➢缓流型：纹层略向上弯曲，向下收敛，倾角小

判断古环境 ➢一般是河流、滨海、滨湖、三角洲；大型板状交错层理在河流沉积最典型

鱼骨状交错层理反映的信息

➢相邻层系中细层倾向相反，呈羽状或人字形（鱼骨状），层系间夹有泥质水平薄层的层理 ➢沉积介质具有双向流动的情况下产生的，如涨潮流形成的前积层与退潮流形成的前积层交互而成 ➢羽状交错层理多发育于(灰质)砂岩、 (灰质)粉砂岩等岩性中，常见于河流入湖、海的三角洲地带

5.纹层、单层、层组、层理面

Laminae 纹层：组成层理的最小宏观单位，具有相对一致的成分和结构； Single bed 单层：层理的基本单元，由成分和形态相对一致的纹层构成； Bedset 层组：形态一致且具有成因联系的一组单层； Bedding surfaces 层理面：单层或层组的分界面

水平层理和平行层理

水平层理:层理中各纹层相互平行，成分以泥和粉砂颗粒为主。形成于平静的水介质环境中，由平直且与层面平行的一系列细层组成，在比较稳定的水动力条件下，如河流的堤岸带、闭塞海湾、海和湖的深水带，从悬浮或溶液中缓慢沉积而成。

平行层理:各纹层相互平行，成分以砂质颗粒为主。形成于水动力条件较强的介质环境中，主要产于砂岩中。

6.颗粒受力分析

尤尔斯特隆图解

7.沉积

不同沉积类型

流水动力不足以克服碎屑重力时，处于搬运状态的碎屑物质会沉积下来

真沉积（true sedimentation）：悬浮物沉积下来
冲积（ Accretion ）:流体牵引力或其他性质改变–横向堆积–流体扩张–流体变浅
障碍物堆积（encroachment）：遇到障碍物受阻，减速而沉积下来

斯托克斯公式

u = \frac{1}{18} \frac{(ρ_{g} - ρ_{f}) g d^{2}}{μ}

只适用于净水或层流的条件只适用于小于 $200 μ m$ 对水温、颗粒相对密度、表面状况等都有要求

二、重力流

浊流

浊流=沉积物和海水的混合物=密度大于纯海水浊流中的悬浮物质是砾，砂，粉砂，泥沉积物由紊流向上的分力支撑

浊流沉积是指在浊流中，粗粒的物质集中到靠近底部的前锋，流速可能继续增加。根据坡度的大小和坡的长短，浊流可以达到最高的流速。随着坡度变缓，流速逐渐减小，沉积物开始卸载，从而形成浊流沉积。

浊流沉积多呈长条状或舌状展布，在陆坡外缘常成扇形，其长轴方向垂直于岸线。现代海底所见的浊流沉积，其形成时代多在全新世之前，而后形成的频率相对减少。

鲍玛序列（Bouma sequence）

Bouma (1962) 提出==一个完整的鲍玛层序是一次浊流事件的记录==

Bouma 层序具体描述了由低密度（即低沙浓度、细粒）浊流沉积的结构的理想垂直连续。另一种分类方案通常称为 Lowe 层序 ，用于高密度流沉积的结构的理想垂直层序。

Bouma 序列分为 5 个不同的层，标记为 A 到 E，其中 A 位于底部，E 位于顶部。Bouma 描述的每个层都有一组特定的沉积结构和特定的岩性，这些层==总体上从下到上变得更加细粒度== 。

自然界中发现的大多数浊积岩都有不完整的序列，但完整的序列由以下层组成：

E：块状、未分级的泥岩，有时有微量化石的证据（即生物扰动）。Bouma E 层经常缺失，或难以与下面的 Bouma D 层区分开来。
D：平行层状粉砂岩。
C：波纹层状细粒砂岩。波纹层通常变形为卷曲层(convolute laminations)和火焰结构(flame structures) 。
B：平面层状细粒至中粒砂岩。Bouma B 的基底通常具有称为鞋底标记的特征，例如槽铸模(flute casts,)、凹槽铸模(groove casts)和分型线(parting lineation)。
A：块状到正常等级，细粒到粗粒砂岩，底部附近通常有鹅卵石和/或撕裂的页岩碎屑。可能存在培养皿结构。A 以下的砂岩底部有时会被侵蚀成下层。

在高密度浊流中，底部沙子浓度较高，颗粒间的碰撞能使沙颗粒保持悬浮状态。较小的颗粒，因为没有碰撞反而先沉淀在沙颗粒之下，造成反向粒级层理。