【7A文】沉积过程与体系

沉积过程与沉积体系,目录 第一章 基本概念 第二章 沉积作用 第三章 冲积扇 第四章 河流沉积 第五章 三角洲沉积体系 第六章 重力流沉积体系,第一章、基本概念,一、沉积环境,环境（Environment）的概念取自于地理学，地理学家把地球表面划分为若干不同的地理景观单位：如山脉、河流、湖泊、沙漠、海洋等，这就是所谓的自然地理环境，然而，沉积学所研究的是沉积物形成时的自然地理环境，即沉积环境（Sedimentary or Depositional Environment）。 1976 年，RCSelley 指出：沉积环境乃是“在物理学、化学和生物上均有别于相邻地区的一块表面”。它强调了自然地理景观和地貌特征，包括三个要素：物理：风、波浪和流水的速度、方向和变化，气候和风化作用，温度的变化等；化学：覆盖着沉积环境的水的成分，汇集区的岩石地球化学性质；生物：包括动物和植物两类生物的作用。在具体划分环境时，可以根据以上三大要素中的1个或2 个来进行划分。,二、沉积相概念的形成与发展,“相”或“沉积相Depositional facies”是沉积学中的一个基本名词，然而也是一个长期有争议的概念。早在1669 年，“相”这个术语就被丹麦学者斯NSteno 引入到地质文献中。但是赋予沉积学近代内涵还是从1838 年，瑞士地质学家AGressly 在阿尔卑斯的研究工作中开始的，当时他在研究瑞士西北部侏罗纪地层时，发现该地层在岩性和古生物面貌方面有极大的差异。于是，他首先采用“相”或“象（aspect）”这个术语表示岩石的单位，并认为具有相同的岩石学和古生物学特点的岩石单位，才能作为一个“相”。 然而，后来地质学家在用“相”这个术语时却发生了混乱，出现了种种不同的理解。使用“相”这个术语时其含意有所不同；从多年的使用来看主要有四种形式：指沉积物的组成岩相，如“砂岩相”、“灰岩相”等；指沉积物的成因成因相，如“浊积岩相”、“生物礁相”等；指形成沉积物的环境沉积相，如“河流相”、“滨海相”等；指沉积的构造背景构造相，如“磨拉石相”、“复理石相”等。1986 年，HGReading 认为：“只要明确指出这个词的含义，那末，相这个术语的各种用法都是可行的”。通常情况下，相应该是在一定的沉积条件下形成的一个或一套有特色的岩石体，这种沉积条件反映一种特定的沉积过程和环境；相可以再分为亚相、微相。 大多数学者都趋向于把“相”理解为“古代环境的产物”（RCSelley，1976），亦即专指沉积环境的物质表现；一定的环境有特定的物质表现，即“相”在生物学的综合表现-生物相（Bio-facies），在岩性方面的综合表现-岩相。沉积环境和沉积作用的各种特点，必然会在这些沉积产物中留下某些记录。这些记录主要表现为岩石组分、几何形态、结构、构造、生物化石等方面的差异。所以“相”应是能表明沉积条件的岩性特征和古生物特征的规律综合。根据这个定义，“相”与“环境”不是同一的概念。“环境”是条件、原因，而“相”是环境中诸作用的产物、结果。,Facies relationship,Walthers law of facies (1894): It follows that the vertical succession of facies, laid on its side, reflects the lateral juxtaposition of environments. Prograding, sabkha Contacts: gradational, sharp, erosive Cycles Association and sequence Facies associations are groups of facies that occur together and are considered to be genetically or environmentally related.,Facies sequence: a facies sequence ia a series of facies which pass gradually from one into the other. Coarsening-upwards seuence Fining-upwards sequence Fining-upwards sequence but as a graded bed,三、沉积模式与模型,在沉积学中还常用模式或沉积模式（Depositional model）这一术语。通常人们所说的模式：是指帮助我们认识复杂自然现象和过程所理想的简化形式。沉积模式则有它特定的含义，1963 年，Pettijohn 与PEPotter 对沉积模式所下的定义是：“沉积模式实质上是描述了再现沉积作用的面貌” 。 1978 年，Roger GWalker 认为沉积模式乃是对沉积特征的一种全面概括：更确切地说沉积模式“是对沉积环境的综合地质特征、发展演化及其空间组合形式进行的全面概括。”这种概括通常应包括2 个方面的内容：一是其沉积特征的总结；二是对其形成机理的概括。因此，沉积模式是对沉积环境下形成的沉积产物的综合解释，具有解释性的成因意义。 沉积模式的作用：帮助人们去发现各种环境之间的内在联系，描绘人们预期可以在这些环境中发现的地质过程及所形成的产物。1984 年，Roger GWalker 以浊流模式为例，指出相模式可以起到4 个方面的作用：在对比中起到标准的作用；观察中起到提纲与指导的作用；新区起到预测作用；水动力解释中起到基础作用。因此，建立和掌握不同环境下的沉积模式，不仅有助于对各种古代沉积物进行成因解释，而且在油气和其它沉积矿产的勘探与开发中具有预测矿产分布规律的指导作用。,第二章 沉积作用,一、流体动力学的概念,一）牛顿与非牛顿流体及其搬运方式 牛顿流体与非牛顿流体 从流体力学性质来讲，凡是服从牛顿内摩擦定律的流体均称做牛顿流体；否则称为非牛顿流体。所谓服从牛顿内摩擦定律是指在时间不变的条件下，随流速梯度的变化，流体动力粘度系数始终保持为一常数。牵引流属牛顿流体，沉积物重力流属非牛顿流体。 1）牵引流（Tractional current） 定义：“服从牛顿内摩擦定律使碎屑物质作牵引运动的流体”，如含有少量碎屑物的水流（河流、海流、湖流、波浪流、潮汐流、等源流等）和大气流等；因此，牵引流也有人称流体重力流（fluid gravity flow）。 2）重力流（Gravity current or gravity flow） 定义：“在重力作用下使碎屑物质与流体高度混合，不符合牛顿内摩擦定律的高密度流体”，也称沉积物重力流（sediment gravity flow），它可进一步划分为碎屑流（泥石流）；颗粒流；液化（沉积）流；浊流。 3）浊流（Turbidity current）： 属于重力流的一种，是指由大量泥、砂物质和水混合，受紊流支撑的一种水下重力流。,2、流体的基本搬运方式 从物理学上来看，有两种最基本的物质搬运类型（或搬运方式），即悬浮载荷（悬移质）和底载荷（推移质），相对应的有两种搬运形式，悬浮搬运和推移搬运 1）悬浮搬运（Suspension transport） 空气或水流把细粒沉积物弥散开来（如粉砂、粘土级颗粒以及不同比例的砂级颗粒），并使其在流动的内部呈悬浮状进行搬运。最基本的驱动力就是紊流，它可以把颗粒上举起来，使之悬浮于流动内部而进行搬运。 2）推移质搬运（Traction transport） 在沉积学中称之为牵引搬运（Traction），这一术语乃是沉积物以床沙载荷（推移质）形式运移的所有作用过程的集合名词，牵引作用是颗粒惯性的产物。 主要以底载荷（推移质）方式进行搬运的流体称为牵引流，它们通常密度和粘度均小，与之相对应的是密度流（重力流、块状流），则是一种密度和粘度均大的，在重力作用下呈块状整体的流动，是以悬浮载荷方式进行搬运。 沉积重力流的驱动力主要起因于陡坡条件下重力大于剪切力时的重力加速度，所以当坡度变缓、流速降低时，会发生骤然卸载，形成各种类型的重力流沉积物。,二）层流、紊流与雷诺数,式中：密度，d直径，速度，µ粘度。 由此可见，流体的密度、粘度、速度均可影响流动的性质，而雷诺数正是这些变量的组合，因此雷诺数的意义在于，当流体在大于或小于某一临界雷诺数的情况下，其流动方式根本不同。当Re=1时，流动呈层流型；当Re=140时，在颗粒背后出现背流尾迹，随Re增大，背流尾迹越来越不规则；当Re40时，则出现“卡门涡街”，这时的流动称为紊流。随着雷诺数的增大（图31），在球形颗粒的背流方向逐渐发育起来背流尾迹；与此同时，流水也由层流型逐步变为紊流型。 紊流旋涡内流体的面上流动是运动着颗粒的能量来源，只要是旋涡内向上的流速超过了颗粒的沉降速度，颗粒就会呈悬浮状态，保持在流体的内部。,如果是在明渠中流动，水深为D时，则福劳德数可定义为： 式中为水的平均流速。 可以看出，如果重力波的波长可以和水深相比拟的时候，即当重力波之长等于水深（D）时，则此重力波的速度等于gD，此时Fr=1。这样就提出了福劳德数的一个重要含义，如果福劳德数大于1时，则由于向下游的流速大于向上游传播的波速，就不可能有向上游传播的波。因此，当Fr1时，流水的性质为急流或为超临界流动（临界上的流动），其特点是水浅急流的动态，又称为高流态（Upper flow regime，上流动体制）。而在Fr1时所出现的则是缓流或临界下的流动，它代表的是一种水深流缓的动态，又称为低流态（Lower flow regime，下流动体制）。因此，Fr普遍用于碎屑物质以床沙载荷方式搬运和沉积作用的解释中，尤其是对沉积构造形成的水动力条件分析中。,三）缓流、急流与福劳德数,底形与流态 底形系列 沉积物被搬运和沉积时沿底面非粘性沉积物与流体之间造成的几何形态称之为床形（Bedform or Bed Configuration）。 小型沙纹（Ripples）：这是一种小型底形，当清水以20cm/s左右的速度流动，并施剪切力于细砂上方时，这种沙纹的波长为1030cm，波高0.630cm；所有的沙纹都缓慢地向下游方向迁移。在粒度中值大于0.6mm（d50=1.25）的沉积物中未发现过，主要形成于中细砂以下的粒径。 沙浪或沙波（Sand Waves）：有两种形成方式：当流速为50cms时，由沙纹沉积物变来；当沉积物粒度粗于0.6mm时，由平坦床沙（Plane bed）沉积物变成。 平坦床沙（Plane bed or flat bed）：流速若再增大，“冲蚀”（Washed-out）的D型沙浪也消失了，沉积物水的界面变为平坦的，沉积物不断向下游快速流动，此时呈一系列平坦的席状流动。 同相位沉积物波（InPhase sediment waves）：其特征主要受限于福劳德数，当Fr0.84（接近于1）时，出现和水面波同相位的圆滑沉积物波。在这些同相位波中，沉积物顺流运移，但波形可以保持不动，也可向下游或向上游方向迁移。GKGilbert称向上游方向迁移的沉积波为“逆行沙丘”（Antidunes）。,低流态（Lower flow regime）：水和沉积物的界面处可以发育有：只有小型沙纹，沙纹与沙浪，沙浪和沙垅，或仅有沙浪。沉积物的搬运作用或能力较小，而且断续进行。搬运作用先是靠牵引毯状层在沙纹或沙浪的向流面上向上运动，然后，靠颗粒在这些底形坡陡的背流面上发生重力塌落而形成。在沙浪的波谷中，在迁移方向与主流方向相反的回流沙纹上能够发生某些反向搬运。某种程度上讲，水流能量可以被沉积物颗粒的糙度和惯性阻力所消耗，但主要还是被沙纹和沙浪的形态阻力以及水流分离部位的回流旋涡所消耗。因而，沉积物沿流动方向具有一定的分选性，留在底形上的沉积物比冲到下游去的要粗。 过渡阶段：其特征底形