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  广义指造岩沉积物质进行堆积和形成岩石的作用。包括母岩的解离(提供沉积物质)、解离物质的搬运和在适当场所的沉积、堆积,以及经物理的、化学的和生物的(成岩的)变化,固结为坚硬岩石的作用。狭义的指沉积物进行沉积的作用。更为狭义的指介质(如水)中悬浮状物质的机械沉淀作用。在沉积学中,常使用比较狭义的概念,把沉积作用定义为沉积物质在地表温度及大气压力下以成层方式进行堆积或形成的作用及过程,包括沉积物埋藏以前(即成岩作用开始以前)自风化、搬运以至堆积的全过程。很多人使用广义的沉积作用的概念,如矿床学中常把沉积演化过程中形成的矿床统称为沉积矿床,这是相对岩浆作用变质作用等与内动力有关的作用而言的。

  原有岩石的风化解离和溶解提供了最重要的沉积物来源,其他来源是生物物质,火山物质以及少量宇宙物质,它们占比较次要地位。风化作用是沉积作用过程中最早的一个阶段。沉积物质经风化作用形成之后进入搬运阶段。对沉积物进行搬运的主要营力是水和风,此外,还有重力和生物等的搬运。

目录

风化作用

  是地壳最表层岩石在大气、水、生物等影响下进行的,它包括物理的、化学的和生物的3种作用,发生在岩石圈、水圈、大气圈和生物圈的界面相交错重叠的表生带内。此带的特点是低温,低压,富水、氧和二氧化碳,生物活动强烈。在地壳深部形成的岩石一旦进入这种表生环境,便发生解体,产生3种物质,即碎屑(机械破碎的矿物和岩石碎屑)、不溶残余(粘土矿物为主)及溶解物质。

  总的来说,以崩解方式对岩石进行破碎的物理风化比较次要,而使岩石进行分解和溶解的化学风化则重要得多。然而在特殊情况下,例如在严寒的极地、气候干旱、温度变化剧烈的沙漠地带和温带的高山区,物理风化可起主导作用。母岩的性质、风化作用类型和母岩遭受风化的深度,决定了风化产物的性质及各类产物间数量比。象石英岩这样的岩石经风化后,只能形成碎屑物质;岩盐只能成为溶解物质。物理风化只能形成碎屑物,化学风化才能形成溶解物和残余物质。在风化初期,长石可变成伊利石,进一步风化时生成高岭石蒙脱石。当风化很深时,则出现氧化铝矿物。在风化彻底、岩石完全分解的情况下,可提供成熟的沉积物,它们几乎全由风化的最终产物组成,主要是粘土和稳定的矿物碎屑及岩屑。它们在搬运中进一步分选,分别沉积为成分单一的沉积物。相反,风化程度较低,未完全分解的岩石所提供的是不成熟的沉积物,其中可含有很多不稳定的矿物碎屑及岩屑。因此而产生的沉积物成分复杂,成为稳定的和不稳定的矿物碎屑、岩屑、重矿物和粘土的混合堆积。

搬运和沉积作用

  母岩风化产物除少数残余在原地并组成风化壳外,大部分都要被搬运走。由于风化产物的性质不同,搬运和沉积的方式也不同。一种是碎屑物质的搬运和沉积,称为机械搬运和沉积作用;另一种是溶解物质的搬运和沉积,称为化学和生物化学搬运和沉积作用。

图1平均流速与碎屑颗粒搬运和沉积关系的图解
图2非粘性流体流过一个柱体时的流动状态

机械搬运和沉积作用

  碎屑物质进行机械搬运和沉积,主要受力学定律的支配。①泥砂的搬运方式。砂和泥一类的碎屑物质,在水中以机械方式搬运,当水中此类物质不多时,大部分以滚动、挪动和跳跃方式沿底部运动的推移质携运;少部分则以水中呈悬浮状随水流移动的悬移质携运。这就是牵引流的携动方式。许多河流、风、湖或海的波浪及一些海流和湖流都是这样搬运物质的。当被搬运的物质很多,如成为浓度很大的碎屑和水的混合物时,就成为高密度流或重力流(或块状流),如泥石流、浊流等。搬运中的流速与粒度的关系可用图解表示(图1)。图中始动流速曲线表示推动一给定粒度的颗粒所需的最小流速,沉积临界流速曲线表示一给定颗粒开始沉积的最大流速。粒径大于 2毫米的砾石的始动流速与沉积临界流速相差很小,即流速变化很小,砾石即可改变其搬运或沉积状态,故在自然界砾石难以长距离搬运。小于0.06毫米的颗粒的始动流速与沉积临界速度相差很大,即流速有较大变化,颗粒仍可携行,故粉砂和泥质一经搬运,即可长期悬浮而不易沉积。2~0.06毫米间的颗粒的始动流速最小,故砂粒在流水搬运中最为活跃。②流体的搬运和沉积作用。碎屑颗粒在流水中的搬运和沉积,主要与水的流动状态(层流或紊流、急流或缓流)以及水的流速与深度等有关。可以被流水搬运走的沉积物表层称为床沙,它的厚度被定义为颗粒直径的两倍。在流水中颗粒的沉降速度大到一定程度时(如在悬浮搬运时,沉降速度大于平均流速的8%时),颗粒就会沉积下来。当流动为紊流时,由于对颗粒有上浮的作用,情况要复杂得多。流体的搬运有牵引流和重力流的搬运。

  牵引流的搬运。牵引流是使颗粒呈推移状搬运的水流。河流、波浪流、潮汐流、沿岸流(发生于破波带向陆方向地带的平行于海岸的流动)、滨岸流(发生于破波带向海方向地带的平行于海岸的流动)、等深流(发生在外陆棚及斜坡上的平行于海岸线的流动)均属于牵引流性质。在牵引流中,当流速大于颗粒始动流速时,颗粒可以沿床沙表面移动或滚动。流体经过颗粒表面时,由于颗粒顶部水体流线密,压力小,旁侧及近底部流线疏,压力大,因而产生上浮力。如重力对颗粒的作用小于(或近乎小于)此上浮力,则颗粒可以跃起(图2),并随流水向前跳跃,此即跳跃式搬运或间歇悬浮式搬运。滚动、挪动及跳移都是牵引流的重要搬运方式。由颗粒组成的床沙受到流水推力,必产生与之对应的反作用力,即产生一种阻抗。这种阻抗在床沙表现为粗糙度增加,呈现形如洗衣用的搓衣板状。流水作用于床沙的力愈大,床沙产生出的阻抗愈大,即所表现出的床沙粗糙度愈强。在形态上出现一系列不同类型的几何形体,称之为床沙形体或底形。沉积物经牵引流搬运,在床沙上即沉积物表面造成的不同形状的床沙形体系列为:下平坦床沙-沙纹-沙垅(沙浪)-上平坦床沙-逆行沙波。它们保存在层面上便是各种波痕,埋藏下来的内部形态便是各种交错层理(见沉积岩)。

  重力流(密度流)的搬运。重力流是一种高密度的碎屑和水或大气的混合流体,颗粒在重力流中呈悬浮状运移。重力流分为2种。一种是水下沉积物重力流,包括浊流、液化沉积物流、颗粒流和碎屑流。在浊流中支撑颗粒的力是涡流的浮力,颗粒流中支撑颗粒的力是颗粒间碰撞而产生的推力,液化沉积物流中支撑颗粒的力是向上的粒间流,而在碎屑流中支撑颗粒的力则是杂基的强度。另一种是大气重力流包括火山喷发时在空中形成的热灰云和火山口附近形成的热气底浪沉积及火山灰流。重力流沉积分选性很差,无大型交错层理,常呈块状及粒序构造。重力流常见于大陆的冲积扇、深湖和深海或半涂海环境中。在浅海带还可因强烈的飓风造成具有密度流性质的风暴流。风具有牵引流性质,其密度很小,所搬运的颗粒粒度受到局限,主要是粉砂和泥,但因泥质可在大气中长期悬浮,故风的沉积物主要是粉砂和一部分极细砂。在特殊情况下,如火山爆发时喷出的大量火山灰也可在空气中形成密度流。

化学、生物化学搬运和沉积作用

  母岩风化后转入溶液的物质包括胶体物质和真溶液物质,常见的胶体化合物有Al2O3、Fe2O3、 MnO、SiO2、粘土矿物、磷酸盐矿物等。当胶体在搬运过程中失去稳定性时,胶体物质就会发生凝聚作用,又叫做絮凝作用。在重力的作用下,在合适的环境里,逐渐沉积下来。影响胶体发生凝聚和沉积的因素有:带有不同性质电荷的胶体相遇、溶液中有电解质的加入、胶体溶液浓度增大、以及pH值的变化。此外,放射线照射、毛管作用、剧烈的振荡,以及大气放电等,都可导致胶体的凝聚。

  氯、硫、钙、钠、镁、钾等多呈离子状态溶解于水中,即呈真溶液状态搬运,有时铁、锰、硅和铝也可呈离子状态在水中搬运。可溶物质的溶解、搬运和沉淀与其溶解度有关,就物质本身来说,是与其溶度积常数有关。即在一定温度下,组成该化合物的离子浓度(在水中)的乘积大于溶度积时沉淀,小于时则溶解。如硬石膏的溶度积为6.1×10-5,当溶液中[Ca2+]×[SO厈]等于或大于此值时,硬石膏即析出;小于此值时,则硬石膏溶解。此外,象介质的pH值、Eh值、温度、压力,以及CO2含量等,也可影响可溶物质的溶解、搬运与沉淀。各种物质从溶液中沉淀出来都有一定的pH值条件,但是pH值对氢氧化物和氧化物的影响较大。Eh值对于变价元素如铁、锰等的影响较大。温度与蒸发作用(压力大小)可以改变化学反应的进行方向和溶液浓度,对于碳酸盐和盐类的影响较大。

  胶体物质和某些真溶液物质如磷酸盐和碳酸盐及一些铁质矿物,当从溶液中析出后,也可能以颗粒形式经过机械搬运再沉积。此时,这些沉积受水动力即物理因素控制,表现出与碎屑沉积物相同的沉积特征,这些颗粒称为异化颗粒。

  生物在沉积和在沉积演化的各阶段大都参与了作用,特别是晚前寒武世以来,有愈来愈重要的意义。生物通过自己的生机活动,直接或间接地促使化学元素、有机或无机的各种造岩造矿物质进行分解、化合、迁移、分散与聚集作用,并在适宜的场所促使形成岩石和矿床

其他的搬运和沉积作用

  冰由于密度大,可携带包括从巨砾至砂和泥各种粒级的沉积物,无论在大陆或海中,冰碛物均表现出分选极差和成分复杂的特征。地下水也可搬运泥砂颗粒,大都在已沉积的颗粒间进行。其搬运距离小、数量小,但常可形成一些特殊构造,如示底构造、渗滤砂沉积等,可作为鉴别层序及成因的标志。重力的搬运和沉积作用在大陆和海洋条件下,可造成如崩塌堆积物、生物礁塌积物等。雨水的冲溅、天体对地球的撞击,均可造成局部的短暂的搬运和沉积。生物的搬运也是一种较普遍的形式,在沉积岩中常可看到生物的生机活动所留下的遗迹,称为遗迹化石。生物的搬运量不大,但常可造成有成因判别意义的构造。

沉积分异作用

  沉积作用总体上讲,包括风化、搬运和沉积几个阶段,但它们不是截然分开的。如在搬运中也可遭受风化,而搬运与沉积的相互转化,则更是经常发生的。在沉积演化的整个过程中,都贯穿着元素(有时是某些物质)的迁移、分异及掺合作用。所谓分异作用,指在沉积岩形成作用全过程中母岩及其风化产物的组成物质按照物理和化学性质相互分离的作用。对于岩石和矿床的形成来说,分异作用具有很大意义。从大的阶段来看,可以划分出3种分异作用,即风化分异、搬运与沉积过程中的沉积分异和沉积物埋藏以后的沉积期后分异。在风化阶段,由于各种元素的可迁移性不同,形成具有分带性的风化壳矿床。搬运和沉积过程中的沉积分异包括机械的和化学的两方面的作用,作用的结果形成各类碎屑岩砾岩砂岩等)、砂矿矿床及某些化学沉淀矿床 (石膏、岩盐等)。沉积物埋藏后的元素分异涉及的是化学的和物理化学的,以及生物化学的作用。由于它们所经历的地质时间间隙最长,故可形成一系列有价值的矿床(可燃有机矿床、贱金属硫化物矿床及许多非金属层控型矿床等)。

  参考书目

  刘宝珺主编:《沉积岩石学》,地质出版社,北京,1980。

  H.布拉特等著,《沉积岩成因》翻译组译校:《沉积岩成因》,科学出版社,北京,1978。(H.Blatt,et al.,Origin of Sedimentary Rocks, Prentice Hall Inc.,Englewood Cliffs,New Jersey,1972.)

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