碎屑颗粒在风和冰川中的搬运和沉积作用

如题所述

(一)风力搬运和沉积作用

风被认为是密度最低、黏度最小的能够流动并搬运沉积物的流体。关于风携带和搬运沉积物(风力搬运)的原理与流水的相似,然而,风所特有的低密度与低黏度特性使其开始搬运与继续搬运颗粒的界限速率与流水十分不同;风运动产生的颗粒开始搬运速率强烈地受到运动颗粒与地面撞击的影响。另外,风的作用空间大,不受固体边界限制,也不像流水那样明显受重力控制,所以可将沉积物由地势低处移向高处。

风通常仅搬运细砂以及更小的颗粒。沙漠砂粒度一般在0.15~0.3mm之间,没有小于0.08mm的颗粒,因为这些更细的物质作为尘埃,被吹扬到更遥远的地方——深海盆地去了。砂级颗粒通过牵引(表面蠕动)和跳跃搬运,尘级颗粒通过悬浮搬运。搬运需要的风速相对较高,并且流动一般是紊流,以速度和运动方向不同的涡流为特征。风搬运的悬浮载荷称为尘埃载荷(dust load)。在火山喷发时,紊动的上浮空气搬运火山尘形成的尘云能够迅速上升到几百米甚至上千米。搬运高度如此之大的沉积物能够在很长一段时间内保持悬浮并随之传播很大的面积,比如洋盆(Prospero,1981)。事实上,深海远洋沉积的极细颗粒被认为大部分来源于风力搬运。

1.碎屑颗粒在风中的搬运作用

风成砂的搬运方式主要是跳跃式,其次是表面挪动式。碎屑颗粒是呈弓形弹道轨迹跳跃前进的,它们以惊人的均一角度(10°~16°)冲击地面(图2-10)。风速愈大,弹跳得愈高,受风力作用的机会也愈多,对地面冲击速度就愈大,因而溅泼和扬尘作用愈强烈。一般颗粒的弹跳高度在50cm以下,在暴风中可高达1m。

颗粒在空气中移动要比在水中自由得多,而且活动状态也很不相同。因为空气的密度很小,一个飞扬的颗粒如果碰击在基岩或大石块上,它的跳跃就会像乒乓球一样,很少失去动能,而跳跃得几乎像弹性体。如果这些碰撞的颗粒落在松散沉积物上,其能量消失在颗粒上,另一被碰撞细颗粒即被抛向空中。较细的砂以跳跃式搬运,甚至在跳跃很活跃时,大部分较粗的砂仍呈表面挪动搬运,更大的颗粒连挪动也非常困难,形成滞留沉积物,如沙漠砾石滩。尘埃物质,呈悬浮状搬运,当尘埃物质只被短距离搬运仍沉积在沙漠中时,就有可能保存,我国北方广布的黄土大部分属于这种成因。尘埃物质可搬运到海中与远洋物质混合沉积在深海盆地中。

图2-10 风成砂的跳跃轨迹

2.碎屑颗粒在风中的沉积作用

由于空气密度小,在搬运过程中颗粒间的碰撞与磨蚀作用要比在流水中强烈,故风成砂磨圆一般都好。而且风的速度大,变化突然,密度很小,在搬运过程中风力的分选作用很强,能进行搬运的粒度范围很有限,故风成(沉积)物一般分选性较好。风成的粗屑如砾石,常常遭到地面流砂磨蚀而具有一种特殊的棱面,通常称为风棱石(ventifact),为风成物独特之处。一定的风速所携带的砂量是有限的,由于跳跃颗粒的溅泼和扬尘作用,使更多的碎屑进入到风砂流中,会造成超载荷状态,从而对风产生了更有力的制动作用,使超载颗粒开始降落堆积下来。分散的砂很容易被风移动,但它们一旦聚集成彼此依靠的砂堆,即稳定下来,阻碍砂的移动,这就是莫斯(Moss,1963)所称的“推移障碍”。

砂堆形成后就起障碍作用,可逐步加高、增大而发展成砂丘。当砂的供给很充足时,迎风坡和背风坡均有沉积,如供应不充足,迎风坡被侵蚀而仅背风坡沉积,砂丘即不断地向前移动(图2-11)。

由于空气密度小,因此在相同条件下碎屑颗粒要比在水中的沉降速度快得多,可快30倍,但随颗粒粒度减小,这种差异也减弱。同样,相对密度对沉降速率的影响减弱,其结果是在空气中沉积的轻、重矿物的粒径差要比在水中的小;当然,这种对比应在同一粒级的砂中进行。

(二)冰川搬运和沉积作用

冰川的高黏度使其运动极为缓慢。冰川能够通过解离和刮削岩床和相邻的谷壁以及上部岩石掉入冰川中来携带体积巨大的沉积物。冰川内冰层流动的过程中,大小不等的沉积物悬浮在冰川基底中的不同部位随着与底床接触的冰的运动被搬运。当冰川的前部被融化时,沉积物载荷倾倒下来形成不经分选、成层性极差的冰川冰碛石。

图2-11 风成砂丘的形成

冰川的搬运方式呈固体搬运,它的移动机理包括两方面:一方面塑性流动,由于冰川自身重力使其下部处于塑性状态,称可塑带;上部则为脆性带,可塑带托着脆性带在重力作用下向前运动,由于底部有摩擦阻力的缘故,运动速度有向下变缓的趋势;另一方面是滑动,由于冰融水的活动或冰川底部常处于压力融解(冰的融点每增加一个大气压力就要降低0.0075℃)状况下,所以冰川底部与基岩并没有冻结在一起,冰体可沿冰床滑动。此外,还可沿着冰川内部一系列的破裂滑动,这是由于下游冰川消融变薄而速度降低,上游运动较快的冰川向前推挤,形成一系列滑动面。冰川移动速度每年可由数十米到数百米。

冰川主要搬运碎屑物质,它们可浮于冰上或包于冰内。碎屑物质可来自冰川对底部和两壁基岩的侵蚀,或由两侧山坡崩塌而来。由于是固体搬运,因而搬运能力很大,可搬运直径数十米、重达数千吨的岩块。由于冻结在冰川中的碎屑不能自由移动,彼此间极少撞击和摩擦,因此碎屑缺乏磨圆与分选,大小混杂堆积在一起。在搬运中,碎屑与底壁基岩间的磨蚀和刻划,以及塑性流动所产生的部分岩块间的摩擦,都可产生特殊的冰川擦痕(丁字痕)。冰川流动到雪线以下逐渐消融,所载运的碎屑沉积下来。沉积作用主要发生在冰川后退或暂时停顿期,随着冰川的消融就有冰水产生,冰碛物遭到流水的改造即成为冰水沉积物,其分选性差,巨大的石块与黏土和砂粒混在一起。

冰川入海裂为冰山和浮冰后可到处漂浮流动,浮冰融化后,冰体所含碎屑即行下沉,形成分布广泛的冰川-海洋沉积。这种沉积物除可以包含海生动物化石外,还具有冰碛物的主要特点。海水的深度对浮冰的搬运和沉积作用的影响不大,故从浅海至深海沉积物特征没有明显变化。现代南极四周以及阿拉斯加北部陆棚上部均广泛分布有这种沉积。

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