碎屑颗粒的沉积作用

如题所述

作用于碎屑颗粒上的力取决于颗粒大小和密度及水的密度、黏度、水流速度、水深等,这些因素又可简化为颗粒大小和水流速度两个主要参数。

开始搬运流速指的是流水把处于静止状态的颗粒开始搬运走所需的流速,又称为起动流速。继续搬运流速是指维持颗粒搬运所需的最小流速,又称为沉积临界流速。显然开始搬运流速要大于继续搬运流速,这是因为开始搬运流速不仅要克服颗粒本身的重力,还要克服颗粒彼此间的吸附力。可见,当水流速度大于开始搬运流速时,沉积物将被侵蚀,因此,开始搬运流速曲线之上的范围称为侵蚀区。而当流速小于继续搬运流速时,颗粒将发生沉积,因此,继续搬运流速曲线之下的范围称为沉积区。当流速介于两者之间时,颗粒保持搬运状态,该速度区间称为搬运区。

尤尔斯特隆(Hjulström,1936)图解定量表示了颗粒大小、流速与侵蚀、搬运和沉积之间的关系(图2-5)。从图2-5上还可看出:①粒径大于2mm的颗粒开始搬运流速与继续搬运流速都很大,但差值小。这表明砾石不易起动但很容易沉积,所以它们很难做长距离搬运,且都呈滑动或滚动方式移动。因此,自然界中的砾岩(石)主要分布在近源区。②粒径小于0.05mm的颗粒的开始搬运流速大,但继续搬运流速小,两者之间流速差值很大。所以细粉砂以下,尤其是泥质颗粒一旦起动,就可悬浮在水中做长期搬运,一直搬运到海洋或湖泊深处的安静环境才慢慢沉积。它们一旦沉积下来,就很不易再被搬运。再搬运时需要更强大的起动流速,并且常被冲刷成粉砂质或泥质碎块(即泥砾)。③0.05~2mm的颗粒所需的起动流速最小,而且与沉积临界流速间差值亦不大。这就是砂粒在流水中既易搬运又易沉积,最为活跃,砂粒常呈跳跃搬运的原因。尤尔斯特隆所提供的流速只适用于1m深的水流。

图2-5 碎屑物质在流水中侵蚀、搬运、沉积与流速的关系

随着水流速度的降低,推移颗粒逐渐停止运动,当上举力小于有效重力时,悬移颗粒就会沉降。目前,有关的沉积机理主要是根据碎屑在静水中的沉降资料而获得的。在静水中,碎屑因受重力作用而下沉。开始下沉时,速度较小,水流对碎屑的阻力亦小;随着碎屑加速下沉而阻力增大,当其下沉速度达到某一极限值时,水流的阻力与碎屑的有效重力恰好相等,碎屑即等速下沉,此时的下沉速度称为碎屑的沉降速度,简称为沉速。碎屑在静水中沉降时,受到的作用力主要是碎屑的有效重力和水体阻力,前者是促使下沉的力,后者是阻止下沉的力。水体阻力的大小与碎屑下沉时的流态有关,即是层流、过渡流态还是紊流。

斯托克斯(Stokes,1850)和鲁比(Rubey,1931)提出了在理想的静水条件下碎屑颗粒沉降速度的公式,它们表明了沉速与主要影响因素之间的密切关系,然而自然界的沉积作用要复杂得多。但斯托克斯公式和韦德尔公式还是有很大的实际意义和理论意义的,他们提出的颗粒的沉速与其密度成正比,因此,造成了密度大而体积小的重矿物与相对密度小而体积大的轻矿物沉积在一起的现象。例如,在1~2mm粒径的石英砂中,可有0.7~1.5mm粒径的辉石,0.6~1.1mm粒径的石榴子石和0.4~0.8mm粒径的金属矿物。一般地讲,对轻矿物来说,大小与形状是影响沉速的主要因素;对于重矿物,密度的影响则不可忽视。

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