沉积物的搬运与沉积作用(为什么河里禁止挖沙)

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，称为物理搬运和沉积作用;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。搬运沉积物的主要营力是水、重力流、风、冰和生物等。

一、物理搬运和沉积作用

物理搬运和沉积作用包括牵引流的搬运与沉积作用、重力流的搬运与沉积作用、冰川的搬运与沉积作用。

(一)牵引流的搬运与沉积作用

牵引流是使碎屑颗粒主要呈推移状态搬运的流体，包括各种流水(河流、波浪、潮汐流、沿岸流、滨岸流)和风。

1.流水的搬运与沉积作用

(1)碎屑颗粒搬运与沉积的控制因素

在牵引流中，碎屑颗粒的搬运或沉积取决于有效重力、推力(牵引力)、上举力和黏结力。①有效重力为颗粒重力减去浮力;②推力是水流流动加在颗粒上的平推力;③上举力是由于碎屑颗粒上下方流水速度差异造成的压力差，产生其方向是向上的力;④黏结力是颗粒表面的水膜造成的碎屑颗粒与水体之间的黏结力，或其他原因造成的黏结力。

在上述4种力中，上举力和推力是促使颗粒运动的力，而有效重力和黏结力是阻止颗粒运动的阻力。如果前两种力占优势，则碎屑颗粒被搬运，否则碎屑颗粒沉积。

推力的大小取决于流体的流速和流量，流速越大，推力越大。流速的大小与水深有关。在水动力学上，一般习惯用急流与缓流来描述流体的运动。度量急流与缓流的标准为弗劳德数 ，其中:v为平均流速，h为水深，g为重力加速度。当Fr＞1时，为急流;Fr＜1为缓流。

紊流的上举力大于层流。紊流是流线紊乱的流动，而层流是流线彼此平行的流动(图10－1)。度量紊流与缓流的标准为雷诺数(Re)。雷诺数为惯性力(v2d2ρ)与(vdμ)之比，即Re=v2d2ρ/vdμ，其中:v为水的流速，d为颗粒直径，ρ为水的密度，μ为水的黏度。在管道流中，当Re＞2000时，流体为紊流;当Re＜2000时，流体为层流。紊流的搬运能力大于层流。

图10－1 层流与紊流的流动特征

图10－2 河流中的紊流与层流底层(流线长度代表流速大小)(Rubey，1938)

(2)碎屑颗粒的搬运方式

在牵引流中碎屑颗粒的搬运方式主要为推移搬运和悬浮搬运。推移搬运包括滚动搬运和跳跃式搬运。较粗的碎屑颗粒(砾、砂和粉砂)大都沿流水的底部呈滚动或跳跃式搬运(图10－3)。较细的颗粒在水流中常呈悬浮式搬运。当水流的动力不足以克服碎屑颗粒的重力时，处于搬运状态的碎屑物质就会沉积下来。碎屑物质在流水中的搬运和沉积取决于流速与颗粒大小之间的关系。

尤尔斯特隆(1936)在水深1m的平坦床沙上进行的石英颗粒粒径与水流速度关系的实验表明(图10－4):

1)颗粒开始搬运的水流速度大于继续搬运的流速，这是因为启动流速不仅要克服颗粒本身的重力，还要克服颗粒之间的吸附力;

图10－3 碎屑颗粒在流水中的搬运方式

2)0.05～2mm的颗粒所需的启动流速最小，并且与沉积流速之间的差值也不大。因此，该粒级的颗粒在流水中既容易搬运，也容易沉积，表现为跳跃式搬运;

3)粒径大于2mm的颗粒的启动流速与沉积临界流速相差很小，即流速稍有变化就可改变其搬运或沉积状态，故在自然界大于2mm的颗粒难以长距离搬运，往往呈滚动式搬运;

4)小于0.05mm的颗粒的启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，故小于0.06mm的颗粒一经搬运，即可长期悬浮而不易沉积。

图10－4 碎屑物质在流水中的侵蚀、搬运、沉积与流速的关系(Hjulstrom，1936)

滚动式搬运常见于河床底部的层流层中。由于层流的搬运能力相对弱，当推力和上举力低于有效重力时，砾石或粗砂就沉积下来。

跳跃式搬运见于水流强度大的层流或紊流中，当推力和上举力低于有效重力时，砂与粗粉砂沉积下来。

悬浮式搬运见于急流和紊流中，当流速降低或上举力小于有效重力时，悬浮于流水中细粉砂、泥质和片状矿物沉积下来。

(3)不同粒度碎屑颗粒的混积现象

沉积下来的沉积物的粒度有时相差较大，Walker(1975)的实验解释了一定流动强度的流水所能滚动和悬浮的最大粒径的关系(图10－5):

1)流动强度为P时，它所能滚动的砾石的最大粒径为8cm，同时能悬浮的最大粒径为2.2cm;

2)当流动强度小于P时，可以使粒径为8cm和粒径为2.2cm的砾石同时沉积，因而可以形成双众数的砾岩;

3)当流动强度在P附近反复变动时，就可以形成砂质沉积与砾石质沉积的互层，其平均粒径为2.2cm和8cm;

4)如果流动强度急剧减小，则可能形成分选极差的多众数砾、砂、粉砂和泥的混合沉积物。

5)沉积粒径1mm的砂所需的流动强度要比沉积粒径7cm的砾石小得多。因此，在平均粒径为7cm的砾石中充填的1mm的粒径的砂不可能是同时沉积的，后者可能是水流强度减小后渗滤到砾石中去的，例如冲积扇筛积物中的充填物就是这样形成的。

(4)沉积物底形

当流体(流水和风)流过(或吹过)非黏性沉积物的表面并且其强度可以搬运其中一些颗粒时，便会在非黏性沉积物表面形成起伏不平的几何形态特征，这种几何形态称为沉积物底形(何起祥，1978)。

图10－5 随流动强度变化，流水所能悬浮和滚动的最大颗粒直径(Walker，1975)

沉积物底形一般包括下平底、波纹、沙丘、上平底和逆向沙丘。①下平底是水流速度很小，无力搬运沉积物时的平坦底形。②随着水流强度的增加，沉积物开始运动，并形成小规模的波状起伏，称为波纹，其波长小于30cm。③当水流强度继续增加，波纹的脊线由直线状逐渐变为波状、新月形，当波长大于60cm时，称为沙丘。④当水流强度再增加，Fr=1时所有底形均被削平，在水底形成毫米级至厘米级的连续移动的“流沙层”，这种底形称为上平底。⑤当水流强度继续增加，Fr＞1时，则出现了逆向沙丘。

逆向沙丘的主要特征是:

1)逆向沙丘的表面形态与水面形态一致，即二者为同位相;

2)逆向沙丘的迁移方向与水流方向相反，即下游侵蚀，溯源堆积。

控制底形发育状况的主要因素是水流速度和沉积物的粒度(图10－6)。对于粒度一定(例如0.2～0.3mm)的沉积物来说，随着水流速度增加，将依次出现下平底、波纹、沙丘、上平底和逆向沙丘(图10－5)。水槽实验表明:

图10－6 底形发育状况与水流速度和沉积物粒度之间的关系(据Southard，1973)

1)粒径小于0.1mm的沙，随流速增加出现的底形依次为:无运动→波纹→上平底→逆向沙丘;

2)粒径为0.2～0.6mm的沙，随流速增加出现的底形依次为:无运动→波纹→沙丘→上平底→逆向沙丘;

3)粒径为0.6～2mm的沙，随流速增加出现的底形依次为:无运动→下平底→波纹→沙丘→上平底→逆向沙丘;

4)粒径为0.5～0.6mm区间关系复杂，表现为波纹区与下平底区指状交叉，出现无运动→波纹→下平底→沙丘→上平底→逆向沙丘。

(5)碎屑物质在流水搬运过程中的变化

碎屑物质在长距离的搬运过程中，由于颗粒之间的碰撞和摩擦，流水对碎屑物质的分选作用以及持续进行的化学分解和机械破碎，导致碎屑物质的矿物成分、粒度、分选和颗粒形状都发生了显著的变化。

◎矿物成分:由于搬运过程中的化学分解、破碎和磨蚀作用，随着搬运距离的加长，不稳定组分如长石、铁镁矿物等就会逐渐减少，而稳定组分如石英等就会相对增加。

◎粒度和分选:随着搬运距离的增加，碎屑颗粒逐渐变小，并且颗粒的大小趋于一致，即分选程度增加。

◎颗粒形状:随搬运距离增加，颗粒的磨圆程度与接近于球形的程度，一般会越来越高。碎屑的球度受矿物的结晶习性影响较大，片状矿物即使搬运很远，也不能具有高的球度;而等轴粒状矿物即使搬运很近，也会表现出较高的球度。

2.风的搬运与沉积作用

风也属于牵引流。空气的密度远小于流水，水的密度为1g/cm3，空气在15℃时的密度为0.00122g/cm3，二者比为1∶800。因此，风的搬运能力远远小于流水，风所搬运的颗粒主要是粉砂和黏土。由于黏土可在大气中长期悬浮，故风搬运的沉积物主要是粉砂和一部分极细砂，只有狂风时才能搬运砾石。风所搬运的碎屑物质主要为来自古代河流的冲积物、现代河流冲积物、湖积物和基岩风化的残积－坡积物。

(1)碎屑颗粒搬运与沉积的控制因素

悬移质泥沙从原地以悬浮状态被风输移较大的距离，当风速减弱到其移动向上分速度小于颗粒的沉降速度时，便会在广大地面上较均匀地沉积下来。

贴近地面的推移质因地面各种形式的障碍或因地表性质的差异而发生堆积，推移质从吹蚀到堆积的搬运距离常常是有限的。各种障碍物(包括地形起伏)均会使气流受阻，形成涡旋。涡旋的出现增大了阻力，使气流的携沙能力急剧降低，甚至完全丧失，结果风沙在障碍物附近大量堆积，形成沙堆。地表性质的变化也会导致风沙堆积，如坚硬地面有利于跃移质的弹跳跃起，松软的沙土地面却易发生堆积。

(2)搬运方式

风的搬运作用是指风所携带各种不同粒径的泥沙颗粒被输移的过程。风的搬运形式有跃移、悬移和蠕动3种基本形式。

◎跃移:是指沙粒由风力上扬作用而脱离地表后，在气流中取得动量加速前移。由于空气密度比沙粒密度小得多(约1∶2000)，沙粒所受阻力较小，所以在落到地面时仍有相当动量，或反弹跃起，或冲击其他颗粒跃起，使风沙运动很快达到很大强度。以0.10～0.15mm的沙粒最易以跃移方式运动。

◎悬移:是粒度小于0.1mm的泥沙颗粒由于其沉降速度通常小于吹蚀风的移动向上分速度，一旦被跃移颗粒逐出地面便以悬移方式运动，其运动性质完全取决于上空气流结构。

◎蠕动:较大的颗粒因风压或跃移颗粒的冲击作用使之沿地面滚动或滑动，称为蠕动。其移动速度很低，平均只有1～2cm/s，而跃移颗粒平均速度每秒可达数百厘米。凡在0.5～1.0mm间的粗砂一般均以蠕动方式运动，蠕动量约占全部输沙量的1/4左右。在风力输移泥沙的各种运动形式中，以跃移为最重要，它是输移沙量的主体。

(3)沉积作用

沉积作用是指由于风力减弱或地面障碍，携沙气流中的泥沙发生沉落和堆积的过程。悬移质泥沙从原地以悬浮状态被风输移较大的距离，当风速减弱到其移动向上分速小于颗粒的沉速时，便会在广大地面上较均匀地沉积下来。贴近地面的推移质因地面各种形式的障碍或因地表性质的差异而发生堆积，推移质从吹蚀到堆积的搬运距离常常是有限的。各种障碍物(包括地形起伏)均会使气流受阻，形成涡旋。涡旋的出现增大了阻力，使气流的携沙能力急剧降低，甚至完全丧失，结果风沙在障碍物附近大量堆积，形成沙堆。沙堆形成后就起障碍作用，可逐步加大、增高而发展成沙丘(图10－7)。

(4)沉积物特征

经风力搬运、堆积的物质，称为风成沙。它具有与湖成沙、河成沙和海成沙不同的特点:

1)风成沙的粒度均一、分选最好，最大粒径一般在1mm以下，小于0.06mm的沙粒含量甚少，分选系数多在1.1～1.4之间。

图10－7 风成沙丘的形成(Bagnold，1941)

2)磨圆度较高。据中国各沙漠统计，沙粒磨圆度指数平均为39.99，而非风成沙为29.31。较大颗粒表面在镜下显出不光滑，有麻点和碟形凹坑，具溶蚀痕迹和SiO2淀积物。对于小于0.1mm颗粒，这些现象不明显。

3)风成沙的矿物组成以石英为主，有少量长石和各种重矿物(角闪石、绿帘石等，一般有16～22种之多)，容易磨损的矿物极少，如易碎的云母在风成沙中很少见到。风对地表形态的塑造过程表现为风对地表物质的风蚀、搬运和堆积过程，分布范围很广，干旱区、半湿润区乃至湿润区均有分布。干旱区由于具有干燥多风、地表植被稀疏甚至完全裸露等自然特征，因而那里的风力作用很强，成为荒漠地貌发育的主要外营力，形成了与流水、冰川及重力等其他外营力塑造的地形完全不同的风成景观(风蚀地貌、风积地貌)。

(二)重力流的搬运与沉积作用

重力流是一种在重力作用下发生流动的弥散有大量沉积物的高密度流体。约翰逊(Jonson，1930)曾将这类流体称为浊流(TurbidityCurrents)。随着研究工作的深入，已发现浊流仅是沉积物重力流中的一种类型。重力流分为水下沉积物重力流和大气沉积物重力流:①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;②大气沉积物重力流是指与大气相接触的沉积物与水或气体混合的高密度流体，包括火山喷发时在空中形成的火山灰流(热灰云流)和火山口附近形成的热气底浪流。

1.水下沉积物重力流的特征

◎浊流:是混有大量碎屑悬浮物质的高速紊流状态的高密度流体。在浊流中支撑颗粒的力是涡流的浮力。浊流搬运的物质往往是再沉积的或液化的沉积物转化而来，由重力推动，呈涌浪状推进，具有巨大的搬运能力和侵蚀能力。浊流的触发机制为地震等地质作用，往往形成于深水盆地的斜坡带。

◎颗粒流:是颗粒间无黏结力或凝聚力的流体。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:由水和沉积物组成的向上流动的粒间流。支撑颗粒的力是向上的超孔隙压力。

◎碎屑流:亦称泥石流，是指水流中含有大量弥散的黏土和细碎屑的呈涌浪状前进的流体。在碎屑流中支撑颗粒的力则是基质的强度。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、深湖和深海或半深海环境中。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。

2.大气沉积物重力流的特征

大气沉积物重力流是指与大气直接接触的沉积物与水或气体混合形成的高密度流体。据G.M.Friedeman(1978)等的资料，大气沉积物重力流包括:岩块崩塌流，即正常沉积物与气体的混合体;另一种是火山物质与气体的高密度混合体，即由火山喷发出来的气体与火山物质形成的高密度混合流体;当这种混合体沿地表流动时称为热气底浪流;当火山灰被喷到空气中悬浮在大气中所形成的高密度流体称为火山灰流(热灰云流)。

(三)冰川的搬运与沉积

1.冰川的搬运作用

冰川在运动过程中会将它携带的碎屑物转移到他处。冰川搬运的物质称为冰运物，其主要来自冰蚀作用产生的各种粒级的碎屑物质和两侧谷坡由冰冻风化和斜坡重力作用产生的碎屑物质。这些碎屑物主要分布在冰川的底部及其两侧，其内部和表层也有碎屑物分布。

冰川搬运能力很大，可将粒径10～20m以上的巨大岩块搬走。粒径大于1m的岩块称为冰川漂砾。

冰川的搬运作用包括载运和推运两种方式。①冰川运动时，冰川内部和表面的碎屑物都会随冰川迁移，犹如传送带传送物体，这种搬运方式叫载运。载运是冰川搬运作用的主要方式。②推运是冰川前端以巨大的推力将冰川前端地面上岩屑向前推进，这种搬运方式只发生在冰川前端位置前进的条件下。

由于冰川是固态物质，冰运物相对位置在搬运途中很少变化，因此冰川搬运作用不具按大小、密度的分选现象。

2.冰川的沉积作用

冰川沉积作用包括融坠、推进和停积3种方式:①融坠是指由于冰川表层或边缘部分消融，从其中散落的碎屑物就地进行堆积的一种沉积方式。②当冰川前端位置向前推移时，它会像推土机那样把铲刮的物质堆积起来，这种沉积方式称为推进。③若冰川在运动途中遇到障碍物，受挤压，融点降低而融化，散布其中的碎屑物就地堆积，这种沉积方式称为停积。

3.沉积物类型

冰川搬运和沉积的沉积物类型包括冰碛和冰水沉积物:①由冰川直接堆积的沉积物称为冰碛，具有不显层理、碎屑大小混杂、磨圆度差等特点。②冰水沉积物为冰川融水(冰水)所形成。冰水沉积分冰川接触沉积和冰前沉积。冰川接触沉积(也称冰界沉积)，指冰川区内或紧邻地区，冰水与冰川共存、紧密接触，冰水沉积物与冰碛物相互混杂、交叉重叠的一种冰水沉积。冰前沉积是冰水流出冰川以后在冰川外围的冰水沉积。包括冰水河流沉积、冰湖沉积和冰海沉积。

二、化学搬运与沉积作用

母岩风化后产生的溶解物质主要为Cl、S、Ca、Na、K、Mg、P、Si、Al、Fe、Mn等。在上述排列顺序中，Mg前面的(包括Mg)溶解度大，多呈真溶液状态搬运;Mg后面的溶解度小，多呈胶体溶液状态搬运(图10－8)。在河流和地下水中，这些物质很少沉淀，它们主要沉淀在盐湖、湖泊和海洋中。海洋是这些物质的主要沉积场所。

图10－8 在自然界中真溶液与胶体溶液的分布情况示意图

1.胶体溶液物质的搬运和沉积作用

胶体溶液是介于粗分散系(悬浮液)和真溶液之间的溶液，质点为1～100μm。由于比面积大，故能吸附离子而具表面电荷。按所带电荷性质分为正胶体和负胶体。常见的正胶体有Al2O3的水化物、Fe2O3的水化物、Cr2O3的水化物、TiO2的水化物，CaCO3、MgCO3、CaF2，以及Zr、Ce、Cd的氢氧化物。常见的负胶体有SiO2、黏土质胶体、MnO2、S、V2O5、SnO及Pb、Cu、Cd、As、Sb的硫化物。此外，胶体具有吸附能力，如负胶体吸附阳离子(黏土胶体吸附K、Au、Ag、Hg、V)，正胶体吸附阴离子。

胶体溶液搬运的前提是:①由于布朗运动存在，可抗衡重力作用，不使胶体下沉;②胶体所带电荷相同;③由于扩散层和双电子层中反离子和溶剂的亲合作用，形成溶剂化膜，阻碍离子的碰撞。

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或絮凝作用，在重力的作用下，在合适的环境里，逐渐沉积下来。当带有不同性质电荷的胶体相遇时，它们就会凝聚成大的质点，然后沉积下来形成胶体沉积物。例如，当SiO2(负胶体)与Al2O3胶体(正胶体)相遇时，发生电荷中和形成高岭石而沉积下来。

不同类型电解质的加入也可以使胶体质点的电荷中和，从而引起胶体质点凝聚而沉积。例如，河流所搬运的胶体物质(如铁、锰、铝等)之所以在刚一进入海洋就沉积在近岸地区，就是因为海水中的各种电解质中和了它们的电荷引起的。

影响胶体发生凝聚和沉积的其他因素有:胶体溶液浓度增大、pH值的变化、放射线照射、毛细管作用、剧烈的振荡以及大气放电等。

胶体沉积物常呈胶冻状，固结成岩后具贝壳状断口。胶体沉积物形成的岩石颗粒细小，吸收性强，常呈钟乳状、结核状、透镜状，有时呈层状、龟背状及蜂巢状。此外，胶体沉积物形成的岩石因离子交换能力较强及吸收有不定量的水分，因此其化学成分通常不稳定。

2.真溶液物质的搬运和沉积作用

母岩风化产物中的Cl、S、Ca、Na、K和Mg多呈离子状态溶解于水中，即呈真溶液状态搬运，有时Fe、Mn、Si和Al也可呈离子状态在水中搬运。

真溶液物质的搬运和沉积作用的决定因素为溶解度。溶解度越大，越易搬运，越难沉积;溶解度越小，则越易沉积，越难搬运。

Fe、Mn、Si、Al等溶解物质的溶解度小，易于沉淀。在其搬运和沉积过程中，介质的物理化学条件非常重要。Fe3+只有在强酸性(pH＜3)的水介质才稳定，才能长距离搬运;当pH＞3时，Fe3+就开始沉淀。Fe2+则不同，它在pH=5.5～7时才开始沉淀。因此，Fe2+远比Fe3+易于搬运。此外，Fe2+和Fe3+沉淀时要求的Eh值也是不同的。

SiO2的沉淀需要弱酸性条件，而CaCO3的沉淀恰好相反，需要弱碱性条件(图10－9)。此外，CaCO3的沉淀还受水介质的温度控制。水介质的温度升高时，CO2在水介质中的溶解度减少，这就促使溶解的Ca(HCO3)2转变为CaCO3而沉淀;相反，温度降低，反应就会向相反的方向进行。因此，碳酸盐沉积多见于热带亚热带地区。

图10－9 SiO2和CaCO3沉淀与pH的关系(布拉特，1972)

Eh值对于变价元素如Fe、Mn等的影响较大。如Fe、Mn等元素在氧化条件下形成赤铁矿、软锰矿;在弱氧化还原条件下形成海绿石、鲕绿泥石;在还原条件下形成菱铁矿、菱锰矿;在强还原条件下，形成黄铁矿、硫锰矿。

溶解度大的物质(如Cl、S、Ca、Na、K、Mg等)的搬运和沉积作用受水介质条件的影响不大。它们只有在封闭、半封闭的沉积盆地中，或在水循环受限的潮上地带，即在蒸发条件下才能沉积下来。

石膏、硬石膏、钠盐、钾盐和镁盐为典型的真溶液的沉积产物。

三、生物搬运和沉积作用

生物在沉积和沉积演化的各阶段大都参与了作用，特别是前寒武纪晚期以来，有愈来愈重要的意义。生物通过自己的生命活动，直接或间接地促使化学元素、有机或无机的各种造岩矿物质进行分解、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。

生物从周围介质中吸取营养物质营造骨骼和有机体，死亡后堆积成生物沉积岩，如介壳灰岩、硅藻土、白垩、放射虫岩、海绵岩、煤、石油等。

四、沉积分异作用

母岩风化产物以及其他来源的沉积物，在搬运和沉积过程中按照颗粒大小、形状、密度、矿物成分和化学成分的差异依次沉积下来的现象称为沉积分异作用。其中，主要受物理原理支配的为机械沉积分异作用，主要受化学原理支配的为化学沉积分异作用。

◎机械沉积分异作用:决定机械沉积分异作用的主要因素是颗粒大小、形状、密度以及搬运介质的性质和速度。一般情况下，粒度粗的碎屑首先沉积下来，粒度小的碎屑随后沉积下来;密度大的碎屑首先沉积下来，密度小的碎屑随后沉积下来。机械沉积分异作用使沉积物按照砾石→砂→粉砂→黏土的顺序，沿搬运的方向形成有规律的带状分布。机械沉积分异作用也使密度大而体积小的矿物与密度小而体积大的碎屑一起堆积下来(图10－10)，例如含金砾岩。颗粒的形状也会影响物质分异，例如，片状矿物易悬浮而不易沉积，等轴粒状矿物易沉积等。

图10－10 机械沉积分异作用图解(普斯托瓦洛夫，1954)

◎化学沉积分异作用:决定化学沉积分异作用的主要因素是溶解度，由于溶解质的溶解度不同，以及溶液的性质、温度、pH值等因素的影响，真溶液物质沉积也有先后远近的顺序，这种作用叫化学沉积分异作用。化学沉积分异次序大体如下式:

氧化物(Fe2O3、MnO2、SiO2)→磷酸盐→铁的硅酸盐(海绿石等)→碳酸盐(CaCO3、CaMg［CO3］2)→硫酸盐(CaSO4)→卤化物(NaCl、KCl、MgCl2等)(图10－11)。

图10－11 化学沉积分异作用图解(普斯托瓦洛夫，1954)

氧化铁、氧化锰等胶体物因受海水电解质影响，常在滨海、近海最先沉积，并和沙、泥等共生。其次，部分氧化铁和二氧化硅化合成含铁的硅酸盐，如海绿石是代表浅海环境的典型矿物。再其次是石灰岩、白云岩等碳酸盐沉积。最后是石膏等硫酸盐以及石盐、钾盐、镁盐等卤化物沉积，由于它们溶解度大，在海水中停留的时间很长，只有在强烈蒸发条件下才沉积下来，它们代表化学沉积分异作用的后期产物。

沉积分异作用对于了解沉积岩和沉积矿产的形成和分布规律，阐明沉积环境和古地理特征，都有重要意义。由于影响沉积分异的因素很多，简单的规律不能概括复杂的事实。例如，有时碳酸盐沉积可以形成于浅水环境，而碎屑沉积也可见于相对深水环境。实际上，在沉积岩形成的全部过程中，即在风化作用、搬运作用、沉积作用各阶段，都始终贯穿着物质的分异作用。甚至在沉积物和沉积岩形成之后，由于某些物质的溶解、淋滤、凝聚、集中、分解和改造，也会导致物质的重新调整和分配，使一部分物质迁移，一部分物质富集，并可形成有用的矿产。这也是一种沉积分异作用———沉积期后的分异作用。

母岩的风化产物有碎屑物质、粘土物质和溶解物质三类。它们除少部分残留原地组成风化壳堆积外，大部分被搬运走，并在新的环境沉积下来。由于三类沉积物质的性质不同，故各自的搬运和沉积方式也不同。使沉积物发生搬运和沉积的地质营力主要是流水、风、冰川、重力和生物，按搬运方式可分为机械搬运、化学搬运和生物搬运。

1.机械搬运与沉积作用

碎屑物质在水、风、冰及重力等作用下，以机械方式进行搬运和沉积，其搬运和沉积过程受流体力学定律支配，既可呈悬浮状态(简称悬移载荷)搬运，也可呈滑动、滚动或跳跃方式(简称推移或床沙载荷)搬运。按搬运流体的性质可划分为牵引流(牛顿流体)和重力流(非牛顿流体)两种，以浅水环境的牵引流最常见，重力流主要出现在深水环境中。

(1)碎屑物质在流水中的搬运和沉积

碎屑物质的搬运与沉积，与其颗粒的大小、相对密度、形状和水深与流速有关，尤尔斯特隆研究了物质的侵蚀(开始搬运)、继续搬运、沉积与水流速度的关系(图4－1)，他发现碎屑颗粒的大小(图的横坐标)与水流速度(图的纵坐标)的密切关系，图4－1可说明:

图4－1 尤尔斯特隆(F.Hjalstrom)图解

1)颗粒开始搬运(侵蚀)所需的起(始)动流速，要大于继续搬运所需的流速，这是因为起动时不仅要克服颗粒本身的重力，还要克服颗粒间的吸引力和摩擦力。

2)水流速>1500cm/s，粒径<1000mm的颗粒均可被侵蚀;当水流速度<18cm/s，几乎所有粒径的颗粒都不会被侵蚀。

3)对颗粒间吸引力和摩擦力更大的粘土及粉砂而言，其固结的要比未固结的抗侵蚀能力强得多，侵蚀前者的流速要比侵蚀后者大几至几十倍。侵蚀固结粘土所需的流速甚至超过侵蚀松散的中砾石。

4)0.0625～2mm粒度的颗粒所需的起动流速最小，而且起动流速与沉积临界曲线相差也不大，说明砂粒在流水中搬运时很活跃，易搬运也易沉积，故常呈跳跃式前进。其中0.125～0.25mm的砂粒(细砂)最易受侵蚀、搬运和沉积，故在河流中下游细砂最丰富。

5)>2mm的颗粒起动流速与沉积临界流速差值小，两者曲线接近，且都随粒径增大而增加，故砾石不易搬运，但易沉积，并呈滑动或滚动式移动，故搬运不远，大多出现在河流上游。

6)<0.0625mm的颗粒(粉砂)，起动和沉积两个临界流速相差很大(曲线相离很远)，而且粒径越小两个临界流速的差值越大，因而粉砂(0.0625～0.0039mm)和泥质(<0.0039mm)一经流水搬运，就长期悬浮于水中不易沉积下来，可长距离搬运至较远的深水环境中，而且它们沉积之后又不易呈分散质点再搬运，即使水流速度发生急剧改变，也只能冲刷成粉砂质或泥质碎块(简称泥砾)继续搬运。

碎屑物在沉积盆地(海、湖)中的搬运与沉积作用，因受波浪流、潮汐流和洋流、湖流的反复改造，特别是海洋对碎屑沉积物的改造能力比河流大100倍，故海洋沉积物常具有很好的分选性、磨圆度，以及更高的成分成熟度和结构成熟度。其中碎屑岩的结构成熟度是用碎屑物中杂基含量的多少(少则好，多则差)，以及分选性与磨圆度(好则高)来综合表示的。

(2)碎屑物质在风中的搬运与沉积

风的机械搬运与沉积作用，广泛地分布在气候干旱的沙漠区，在某些海岸区也发育有风成的海岸沙丘。风搬运沉积物的方式有悬浮、跳跃、滚动、弹动、弹跳和表面蠕动等(在沙丘崩落面上的崩落作用，属于重力流类的颗粒流搬运)。搬运距离可以很近也可以很远，可以从高处往低处搬运，也可以从低处向高处搬运，分布面积一般很广，也可以局限于很小的海岸地带。风一般只能搬运碎屑物质，不搬运溶解物质。与流水的搬运和沉积作用相比较，风的搬运与沉积作用有如下两个显著的特点:

1)由于空气的密度比水小得多，仅为水的1/800(15℃时，空气为0.00122g/cm3;水为1g/cm3)，故风的搬运能力比流水小得多，搬运的颗粒细得多，但分选性好得多。风一般只能搬粉砂和黄土(细粉砂和泥的混合物)，风力大时才能搬运砂(主要粒径0.18～0.30mm)，甚至小砾石。

2)空气的黏度比水小得多，仅为水的1/55(20℃时，空气为0.018Pa·s;水为1.005Pa·s)，故颗粒在空气中的沉降速度比在水中快30～50倍，且易碰撞、弹跳、受磨圆，因此，风搬运的碎屑磨圆度好，发育有特征的霜面和棱面(风棱石)。

(3)冰川的搬运与沉积作用

多见于寒冷的两极地区和高寒的山区，现代冰川(glacier)覆盖面积约占陆地的10%，但在地质历史的某些时期有广泛的冰川沉积物分布。

冰川是固体物质，它的移动分为塑性流动和滑动，因此其运动机理较复杂，一般在雪线以上呈固体搬运，属重力流搬运，而在雪线以下冰消融而转化成牵引流搬运。冰川的搬运力是极强的，主要搬运碎屑物质，大的砾石可重达千吨，以及砂、粉砂和泥，但多呈固态块体搬运，故冰川沉积物具有分选极差、磨圆不好、有冰川擦痕、沉积物无层理等特征。

另外，浮冰和冰水的搬运力也是巨大的，浮冰及其碎屑物可被带到海洋中融化后再沉积下来，形成冰坠石等沉积物。冰川纹泥是受季节变化形成的冰湖沉积物。

(4)浊流的搬运与沉积作用

浊流是一种含有大量碎屑物质的高密度底流，属于一类最常见的水下重力流(水下沉积物重力流包括泥石流、浊流、颗粒流和液化沉积物流)。在海或湖盆地的斜坡处，沉积物由于地震、风暴浪、构造作用等引起重力滑塌，即可形成浊流，它可携带大量碎屑物质至海或湖盆底部堆积而成浊积物。

图4－2 自然界中胶体溶液与真溶液的分布

2.化学搬运与沉积作用

沉积物中的溶解物质，常呈胶体溶液或真溶液被搬运和沉积，这主要与物质的溶解度有关(图4－2)，Al、Fe、Mn、Si的氧化物难溶于水，多呈胶体溶液搬运，而Ca、Na、K、Mg的盐类溶解度大，则常呈真溶液搬运。

(1)胶体物质的搬运与沉积

胶体物质的性质介于粗分散系(悬浮液，其中的粒子直径>10μm)和离子分散系(真溶液，分子或离子直径<0.01μm)之间，质点大小在0.01～10μm之间，普通显微镜下不能识别。

由胶体凝聚沉淀而形成的沉积物及沉积岩有以下特点:

1)呈胶状，具贝壳状断口。

2)颗粒细小，吸收性强，有粘舌现象，可吸收有机染料和脂肪。常呈微晶、放射状结构。

3)由于胶体陈化脱水而产生收缩裂隙，孔隙性较好，被敲击易成尖棱角碎块状。

4)具有较强的离子交换和吸附能力，常可吸收不定量的水分、有机质及各种金属元素，故其化学成分不固定。

5)胶体沉积物可呈巨厚岩层，也可成透镜状、结核状产出。

(2)真溶液物质的搬运与沉积

化学溶解物质中的Cl、S、Ca、Na、K、Mg等成分都呈离子状态，存在于水溶液中，呈真溶液搬运(有时Fe、Mn、Al、Si也可呈真溶液搬运)，并通过化学作用而沉淀。它们沉淀的先后，主要由物质的溶解度(或溶积度)决定，即溶解度愈大，愈容易搬运，不易沉淀。而物质的溶解度又受介质条件———pH、Eh、温度、压力、CO2含量等因素的控制。有以下特点:

图4－3 SiO2、CaCO3的溶解度与pH关系(据科林斯，1950)

1)介质的pH值对大部分溶解物的沉淀有显著影响，但对易溶盐类影响不大。pH值的变化对物质的溶解与沉淀的影响因物质而异，有些物质，如SiO2的溶解度随pH值增加而增加(图4－3)，但有些物质则相反，如CaCO3在pH>8时，溶解度小(图4－3)，易沉淀，而在pH<7时溶解度大，易溶解。由此可知，CaCO3与SiO2的情况正相反:SiO2在酸性介质中沉淀，在碱性介质中溶解;而CaCO3在酸性介质中溶解，在碱性介质中沉淀。故当介质pH降低时可见石英(SiO2)交代方解石(CaCO3)的现象，而介质pH增加时，则可见方解石交代石英的现象。但当pH=7.4～9，t>25℃，SiO2浓度大于120mg/L时，石英与方解石可同时沉淀(图4－4)。

图4－4 方解石、非晶质氧化硅、石英溶解度与pH的关系

2)pH值的变化对不同类型的粘土矿物沉淀有显著的影响，如在强酸性(pH<5)介质中沉淀出高岭石，弱酸性(pH=5.5～6.6)介质中沉淀多水高岭石;中性(pH=6.6～7.2)介质中沉淀复水高岭石及拜来石;弱碱性(pH=7.2～8)介质中沉淀拜来石和钙蒙脱石;碱性(pH=8～9)介质中沉淀钙－镁蒙脱石;强碱性(pH>9)介质中沉淀镁蒙脱石。

3)介质的氧化－还原电位(Eh)对变价元素(如Fe、Mn)的氧化物影响较大(见表4－2)，而对铝、硅等元素影响很小。

4)溶液中CO2的含量对碳酸盐矿物的溶解与沉淀有很大影响，若溶液中CO2高，则pH降低呈酸性，碳酸盐呈重碳酸盐使其溶解度增大，碳酸盐矿物易溶解;反之，若CO2从水中逸出，pH增大，呈碱性，则利于碳酸盐矿物沉淀。水中溶解的CO2量与温度、压力有关。若温度降低或压力加大，CO2含量增加而不利于CaCO3沉淀，故温度低、压力大的深海环境很少CaCO3沉淀。

5)温度、压力对溶解度影响的一般规律为:物质溶解度随温度升高而增大。特别是温度及蒸发作用对盐类矿物的沉淀有特殊影响，盐类矿物都需要在一定的封闭条件下，气候炎热干燥，蒸发强的水盆地中才能沉淀。温度可改变化学反应的方向，如降低温度有利于化学平衡向放热方向移动，否则相反;当压力增大时化学平衡向体积减小的方向移动，反之亦反。

3.生物搬运与沉积作用

随着地史的演化，生物在沉积岩形成过程中的意义愈来愈大，生物通过生命活动，直接或间接地对化学元素、有机或无机的各种沉积、成岩和成矿物质进行分解与化合，分散与聚集，以及迁移与沉积等作用，在适当的水体中沉淀堆积成相关的岩石和矿床。生物作为一种搬运介质和营力意义较小，但生物的沉积作用是巨大的，可归纳为以下几方面:

1)生物残骸(硬体)直接堆积成岩，如礁灰岩、生物灰岩、硅藻土、某些磷块岩等。

2)生物有机体(软体)，可转变成石油、天然气、煤、油页岩等。

3)生物化学作用，生物能产生CO2、H2S、NH3、CH4等，影响沉积介质的氧化－还原条件，促使某些物质溶解或再分配。如藻类进行光合作用，吸收CO2，促进碳酸盐的沉淀;铁细菌(ferrobacillus)能将Fe2+氧化成Fe3+，利于铁的沉淀;还原硫酸盐细菌(sulfate-reducing bacteria)能将硫酸盐还原成H2S，它可与金属离子结合成硫化物沉淀。

4)生物物理作用，某些生物(如藻类、层孔虫)的捕获粘结和障积作用，有利于某些岩石(如藻碳酸盐岩、礁灰岩)和矿产(如磷、铁、锰)的形成;生物及有机质对某些金属元素的吸附、沉淀，可形成有用矿产，如煤及黑色页岩中的铀、钒等矿产。

4.沉积分异作用

沉积岩的原始物质经过搬运、沉积而分化为比较简单的沉积物(岩石和矿产)类型的作用，称为沉积分异作用。沉积分异作用可分为机械沉积分异作用、化学沉积分异作用及生物沉积分异作用，以前二者为主。

(1)机械沉积分异作用

主要受物理因素支配的分异作用，叫机械沉积分异作用。随着搬运距离的增长，碎屑物质按其颗粒大小、密度、形状和矿物成分进行分异，依次沉积下来。其一般规律是:

1)按颗粒粗细进行的沉积分异作用。碎屑物质沿搬运方向，从物源区起由近而远，按颗粒大小依次沉积砾石→砂→粉砂→泥质。

2)按密度大小进行的沉积分异作用。密度相对大的矿物搬运近，先沉积，而小者搬运远，后沉积。

3)按形状进行的沉积分异作用。与搬运方式有关，如在悬浮搬运物中，球度高的较小粒状矿物先沉积，片状矿物后沉积;滚动搬运物中，球度高的较大粒状矿物搬运远，片状矿物搬运近，但总的变化趋势为搬运愈远，圆度、球度愈高。

4)按矿物成分的稳定进行的沉积分异作用。近陆源区碎屑成分复杂，不稳定矿物和重矿物含量均高，即成分成熟度低;远陆源区则情况相反。

(2)化学沉积分异作用

化学沉积分异作用模式受化学性质支配的沉积分异作用，称为化学沉积分异作用。它主要受矿物溶解度的影响，其次是外界条件，如介质的pH值、Eh值、气候和构造条件，以及有机质的作用等的影响。按沉积岩中常见矿物的溶解度，普斯托瓦洛夫提出如图4－5所示的化学沉积分异作用模式。

对普斯托瓦洛夫沉积分异学说的评价 ①沉积分异模式对研究沉积物的搬运和沉积规律，了解沉积岩和沉积矿产的成因和分布规律，指导普查找矿等均有重大理论和现实意义。②但普斯托瓦洛夫所提出的沉积分异模式，过于简单化和抽象化，有的是推论的，而不是根据事实作出的总结，忽视了与沉积分异作用相对立的“掺合作用”，更没有注意到沉积期后的物质调整和分异作用。③对化学沉积分异作用而言，他提出的矿物很多不是同一时期形成的，如白云石、菱锰矿多是成岩期矿物，而天青石、重晶石、萤石多是成岩后生期矿物，不能把它们与同生沉积矿物相提并论。同时，他也没有考虑气候、大地构造、火山物质和生物作用等因素。④我们认为物质的分异作用可贯穿于沉积岩和沉积矿产形成过程的始终，可以把风化作用阶段所发生的物质分异，称为风化分异作用或沉积期前分异作用;把搬运和沉积阶段的分异，称为沉积分异作用，而把成岩、后生及表生成岩作用阶段所发生的物质分异，称为沉积期后分异作用。后者对某些有用矿产的形成和对岩石某些性质的改造，愈来愈显示出其重要性。

图4－5 化学沉积分异图

母岩风化物中除了少部分残留在原地形成风化壳外，其余大部分要被流水、风或冰川等流动介质搬运到沉积场所沉积下来，最终形成沉积岩。同时沉积物在搬运至沉积盆地的过程中要发生分异作用，导致沉积物依一定的先后次序逐渐沉积于沉积场所的不同部位。

1.碎屑颗粒物的搬运和分异作用

搬运碎屑颗粒物的介质为流体，最主要的是流水和大气，颗粒在水中受到的力包括重力、流体的冲击力、水流的上举力、漩涡水流的支撑力。沉积物在水中的搬运与水的流动状态有关，雷诺数是判断水流流动状态的一个重要参数:

综合地质学

式中:d为水力半径;v为水流的流速;μ为水的黏度。雷诺数为一个无量纲量，在明渠流中临界雷诺数为500，雷诺数小于500的流态称为层流，大于500的称为紊流，自然界中的绝大多数水体是紊流，沉积物在层流中类似静水的条件下沉积，而在紊流中则不易沉积。沉积物在流体中搬运机理有两种，一种为悬浮负载形式，颗粒悬浮于流体中，在紊流的作用下搬运;另一种为底负载形式，沉积颗粒在河床等底部以跳跃的形式运动。沉积物在水中的沉积，还和沉积颗粒本身的性质，如颗粒的大小、密度等有关。尤尔斯托姆研究了颗粒的侵蚀沉积和水流速度的关系:

1)流体的流速越大，可以搬运的颗粒越粗;

2)细沙颗粒的启动流速最小，最容易牵引，易于远距离搬运;

3)粒度比细沙更细的沉积颗粒在搬运过程中的启动流速较大，沉积临界流速小，因此搬运后不容易再沉积;

4)颗粒搬运的启动流速大于沉积的临界流速，其中粗颗粒的启动流速和沉积临界流速相差不大，因此，粗颗粒不容易长距离搬运。

机械搬运的颗粒在水动力不足的情况下会逐渐沉降下来，颗粒的沉降速率可以用Stockes沉降公式表示:

综合地质学

式中:V表示颗粒的沉降速率，(cm/s);d1为颗粒的密度;d2为水介质的密度;μ为水介质的黏度;g为重力加速度;r为颗粒的半径。

碎屑物质在流水搬运过程中，由于颗粒之间的碰撞和摩擦，颗粒的粒度、圆度和分选都将发生变化，一般随着搬运距离的加长，粒度、圆度增高，分选变好。

2.溶解物质的搬运和沉积

溶解物质的搬运和沉积与物质的溶解度密切相关，主要受化学和物理化学定律的支配，溶解物质在溶液中以胶体和真溶液两种方式进行搬运和沉积。自然界中Al，Fe，Mn，Si等氧化物难溶于水，故在溶液中以胶体形式搬运。促使胶体发生沉积的主要因素有胶体的电性、电解质的作用、蒸发作用等。而K，Ca，Na，Mg等化合物的溶解度大，在溶液中易形成真溶液被搬运。真溶液的搬运和沉积主要受溶解度的影响，此外影响真溶液搬运和沉积的参数还有溶液的酸碱度(pH)、氧化还原电位(Eh)、溶液中二氧化碳的含量、温度、压力等。

3.生物搬运和沉积作用

生物的活动对溶解物质的搬运和沉积可以产生直接和间接的作用，直接作用是指生物从周围环境中吸收一定的物质，生物死亡后可以直接堆积形成生物成因的岩石，比如生物礁等;间接作用是指由于生物的存在可以引起周围水体的pH值以及二氧化碳等的含量变化，从而影响沉积物的搬运和沉积。生物的搬运和沉积对于沉积矿产的形成具有重要的意义，沉积岩中煤、石油、天然气等的形成就是与生物的搬运和沉积密切相关的。

4.沉积分异作用

风化产物在流体搬运的过程中，在外界条件的影响下按照一定的次序分别沉淀下来的现象称为沉积分异作用。沉积分异作用分成机械沉积分异作用和化学沉积分异作用。

机械沉积分异作用与水流的速度、碎屑物质的比重以及颗粒的形状有关。在水流速度一定的情况下，重矿物首先沉淀，圆度较高的矿物比片状矿物容易沉淀。因此，在横向上临近物源区的地方沉积岩的成分复杂，垂向上常常呈现正粒序特征。

化学沉积分异作用是由于元素的化合物在水溶液中的溶解度不同而发生先后沉淀的现象。沉积盆地边缘的沉积物溶解度较小，向着沉积盆地的中心，溶解度逐渐增大。沉淀的顺序依次为:氧化物—磷酸岩—硅酸岩—碳酸岩—硫酸岩及卤化物。