碎屑物质在流水的搬运及沉积作用的过程中,除了在成分、粒度、圆度、球度等方面发生一些重大的变化以外,它们还将在许多方面发生分异作用或分选作用。
首先是粒度的分异。母岩的风化产物中或其他来源的碎屑物质,在粒度上都是大小混杂的。但在流水的搬运及沉积作用过程中,在前述的各种因素的作用下,在粒度上就开始分异了,即粒度大的难以搬运,而当其处于搬运状态时,当流速稍有减小,就会下沉;粒度小的易于搬运,而当其处于搬运状态后,也比粒度大的难以沉积。搬运的时间和距离越长,这种粒度分异现象越明显。因此,原来大小混杂的原始碎屑物质,在流水的搬运及沉积过程中,就按粒度的大小分别集中,即从上游到下游,出现了粒度从大到小、分选由差到好的顺序分布,出现了砾(岩)、砂(岩)、粉砂(岩)、粘土(岩)的分别集中顺序。与此同时,相对密度也发生分异,即相对密度大的难以搬运和易于沉积,而相对密度小的易于搬运和难以沉积。这样,就出现了从上游到下游,碎屑物质按相对密度大小依次沉积的现象,即出现了从上游到下游,相对密度大的碎屑的含量逐渐缺少,相对密度小的碎屑含星逐渐增多的现象。 与此同时,碎屑物质在形状上也发生了分异,即粒状碎屑不如片状碎屑搬运得远。 与此同时,碎屑的成分也发生了分异,因为不同成分的碎屑,在粒度、相对密度、形状上都有所不同,粒度、相对密度、形状上的分异必然会反映在成分上的分异。 上述各种分异作用,当然是同时出现的,但是在一般情况下,这些分异作用都很难进行得很彻底。通常是某一种分异作用(如粒度分异作用)表现得较为明显,其他的分异作用常被粒度分异所掩盖。
13、什么是牛顿流体和非牛顿流体?
从流体力学的性质来说,凡服从牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体,否则称为非牛顿流体。内摩擦定律可表示为: 即粘滞切应力与切变速度的关系是直线关系。
14、何谓层流和紊流?其流动特点如何?
自然界任何流体按其流动特点分为层流和紊流(或称湍流)两种流动形态,层流是一种缓慢流动的流体,流体质点作有条不紊的、平行的线状运动,彼此不相掺混。紊流是一种充满了漩涡的急湍流动的流体,流体质点的运动轨迹极不规则,其流速大小和流动方向随时间而变化.彼此互相掺混
15、试述雷诺数(Re)的含义及其在水动力学解释中的应用?
雷诺数是表示惯性力与粘滞力之间关系的一个数值。
当Re为1 左右时,流动呈层流型,即在颗粒的背后不产生漩涡状的水迹(背流尾迹);当Re为1 一40 时,在颗粒的背后就会出现背流尾迹,开始尾迹具有规则的几何形状,但随着Re的增大.背流尾迹就越来越不规则;当Re大于40 时,则出现“卡门涡街”,这时的流动称为紊流。
16、试述弗罗德数(Fr)的含义及其在水动力解释中的应用?
在明渠水流(类似自然界的河流、海湖浅水环境中的牵引流水流)中按流动强度的不同
可出现急流、缓流和临界流三种流态,这三种流态的判别标准是佛罗德数Fr。佛罗德数是表示,惯性力与重力之间关系的个数值。
佛罗德数的重要含意:如果Fr>l ,则表示向下游的流速大于向上游传播的波速,此时不可能有向上游移动的波,因此当Fr>l 时,流水的性质为急流或超临界的流动,这表示水浅流急的情况;当Fr<1时,流水性质为静流、缓流或临界以下的流动,这表示水深流缓的情况。佛罗德数可普遍用于碎屑物质以床沙载荷方式搬运和沉积过程的解释中,它也是一个无量纲数。
17、对比牵引流和重力流的基本特征。
牵引流和沉积物重力流是两种不同性质的流体,在这两种流体中碎屑物质呈现出不同的搬运方式和过程。牵引流的搬运力表现在两个方面,一方面是流体作用于碎屑颗粒上的推力(即牵引力),推力的大小主要取决于流体的流速,推力越大则能搬运的碎屑颗粒越大;另一方面是载荷力(或负荷力).负荷力大小取决于流体流量,负荷力越大则能搬运的沉积物数量就越多。推力大不一定负荷力就大,反之亦然。
沉积物重力流是密度流。相对密度可达1.5~2.0 ,是由大小不一的碎屑物质与流体形成的高密度混合体,其主要以悬移载荷方式搬运。重力流搬运的驱动力主要起因于重力,因此沉积物重力流的搬运是沿斜坡向下移动的。当坡度变缓.流速降低时,沉积物重力流会发生骤然卸载,
18、试述碎屑颗粒在流水中的搬运方式(类型)及其影响因素?
流水搬运碎屑物质的方式(即碎屑载荷的形式)主要有两种,即推移搬运(或滚动搬运)和悬浮搬运(或悬移搬运)。前者也可称为推移载荷,后者也可称为悬浮载荷。至于跳跃搬运,其基本上属于推移(或滚动)搬运。 较粗的碎屑大都沿流水的底部呈移动、滚动或跳跃式地前进。较细的碎屑(如粉砂和粘土)在流水中常呈悬浮状态搬运。
19、试以尤尔斯特隆图解为例,说明碎屑颗粒的搬运与沉积和流速的关系?
l )颗粒开始搬运的水流速度要比继续搬运所需的流速大,这是因为始动流速不仅要克 服颗粒本身的重力,还要克服颗粒间的吸引力才能发生移动。 2 )0.05~2mm 的颗粒所需要的始动流速最小,而且始动流速与沉积临界流速相差也不大。这说明砂粒质点在流水中搬运时很活跃,容易搬运,也易沉积,故常呈跳跃式前进。
3 )大于2mm 的颗粒,其搬运与沉积的两个流速曲线更接近,但两者的流速值也都是随着粒径的增大而增加。故砾石不能长距离被搬运,并多沿河底呈滚动式前进。
4 )小于0.05mm的颗粒,两个流速相差很大.因而粉砂(0.05 一0.005mm)和粘土(小于0.005mm)物质一经流水搬运,就长期悬浮于水 体之中不易沉积下来。而且它们沉积之后又不易呈分散质点再搬运,即使水速发生急剧改变,也只是冲刷成粉砂质或泥质碎块继续搬运,故在海洋和湖泊的波浪带的沉积物中冲刷的“泥砾”是常见的。
20、何谓斯托克沉速公式,及其适用条件?
碎屑物质在静水中的下沉情况可用斯托克实验公式
由此公式可以看出,碎屑颗粒在静水中的下沉速度与颗粒的半径的平方成正比。但是, 这一关系只适用于粒径小于0.1mm的颗粒,即只适用细砂以下的碎屑颗粒,对于较粗的颗 粒来说,其沉速与其半径的平方根成正比。因为当颗粒增大时,介质的粘度对沉速的影响逐 渐减小,而水介质的浮力的影响将逐渐增大。
21、试述碎屑物质在流水中搬运过程的变化及其机械分异作用?
碎屑物质在流水搬运过程中,其不稳定成分逐渐变少,粒度逐渐变小、圆度逐渐变好。这是变化的总趋势。搬运的时间及距离越长,这些变化就越明显。碎屑物质在流水搬运过程中的这此变化都会在碎屑沉积物及碎屑沉积岩的岩性特征上反映出来。
原来大小混杂的原始碎屑物质,在流水的搬运及沉积过程中,就按粒度的大小分别集中,即从上游到下游,出现了粒度从大到小、分选由差到好的顺序分布,出现了砾(岩)、砂(岩)、粉砂(岩)、粘土(岩)的分别集中顺序。与此同时,相对密度也发生分异,即相对密度大的难以搬运和易于沉积,而相对密度小的易于搬运和难以沉积。这样,就出现了从上游到下游,碎屑物质按相对密度大小依次沉积的现象,即出现了从上游到下游,相对密度大的碎屑的含量逐渐缺少,相对密度小的碎屑含星逐渐增多的现象。与此同时,碎屑物质在形状上也发生了分异,即粒状碎屑不如片状碎屑搬运得远。与此同时,碎屑的成分也发生了分异,因为不同成分的碎屑,在粒度、相对密度、形状上都有所不同,粒度、相对密度、形状上的分异必然会反映在成分上的分异。
22、试述碎屑物质在水盆(海、湖)中的搬运和沉积作用?
引起海洋中碎屑物质搬运和沉积的营力主要是波浪和潮汐,其次是海流;引起湖泊中碎屑物质搬运和沉积的营力主要是湖浪和湖流。
波浪主要由风引起,因此波浪的大小全要取决于风力的大小,波浪作用的下限,即波浪所能影响的最大深度.称为“浪底”也称为“波基面”。 因此,在波浪的作用下,海底的碎屑物质的运动就出现了三种状态:在远岸的较深水地区,既作往返运动,也作向海方向的运动;在近岸的浅水地区,既作往返运动,也作向岸方向的运动;在两者之间,只作往返运动,这就是所谓的“中立带”上述情况只是在很理想的情况下才如此。假如波浪运动方向不垂直
海岸,而与海洋斜交,则海底碎屑运动的路线就不再是简单的直线式的往返或移动,而是呈更加复杂的“之”字形。其最大特点是波浪作用力方向与重力沿岸分力作用的方向不一致,而使物质沿着两者之间的合力方同移动在纵向运动过程中,若是海岸发生转折,使交角发生复杂变化;或是遇到河口 、海湾处,流速骤减;或是外侧有岬角、岛屿掩蔽体,波速减低等情况,都会使纵向搬运的碎屑物质沉积下来,形成各和形状的海滩、砂嘴、连岛砂坝等沉积体。
在正常天气情况下碎屑物质在横向和纵向波浪作用下的搬运和沉积作用外,还有阵发性的风暴浪将浅海沉积物卷起而重新搬离或搬向海岸,形成风暴沉积物。风暴浪可构成比正常波浪更深的浪基面,即所谓风暴浪基面,其最深可达200m ,由于浪基面降低,原正常浪基面附近的沉积物被冲刷,形成侵蚀面,并有粗碎屑充填。风暴回流将所携带的大量碎屑物质(具有密度流或重力流的性质),从正常浪基面向下可流动几十公里甚至上百公里,继续向下流动就变成深海浊流了。正常浪基面和风暴浪基面之间以碎屑沉积为主,其具有牵引流和重力流两种流休机制的沉积特征。风暴浪平息后,又转入了正常沉积作用。一般以细粒悬浮物质沉积作用为主。故风暴流属牵引流和重力流的过渡沉积类型。
潮汐作用对滨岸地区的碎屑物质影响很大、在潮汐作用带,水体作大规模地涨潮和落潮运动,因此也使水底的碎屑物质作相应的往返运动。其不同于波浪的是在涨潮转落潮和落潮转涨潮,海平面处于暂时平衡状态时(即平潮和停潮),潮流流速接近或等于零,称为憩流期,这时大部分悬浮物质发生沉淀,在河口海湾或平坦开阔海岸地区形成大面积泥质沉积 物。开始涨潮或落潮时流速很小,此后流速渐增,冲刷部分海底沉积物向岸或向海搬运,形成潮坪、潮道、潮汐三角洲、滨外线状坝等潮沙沉积物。
海洋中的碎屑物质在波浪、潮汐等的作用下,长时期地作往返运动和其他运动在这一 运动过程中。碎屑颗粒之间的相互碰撞和磨蚀,碎屑颗粒与海底或海岸之间的相互碰撞和磨蚀,以及海水对碎屑颗粒的溶蚀作用等,将使这此碎屑物质发生进一步的变化。即不稳定成分逐渐减少,粒度逐渐变小,圆度逐渐变好,与此同时,各种分异现象,如粒度、相对密 度、形状以及成分上的分异,也在进一步地进行。因此,在海洋环境中沉积的陆源碎屑物 (岩)的成熟度远比大陆环境中沉积的碎屑物(岩)高得多。当然,这只是一般的情况。在特殊的情况下,如在靠近陡的海岸的深水地区,海岸岩石的破碎产物经滑塌和洪水作用,可很快进人浪底以下的深水地带,波浪或潮汐对海底的碎屑物质己很难触及,因此这里堆积的碎屑物质的成熟度就很低,如发育在海洋底部的碎屑物重力流沉积。
湖泊的浪基面一般不超过20m,因此,湖浪对碎屑物质的搬运和沉积作用主要表现在滨岸浅水地带,细的悬浮物质可被搬运到深水区,由于湖浪的搬运和沉积作用,使得湖泊中碎屑物质的机械沉积分异作用更明显。由于湖泊面积小,更易受台风和飓风影响,产生大的风暴浪,重新将滨岸沉积物冲刷扰动起来,以回流形式,重力流和牵引流双重水流机制,将碎屑物质搬向正常浪基面以下。风成湖流和低气压引起湖水表面的大规模波浪状振荡,称之为湖震。它可引起湖水沿长轴方向产生大规模的波浪运动,形成复杂的水流体系。
23、何谓浪基面?何谓风暴浪基面?
波浪作用的下限,即波浪所能影响的最大深度.称为“浪底”也称为“波基面”。风暴浪可构成比正常波浪更深的浪基面,即所谓风暴浪基面
24、何谓近岸流?何谓裂流?
近岸地带的海流,通为称近岸流,包括与岸线平行的沿岸流和近岸的循环流。沿岸流主要是纵向波浪引起的,当波峰线与岸线斜交时,破浪后会产生一种与岸线平行流动的沿岸流
沿岸流恰平行岸线的凹槽流动一段距离,就转为一般穿越碎浪带的离岸流。在落潮时沿着一定坡度流向海,称为裂流。
25、何谓横浪、何谓纵浪?试绘图表示和说明碎屑物质在两种波浪作用下的搬运和沉积作用?
26、试简述碎屑物质在风力作用下的搬运与沉积及其沉积物的特征?
风是碎屑物质在空气中搬运及沉积的主要营力。与流水的搬运及沉积作用相比,风的搬运及沉积作用有以下一些特点:
l )由于空气的密度比水小得多,因此风的搬运能力也远比水小;在同样的速度下,风 的搬运能力约为流水的1/300。因此,在一般情况下,风只能搬运较细粒的碎屑物质,如砂以下的碎屑;只有在特大的风暴时,才能搬运砂和砾石。
2 )由于风的搬运能力有限,所以它对搬运物质的选择性就比较强,因此风成沉积物的粒度分选性较好。 3 )由于空气的密度较小,所以碎屑物质在搬运过程中,相互之间的碰撞和磨蚀,以及它们与地表之间的相互碰撞和磨蚀都比较强。所以较粗的风成沉积物(如砂、砾石等)的圆度都比较好,而且常具强烈摩擦所致的“霜状”表面,有时还具特殊的棱面(如风成棱石)。
常见的风成沉积是各种沙丘,如沙漠沙丘、滨海沙丘、滨湖沙丘、河俊沙丘和黄土等。
在正常地面风力条件下,三种搬运方式中以跳跃为主(约占70 %~80%) 。其次蠕动(< 20% ) ,而悬浮很少(< l0% )。风力搬运的最大特点是,碎屑呈弓形弹道轨迹跳跃前进(如图2—16 所示),风速越大,碎屑弹跳得就越高。跳跃颗粒撞击在较粗砂粒上时,可使其徐徐向前滚动。在低风速时,滚动距离只有几毫米,风速增加,滚动距离就加大,且有更多的砂滚动;在高风速时,可见到地表有一层砂粒都在缓慢向前蠕动。高速跳跃的砂粒可冲击推动直径大于6 倍或重量大于200多倍的砂粉发生移动,故一般蠕动颗粒要大于跳跃颗粒,重矿物也可在蠕动中富集,但蠕动速度(一般不到2.5cm/s)要小于跳跃速度(一般可达每秒数十到数百厘米),这也正是风成砂分选良好的原因之。空气中的悬移载荷可作长距离搬运(如沙尘暴),在距来源地很远的大陆或海洋中沉积下来;推移载荷则多半在来源地(沙漠或海滩)附近堆积下来,其最主要的堆积形式是沙丘。
有各种原因可引起风携物质沉积。常见的是由于风速降低,使得推移力降低或有效重力超过垂直上举力而使碎屑沉积。当风沙流遇到障碍物(陡崖、植被、大砾石等)时,因遇阻而减速使碎屑堆积下来,称为障碍堆积。但世界上多数沙丘所在的平坦大沙漠中没有什么障碍物,依靠超载荷的颗粒降落堆积聚集成彼此分散的沙堆,沙堆形成后就起障碍作用,可逐步加高增大发展成沙丘,当砂的供给很充足时,迎风坡和背风坡均有沉积;当供应不充足时,迎风坡被侵蚀而背风坡沉积,沙丘就不断向前移动沙漠和海滩地带,视风力大小、地形、地物和障碍条件的不同,致使沙丘形态多样。 尘埃物 质还可搬运到海中与远洋物质混合沉积在深海盆地中。
27、试简述碎屑物质在冰川中的搬运和沉积特点?
冰川在运动过程中,不仅具有强大的侵蚀力,而且还能携带冰蚀作用产生的许多岩屑物 质,接受周围山地因冰融风化、雪崩、泥石流等作用所造成的坠落堆积物。它们不加分选地 随着冰川的运动而位移。这些大小不等的碎屑物质,统称为冰碛物,冰碛物中的巨大石块称 为漂砾。 冰川具有巨大的搬运能力,成千上万吨的巨大漂砾皆能随冰块流而运移,但搬运距离差 别很大。一般冰川的堆积物,尤其是底碛搬运跟离小,往往形成就地附近堆积的石块;而规模巨大的冰川,则可将侵蚀力强的巨大漂砾搬得很远
随着冰川的衰退,冰川携带的冰碛物就相应地被堆积下来。当冰川的冰雪积累与消融处于相对平衡价段时,冰川边缘比较稳定,冰川源源不断地将上游的表碛、中碛、内碛等各类冰碛物向下游运送,直至冰川末端堆积;部分底碛还沿冰川前缘剪切滑动面上移。并暴露在冰面,当冰体消融后.也堆积于冰川边缘地带。若冰川迅速消退,冰体大量融化后,表碛、中碛、内碛等各类冰碛物就地坠落,即运动冰碛转化为消融堆积冰碛,从而形成了各类冰碛沉积物和地貌特征。
28、何谓冰碛物?
冰川在运动过程中,不仅具有强大的侵蚀力,而且还能携带冰蚀作用产生的许多岩屑物 质,接受周围山地因冰融风化、雪崩、泥石流等作用所造成的坠落堆积物。它们不加分选地 随着冰川的运动而位移。这些大小不等的碎屑物质,统称为冰碛物
冰碛物是一种由砾、砂、粉砂和粘土组成的混杂堆积,结构疏松,粒度差别悬殊,由几微米至几米,分选性比泥石流、冲积扇沉积物还差。冰碛物的粒级组成,一般在页岩和石灰岩区,冰碛物中富含粘土类物质;而花岗岩、石英岩区,则砂质含量增多。在大陆冰川作用区,强大的冰川磨蚀作用形成了较多的细粒冰碛物;而在山岳冰川作用区的冰碛物区,以砂砾为主,粘土粒级甚少。对于同一冰川而言,则以底碛中含细粒物质的比例最高。 冰碛物中的砾石磨圆度较差,颗粒形态多呈棱角状和半棱角状。在冰川搬运过程中,因砾石与基岩的相互摩擦,或相邻砾石
之间的挤压,使砾石的尖锐棱角多数己消失,形如熨斗状或圆盘状。在砾石表面还经常留下磨光面、钉头形擦痕、压坑和压裂等冰蚀作用痕迹。在扫描电镜下,观察冰碳物中的石英砂粒表面形态,具有明显的贝壳状断口、平行阶面和小型刻痕,由于冰雪融水的作用,在冰碛物中常有一定分选性和磨圆度的颗粒沉积。
冰碛物一般缺乏层理构造,砾石排列有时略具定向性,漂砾长轴与冰川流向基本一致,扁平面倾向上游。在冰碛物的表层与下层之间,常夹有薄层冰水沉积。
29、简述正常沉积作用与事件沉积作用特点。
正常沉积速率缓慢、持续时间长,一般可与相序递变规律和沉积分异原理相吻合,沉积成熟度较高;正常情况或条件下发生的作用,这一作用过程是缓慢的、均变的。
而事件沉积可频繁发生,但每次持续时间短促,在地质历史中甚至可忽略不计,但其沉积厚度、速率可远远高于正常沉积,其沉积物(岩)成熟度一般偏低。难于用沉积分异作用原理去解释。在垂向上任一剖面都可由正常沉积和事件沉积的互层构成。
30、何谓胶体溶液,试述其搬运和沉积作用的方式及控制因素?
胶体溶液是指带有电荷大小一般介于100—lμm之间,多呈分子状态胶质质点。
引起胶体质点搬运和沉积作用的主要因素是同种电荷的胶体质点之间的相互排斥力,这是胶体质点仅在重力的影啊下难以沉淀的根本原因。假如胶体质点的电荷在某些因素的影响下被中和了,它们之间的相互排斥力就消失了,则它们就会相互凝聚为大的质点,并在重力的作用下迅速下沉,成为胶体沉积物。这是胶体溶液物质沉淀的根本原因。不同名电解质的加入,可使胶体质点的电荷中和,从而可使胶体质点发生凝聚而下沉,不同名胶体的相互作用,可使它们的电荷中和。从而使胶体发生沉淀。其他的因素也影响胶体溶液物质的搬运和沉积作用。例如水介质中如果含有一定量的腐植酸,将大大增加某些胶体质点的稳定性,使具易于转移而不发生沉淀,这称为“护胶作用”。这种护胶作用对铁胶体物质的搬运尤为重要。介质的pH和Eh对胶体沉积作用的影响。也很大,因为不同的胶体在沉淀时都有其一定的pH值和Eh值,否则就不能沉淀。
31、试述重力流沉积物的搬运和沉积特点?
32、试述真溶液物质的搬运和沉积作用?及其产物?
岩风化产物中的真溶液物质主要是Cl,S , Ca,Na,K, Mg等, P, Si,Al, Fe , Mn等,也部分地呈真溶液状态。真溶液物质的搬运及沉积作用的根本控制因素是它们的溶解度,即溶解度越大,越易搬运,越难沉积;反之,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较小,易于沉淀。在它们的搬运和沉积作用中,水介质的各种物理化学条件的影响十分重要。SiO2的沉淀需要弱酸性条件;而CaCO3的沉淀则相反,它需要弱碱性条件。Al2O3的沉淀条件更为特殊,它只有在pH 值为4~7时才沉淀。CaCO3的沉淀,除了一定的pH 和Eh条件外,对水介质的温度、SiO2含量等也有一定的要求。水介质温度升高时,CO2在水中的溶解度就减小,水中的CO2 就向大气逸出,这就促使溶解的碳酸氢钙转变为碳酸钙而沉淀。相反,如果温度降低,反应就会向相反的方向进行。对于溶解度大的物质(如Cl,S , Na,K , Mg等)的搬运和沉积作用,水介质条件的影响则不大。它们只有在干热的气候条件下,在封闭或半封闭的盆地中,或者在水循环受限制的潮上地带,即在蒸发的条件下,才能沉积下来,石膏、硬石膏、纳盐、钾盐、镁盐就是这样形成的。
33、何谓溶解度?何谓PH值,如何划分?何谓EH值,如何划分?
34、试绘图说明主要氧化物及氢氧化物的搬运和沉积与PH值的关系?
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