水是一種流體，要研究碎屑和粘土物質(zhì)的流水沉積作用，必須研究流體流動(dòng)的力學(xué)性質(zhì)，特別是流體與其顆粒的力學(xué)關(guān)系。前輩的研究告訴我們，既要重視牽引流為動(dòng)力的碎屑沉積機(jī)理，也要重視重力流特別是濁流沉積作用的理論研究。牽引流沉積作用主要是在陸上進(jìn)行的（如在沖積扇、河流以及三角洲等），常表現(xiàn)為隨水流流速降低和波浪能量減弱而出現(xiàn)由粗到細(xì)的所謂“沉積分異作用”導(dǎo)致的沉積物分布規(guī)律，通常將風(fēng)的作用也納入此列。而在海盆或湖盆深部“反?！背霈F(xiàn)的較粗沉積物，則是由水下重力流形成的。牽引流和重力流兩種沉積作用是理解碎屑巖石形成機(jī)理的鑰匙。

一、牽引流沉積作用

由于流體運(yùn)動(dòng)（或流動(dòng)）引起了碎屑顆粒的運(yùn)動(dòng)，或以一定水動(dòng)力（推力或上升力）拖曳（或牽引）帶動(dòng)碎屑顆粒搬運(yùn)的水流稱為牽引流（tractive current）。河流、海流、觸及海底的波浪和潮汐流等都是牽引流。

1.碎屑顆粒搬運(yùn)方式

按碎屑物質(zhì)或顆粒與所在流體的力學(xué)關(guān)系，顆粒在流體中明顯地具有三種搬運(yùn)方式，即滾動(dòng)、跳躍和懸?。▓D3-1）。有人將滾動(dòng)和跳躍方式稱為床沙載荷，將懸浮方式稱為懸移載荷。

圖3-1 牽引流三種搬運(yùn)方式（據(jù)何鏡宇和余素玉，1983）

a.滾動(dòng)式；b.跳躍式；c.懸浮式

（1）滾動(dòng)搬運(yùn)：滾動(dòng)搬運(yùn)是介質(zhì)底部牽引產(chǎn)生的最簡單的搬運(yùn)方式。假定顆粒是球形的，停留在平滑的底面上，水力直接作用于顆粒向上游的一面。因?yàn)榈撞坑心Σ磷枇Γ宰饔糜谄漤敳康牧魉绕湎虏康牧魉俣雀?，推力更大，故顆粒搬運(yùn)方式趨向于滾動(dòng)。

計(jì)算和實(shí)際觀察表明，推動(dòng)更粗的礫石需要更大的力。在流速一致的情況下，較粗的砂比粗的礫更容易移動(dòng)；而當(dāng)河流的流速下降，最粗的顆粒因推力減小而總是首先沉積。

（2）跳躍搬運(yùn)：碎屑顆粒順流時(shí)沉?xí)r浮，稱跳躍搬運(yùn)。引起顆粒跳躍的條件是：①底部不平，使顆粒碰撞底部障礙物或其他顆粒而激發(fā)的向上彈跳力；②主要由流速引起的順流推力；③水流引起的上舉力（或揚(yáng)舉力），此種力一是起源于紊流的向上渦流，一是起源于顆粒附近流速變化引起的壓力差。

跳躍搬運(yùn)可以用伯諾利方程（Bernoulli equation）來解釋。伯諾利方程表明，當(dāng)流體流經(jīng)一圓柱體時(shí)，沿著流線方向的能量的分量總和，即壓力、水頭以及速度的總和必為一個(gè)常數(shù)：

式中：P——壓力；ρ——水的密度；V——流速；gy——水頭（y是位置的高低度）。

速度大處壓力低，反之壓力高，形成垂直向上的壓力差。這種壓力差有充分的能力把顆粒提舉起來。但是，一旦顆粒上舉，周圍的流線幾乎對(duì)稱，上舉力也就接近于消失，隨之顆粒跌落水底。這樣反復(fù)進(jìn)行，顆粒就跳躍著被向前搬運(yùn)。

根據(jù)Krumbein和Sloss（1963）的研究，在顆粒跳躍搬運(yùn)過程中，其跳躍高度在空氣中是水中的800倍左右。Kalinski（1941）認(rèn)為顆粒在水中的跳躍高度與顆粒及介質(zhì)的密度有關(guān)。即

（3）懸浮搬運(yùn)：顆粒被水流帶起，在長時(shí)間內(nèi)很難下沉的狀態(tài)稱懸浮狀態(tài)。呈這種狀態(tài)搬運(yùn)顆粒的方式被稱為懸浮搬運(yùn)，或懸移載荷。

只有當(dāng)碎屑顆粒的垂直速度的變動(dòng)大于沉降速率時(shí)，才有可能呈懸浮狀態(tài)進(jìn)行搬運(yùn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只有沉降速度小于平均速度的8%的顆粒才能成為自由懸浮的狀態(tài)，即懸浮搬運(yùn)的大致臨界標(biāo)志是流水的平均速度至少是顆粒沉降速度的12倍以上。

懸移物質(zhì)通常是細(xì)粉砂級(jí)以下的顆粒，而且細(xì)粒沉積物一般比粗粒沉積物分布得更均勻。對(duì)于粒度較大的顆粒，只有較大的渦流才能使其呈懸浮狀態(tài)。在自然界，懸浮顆粒在不同水動(dòng)力強(qiáng)度的水中都可見到。這一事實(shí)表明，影響碎屑顆粒呈懸浮狀態(tài)的因素不僅是顆粒大小，還有一個(gè)重要因素是流體的運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)，即與水的流動(dòng)狀態(tài)屬層流或紊流有關(guān)。

此外，沉積顆粒的懸浮還與其形狀有關(guān)。一般情況下，球體比其他形狀更不易懸浮，而片狀顆粒因其摩擦阻力相對(duì)較大，更易懸浮。

2.流體力學(xué)與沉積作用過程

碎屑顆粒在流水中的搬運(yùn)與沉積，主要與水的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。如流水的性質(zhì)，是層流還是紊流，是急流還是緩流。這些流體的動(dòng)力學(xué)特征，常用兩種無量綱數(shù)值來表示，即雷諾數(shù)（Re）和福勞德數(shù)（Fr）。

Re（Reynolds number）表示水流慣性力與粘滯力的比值的量。它是判別層流與紊流狀態(tài)的指標(biāo)。

在管流條件下，式中：u——通過管道的平均流速；d——實(shí)驗(yàn)管道的直徑；ρ——流水密度；μ——流水粘度。

根據(jù)雷諾數(shù)（Re）的大小，可指示不同的流動(dòng)狀態(tài)，如：Re＜500為層流；Re＞2 000為渦流；Re在500～2 000之間為層流和渦流之間的過渡流。

但是，對(duì)于天然河流來說，其臨界值范圍是500＜Re＜1 500。所以，天然河流的水流經(jīng)常都是紊流。

Fr（Froude number）是定量判別水流三種流態(tài)（急流、緩流和臨界流）的標(biāo)準(zhǔn)。這三種流態(tài)可以出現(xiàn)于河流、海洋和湖泊中。不同流態(tài)可產(chǎn)生不同類型的床沙形體（指沉積物呈床沙形式搬運(yùn)，這些床沙表面隨著流體流動(dòng)強(qiáng)度的變化，相應(yīng)地出現(xiàn)不同的幾何形態(tài)，又可稱底形）。用下式表示：

式中：u——平均流速；g——單位質(zhì)量水深的相對(duì)密度；D——水深。

Fr＞1時(shí)為急流，是慣性力起主導(dǎo)作用下的流動(dòng)，代表了一種水淺流急高流態(tài)（high flow regime）的流動(dòng)特點(diǎn)（如河流上游）。在這種水流狀態(tài)中，水面的起伏和床沙形態(tài)的起伏一致，屬同相位。床沙形態(tài)一般為平坦床沙和逆行沙波。當(dāng)Fr值很大時(shí)，則床沙無堆積，而造成沖坑和沖槽。

Fr＜1時(shí)為緩流，是重力起主導(dǎo)作用下的流動(dòng)，代表了一種水深流緩的低流態(tài)（low fl ow regime）的流動(dòng)特點(diǎn)（如河流下游）。在這種水流狀態(tài)中，水面波起伏與床沙形態(tài)的起伏是不一致的，呈異相位。床沙形態(tài)一般為沙紋、沙浪、沙丘、沖洗沙丘（低沙丘）。

Fr=1時(shí)為水流的臨界流，是一種過渡流態(tài)（transition flow regime），其床沙形態(tài)為從低流態(tài)的沙丘過渡到高流態(tài)的平坦床沙之間的低沙丘。

森德伯格（Sundborg，1956）用圖解表示了隨著流水深度和流速的變化，層流與渦流所發(fā)生的范圍，以及在不同的流速下，急流與靜流的臨界深度。前者以雷諾數(shù)表示，后者以福勞德數(shù)（Fr=1）表示（圖3-2）。

沃克（Walker，1979）根據(jù)水介質(zhì)的流動(dòng)強(qiáng)度與所能滾動(dòng)和懸浮的最大粒徑之間的關(guān)系作出圖解（圖3-3）。如果某一水流攜帶具各種粒級(jí)的沉積物，其中對(duì)砂來說，要使其呈懸浮狀態(tài)必須滿足以下關(guān)系：

圖3-2 隨著水深與流速的改變，不同水動(dòng)力狀況特點(diǎn)的分布情況（據(jù)Sundborg，1956）

圖3-3 隨著流動(dòng)強(qiáng)度的變化，流水所能懸浮和滾動(dòng)的最大顆粒直徑（據(jù)Walker，1979）

如圖3-3所示，當(dāng)水流強(qiáng)度為P時(shí)，它所能滾動(dòng)的礫石最大粒徑為8cm，所能懸浮的顆粒最大粒徑為2.2mm。

這個(gè)圖解可以解釋很多地質(zhì)現(xiàn)象，例如：

第一，由于曲線所代表的是搬運(yùn)的臨界強(qiáng)度。因此，當(dāng)流動(dòng)強(qiáng)度略小于P時(shí)，可使粒徑為8cm的礫石與2.2mm的顆粒同時(shí)沉積，從而可能形成雙眾數(shù)的砂礫巖。

第二，當(dāng)流動(dòng)強(qiáng)度在P附近反復(fù)變動(dòng)時(shí)，即屬于持續(xù)的水流時(shí)，則可能形成砂礫質(zhì)沉積與礫石質(zhì)沉積的互層，其平均粒度應(yīng)分別為2.2mm與8cm左右。

第三，如果流動(dòng)強(qiáng)度急劇減小，則可能造成分選極差的多眾數(shù)的砂—礫—粉砂—泥的混合沉積物。一般的高密度的重力流沉積就常具有這樣的特征。

第四，如圖3-3中虛線所示，沉積1mm的砂粒所要求的流動(dòng)強(qiáng)度比沉積7cm的礫石時(shí)的強(qiáng)度要小得多。因此，平均粒度為7cm的雙眾數(shù)的礫石質(zhì)沉積中，其孔隙中所充填的大小為1mm的砂不可能是同時(shí)沉積的，后者應(yīng)該是在水流強(qiáng)度減小以后的一種孔隙滲濾充填物。例如沖積扇的篩積物就具有這種性質(zhì)。

尤爾斯特隆（Hjulstrom，1936）研究了顆粒的侵蝕、搬運(yùn)、沉積與水流流速的關(guān)系，并以臨界速度與顆粒大小作出了相關(guān)圖解（圖3-4），發(fā)現(xiàn)顆粒大小與水流流速有著很密切的關(guān)系：

圖3-4 經(jīng)森德伯格修改過的尤爾斯特隆圖解（據(jù)Sundborg，1956）

注：圖示水深為1m情況下平坦河床上石英顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)的侵蝕、搬運(yùn)與沉積的臨界速度（1ft＝0.304 8m）。

第一，顆粒開始搬運(yùn)（侵蝕）所需要的啟動(dòng)流速要比繼續(xù)搬運(yùn)所需要的流速大。這是因?yàn)閱?dòng)流速不僅要克服顆粒本身重力的影響，而且還要克服顆粒彼此間吸附力的影響才有可能發(fā)生搬運(yùn)。

第二，0.05～2mm間的顆粒所需要的啟動(dòng)流速最小，而且啟動(dòng)流速與沉積臨界流速間的相差也不大。這就說明了為什么砂粒在流水搬運(yùn)中最為活躍，它們既易于搬運(yùn)又很容易沉積。故砂粒常常呈跳躍式搬運(yùn)前進(jìn)。

第三，對(duì)于大于2mm的顆粒，它的啟動(dòng)流速與沉積臨界流速相差也很小，但是這兩個(gè)流速本身卻很大，并隨著顆粒的增大而增大。這也正如在自然界里所看到的那樣，礫石是很難做長距離搬運(yùn)的，而多沿著河底呈滾動(dòng)式推移前進(jìn)，顆粒越大越是這樣。

第四，小于0.05mm的顆粒，其啟動(dòng)流速與沉積臨界流速值相差很大，所以粉砂，尤其是泥質(zhì)顆粒一經(jīng)流水搬運(yùn)，即長期懸浮于水體中，很難沉積下來，大多數(shù)都是搬運(yùn)到海洋或湖泊中比較安靜的地帶才能慢慢地進(jìn)行沉積。

對(duì)沉積物而言，當(dāng)其堆積體所受的剪切力大于其內(nèi)部的抗剪阻力（指物體內(nèi)部存在著抵抗變形的阻力）時(shí)，則沉積物中的顆粒就開始處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。所以剪切力是一種搬運(yùn)動(dòng)力，其來源之一是水流中的推力。水流推力總是平行于流動(dòng)方向，除受水體流動(dòng)狀態(tài)變化影響以外，還與流體流速以及動(dòng)力粘度和渦流粘度成正比關(guān)系。而流動(dòng)狀態(tài)也與流速有關(guān)，所以流速大體上可以代表推力。紊流中存在因擾動(dòng)渦流產(chǎn)生的粘度（即渦流粘度），它與溫度成反比，水溫低則粘度增高，阻力也就越大。另外，流動(dòng)狀態(tài)也與懸浮的細(xì)粒粘土濃度有關(guān)。粘土與水混合的粘度大于清水的粘度，對(duì)懸浮質(zhì)點(diǎn)的下沉有明顯的滯遲作用。所以混濁的紊流可以產(chǎn)生更大的剪切力，混濁河流搬運(yùn)砂的能力要比清水河流更大一些。

如果牽引流是河流，其搬運(yùn)的物質(zhì)稱載荷，它通常以單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)某一橫截面的物質(zhì)的重量（或容量）來表示。載荷力和推力一起都是牽引流的搬運(yùn)力。例如小河急流有推力可以移動(dòng)大的礫石，但缺少載荷力不能搬運(yùn)大量沉積物質(zhì)。又如美國密西西比河的下游缺少移動(dòng)礫石的推力，卻有能攜帶巨量載荷的載荷力，每年有5×108t的沉積物進(jìn)入墨西哥灣。

顆粒的沉降速度（settling velocity）一般與顆粒的粒度、相對(duì)密度、形狀以及水介質(zhì)的密度、粘度有關(guān)。碎屑顆粒在靜水中下沉?xí)r，由于重力作用，開始時(shí)具有一定的加速度；隨著下沉速度的增加，水流對(duì)顆粒的阻力增大；當(dāng)阻力與有效重力恰好相等時(shí)，則顆粒以等速的方式下沉。在流動(dòng)的水體中，沉降速度在很大程度上取決于流體流速的變化，當(dāng)碎屑顆粒的沉降速度增大到一定程度的時(shí)候（如在懸浮搬運(yùn)時(shí)，其沉降速度大于平均流速的8%時(shí)），就會(huì)發(fā)生沉積作用。魯比（Rubey，1931）通過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)測(cè)定出，石英砂在靜水中的沉降速度（mm／s）為：極細(xì)砂沉降到約30m處需2h，而細(xì)粘土大約需要1a；若要達(dá)到約3 660m深的大洋底部，極細(xì)砂大約需要10d，細(xì)粘土則要100a以上。

3.水流動(dòng)態(tài)和床沙底形

水槽實(shí)驗(yàn)是模擬天然水道水流動(dòng)態(tài)和床沙形態(tài)實(shí)驗(yàn)，是在牽引流條件下進(jìn)行的。吉爾伯特（Gilbert，1914）最早進(jìn)行過這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。西蒙斯和里查德森（Simons和Richardson，1961）根據(jù)水槽實(shí)驗(yàn)把水流動(dòng)態(tài)概念公式化，而且分出兩種基本動(dòng)態(tài)：低流態(tài)（或稱下水流動(dòng)態(tài)）和高流態(tài)（或稱上水流動(dòng)態(tài)）。

西蒙斯和里查德森對(duì)粒徑小于0.6mm的砂進(jìn)行大規(guī)模水槽實(shí)驗(yàn)，所用的水槽寬2.44m，長45.72m。使水在水槽平坦的床沙上流動(dòng)，當(dāng)流速和坡度逐漸増加到一定程度時(shí)，床沙就開始移動(dòng)，形成一系列底形或床沙形體（指床沙表面的幾何形態(tài)）。首先形成沙紋（或波紋、小波痕），波高小于5cm，波長一般小于30cm，最大不超過60cm。此時(shí)水的流速慢，水面平靜，出現(xiàn)的波痕可以小到忽略不計(jì)。當(dāng)進(jìn)一步增加流速（50cm / s）時(shí)，形成大的沙丘或沙壟，又稱大波痕，波高10～20cm，通常長度可達(dá)幾米。水面出現(xiàn)波浪洶涌現(xiàn)象，但水表面的波動(dòng)與床沙波動(dòng)表面的位置不一致，屬異相波。沙紋和沙丘都是低流態(tài)或下水流動(dòng)態(tài)下的床沙形體，一般Fr小于1。再進(jìn)一步增大流速或坡度，沙丘消失，形成平坦的床沙。在這個(gè)平坦的面上，沙的移動(dòng)平行于水的流動(dòng)方向。流動(dòng)強(qiáng)度再增大，形成具有大致呈正弧曲線的逆行沙丘。逆行沙丘是指向上游移動(dòng)的波浪狀床沙形體，向上游一側(cè)進(jìn)行加積，下游一側(cè)受到侵蝕。水面波和底形起伏是一致的，屬于同相波，水的振動(dòng)波幅較大，有時(shí)局部還生成高能量的破浪，最后加大流速，形成沖槽和沖坑，兩者在水槽中交替出現(xiàn)。平坦床沙、逆行沙丘、沖槽和沖坑都是高流態(tài)下的底形，一般Fr大于1。

歸納起來，在水槽實(shí)驗(yàn)中，隨著水流強(qiáng)度增大，底形出現(xiàn)的順序?yàn)椋簾o顆粒移動(dòng)的下平底→小波痕（或波紋）→大波痕（或沙丘）→受沖刷的大波痕或沙丘→上平底→逆行沙丘→沖刷坑、槽（圖3-5）。

根據(jù)以上底床類型、沉積物質(zhì)的搬運(yùn)方式以及底床與水面之間的相位關(guān)系，也可將沖積性河道中的水流動(dòng)態(tài)分為低流態(tài)（Fr＜1）、高流態(tài)（Fr＞1）及處于二者之間的過渡流態(tài)（表3-1）。計(jì)算表明，在水深10m的情況下，要達(dá)到Fr=1，就要求水流速度為9.9m / s，這樣快的速度只能在罕見的急流水中見到。在淺水環(huán)境中，一般只達(dá)到2m / s的速度。因此，在自然界中，急流通常出現(xiàn)在幾毫米至幾米深的水中。

圖3-5 在穩(wěn)定均一的水道底床上各種床沙底形的變化特點(diǎn)（據(jù)Simons等，1965）

表3-1 水流動(dòng)態(tài)的分類及其特征（據(jù)Simons等，1965）

實(shí)驗(yàn)表明，影響床沙形體（或底形）最重要的因素是流動(dòng)強(qiáng)度、平均流速、顆粒大小以及水流深度。索瑟德（Southard，1975）根據(jù)水流深度、流速、粒度等參數(shù)，分別以0.10mm、0.50～0.55mm以及1.15～1.35mm代表細(xì)、中、粗粒級(jí)作深度-流速圖。圖中表明，大約0.1mm的顆粒，隨著平均流速的增大，床沙形體出現(xiàn)的順序?yàn)椋簾o運(yùn)動(dòng)→沙紋→上部平坦床沙，其中缺沙丘或大波痕。一般沙丘移動(dòng)形成大型交錯(cuò)層理。故細(xì)粒砂中不能形成大型交錯(cuò)層理。0.1～0.6mm的砂出現(xiàn)床沙形體的順序是：無運(yùn)動(dòng)→沙紋→沙波→沙丘→上部平坦床沙。大于0.6mm的粗砂，沙紋則在任何速度下都形成一種不穩(wěn)定的外形，順序是：無運(yùn)動(dòng)→下部平坦床沙→沙波，缺沙紋或小波痕，所以在粗砂巖中缺乏小型交錯(cuò)層理。其中沙波又稱沙浪，屬于沙紋和沙丘間的過渡底形。與沙丘相比，沙波比較長，具較低的波痕指數(shù)（波高／波長），直脊，形成時(shí)較沙丘低速。

4.風(fēng)的搬運(yùn)與沉積作用

風(fēng)的搬運(yùn)與沉積作用也是一種重要的地質(zhì)營力，主要發(fā)生于干旱的沙漠地帶。其類似于牽引流，但與流水作用具有重要區(qū)別。

（1）風(fēng)只能進(jìn)行機(jī)械搬運(yùn)，僅搬運(yùn)碎屑和粘土物質(zhì)，不存在溶解物質(zhì)的搬運(yùn)和沉積。

（2）空氣的密度和粘滯性都比水小得多，一顆石英碎屑相當(dāng)于同體積水重量的2.65倍，但卻相當(dāng)于同體積空氣重量的2 000倍，因此風(fēng)搬運(yùn)的最大粒度比水要小得多。根據(jù)巴格諾爾德（1941）的意見，沙漠砂粒度一般在0.15～0.3mm之間，沒有小于0.08mm的顆粒，因?yàn)檫@些更細(xì)的物質(zhì)作為塵埃，被吹揚(yáng)到更加遙遠(yuǎn)的地方——深海盆地去了。溫德華氏從散布在美國的沙丘所得到的42個(gè)樣中發(fā)現(xiàn)，碎屑（砂）的粒度大部分在0.125～0.5mm之間。極特殊情況下可以粗一些，如秘魯海岸的風(fēng)成砂的粒度大部分都超過3mm。

（3）巴格諾爾德根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，風(fēng)成砂的搬運(yùn)方式主要是跳躍式，其次是表面挪動(dòng)式。而且證明跳躍在松散砂表面的顆粒，少數(shù)飛揚(yáng)可達(dá)1m高，大部分卻是在離地表50cm左右搬運(yùn)。按伯諾利原理解釋，風(fēng)流在顆粒上產(chǎn)生的舉力足夠大時(shí)，就發(fā)生跳躍式搬運(yùn)。但顆粒在空氣中移動(dòng)要比在水中自由得多，而且活動(dòng)狀態(tài)也很不相同。因?yàn)榭諝獾拿芏群苄?，一個(gè)飛揚(yáng)的顆粒如果碰擊在基巖或大石塊上，它的跳躍就會(huì)像乒乓球一樣，很少失去動(dòng)能，而活躍得幾乎像彈性體。如果這些碰撞的顆粒落在松散沉積物上，其能量消失在顆粒上，另一被碰撞細(xì)顆粒即被拋向空中。表面挪動(dòng)搬運(yùn)是指一些較粗的顆粒受到跳躍顆粒的碰撞，發(fā)生表面蠕動(dòng)并推移前進(jìn)。較細(xì)的砂以跳躍式搬運(yùn)，甚至在跳躍很活躍時(shí)，大部分較粗的砂仍呈表面挪動(dòng)搬運(yùn)，更大的顆粒連挪動(dòng)都非常困難，形成滯留沉積物，如沙漠礫石灘。

黃土是粒度小于0.01mm的碎屑物質(zhì)，呈懸浮狀搬運(yùn)。

（4）由于空氣密度小，在搬運(yùn)過程中顆粒間的碰撞與磨蝕作用要比在流水中強(qiáng)烈，故風(fēng)成砂磨圓一般都好。而且風(fēng)的速度大，變化突然，密度很小，在搬運(yùn)過程中風(fēng)力的分選作用很強(qiáng)，能進(jìn)行搬運(yùn)的粒度范圍很狹窄，故風(fēng)成物一般分選性較好。風(fēng)成的粗屑如礫石，常常遭到地面流砂磨蝕而具有一種特殊的棱面，通常稱為風(fēng)棱石，為風(fēng)成物獨(dú)特之處。

5.機(jī)械沉積分異作用

由母巖風(fēng)化形成的碎屑物質(zhì)，在牽引流的搬運(yùn)和沉積過程中隨流體速度和運(yùn)移能力的變化，它們也按照粒度、密度、形狀、礦物成分發(fā)生分異，依次沉積。人們將這種沉積作用稱之為機(jī)械沉積分異作用（mechanical sedimentary differentiation），它主要受物理因素或受流體力學(xué)所支配。機(jī)械沉積分異作用是沉積學(xué)中一種重要的沉積作用和客觀存在的沉積地質(zhì)規(guī)律。圖3-6是碎屑物質(zhì)按顆粒大小（即粒度）和礦物的密度進(jìn)行機(jī)械分異的圖式。

從圖3-6中可以看到，當(dāng)河流流速逐漸降低時(shí)，碎屑顆粒即按粒度不同呈規(guī)律分異。近源的粗顆粒先沉積，細(xì)顆粒被搬運(yùn)到遠(yuǎn)源處后沉積，即按礫石—砂—粉砂—粘土的順序分布。這與多數(shù)河流上游到下游碎屑顆粒的分布規(guī)律極為一致。

從圖3-6中也可以看到，當(dāng)河流流速逐漸降低時(shí)，碎屑顆粒也可以按照礦物的密度不同而呈規(guī)律分異。沿河流流向，在碎屑粒度相近的情況下，重者先沉積，輕的后沉積。圖3-7顯示了一種沿紋層界面分異富集的重礦物分布規(guī)律。

此外，按碎屑形狀也具有規(guī)律分異。即粒狀顆粒近源沉降，片狀礦物則可以被搬運(yùn)到較遠(yuǎn)處，與較細(xì)的粒狀礦物共生在一起。常在細(xì)粒沉積巖層面富集有較大的片狀白云母，就是形狀分異的結(jié)果。

機(jī)械分異作用適用于牽引流條件，對(duì)于金屬與非金屬礦物的富集有很大的影響。機(jī)械沉積分異作用進(jìn)行得越完全，則碎屑沉積物的分異程度也就越高。如果原來的礦物成分比較簡單，則常形成單礦物的堆積，石英砂就是一例。如果是多種礦物組成的碎屑物質(zhì)（包括一些有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的礦物），在機(jī)械分異下，往往是密度大而體積小的碎屑礦物同密度小而顆粒大的碎屑礦物混在一起。如很多含金礫巖，其中礫石可達(dá)3～5cm，而金粒卻不過幾毫克。南非Witwatersrand盆地的前寒武系金礦是典型的機(jī)械沉積分異作用結(jié)果。由于密度的關(guān)系，金趨向于集中在辮狀河成因的河道充填物軸部和底部。Catuneanu（2006）通過層序地層學(xué)研究，認(rèn)為基準(zhǔn)面旋回下降期的界面形成過程對(duì)金礦床形成是有利的（圖3-8）。

圖3-6 碎屑顆粒按粒度（左）和密度（右）進(jìn)行沉積分異的圖示

注：右圖中的數(shù)字是密度，單位為g / cm3。

圖3-7 重礦物沿紋層界面的分布規(guī)律（焦養(yǎng)泉攝，2007）

注：圖中虛線表示紋層界面，三角形所指為重礦物。注意重礦物在紋層和紋層組中的非均質(zhì)分布現(xiàn)象。下方的a和b為上圖方框的放大特寫；渤海灣盆地歧口凹陷，板深35井，4 564.8m，Es32，單偏光。

由于機(jī)械沉積分異的結(jié)果，形成了由粗到細(xì)的碎屑為主的巖石，如礫巖、砂巖、粉砂巖和泥質(zhì)巖等。同時(shí)在這些碎屑沉積物（河流條件下）中還可形成重要的金屬砂礦，諸如金、鉑、錫石、黑鎢礦、獨(dú)居石、金剛石、剛玉等。此外，從母巖區(qū)由河流帶出，在近源-遠(yuǎn)源地區(qū)產(chǎn)生的這些碎屑沉積物，其中的礦物成分、顆粒大小、形狀和密度的規(guī)律性變化，對(duì)于了解沉積物的源區(qū)、母巖性質(zhì)、搬運(yùn)條件以及恢復(fù)古地理和尋找有關(guān)原生礦床，了解礦床分布規(guī)律，都有很重要的意義。

圖3-8 南非Witwatersrand盆地的金礦床在層序格架中的位置

注：產(chǎn)金層位有Zandpan、上Vaal、G. V. Bosch和Stilfontein底。沉積環(huán)境：三角洲（MB5、Vaal上部），河流（Witkop、Grootdraai、Zaaiplaats、Zandpan）和海侵淺海（Stilfontein、G. V. Bosch、MB4）。LST.低位體系域；TST.海侵體系域；HST.高位體系域；FSST.下降期體系域。

歸納起來，牽引流是一種因自身流動(dòng)推力具有移動(dòng)顆粒能力的水流，依流體性質(zhì)屬“牛頓流體”，即無強(qiáng)度，受微力可以變形。牽引流沉積作用特點(diǎn)：一是對(duì)碎屑具有明顯的三種搬運(yùn)方式，即滾動(dòng)、跳躍和懸?。欢欠臋C(jī)械沉積分異規(guī)律；三是碎屑結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。牽引流沉積作用一部分分布于陸上，如在沖積扇帶、河流帶以及三角洲帶，另一部分分布于盆地的邊緣帶，如海洋或湖泊的沿岸帶。

二、重力流沉積作用

重力流（gravity flow）是由重力推動(dòng)的一種含大量碎屑沉積物質(zhì)（包括粘土）的高密度流體。這種流體往往不被微小的剪應(yīng)力改變形態(tài)，而成為非牛頓流體，有時(shí)被稱為“假塑性體”。

在水體中，由于鹽度的差異（如河口灣中的鹽水楔）、溫度的差異（如冰雪融水流入湖中形成的冷流、海洋中的寒流等）形成的密度差，都可產(chǎn)生密度流。在水體中含大量碎屑沉積物質(zhì)的重力流也是一種密度流。

1.重力流基本特征

沉積物重力流發(fā)生運(yùn)動(dòng)的直接動(dòng)力是由于作用在顆粒上的重力引起的，因而重力流基本上是沿斜坡向下運(yùn)動(dòng)的。當(dāng)這種流體在斜坡上積聚的位能大于與底面或與水體界面的摩擦阻力時(shí)便產(chǎn)生流動(dòng)，逐漸形成高速度的重力流。當(dāng)該重力的下坡分量小于作用在顆粒上的各種阻滯力時(shí)則發(fā)生沉積作用。由此看來，重力流發(fā)育的先決條件是沉積背景要具有較大的落差，即具有較大的勢(shì)能。在自然界，有四種環(huán)境重力流尤為常見：沖積扇或扇三角洲，特別是在地形起伏較大的環(huán)境中；海底扇，通常在海底峽谷的前端；在陸架型環(huán)境中縱向疊置的海底谷，亦即各種海底峽谷的近陸部位（Lewis，1982）；湖泊，尤其是斷陷盆地成因的深水湖泊中通常也能發(fā)育重力流（李思田，1982）。

重力流的沉積過程常常是在一定位置上的整體沉積。在流動(dòng)時(shí)，也呈保持明顯邊界的整體，所以有人把重力流稱為整體流。重力流沉積物的結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)出極差的分選性（圖3-9），沉積構(gòu)造以塊狀構(gòu)造和少量交錯(cuò)層理為特征，底部通常具有明顯的沖刷面。也有人把陸上的泥石流稱為重力流，但大量有理論和實(shí)際意義的重力流沉積是在水下。這些盆地水體中的重力流雖然其過程各異，但它們?nèi)冀M成了連續(xù)的統(tǒng)一體。

2.重力流的端元類型

Middleton和Hampton（1973）根據(jù)碎屑支撐機(jī)理，即碎屑呈懸浮狀態(tài)的機(jī)理，將水下重力流分成四類：碎屑流（泥石流）、顆粒流、液化沉積物流和濁流（圖3-10）。

碎屑流、顆粒流、液化沉積物流和濁流這四個(gè)種類都是理想端元，自然界常見的是中間型的混合過程，而且在搬運(yùn)過程的不同階段有不同的主要作用（圖3-11）。巖崩——自陡峭的陸上或水下陡崖（如礁前或斷層崖）上崩落或下落的碎塊，構(gòu)成一單獨(dú)的沉積物重力堆積類型，因?yàn)樗皇恰傲黧w”?；òɑ拢?，也不是“流體”，因?yàn)樗谴蟮墓探Y(jié)塊體的搬運(yùn)。不過它們一般是先于、伴隨著或緊跟著沉積物的重力流發(fā)生。

（1）濁流（turbidity current）：是一種混合著大量自懸浮沉積物質(zhì)的渾濁密度流，并在水體底部成高速紊流狀態(tài)的水流，也是由重力推動(dòng)呈涌浪狀前進(jìn)的重力流。濁流中的顆粒主要是由流動(dòng)液體中湍動(dòng)渦流的上舉力支撐的。

沉積作用開始時(shí)，相對(duì)粗粒的沉積物迅速下沉，形成塊狀分選差而常有正常粒序?qū)永淼某练e巖段（鮑馬序列A段），緊接著又沉積了B段（平行紋層的）、C段（交錯(cuò)紋層的或包卷紋層的）和D段（平行紋層的）。B、C、D段的粒度逐漸變細(xì)，當(dāng)粗顆粒優(yōu)先沉積在低層段后，分選作用變佳。每個(gè)層段沿水流方向疊覆在先前的沉積層段之上。D段被E段所覆蓋，E段代表正?！氨尘啊弊饔孟滤纬傻某练e物，一般為來自被動(dòng)懸移的半深?；蚝醇?xì)泥。這種序列的沉積作用反映遞減著的流態(tài)，而能量減弱中的牽引流可產(chǎn)生非常相似的序列。

通常情況下，完整的鮑馬序列是較少的。因此，沉積層中A、B、C、D，B、C、D，甚至是C、D這樣的縱向序列被廣泛地認(rèn)為是濁積巖的鑒定特征，但在鑒定每一種沉積物時(shí)還應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎。

濁流可分為連續(xù)低速型和突發(fā)高速型兩種。

連續(xù)低速型，或稱洪積型。河流流進(jìn)湖水時(shí)，在重力作用下，混濁層沿著湖底向坡下方運(yùn)動(dòng)。直到因摩擦損失而動(dòng)能消散，懸浮的物質(zhì)逐漸沉積下來，特別是較粗的顆粒先沉降下來。

突發(fā)高速型，通常是再沉積的或液化沉積物流轉(zhuǎn)化的。例如，在海底峽谷頭部，由如地震那樣的地質(zhì)作用所誘發(fā)，未固結(jié)的沉積物滑塌流動(dòng)造成大量高密度懸浮體。這種類型的濁流可以劃分為四部分：頭部、頸部、本體部和尾部。在頭部邊界之內(nèi)，水流環(huán)繞著頭部發(fā)散和上掃，并有一系列大的漩渦扯開。所以，在這種濁流中，頭部有較強(qiáng)的侵蝕力，在深部軟泥底面上形成特征的沖刷痕和刻劃痕，后又由本體部沉積保存下來。因此，最初的碎屑可以在頭部保持其懸浮狀態(tài)，這種情況一直延續(xù)到由于坡度變緩或流體變稀而造成普遍減速的時(shí)候。所以，濁積沉積物在水盆地深部的分布規(guī)律是基部集中了較粗粒沉積物，而到緣部逐漸與盆地背景沉積物相一致。

圖3-9 重力流沉積物的微觀與宏觀含斑性特征

圖3-10 水下沉積物重力流的類型（據(jù)Middleton和Hampton，1973）

注：水和沉積物顆粒之間不同類型的相互作用產(chǎn)生了運(yùn)動(dòng)所必需的流動(dòng)性。

圖3-11 沉積物重力流的一般成因和相互關(guān)系（據(jù)Lewis，1984）

（2）顆粒流（grain flow）：是在重力作用下，由高濃度的松散顆粒組成的沿斜坡向下運(yùn)動(dòng)的流體。它們斷斷續(xù)續(xù)地相互碰撞，碰撞力的上舉分力起了支撐顆粒的作用。這個(gè)作用稱為分散顆粒壓力，在陡坡上它僅對(duì)分選的砂粒級(jí)顆粒起主要支撐作用。在沉積作用的最后階段，當(dāng)顆粒沉降時(shí)，粒間溶液的上升運(yùn)動(dòng)也提供某些支撐作用。

顆粒流沉積作用也是在一定位置上整體沉積的，同樣具有明顯的邊界，呈較厚層或塊狀體。顆粒流不同于某些濁流的方面是：①固態(tài)（或碎屑）顆粒密度較高，主要是砂粒，泥少，含少量礫石，礫石時(shí)有“浮”于砂粒之中的現(xiàn)象。②顆粒流中含水分少，其作用是減少固態(tài)物質(zhì)之間的摩擦。這種固態(tài)物質(zhì)和少量水的混合，作為一種塊狀整體沿坡向下運(yùn)動(dòng)，所以具有塊狀流性質(zhì)。③由于一種突然的震動(dòng)，導(dǎo)致未固結(jié)的碎屑沉積物（主要是砂級(jí)碎屑）強(qiáng)度喪失而增大孔隙壓力（孔隙壓力是孔隙內(nèi)流體的靜壓力）。這種增大的孔隙壓力稱超孔隙壓力。由于超孔隙壓力的存在促使沉積物“液化”（加入水分）。當(dāng)然，再沉積的濁流也可以由液化沉積物流形成。但在流動(dòng)過程中除了重力驅(qū)動(dòng)之外，顆粒之間碰撞作用所傳遞的應(yīng)力也是一種促使流體沿斜坡流動(dòng)的作用力（似沙丘滑動(dòng)面向下崩落的沙流）。

（3）液化沉積物流（fluidized flow）：是由下伏顆粒聚集物中逸出的粒間孔隙液體作為主要支撐因素的一種端元。

要發(fā)生液化作用，沉積物的原有組構(gòu)必須為某種觸發(fā)機(jī)制所擾亂。這樣的液化沉積物流多半起始于相當(dāng)陡的斜坡上，然而一旦發(fā)生運(yùn)動(dòng)，它們能夠流過坡度較小的地段——盡管理論上流動(dòng)的距離并不大。液化沉積物流也可出現(xiàn)于其他重力流的初始階段和最后的沉積階段。其低速時(shí)可能為層流，若受到足夠的加速度，它們將成為紊流（從而成為濁流）。甚至出現(xiàn)脫水構(gòu)造（碟狀、柱狀或席狀構(gòu)造）。當(dāng)孔隙液由水和粘土（甚至還可能有粗顆粒）組成時(shí)，流體將支撐較粗的顆粒和（或）允許流動(dòng)較長的距離。在這種情況下，支撐機(jī)制逐漸過渡為明顯的碎屑流機(jī)制。

沉積物形成后其上覆沉積物的壓力通過顆粒傳遞而使沉積物固結(jié)，這種壓力稱有效壓力。沉積物本身還有一種孔隙壓力，是中性壓力，壓力是通過孔隙溶液傳送的?？紫秹毫Φ扔诔练e物中流體的靜水壓力時(shí)，沉積物保持穩(wěn)定平衡，如沉積物沉積較快，其中水分來不及排除，或者從外部滲進(jìn)孔隙空間的水分過多，兩者都可造成孔隙壓力大于沉積物中流體的靜水壓力，因而大大降低沉積物的固結(jié)強(qiáng)度，甚至引起內(nèi)部沸騰化。這樣，沉積物中的流體就連同顆粒一起都將被向上移動(dòng)，這時(shí)沉積物變得像流砂一樣。然后重力作用把沸騰化的沉積物沿斜坡向下推動(dòng)，便形成液化沉積物流。但是在流動(dòng)過程中，孔隙壓力將很快消散，液化沉積物逐漸變得沒有什么強(qiáng)度，于是就發(fā)生沉積作用。這種沉積作用是由底部向上逐漸固結(jié)的，稱為“凍結(jié)”，而“凍結(jié)”的沉積物密集程度很高。當(dāng)然，液化沉積物流也可能向顆粒流或濁流轉(zhuǎn)化。

（4）碎屑流（debris fl ow）或稱泥石流：是具有所有顆粒支撐機(jī)制的混合沉積物重力流類型。

在大部分搬運(yùn)作用和沉積作用階段，碎屑流是一種層流。有人認(rèn)為碎屑流在流動(dòng)過程中的主要支撐機(jī)制是連續(xù)相（水加上粘土，再加上其他較細(xì)的沉積物，并由它形成最終沉積物的基質(zhì)）的強(qiáng)度，這種特性不像真正的液體而更像低粘度的塑性體。分散相由搬運(yùn)來的顆粒組成——其大小可從分選良好的砂至巨礫，還可有長達(dá)數(shù)十米（甚至數(shù)百米）的特大碎塊。這種碎屑流的定義顯然是過分簡化了，因?yàn)槠渌闹螜C(jī)制或者是這些機(jī)制的復(fù)雜結(jié)合，在某些碎屑流中處于支配地位；而且如果碎屑流中顆粒的大小完全是過渡的，各種粒級(jí)數(shù)量又是大致相等的，那么將它定義為連續(xù)相是不切合實(shí)際的。分散顆粒壓力、浮力（隨連續(xù)相的高密度和負(fù)荷而增加）、逸出的孔隙液體、過?？紫秹毫Γㄐ纬捎谝后w已不易向上逸出之處）、顆粒間的支撐（在高濃集的碎屑流中它們幾乎全部是瞬時(shí)的，顆粒間不斷變化著的連續(xù)關(guān)系始終在流體的底床進(jìn)行著），所有這些在碎屑流中都起作用，但比例不定。此外，還可能有牽引流，即水及細(xì)顆粒組成的液體起了高密度流的作用，推動(dòng)較大的碎屑沿著河床運(yùn)動(dòng)。

3.重力流沉積物的屬性

Lewis（1984）根據(jù)上述分類總結(jié)了常見的重力流沉積物的屬性（表3-2）。Stow（1986）從垂向序列角度總結(jié)了滑塌沉積和水下重力流的基本特征（圖3-12）。

表3-2 沉積物重力流的理想單元種類和屬性特征（據(jù)Lewis，1984）

圖3-12 滑塌沉積和各種水下重力流沉積中的成因單位類型及其垂向序列（據(jù)Stow，1986）