牵引流和沉积物重力流

如题所述

作为碎屑物质搬运和沉积的流体,自然界存在两种基本类型,即牵引流和沉积物重力流。过去主要研究牵引流或牵引流载荷的搬运和沉积作用。沉积物重力流研究始于20世纪50年代,发展于70年代,它对碎屑物质的搬运和沉积作用日益引起人们的重视。区分这两种沉积物流体,并识别牵引流和重力流所形成的沉积物,不仅具有理论意义,也具有很大的实际意义。

牵引流和沉积物重力流在流体力学性质、沉积物的搬运方式和驱动力、流体与沉积颗粒之间的力学关系等方面都有显著差异,即它们的沉积机理是不一样的,从而形成的沉积物也有各自的特点(表2-1)。

表2-1 牵引流和重力流的区别

牵引流是以一定介质动力(推力或上举力)导致流体运动并带动碎屑颗粒迁移的流体。在沉积学范畴中牵引流最常见,例如含有少量沉积物的流水(包括河流、海流、波浪流、潮汐流以及20世纪60年代中期提出来的等深流等)和大气流。随着流体中碎屑颗粒数量的不断增加,逐渐向重力流过渡,例如水中浓集有大量沉积物的浊流、泥石流等都属于沉积物重力流。重力流的重要性日益为人们所重视,并已掌握其鉴别标志;古代的重力流沉积也不断地被发现,对重力流沉积机理的研究也正在逐步深入。

由于沉积物(岩)极大部分是在水的作用下形成的,所以这里主要介绍与水有关的牵引流和重力流的搬运和沉积机理。

从流体力学性质来看,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

沉积学原理(第二版)

式中:为单位面积上的内摩擦力,称为黏滞切应力;du/dy称为流速梯度(或称为剪切变形率);μ是反映流体黏滞性大小的一个系数,称为动力黏滞系数,也可用ν=μ/ρ表示,ν称为运动黏滞系数。

所谓服从内摩擦定律是指在温度不变的条件下,随着du/dy的变化,μ值始终保持常数(图2-1中的A)。气体分子和分子结构简单的液体,如空气、水及油液等均属于牛顿流体,摩擦力与流速梯度呈线性关系;牵引流亦为牛顿流体。若μ值随du/dy变化呈非线性,即不服从内摩擦定律,属于非牛顿流体。沉积物重力流、血液、高分子液体等均为非牛顿流体。这些流体有的μ值随剪切变形率增加而减小或加大,如图2-1中的C、D,分别称为假塑性流体和膨胀性流体;有的流体只有当黏滞切应力达到某一值()后才开始流动,如图2-1中的B,称为宾汉流体,沉积物重力流即属于宾汉流体。

图2-1 各种类型流体的黏滞系数(μ)与剪切应力和流速梯度(du/dy)之间的关系

流体力学性质方面,牵引流属于牛顿流体,而重力流属于非牛顿流体。从机械搬运方式来看,牵引流既有搬移方式搬运,又有悬移方式搬运,而重力流则以悬移方式搬运为主。

牵引流的搬运力表现在两个方面:一个是流体作用于沉积物上的推力(即牵引力),推力的大小主要取决于流体的流速,推力愈大则能搬运的沉积物颗粒愈大;另一个是负荷力(或称载荷力),负荷力的大小取决于流体流量,负荷力愈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。例如,山间急流可以搬运几十吨的巨石,而浩瀚的长江,尽管每年能搬运9.7×108t物质,却不能推动一块大的砾石;山间急流的负荷力虽小而推力却很大。美国密西西比河的情况与长江基本相同,每年有5×108t的沉积物进入墨西哥湾

可见牵引流驱使沉积颗粒移动的动力是流体流动所产生的推力(牵引力)。大部分流体(如水)多半是由高处向低处流,沉积物亦由高处往低处搬运;但也有的流体可向高处流动,如风与海滩上的冲流,这时亦可使沉积颗粒往高处搬运。

流体中被搬运的沉积物称为载荷(load),单位时间内流经某一横断面的沉积物总量(或称容量)称为载荷量。按沉积物搬运方式不同可分为溶解载荷(solutional load)、悬移载荷(suspended load)、推移载荷(tractional load)或床沙载荷(bed load)。当流体不能再携带更多的沉积物时,就是满载;随着流速降低,流量减小,流体的推力和负荷力就要减弱,成为超载,这时沉积物就会由粗到细依次沉积。

重力流是一种在重力作用下发生流动的流体,重力流是含有大量沉积物的高密度流体。约翰逊(Johnson,1930)曾将这类流体称为“浊流”(turbidity current),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。重力流因其密度较高,通常是在其他流体的底部沿斜坡向下流动,到沉积盆地深处堆积下来。重力流随着密度降低,可向牵引流转变。

重力流的平均流速比相应规模的流水要小。据研究,浊流的最大流速不超过30m/s,在大陆斜坡上一般为5~7m/s,进入深海平原时为4m/s。随着搬运距离增大,浊流可与上覆水体混合而降低其密度,但这种混合作用相当缓慢,或者由于流速降低而使运载的悬浮物下沉,密度也会降低。

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