果凍的搬運
㈠ 學習任務了解風化產物的搬運和沉積作用
一、碎屑物質的搬運與沉積作用
風化產物除了少部分殘積在原地外，大部分物質都要在流水、冰川、風等外地質營力的作用下被搬運，最後在特定的環境下沉積下來。由於風化產物類型不同，故其搬運與沉積的方式也各異。
碎屑物質的搬運與沉積作用是一種機械作用，它受流體力學定律的支配。搬運碎屑的介質有流水、冰川、風、海湖波浪等，但流水是陸地上最重要的搬運介質。
（一）流水的搬運與沉積作用
碎屑物質在流水中被搬運的狀況主要取決於兩個因素：①碎屑本身的特點，如大小、形狀、密度等；②流水能量的大小，它主要決定於流速和流量。
在一般情況下，當流水的動能大於碎屑顆粒的重力和顆粒間的吸附力時，顆粒即可發生移動。在碎屑顆粒被搬運的過程中，流水作用於碎屑顆粒上有兩種力，一種是推力，另一種是負荷力。推力是指流水所能移動碎屑顆粒大小的能力，它主要與水流的速度有關。實驗證明，被推運碎屑顆粒的質量（m）與流水的速度（v）的六次方成正比，即m∝v6。負荷力是指流水所能搬運物質的總重量，它主要與流水的流量有關。例如浩瀚的長江，由於它的流量很大，所以每年能搬運970×106t的碎屑物質。但它所搬運的碎屑粒度卻不一定很大。山區奔騰的洪流，雖然它搬運物質總量不多，但由於它的流速快、推力大，能推動重達幾十噸的巨石。
碎屑物質在流水中一般是以沿底部滾動或跳躍和呈懸浮狀態等方式運移的。若碎屑顆粒較粗，如礫石、砂等，它們主要是在河底以滾動或挪動的方式前進，或以跳躍的方式前進，這兩種前進方式稱為推移搬運。若碎屑顆粒較細，如粉砂、黏土等密度小的碎屑，它們的重力小於介質的浮力、不易沉到河底，而以懸浮狀態前進，這種方式稱為懸浮搬運。碎屑物質在被搬運的過程中，由於水動力條件的改變和碎屑粒度變小，被搬運的方式也會發生變化。
碎屑物質的沉積作用是因流水速度慢而發生。當碎屑顆粒的沉降速度大於流速（若為懸浮運時，顆粒沉降速度大於平均流速的8%）時就會發生沉積。所以在河流的坡降變緩、支流匯入主流、河流入海等地段，由於流水速度突然變慢，常是碎屑物質沉積的最好場所。
碎屑顆粒的沉降速度一般與顆粒的大小、密度、形狀以及水介質的性質有關。粒度粗、密度大、圓形的顆粒沉降速度大，反之則沉降速度小。
碎屑物質的沉積作用少部分開始於搬運階段，大部分發生在搬運階段的後期。實際上碎屑物質的搬運與沉積往往是互相穿插和重疊的，在它們之間難以劃分截然的界限。
（二）風的搬運與沉積作用
風的搬運作用主要表現在乾旱的沙漠地帶，其他地區雖然也可看到，但遠不如沙漠明顯。風力主要搬運砂粒、塵土等碎屑物質。砂粒主要是在地面及距地面0.5～1.5 m高度范圍內以跳躍或滾動的方式被搬運；塵土則以懸浮狀態被搬運。由於在風的搬運過程中選擇性較強，磨蝕作用明顯，所以風積物的分選和磨圓一般都很好。風成的粗碎屑，由於常遭到地面流沙磨蝕而具有特殊的棱面，通稱風棱石。
風的搬運作用是一種面狀運動，因而它的搬運量是很巨大的。現代陸地面積中達幾千萬平方千米的沙漠和近300×104km2的黃土，都是在近200萬年內主要由風力搬運而成。
當風速減低或遇障礙物時，風力變小，其所攜帶的碎屑物質就會沉積下來。顆粒較粗的砂粒，搬運距離不遠，就在附近堆積下來，形成風成砂堆積；顆粒細小的塵土，則飄揚到遠處堆積下來，形成風成黃土，在平面上具有明顯的分帶性。
（三）冰川的搬運與沉積作用
冰川對碎屑物質的搬運方式是部分碎屑浮在冰面上或固結在冰塊中呈懸浮搬運；另一部分碎屑則沿冰川穀底被拖運。冰川的搬運能力是很大的，它可以載運上千噸的巨大石塊。
在冰川的末端由於蒸發和融化，冰體脫離冰川體系，被搬運的碎屑便作為蹤跡而堆積下來。此外，在冰川前進途中，若底部或兩側碎屑過多，冰川不足以將大量碎屑凍結在一起，也會導致冰運物中途停積。
冰磧物具有無分選性和無明顯層理，碎屑稜角顯著，並常具有擦痕、壓坑等特點。
（四）碎屑物質在被搬運過程中的變化
碎屑物質在被各種地質營力搬運的過程中，由於顆粒之間或顆粒與基岩之間的相互摩擦、碰撞，將進一步發生機械破碎，甚至產生化學分解而使碎屑在成分、粒度及外形都發生顯著的變化。主要有：
（1）粒度（顆粒大小）的變化：隨著搬運距離的增加，碎屑顆粒的粒度變化趨勢是由粗變細；顆粒大小愈來愈趨於一致。在河流的上游，因為流速大，不同粒度的碎屑一起被搬運，隨著搬運距離的增加，流速逐漸變慢，顆粒從大到小依次有規律的沉積下來。這種搬運的顆粒在不同的水動力條件下以不同的粒度級別分離（分別沉積）稱為分選作用。
（2）顆粒形態（圓度與球度）的變化：碎屑顆粒的形態包括圓度、球度及形狀三個方面。圓度指顆粒的棱和角被磨蝕圓化程度；球度指接近球體的程度。由於摩擦作用的結果，隨著搬運距離的加長，碎屑顆粒的磨圓程度與趨近於球形的程度一般都是愈來愈高的。但是碎屑顆粒的圓度與球度除與搬運距離的長短有關外，礦物的物理性質、碎屑顆粒的大小和形狀對於顆粒的圓化和球度有影響。如粗粒的比細粒的易磨圓；硬度大和有解理的顆粒則不易磨圓等。此外，在搬運過程中仍然存在機械破碎，而部分抵消了顆粒的圓化。
（3）碎屑顆粒中礦物成分的變化：碎屑顆粒在被搬運的過程中，那些性質不穩定的礦物，如長石、鐵鎂礦物等，仍然繼續崩解和化學分解，隨著搬運距離的加長，數量會逐漸減少；而那些性質穩定的礦物，如石英，其含量就會相對的增加，礦物成分愈來愈單一。
二、溶解物質的搬運與沉積作用
風化產物中的可溶物質，它們分別以離子形式進入溶液，如Na2CO3、NaCl、Ca（HCO3）2、FeSO4等，這種溶液稱為真溶液；或以膠體微粒分散在溶液中，如Al2O3、SiO2、Fe（OH）3等，這種溶液稱為膠體溶液。真溶液和膠體溶液隨著流水的運移，可溶物質被帶出風化侵蝕區，這種運移方式稱為溶運。
河流的溶運量取決於它的流量和河水性質。一般說來河流的溶運量是很大的。如在1958年測得長江、黃河、黑龍江、西江和錢塘江的溶運量分別為：17790×104t、2018×104t、362×104t、2346×104t、210×104t。河流的溶運量雖然很大，卻遠遠沒有達到飽和的程度，所以溶解物質很少在河床中發生沉澱（積）。溶解物質的沉澱主要發生在內陸湖泊和海洋盆地之中。
（一）膠體溶液物質的搬運和沉積作用
在母岩的風化產物中，低溶解度的金屬氧化物和氫氧化物，常常呈膠體溶液的形式搬運。膠體的質點很小，介於1～100μm之間。由於其質點很小，所以，它具有自己的特點及其影響搬運與沉積的特殊因素。主要有：
（1）由於其質點小，所以在搬運和沉積過程中，重力影響是很微弱的。
（2）膠體質點的比面積特別大，因此它具有特殊的表面電荷。這種特殊的表面電荷，在膠體凝聚或沉積過程中，對離子的吸附起很大的作用。
（3）膠體的擴散能力很弱，不容易通過緻密的岩石。
（4）膠體質點帶有電荷，帶正電荷的為正膠體，帶負電荷的為負膠體。
自然界常見的正負膠體如表2-1-1。同種膠體質點的電荷使它們之間相互排斥而不凝聚。這種性質是影響它的搬運和沉積的一個很重要的因素。若膠體的電荷能夠長期保持穩定狀態而不被中和，則膠體質點可長期處於搬運狀態，隨水流的方向而運移。若膠體溶液中含有一定數量的腐殖質，可以增加膠體的穩定性，有利於它的搬運。
表2-1-1 自然界常見的正負膠體
若膠體質點的電荷因某種因素而發生中和（如「異性」或不同「電荷的」電解質的加入），質點間的相互排斥力消失，膠體質點相互凝聚，受重力的影響而下沉。此外，某些原因（如蒸發作用），使膠體溶液的濃度增大；膠體溶液與外界物質發生反應，亦可使膠體發生凝聚作用。
由凝聚作用而成的膠體物質稱為凝膠。凝膠呈絮狀、果凍狀、糊狀，並含有大量的水分。凝膠逐漸失去水分，體積縮小，變得緻密堅硬，並可進一步發生重結晶作用，這一過程稱膠體陳化或膠體老化。膠體成因的礦物和岩石，具有如下特點：①常呈鍾乳狀、腎狀、豆狀和鮞狀等；②具有貝殼狀斷口；③吸收性強，常具有黏舌現象；④常呈透鏡狀、結核狀產出。
（二）真溶液的搬運和沉積作用
母岩風化產物中溶解度較大的物質，如氯、硫、鉀、鈉、鈣、鎂等成分多呈離子狀態溶解於水中形成真溶液。真溶液中物質的搬運或沉積，主要決定於可溶物質的溶解度。溶解度大的物質，易於搬運，難於沉積（沉澱）溶解度小的物質則相反。
物質溶解度的大小就其本身來講與該物質溶度積有關，即當溫度為一定時，難溶的強電解質溶液中離子濃度乘積為一常數，此常數稱為溶度積，用Ksp表示。當溶液中某物質的離子積達到該物質（化合物）的溶度積大小時，則該物質即可析出。
物質的溶解度除與溶度積有關外，還與介質的pH值、Eh值、溫度、壓力以及CO2含量等一系列因素有關。
（1）介質的酸鹼度（pH值）：pH值除對那些溶解度很大的鹽類影響不大外，對大部分溶解物質的沉積都有較顯著的影響。但不同物質的溶解度所受pH值的影響不一樣，如SiO2的溶解度，是隨pH值的增大而增加；但CaCO3、Fe（OH）3則相反，當介質的pH值增加時，其溶解度反而降低。Al2O3溶解和沉積時所需的pH值情況甚為特殊，它是在pH＝4～10的范圍內發生沉澱，而在pH值不在此范圍內時，均呈溶解狀而被搬運。各種氧化物與氫氧化物與pH值的關系如圖2-1-1所示。常見金屬氫氧化物沉澱時所需的pH值如表2-1-2。
圖2-1-1 各種氧化物和氫氧化物的溶解度與pH 值的關系
（據Lovennan，1969，簡化）
表2-1-2 常見的金屬氫氧化物沉澱時所需的pH 值
（2）介質的氧化還原電位（Eh值）：介質的Eh值對鐵、錳等變價元素的溶解或沉澱影響較大；對鋁、硅等元素的影響較微。鐵、錳等元素在氧化條件下，易成高價化合物，如Fe2O3（磁鐵礦）、MnO2（軟錳礦）等，它們的溶解度小易於沉澱。若在還原和強還原的條件下，鐵、錳等變價元素則形成低價化合物，如 FeCO3（菱鐵礦）、MnCO3（菱錳礦）、FeS2（黃鐵礦）等，它們的溶解度比高價化合物的要大數百倍至數千倍，因而難於沉積而有利於搬運。
沉積成因的鐵、錳礦物，在不同的氧化還原條件下形成的礦物組合是不同的。利用鐵、錳礦物組合的特點，可作為判斷沉積環境的氧化還原電位高低的標志。如含鐵礦物在Eh值很低的強還原介質或硫化氫存在的環境下，形成黃鐵礦、白鐵礦；在Eh值較低的弱還原條件，並由於有機物質分解而造成碳酸過多的情況下往往形成菱鐵礦；在出現少量游離氧的弱氧化環境下，形成海綠石；在游離氧充足的氧化環境下，形成赤鐵礦、針鐵礦、水針鐵礦等。圖2-1-2表示各種鐵錳礦物的沉澱生成與pH值及Eh值的關系。
（3）介質中的CO2含量：介質中CO2的含量對碳酸鹽類礦物的溶解和沉積影響是很大的。如水溶液中CO2含量增多，則pH值就相應地降低，此時碳酸鹽礦物在水中的溶解度就會增大，而不利於沉澱（積）。若水溶液中CO2含量減少，情況則相反。
（4）溫度：一般說來，溫度升高，物質的溶解度增大。但因在地表的條件下，溫度變化不大，故其對物質的溶解度的影響亦不是很大的，最多不超過1.5～2.0倍左右。
圖2-1-2 各種鐵錳礦物的沉澱的物理化學條件
（據W.C.克魯賓和R.W.卡瑞爾斯，1952）
溫度以及蒸發作用對鹽類礦物的析出有特殊的影響。由於溫度升高，蒸發作用增強使物質的濃度增大，有利於沉積。從另一方面來說，溫度的升高或降低，能改變化學反應進行的方向。溫度降低，有利於化學平衡向放熱方向移動，溫度升高，有利於化學平衡向吸熱方向移動。
（5）壓力：壓力對碳酸鹽礦物在水中的溶解度影響也較大。壓力較大時，溶液中有較多的CO2使CaCO3變為Ca（HCO3）2，後者的溶解度較前者高出約1000倍；當壓力減少時CO2逸出，Ca（HCO3）2轉變成CaCO3而發生沉澱。碳酸鹽岩石地區的石鍾乳、石筍以及溫泉出口處的泉華都是這樣形成的。
（三）生物的搬運與沉積作用
在母岩風化產物的搬運與沉積過程中，生物作用同樣產生重要的影響。不少的沉積岩和沉積礦床的形成都與生物作用有關，或完全由生物遺體堆積而成。例如，生物灰岩、硅藻岩、白堊、磷塊岩、油頁岩、煤、石油等。
生物的搬運和沉積作用主要有兩種方式：一種是生物的新陳代謝作用，生物在生活的活動中總要經常不斷地從周圍介質中吸取一定的物質成分組成其肉體和骨骼，從而一些元素發生富集；當生物死亡後，其遺體的堆積物就可以形成特殊的岩石或礦床。另一種作用是生物作用而引起周圍介質條件的改變，從而影響某些物質的搬運和沉積。如由生物作用排出的CO2，對碳酸鹽的溶解與沉澱就有很大的影響；又如由生物作用排出的有機酸，可使水介質的pH值變低，從而使氧化鐵更易於搬運。
三、沉積分異作用
母岩的風化產物在搬運和沉積的過程中，根據其本身的特性，在外部條件的影響下，按照一定的順序有規律地分別進行沉積，稱為沉積分異作用。
按物質沉積的特點，沉積分異作用可分機械沉積分異作用和化學沉積分異作用。此外，生物作用對沉積分異也有一定的影響。
（一）機械沉積分異作用
母岩風化產物中的碎屑物質，根據其本身的特徵：粒度、密度、形狀和礦物成分，在重力的影響下，按一定順序沉積下來的作用，稱為機械沉積分異作用。
碎屑物質在被搬運過程中，首先按粒度進行沉積分異，即沿著搬運方向，碎屑物質按照礫石→砂→粉砂→黏土的顆粒大小順序，作有規律的帶狀分布（圖2-1-3）。這種分異的現象，在自然界是屢見不鮮的。如河流及湖、海盆地的沉積物，均表現出從上游至下游，從邊緣至中心，按顆粒大小作有規律的帶狀分布現象。
在重力作用下，顆粒的沉積速度與它的密度成正比關系：密度大的顆粒沉積快，搬運距離短；密度小的顆粒沉積慢，搬運距離長。因此，從同一母岩區搬運來的碎屑物質，在搬運沉積過程中，出現了按密度大小進行沉積分異的現象。例如，金的密度為19g/cm3、黃鐵礦的密度為5g/cm3、石英的密度為2.65g/cm3，如果這些礦物都從同一母岩體風化出來，在其他條件基本相同的情況下，它們就會按本身密度的不同，沿搬運方向，依次沉積下來（圖2-1-4）。
圖2-1-3 按粒度大小的機械分異圖解
圖2-1-4 按密度（g/cm3）大小的機械分異
碎屑顆粒形狀的不同也是機械沉積分異作用產生的原因之一。粒狀礦物的懸浮能力小，重力對它的影響較大，因而首先沉積，搬運距離較短，片狀礦物懸浮能力強，所以沉積較晚，常被搬運至距母岩區較遠的地方，故在泥質沉積物中常能發現較大的白雲母鱗片。
由礦物成分的不同引起機械沉積分異作用主要表現在那些風化穩定性低的礦物，被搬運的距離較短，而那些風化穩定性高的礦物，如白雲母、石英等，則可以搬運很遠的距離。沉積碎屑岩中的礦物成分一般較母岩的礦物成分簡單，就是按礦物成分發生分異的結果。
（二）化學沉積分異作用
母岩風化產物中的溶解物質，在沉積作用過程中，由於各種元素和化合物的溶解度不同，以及介質的酸鹼度、濃度、溫度等因素的影響，常常依一定順序沉積下來，這種作用稱為化學沉積分異作用。
化學沉積分異作用主要受化合物的溶解度支配。化學性質活潑的元素及溶解度較大的化合物，難於沉澱；化學性質較穩定的元素及溶解度較小的化合物，比較容易從溶液中沉澱出來。化學沉積分異順序的一般模式如圖2-1-5所示。這一模式可簡化為如下幾個階段，即自盆地岸邊至海盆方向沉積次序是：氧化物→磷酸鹽→硅酸鹽→碳酸鹽→硫酸鹽→鹵化物。
在沉積物形成的過程中、不僅有分異作用，同時還有與其相對立的摻和作用。分異作用使物質按粒度、密度、形狀、礦物成分和化學成分的不同進行重新的分配和組合，而摻和作用則使成分、性質不同的物質混雜在一起。
圖2-1-5 化學沉積分異圖解
物質的摻和作用在自然界中屢見不鮮。例如，岩性復雜地區的坡積物，就呈現極其明顯的摻和現象。母岩的風化產物在被流水搬運的過程中，由各支流所帶來的粒度和成分各不相同的物質，與主流中正在進行分異的物質發生摻和，因而打亂了主流搬運的物質的沉積分異順序，結果使沉積物的性質變得更加復雜。
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