搬运作用与沉积作用-搬运作用

第一节  搬运作用

地表风化和剥蚀作用的产物分为碎屑物质和溶解物质。它们除少量残留在原地外，大部分都要被运动介质搬运走。自然界中的风化、剥蚀产物被运动介质从一个地方转移到另一个地方的过程称为搬运作用。

一、搬运作用的方式

碎屑物质的搬运主要以推移、跃移、悬移和载移的方式来进行，又称为机械搬运；溶解物质的搬运以真溶液和胶体溶液的形式进行，故称为化学搬运；生物的搬运作用与前两种类型相比意义较小。

（一）机械搬运作用

机械搬运作用是各种营力搬运风化、剥蚀所形成的碎屑物质的过程。流水、风、冰川、海浪等营力，均能进行机械搬运。由于不同营力有不同的特点，所以不同营力的搬运也各具特色。由于所搬运的碎屑颗粒大小有别，不同大小粒级的物质搬运特点亦不相同。概括起来，机械搬运作用可分为推移、跃移、悬移和载移四种方式。

碎屑物质的搬运方式取决于颗粒在介质中的受力状况。流体作用于碎屑颗粒上的力主要有：浮力（F）、重力（G）、水平推力（P）和垂直上举力（R）。水平推移力（简称推力）是流体作用于颗粒上的顺流向的力，垂直上举力则是由紊流的扬举作用和流体由于不同深度的速度差异而产生的一种向上的力。

1.推移

流体在运动过程中，对碎屑物质有一个向前的推力。当P≥f·（G—F—R）时（f为摩擦系数），碎屑颗粒开始沿介质底面滑动和滚动，这种搬运方式叫推移。被推移的物质一般为粗碎屑物质，如粗砂和砾石。颗粒的重量与颗粒半径的立方成正比，如果碎屑颗粒成分相同或相似，显然粗大的颗粒需要较大的推动力，才能克服摩擦力而移动，细小的颗粒只需较小的推动力便可向前移动。简言之，砂比砾石更容易搬运，这和自然界中见到的情况一样。如果碎屑颗粒的成分不同，则比重大者需较大推力才能移动，而比重小者需较小的推力就能移动。碎屑颗粒的形态也是重要的影响因素，球形颗粒容易被推移产生滚动，椭圆形颗粒次之，扁圆形或球度低的颗粒在较大的推力条件下才能产生滚动，一般多产生滑动。

2.跃移

在搬运过程中，碎屑物质沿地面呈跳跃方式向前移动的过程叫跃移。一般来说，细砂、粉砂的搬运方式以跃移为主。当R≥G—F时，碎屑颗粒就会从地面上跃起，并在推力作用下向前移动。当颗粒上升到一定高度时，上举力就会大大减小，在重力作用下，颗粒再次落到地面上。上举力减小的原因是由于颗粒跃起后，颗粒上下的绕流线呈对称状，并且颗粒上下流体的速度差也明显变小，导至压力差减小，上举力也就降低。颗粒跃起、降落，再跃起、再降落。这种过程反复地进行，碎屑颗粒就不断地跳跃前进。跃移主要与受力状况和流体速度有关，但还与颗粒大小、形状、性质和排列情况等因素有关。

3.悬移

细小的碎屑颗粒在流体中，由于R＋F>>G，故不易沉到底部，总是呈悬浮状态被搬运，这种搬运方式称悬移。悬移主要发生在紊流中，流体的紊流作用使得上举力大于碎屑颗粒的重量，其结果使细小的物质悬浮在流体中搬运。影响碎屑颗粒是否呈悬移方式搬运的因素，除紊流作用和颗粒大小之外，还与颗粒形状、比重及流体粘度有密切关系。在相同的流速条件下，粒径小、比重小的易于悬浮，而粒度大、比重大的颗粒则不易于悬浮。

4.载移

冰川在刨蚀作用的同时也进行搬运作用，被冰川搬运的物质称冰运物。冰川除在冰川前端推进时推移前端的碎屑物质外，主要是搬运刨蚀冰床基岩的产物和两侧谷壁基岩塌落下来的碎屑物。这些碎屑物有的堆积在冰川表面，有的冻结在冰体内，随冰川一起运移。恰似一条传送带载运物质，这种冰的固体搬运过程称为载移。

（二）化学搬运作用

母岩经化学风化、剥蚀作用分解的产物（溶解物质）呈胶体溶液或真溶液的形式被搬运称化学搬运作用。Al、Fe、Mn、Si的氧化物难溶于水，常呈胶体溶液搬运；Ca、Mg、Na等元素所组成的盐类，常呈真溶液搬运。

1.胶体溶液搬运

低溶解度的金属氧化物、氢氧化物和硫化物，常呈胶体溶液被搬运。胶体溶液的性质介于悬浮液和真溶液之间，在普通显微镜下不能识别。胶体质点极小，存在着布朗运动，因此重力影响微弱，使得胶体能够搬运较远的距离；胶体质点常带电荷，当胶体具有相同符号的电荷时，因排斥力而避免胶粒聚集成大颗粒，有利于搬运；有机质的护胶作用可使胶体在搬运中保持稳定。当胶体进入海洋或湖泊中，由于化学条件发生变化，搬运过程结束，胶体凝聚沉积。

2.真溶液搬运

母岩风化、剥蚀产物中，Cl、S、Ca、Na、Mg等成分多呈离子状态溶解于水中，即呈真溶液状态被搬运。有时Fe、Mn、Al、Si也可以呈离子状态在水中被搬运。可溶物质能否溶解、搬运或者沉淀，与其溶解度有关。可溶物质的搬运或沉淀还与水介质的酸碱度（pH值）、氧化-还原电位（Eh值）、温度、压力以及CO2含量等一系列因素有关。

二、不同营力的搬运作用特点

在地面流水、海洋、湖泊、地下水、冰川和风等营力中，某些营力既能进行机械搬运，又能进行化学搬运，而有些营力只能进行机械搬运。由于不同营力各具特点，所以它们的搬运作用特点亦不一样。

（一）地面流水的搬运作用

地面流水的搬运作用既有机械搬运，也有化学搬运。但以机械搬运作用为主，包括推移、跃移和悬移三种方式。不同的流水状态和颗粒大小，其机械搬运方式有所不同。在洪流中，往往推移、跃移和悬移三种方式同时存在；在片流中，主要是推移和悬移；在河流中，上游水急、颗粒较大，推移、跃移和悬移三者共存，且推移、跃移更重要一些，在中下游则是跃移和悬移更主要。颗粒的搬运方式不是固定不变的，随着流速增大，推移可变为跃移，跃移也可变为悬移；流速降低时，则发生相反的转变。

在河流中，较粗大的砾石多是以推移搬运。砾石一般呈椭球形或长圆形，它们在河水推动下，其长轴总是垂直水流方向，并沿河底向前移动。一旦水流推力减小时，它们就停积下来，砾石的最大扁平面倾向河流上游，并呈叠瓦状排列。位于主流线附近的砾石，长轴方向可平行水流，最大扁平面仍倾向河流上游，据此可以判断古代河流的流向。颗粒中等的砂粒搬运方式很复杂，由于水流是不均匀的运动，砂粒也就会不均匀地运动，发生推移与跃移相交替的现象。细、粉砂级以下的颗粒通常以悬移为主。

流水的搬运能力与流速有关。根据爱里定律：被搬运碎屑颗粒的粒径与流速的平方成正比，即∝RV2（R为颗粒直径，V为流速）；而颗粒重量与其半径的立方成正比，即G∝r3（G为颗粒重量，r为半径）；所以被搬运颗粒的重量与流速的六次方成正比。如果流速增加一倍，则能被搬运的颗粒重量将增大64倍。因此，在山区河流或上游河段中，常可见到直径2～3m的石块被搬运走。

河流的搬运能力不仅与流速、流量有关，还与流域内自然条件有关。气候干燥、风化强烈、地面缺少植被的地区，进入河流的泥沙多；反之，进入河流的泥沙则少。全世界河流，每年能将约200亿t的碎屑物运入海洋。我国黄河在流经黄土地区以前，其机械搬运量不大，而进入黄土地区后，含砂量猛增。黄河最大含砂量为42.29％，其支流无定河最大含砂量竟达78％，故有“黄河斗水七升砂”之说。长江流域因植被覆盖较好，输砂量比黄河小得多。

片流的流量和流速均较小，它只能搬运少量的、细小的碎屑颗粒，但在大雨时，片流借助于重力，也能搬运较大的砾石。洪流的流量和流速均较大，因而具有很强的搬运能力，它能挟带大量的泥砂和巨大的石块沿沟谷流动。

（二）地下水的搬运作用

由于地下水主要是在松散沉积物和岩石空隙中运动，流速很小，故其机械搬运力很弱。只有在较大的地下河中，才与河流相类似。

地下水主要为化学搬运，化学搬运物的成分和数量，取决于地下水渗流区的岩石性质和风化程度。流经灰岩地区的地下水，含HCO3-、Ca2+、Mg2+较多。在干旱及半旱地区，因化学风化较弱，只有极易迁移的K+、Na+、Cl-、SO-等离子，易被地下水运走。在湿热气候区，化学风化作用强烈而彻底，地下水搬运的物质除上述物质以外，可有较多的SiO2、Al（OH）3、Fe（OH）3等胶体物质。

地下水的溶运能力，与水温、压力、运移速度、酸碱度及CO2含量有关。一般来说，温度高、压力大、流速快、CO2和酸类物质含量高时，其溶运能力强；反之，则较弱。据统计，全世界每年由河流搬运入海的溶解物质多达49亿t，其中大部分由地下水搬运而来。

（三）冰川的搬运作用

冰川的搬运是颇具特色的。首先，它们是固体搬运即载移，搬运能力很大；其次，冻结在冰体内的岩石碎块不能自由移动，彼此间很少摩擦与撞击，只是岩块与岩壁间有摩擦；再者，冰川具有较大的压力。这些特点决定了其沉积物的特征。冰川搬运的物质通常称为冰碛。冰川不同于地面流水、地下水、海水、湖水和风，这些外动力的机械搬运都要耗费搬运介质的动能，而冰川搬运并不消耗冰川的动能。冰川发生流动说明此时冰面倾斜产生的重力或压力已足够大，由此而引起的平行于冰床方向的分力，已超过冰川与冰床之间或上、下冰层之间的摩擦力。在此情况下，冰川上叠加再大的岩块、再多的岩屑，不但不会阻止冰川的流动，而且会助长冰川的流动。正像在向下坡滑行的车辆上加载重物，会促进车辆运动一样。因此，冰川的机械搬运力巨大，可将体积几百立方米，重几十吨到几万吨的石块搬走。一般将冰川搬运的、直径大于1m的岩块称为漂砾。冰川的搬运能力取决于冰川类型、流动速度、流经区岩石的性质和冰冻风化作用的强弱等因素。

（四）风的搬运作用

风的密度远较流水小，所以其搬运能力比相同速度的流水小得多，它通常只能吹动砂级以内的颗粒。风搬运的能力虽小，但由于风沿地面吹动，常波及几万平方公里的范围。因此，风沙流所携带的砂量往往是很大的。在沙漠地区，一次大风暴形成的风沙流所搬运物质的总量可达几十万到几百万吨。风的搬运能力主要决定于风速，此外还与搬运物的颗粒大小、比重、形状以及地面状况有关。地面风速很小时，只能吹动微尘；当风速大于4m/s时，就能将0.1～0.25mm的沙粒吹动。随着风速加大，搬运沙粒的粒径也就加大，风沙流中的含沙量也随之增加。据观测，在干燥的沙漠地区，风速大于30m/s时，可将地面的细砾吹走，造成飞砂走石的现象。总的来说，在风力推移下的砾、砂运动速度较慢（＜2.5cm/s），推移物质数量亦较少，大部分颗粒以跃移、悬移为主。

跃移是风搬运砂粒的主要形式，颗粒在风中产生的跳跃，同在流水中的原理一样。不同的是颗粒在空气中的移动，要比在水中自由得多，而且活动状态也很不同。一个飞扬的颗粒如果碰击在基岩或大石块上，其跳跃几乎像弹性体，很少失去动能，这是由于空气密度很小的缘故。如果飞扬的颗粒落在松散干燥的砂质沉积物上，飞行砂的能量就消失在被撞击的颗粒上，被撞击的颗粒如果较细，就会被抛向空中，这样就发生了真正的“连锁反应”。如果被撞击的颗粒较粗，就会产生挪动。弹起的颗粒不论其高度和方向如何，都将被风驱驰着向前搬运，那些弹得愈高的也就搬运行愈远。颗粒的跃移轨迹呈弓形弹道式，它们都以与水平面呈略小于15°的角度，不断地撞击沉积物的表面。在正常的地面风条件下，粒径小于0.1～0.2mm的颗粒，可呈悬浮搬运；粒径小于0.005mm的粉砂与粘土，可以像尘埃一样弥散在空气中被长距离搬运。当发生风暴时，这种搬运作用就更为强烈。

（五）海洋（及湖泊）的搬运作用

在海洋中，波浪、潮流和海流是主要搬运营力。在滨海地区，通常以波浪为主要搬运营力；在峡湾或潮汐通道附近，潮流的搬运作用明显；在半深海与深海则以海流为主要营力。推移方式的搬运主要出现在海滨，推移物质一部分来自河流，另一部分来自海蚀作用。当波浪垂直海岸作用时，进流将砾石推向岸边，回流则将砂带向深水区。这种物质垂直海岸方向的移动称为横向搬运。它可使碎屑物质产生良好的分选，并造成碎屑物质由岸向海呈带状分布，即砾石、粗砂在岸边，较细的物质在海洋一侧。滨海砾石的长轴大致与海岸线平行，其最大扁平面倾向海洋。当波浪斜向冲击海岸时，在进流与回流的共同作用下，粗砂和砾石以推移方式沿海岸方向运移。

湖泊的搬运作用与海洋类似，但其动能比海洋要小得多。

三、搬运过程中碎屑物质的变化

碎屑物质在长距离搬运过程中，由于颗粒间的碰撞和摩擦，流体对颗粒的分选作用，以及持续进行的化学分解和机械破碎，使得矿物成分、粒度、分选性和外形都要发生变化。

（一）矿物成分上的变化

由于搬运过程中的化学分解、破碎和磨蚀作用，随着搬运距离增长，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、燧石等含量就会相对增加。

搬运过程中的破碎和磨蚀作用对矿物成分的影响，许多学者作了研究。一般来说，软的、耐磨性低的、易劈开破碎的矿物，容易磨损甚至消失；反之，就易于保存而含量相对增加。重矿物随远离侵蚀区，其含量明显减少。

（二）粒度和分选性的变化

粒度是指碎屑颗粒的大小。分选性是指颗粒大小趋向均一的程度。随搬运距离的增长，沉积颗粒愈来愈细。河流上游因距离近，河床中只有较粗的物质；下游搬运距离远，河床中的物质则较细。另外，磨蚀和破碎作用不断使颗粒变小，随着搬运距离的加大，使细小的颗粒不断增加。随着搬运距离的增加，颗粒分选程度也愈来愈高，即颗粒大小越趋向于一致。但分选性还与粒度有一定关系，即愈趋向于细砂级，分选就愈好。因为细砂最活跃，易于沉积也易于搬运，因此可以受到不止一次的分选作用。应该注意，分选性与营力的性质有密切关系，风积物分选性好，而冰碛物分选性极差。因此，分选性是判定沉积物成因的重要标志。

（三）圆度和球度的变化

圆度是指碎屑颗粒在搬运过程中，棱角磨损而接近圆形的程度。球度则是碎屑颗粒接近于球形的程度。由于磨蚀作用，随着搬运距离的增长，圆度和球度一般是愈来愈高。特别在搬运初期，圆化较为迅速。破碎作用的存在，可部分地抵销颗粒的圆化。碎屑颗粒的圆化还受到矿物物理性质、搬运方式等因素的影响。硬度低者易于磨圆，粒状矿物易于磨圆。推移、跃移易使颗粒圆化，悬移难使颗粒圆化，载移则不能使颗粒圆化，故冰碛物多为棱角状。

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