地球外部的地质营力包括风力作用、地面流水作用、地下水作用、冰川作用、湖泊作用、海洋作用、生物作用等等。这些地质营力以不同的方式参加表生地质作用的部分过程或全过程。按其先后顺序,表生地质作用包括:风化作用、剥蚀作用、搬运作用、沉积作用等。前三种作用第八章将有详细讨论,本节以介绍沉积作用为主。
(1)风化作用与剥蚀作用
在外部地质营力的作用下,通过物理的(如温度变化导致的热胀冷缩和水、冰、风的机械作用)、化学的(如水、CO2和有机酸导致的溶解和化学变化)以及生物的(如树根扎入岩石裂缝使其崩解,海洋中某些鱼类用锋利的牙齿锉括礁石使其变成砂子和泥)各种因素,使岩石变成碎块、砂、土和溶液的作用过程,都叫做风化作用。
剥蚀作用 是风、水、冰川等地质外营力将岩石的风化产物剥落、刻蚀带走的过程。
风化作用和剥蚀作用都是地质外营力对岩石圈表壳的破坏。它们之间既有联系,又有区别。风化作用是各种介质(水、大气、温度、生物)对岩石的原地破坏。而剥蚀作用则强调风化作用产物被地质外营力带走的过程。
(2)搬运作用
风化作用和剥蚀作用的产物——碎石、砂、土、溶液,从被地表水流、地下水、海流、风、冰川等介质带离其形成地开始,直到在新的条件下停止运动的全部作用过程称为搬运作用。碎屑物质的搬运方式有以下几种:
冰川的搬运是固体呈块体的搬动。
风和水流本身都是主动搬运碎屑颗粒的活跃介质,称为牵引流(或挟带流)。
被搬运的颗粒呈三种运动方式:滚动的、跳跃的和悬浮的。
重力流是颗粒因受重力作用沿斜坡向下运动,实际上是由颗粒运动带动介质运动。因此存在从塑性流体呈块体搬动(泥石流等)到流体(浊流等)呈紊流方式搬运。
溶解物质的搬运可以呈溶液、官能团以及胶体形式搬运。
(3)沉积作用
被冰川、水、风等介质搬运的物质,不会永远被搬运下去。经过一定的距离,由于搬动营力能量的降低,或者遇到适当的物理化学条件,或者在生物的参与下,最终被沉积下来,这种作用过程就叫做沉积作用。
牵引流沉积作用
牵引流挟带的碎屑物质,在粒度和比重上服从机械分异作用的规律。机械分异作用是指碎屑物质在搬运和沉积过程中,当牵引流的流动速度和运载能力延着一定方向发生有规律变化时,碎屑颗粒相应地按颗粒大小、形状、比重和矿物成分发生分异,依次沉积。在自然界这种例子是十分常见的。沿着一条河流,我们可以看到在上游沉积的是砾石、砂砾,到中下游主要是中-细砂,到河口是细砂和粉砂。从河床向河岸两侧也可以看到这样的现象,河床中是中细粒的砂,近岸处是粉砂,越过堤岸到远离河床的低地从粉砂过渡到泥。
由于机械分异作用的结果,一些重要的金属砂矿,如细小的金、铂、锡石、黑钨矿、金刚石、刚玉等砂粒由于比重较大富集在砂砾(岩)层中,成为重要的矿产资源。
颗粒的球度和磨圆度(指接近球形和磨蚀棱角的程度),能反映颗粒在搬运过程中变化的特征。通常,随搬运距离愈远,颗粒的球度和磨圆度愈高。当然也有例外情形,如搬运过程中颗粒破裂了。除此之外,球度与圆度还与矿物成分有关。硬度大的难于磨圆,硬度小的矿物易于磨圆,等轴晶系矿物容易呈球形,而二轴晶系矿物(长条形、片形)则难于磨成球形。圆度与颗粒大小也有关,粗大的砾石搬运不远即可磨圆,而细小的砂粒磨圆的距离要远得多。
分选性是指示沉积物或沉积岩中颗粒大小一致程度的指标。颗粒大小均匀,称为分选性好,颗粒大小悬殊,称为分选性差。分选性通常随搬运距离愈远愈好。介质强烈扰动或反复以近似的强度扰动的地带分选性最好,如潮汐作用反覆冲洗下的海滩砂。
牵引流沉积物的另一个特征是层面和层理构造,由于河、湖、海底部的水流运动速度、方向各异,在不同沉积物中形成各种流水波痕、水平层理、平行层理、和各种交错层理(见第四章图4-3)。
风也是一种牵引流,除了不能搬运溶解物质外,其余与水流无异。只是风能搬运的最大颗粒要比水流小得多。因此沙漠砂的粒度一般不超过0.3mm。风吹动砂同样有滚动、跳动,悬浮(尘土)三种方式。风的沉积作用在结构上磨圆度、球度、分选性都比水流为好。风成砂同样可以形成各种波痕和层理。风成交错层理的前积纹层比水流形成的前积纹层倾角更陡图4-3,f。
重力流沉积作用
重力流 是一种由水、泥、碎屑物质混合的高密度流体,最常见的重力流有泥石流和浊流。
泥石流 通常发育在山麓地带,在大陆斜坡的深海底又称水下泥石流。它们是含有大量粗细碎屑和粘土的粘稠的沉积物,由粘土与水的混合而成,形成强度很高的内聚力,支撑着大小不等的碎屑颗粒呈悬浮状态,在重力的作用下自上向下运动。泥石流呈块体运动,内部颗粒不发生位置交换,因而没有磨擦也不碰撞,当坡度变缓,能量降低时,它会沉积下来,泥石流的沉积作用也是整体的沉积,有如凝冻状态,内部的水分并不与沉积物分离。因此泥石流沉积物的特点是块状堆积,内部不显层理,砾石呈棱角状,无分选,无磨圆,大小混杂,且含大量泥质杂基。泥石流是一种严重的自然灾害,详见第十三章3.2节。
浊流 是重力流的一种,它是泥与水混合的密度流。由于密度大于周围水体,因此它沿水下斜坡呈高速紊流状态运动。除地震、海啸、风暴、滑塌可以诱发浊流之外,水下泥石流的稀释可以转化成浊流。浊流对海底具有极强的侵蚀作用,往往形成特有的冲刷痕——沟痕、槽痕。当它们被浊流沉积物充填后就形成沟模、模槽等砂岩的铸型。具有极强侵蚀作用的浊流头部过后,由于速度的减缓,身部开始发生沉积作用。形成自下而上由粗变细的层序。由于这一层序是由鲍玛(A.H.Bouma)在1962年首先提出的,因此把它称为鲍玛层序(图5-20)。其中最为特征的是a段,由于浊流能量的骤然降低,最粗的颗粒先行沉积在底部,然后粒度依次递减,但是泥质杂基也随着粗细砂粒同时沉积,形成杂基支撑的递变层理。