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地质隧道施工沉积作用产物及特征

时间:2023-10-12 理论教育 版权反馈
【摘要】:沉积物堆积成半圆锥形或扇状地貌,称为冲积锥或冲积扇。由洪流形成的沉积物叫洪积物。在洪积扇顶部与洪积扇边缘之间,沉积物既有砾石,又有砂及黏土。若地下水沿洞壁渗出,可形成帷幕状的沉积物,称为石幔。由冰川形成的沉积物统称为冰碛物。

地质隧道施工沉积作用产物及特征

1.河流的沉积作用

河流上游沉积:在河流上游,由于坡降大,河流具有较大的动能,河水搬运能力强,细粒物质被冲走,沉积物以河床砾石为主,成分复杂。砾石呈叠瓦状排列,一般厚度不大,常呈透镜体分布于河道之中。

边滩与河漫滩沉积:河道在侧蚀弯曲的过程中,河水携带的碎屑物在凸岸一侧沉积,由浅滩而边滩。边滩沉积物的成分复杂,常含有植物碎片,粒度变化范围大,规模较大河流的边滩沉积物,以砂为主,有少量的砾石和粉砂;较小河流的边滩沉积物,粒度可粗至砾石级;边滩沉积是单向环流侧向加积的产物。在洪水期,水位增高,洪水中的细粒物质(粉砂、亚黏土等)沉积在淹没于水中的边滩面上,形成河漫滩。因此,河漫滩沉积具有二元结构,即底部为边滩沉积,顶部为河漫滩沉积。

心滩沉积:心滩沉积形成于洪水期。在洪水期,河流表流从中央向两侧流,底流从两侧向中心汇聚,然后上升,由于水流的相互抵触和重力作用,碎屑在河心发生沉积。随着经历洪水期次数的增加,心滩逐渐扩大、加高,最后露出水面。比较而言,心滩沉积物粒度变化较边滩沉积物物粒度变化大,成分更复杂,有砾石、粗砂,有时还有粉砂和黏土夹层。

天然堤与决口扇沉积:洪水期河水越过河岸,由于河水变浅、流速骤减,河水河流搬运过程中所携带的大量悬浮物质很快在岸边沉积下来,形成天然堤。天然堤主要发育在蛇形弯曲的河流中,沉积物为粉砂和泥,一层粉砂一层泥。决口扇,是洪水冲垮天然堤,在天然堤外侧斜坡上形成的扇状堆积物。它在剖面上呈透镜状,厚度自数十厘米到几米。沉积物的粒度比天然堤的粗,主要为细砂和粉砂。

牛轭湖沉积:由于河流的侧蚀弯曲、截弯取直,形成的封闭湖泊称为牛轭湖。其沉积物底部是侧向加积形成的河道沉积物,往上为垂向加积的粉砂和黏土,富含有机质,垂向加积的细粒物质是由洪水期河流所带来的。

山口沉积:来自山区的河流,在流出山口时,由于坡降明显减小,水流无地形约束而散开,河流的搬运能力显著降低,所携带的大量碎屑物便堆积在山口开阔的平地上。沉积物堆积成半圆锥形或扇状地貌,称为冲积锥或冲积扇。山口沉积是在水位突然退落、动力变小过程中沉积的。因此,锥顶沉积物颗粒粗,以砾石、砂为主,向边缘逐渐变细。

河口沉积:当河流进入河口时,水域骤然变宽,再加上海水或湖水对河流的阻挡作用,流速减小,机械搬运物便大量沉积下来。所形成的沉积体形态,从平面上看像三角形,故称为三角洲。从剖面上看,三角洲常具有三层构造,包括顶积层、前积层和底积层。前积层是河水到达河口后,最先在汇水盆地边缘沉积的较粗泥、砂沉积物,它向海洋(或湖泊)方向倾斜,近岸处较陡,随着离岸渐远而逐渐变缓。底积层是河流带来的悬浮物,在前积层的前方形成的水平沉积层,由粉砂和黏土组成,粒细、层薄。顶积层是前积层增长到河底高度时,随着三角洲向海推进,在前积层之上沉积的、近水平的冲积物。值得指出的是,三角洲处于海陆过渡地带,沉积环境较为复杂,既有河流的沉积作用,又有海水的沉积作用,很难把它们分开。

2.洪流及片流的沉积作用

洪流是干旱和半干旱地区主要的地质营力,洪流的沉积作用很普遍。洪流不但具有强大的侵蚀能力,而且具有较强的搬运能力。当洪流携带大量碎屑物质,抵达冲沟口时,水流突然分散,碎屑物质便沉积下来。由洪流形成的沉积物叫洪积物。洪积物在冲沟口所形成的扇状堆积体叫洪积扇。大型的洪积扇中,洪积物具有明显的分带现象。在洪积扇顶部,堆积有粗大的砾石,这是水动力在此地带突然降低所致。在洪积扇边缘,地形较缓,水动力更弱,沉积物主要为砂、黏土,并具有层理。在洪积扇顶部与洪积扇边缘之间,沉积物既有砾石,又有砂及黏土。洪积物这种分带现象是粗略的,各带之间没有截然的界线。

洪积物具有如下特点:

(1)洪积物分布有明显的地域性,其物质成分较单一,不同冲沟中的洪积物岩性差别较大。

(2)洪积物分选性差,往往砾石、砂、黏土混积在一起

(3)洪积物的磨圆度较低,一般介于次圆状和次棱角状。

(4)洪积物的层理不发育,类型单一。

(5)洪积物不具二元结构,在剖面上,砾石、砂、黏土的透镜体相互交叠,呈现出多元结构。

片流是一种面状水流,水动力本来就较弱。随着水动力的逐渐消失,所携带碎屑物质在坡坳、坡麓地带形成坡积物。坡积物沿山麓连续分布形成坡积裾。坡积物一般为细碎屑物,如亚砂土、亚黏土等。

坡积物与洪积物经常共存,但由于坡积物来自附近山坡,所以坡积物一般比洪积物成分更单纯,坡积物中砾石含量少,洪积物砾石丰富;坡积物的分选性比洪积物差;坡积物比洪积物的磨圆度低,砾石的棱角较明显;坡积物略显层状,不具洪积物的分带现象;坡积物多分布于坡麓,构成坡积裾;洪积物分布于沟口,形成洪积扇。

3.地下水的沉积作用

地下水的沉积作用以化学沉积作用为主,一般只在地下河、地下湖才发育一定数量的碎屑沉积,另外还可形成一些洞穴崩塌碎屑堆积。地下水溶蚀搬运的各种物质,在渗流过程中,由于水温及压力等条件改变,便可发生沉积,有利于化学沉积的场所主要是洞穴和泉口。

溶洞沉积物在灰岩区,当溶有重碳酸钙的地下水渗入溶洞时,压力突然降低,水中溶解的二氧化碳逸出,形成碳酸钙沉淀。地下水在洞顶渗出,天长日久便可在洞顶形成悬挂的锥状沉积物,称为石钟乳;地下水滴至洞底形成向上增长的笋状沉积物,称为石笋;当石钟乳和石笋连接在一起时称为石柱:它们统称为钟乳石,其沉积物多呈同心柱状或同心圆状结构。若地下水沿洞壁渗出,可形成帷幕状的沉积物,称为石幔。

泉华沉积物:当泉水流出地表时,因压力降低、温度升高,地下水中的矿物质发生沉淀,沉淀在泉口的疏松多孔物质叫泉华。泉华的成分为碳酸钙时,称为钙华或石灰华;以二氧化硅为主时称为硅华。因泉华物质成分、沉淀数量及泉口地形的差异,泉华可成锥状、台阶状或扇状。

4.冰川的沉积作用

冰川向雪线以下流动,并不是无休止的。随着气温的逐渐升高,冰川逐渐消融,搬运物也就随之堆积。此外,冰川前进时若底部碎屑物过多或受基岩的阻挡,也会发生中途停积。由此可见,冰川的沉积是纯机械沉积。由冰川形成的沉积物统称为冰碛物。

当气候条件稳定时,冰川的前端稳定于一定位置,该位置称为冰前。冰前位置冰川的消融量等于供给量。冰川搬运物不断输送到冰前,堆积形成弧形的垅岗,是为终碛堤或终碛垅。终碛堤或终碛垅外侧较陡,内侧较缓。不同类型及规模的冰川所形成的终碛堤差异甚大。当全球气候变冷,冰川扩展时,即冰进时期,冰川供给量大于消融量,终碛堤被推进,可形成宽缓的终碛堤。在大陆冰川终碛堤的内侧,冰川流动时,因碎屑物过多或受基岩阻挡,搬运物堆积,形成一系列长轴平行于流向的丘状地形,称为鼓丘。

当气候转暖,冰川萎缩时,即冰退时期,搬运物不是运往固定的地点堆积,而是随着冰前的后退堆积在冰床上,这部分冰碛称为底碛。山谷冰川的两侧在冰川退缩时,可堆积成侧碛堤。在复式冰川中,两冰川侧面的复合部位的堆积形成中碛堤。

冰碛物常具有如下特征:

(1)山岳冰川碎屑成分与冰川发育区的基岩成分基本一致,大陆冰川的冰碛物成分复杂,并且细粒碎屑中不稳定的成分较多。

(2)由于冰川为固体,无分选作用,故冰碛物分选性极差,大至漂砾,小至黏土,混杂堆积在一起,形成“泥包砾”的现象。

(3)冰川中的碎屑颗粒彼此不相摩擦、碰撞,故冰碛物磨圆度极差。

(4)岩块和砾石无定向排列,杂乱无章,亦无层理。

(5)冰碛物表面常有磨光面或交错的钉头形擦痕,还可出现凹坑和裂隙。具冰川擦痕的砾石称为条痕石。(www.xing528.com)

(6)冰碛物内部化石稀少,常保存寒冷型的孢子花粉。

5.风的沉积作用

风的沉积属纯机械沉积。在风的搬运过程中,因风速减小或遇到各种障碍物,搬运物便沉积下来形成风积物。

6.湖泊及沼泽的沉积作用

湖泊是陆地上的集水洼地,其沉积作用占主导地位。湖泊可分为淡水湖和咸水湖两类。淡水湖以机械沉积为主,咸水湖则以化学沉积为主。

湖泊的机械沉积作用:湖水的机械沉积物主要来源于河流,其次为湖岸岩石的破碎产物。碎屑物质从浅水区进入深水区,由于动力逐渐减小,逐步发生沉积。从湖滨到湖心,沉积物粒度由粗变细,呈同心环状。湖泊与海洋相似,粗碎屑物也可以堆积成湖滩、沙坝和沙嘴;细小的黏土物质被湖流搬运到湖心,极缓慢地沉积到湖底,形成深色的、含有机质的湖泥。湖底较平静,沉积物不受波浪扰动,因此发育水平层理。一般来说,山区湖泊碎屑沉积物的粒度偏粗,平原区湖泊的沉积物粒度较细。

湖泊的化学沉积作用:湖水化学沉积作用受气候条件的控制极为明显,不同的气候区化学沉积物差别很大。

沼泽的沉积作用:沼泽的沉积作用以生物沉积作用为主。沼泽是地表充分湿润或有浅层积水的地带,一般喜湿性植被发育。植物死亡后,堆积起来形成泥炭。泥炭沼泽可分为低位、中位和高位三种类型。低位沼泽低于地下水面,由地表水和地下水补给,植物能得到充足的养分;高位沼泽中部隆起,只能从大气降水得到补给,植物缺乏养分;低位沼泽泥炭最为发育。泥炭是褐色或暗棕色、相对密度0.7~1.05的疏松有机物,可作为燃料,亦可用于化工原料和农业肥料。

7.海洋的沉积作用

海洋是巨大的汇水盆地,是最终的沉积场所。

海洋的沉积作用可进一步划分为滨海、浅海、半深海和深海几个环境分区。

海滨的沉积作用:滨海是海陆交互地带,其范围是最低的低潮线与最高的高潮线之间的海岸地带。滨海区当潮汐、波浪和沿岸流的搬运动力变小时,就产生机械沉积。滨海区由于潮汐、波浪的作用还可带来较多的生物碎屑,形成一定的生物沉积。

海滩沉积:海滩是在海岸地带由碎屑沉积物堆积而成的平坦地形。在山区河流的入海口或基岩海岸附近,海滩沉积物主要由砾石组成,称为砾滩。砾石具有较高的磨圆度,扁圆形砾石常具定向性排列,砾石长轴基本与海岸平行,最大扁平面倾向海洋。沙滩主要由砂组成。在波浪的长期作用下,砂粒具有良好的分选性和磨圆度,成分单一,不稳定矿物少,以石英砂最为常见。

潮坪沉积:在宽阔平缓的海岸地带,波浪波及不到这里,只有高潮时海水才能到达,因而这里以潮汐作用为主,此地带称为潮坪。潮流动能小于波浪,仅能把细砂、粉砂和黏土搬运到潮坪上沉积。由于潮水周期性的往复运动,潮坪沉积具双向斜层理现象,沉积物表面发育波痕、泥裂、虫迹等。

沙坝及沙嘴沉积:当海浪从沙质海底的浅水区向岸推进时,在水深约等于两个波高处,进浪与底流相遇。波浪的破碎使动能减小,所携带的泥沙便堆积下来,开始形成水下沙埂,沙埂进一步增高加宽,形成平行于海岸的长条形垅岗,称为沙坝。沙嘴也是由沙粒堆积而成的长条形垅岗,它一端与海岸相连,另一端伸入海中。它的形成过程与沿岸流有关。由于海岸曲折,每一股沿岸流并不随之曲折,当沿岸流推动砂粒前进时,因惯性使砂粒进入海湾区,然后减速发生沉积。另外,两股反向沿岸流相遇时,能量相互抵消销,也能使砂粒沉积形成沙嘴。

贝壳堤:在平缓而又坚实的海滨带,牡蛎等软体动物可以大量繁殖,死亡后,其骨骼被波浪冲到海滩堆积形成贝壳堤或介壳滩,如果富集、规模大,可作为石灰原料。

浅海的沉积作用:浅海是海岸以外较平坦的浅水海域,其水深自低潮线以下至水深200m之间。许多地区的大陆架水深在200m以内,地势开阔平坦,所以浅海大致与大陆架相当。浅海距大陆较近、各种生物极其繁盛,是海洋中最主要的沉积区,无论沉积物数量及沉积作用的类型都比海洋中的其他环境分区要丰富得多,古代海相沉积岩中绝大部分也为浅海沉积。

浅海的碎屑沉积:浅海中90%以上的碎屑物来源于大陆。当不同粒级碎屑进入浅海时,海水的运动使颗粒下沉速度减慢,一些较细的颗粒处于悬浮状态,海流将这些悬浮物搬运到离岸较远的地区;较粗的颗粒沉积在近岸地区。因此从近岸到远岸,依次排列着砾石、粗砂、细砂、粉砂和黏土等。浅海带沉积物的特点是:近岸带颗粒粗,以砂砾质为主,具交错层理和不对称波痕,含大量生物化石,有良好的磨圆度和分选性,成分较单一;远岸带粒度细,以粉砂和泥质为主,具水平层理,波痕不发育,有时有对称波痕,分选好但磨圆度不高,成分较复杂。

浅海的化学沉积:浅海是化学沉积的有利地区,形成了众多的化学沉积物,其中许多是重要的矿产。地质历史时期曾发育过大量浅海化学沉积,现代浅海化学沉积主要发生在中、低纬地区。浅海的化学沉积物主要有碳酸盐、硅质、铝、铁、锰氧化物和氢氧化物、胶磷石和海绿石等。

碳酸盐沉积:在浅海化学沉积物中,碳酸盐类所占比重最大,主要为灰岩和白云岩。碳酸盐沉积的原因是温度升高或压力降低,这样引起海水中CO2含量减少,重碳酸钙过饱和形成CaCO3沉淀。在海水动荡的条件下,碳酸钙以一定的质点(如岩屑)为核心呈同心圆状生长,形成鲕粒状沉积物,成岩后成为鲕状灰岩。已固结或弱固结的碳酸钙被波浪冲碎并搓成扁长形团块,胶结成岩后,形成竹叶状灰岩。

硅质沉积:硅质沉积是浅海化学沉积物的重要组成部分。海水中的硅质一部分来自大陆,它们以溶解硅和悬浮硅两种形式存在;另一部分硅质来源于海底火山作用、海水的溶解作用及生物活动。当硅胶进入海洋后,在温度较低、偏碱性的环境中,逐步凝聚而沉积下来,形成蛋白石,进一步脱水形成燧石。燧石常呈结核状、透镜状或条带状产出,颜色多样。

铝、铁、锰及海绿石沉积:海水中的铝、铁、锰等主要来自大陆。湿热气候区,强烈的化学风化作用,使铝、铁、锰呈胶体状态随河流水迁入海水中,在近岸地带遇电解质凝聚沉积,因近岸区海水动荡,形成鲕状结构或豆状、肾状结构沉积物。海成铝土矿由铝的氢氧化物组成,铁质沉积物主要为赤铁矿和褐铁矿,锰质沉积为水锰矿、硬锰矿。海绿石是一种绿色黏土矿物,是由海水中硅、铝、铁的胶体吸附钾离子而成。

磷质沉积:磷主要以的形式存在于海水中,表层海水含磷量低,难以沉积。海洋的下层由于有机物体的分解富含磷质,当富含磷质的海水随着上升洋流到达浅海区后,因压力减小,温度升高,CO2的含量降低,磷质发生沉积,形成胶磷石[Ca3(PO42]。胶磷石和其他沉积物共同组成磷灰岩。当含磷量较高时形成磷矿床。

浅海的生物沉积:介壳石灰岩和生物碎屑岩浅海带生活着大量底栖生物,当它们死亡后,生物的壳体与灰泥混杂沉积,可形成介壳石灰岩;生物壳体或骨骼的碎片可以与其他沉积物混杂形成生物碎屑岩。

生物礁:生物礁是指在海底原地增殖、营群体生活的生物,如珊瑚苔藓虫和层孔虫等的骨骼、外壳以及某些沉积物在海底形成的隆起状堆积体。珊瑚礁在浅海沉积中有特殊意义,珊瑚虫对生活环境有较严格的选择,只能生活在20℃左右的海水中,并且要求水质清澈、盐度正常,水深不超过20m,水流通畅而不激烈动荡。在这种环境中,珊瑚虫不断繁生,其骨骼逐渐堆积成礁。如果珊瑚环绕岛的岸边生长,形成岸礁;如果珊瑚礁平行海岸分布,与岸间有一个较宽的水道,则成为堡礁;珊瑚围绕海底隆起的边缘生长则形成环状的礁体,称为环礁。

半深海及深海的沉积作用:半深海是从浅海向广阔深海的过渡地带,水深一般位于200~2 000m,在海底地形上相当于大陆坡的位置,通常地形坡度较陡。深海是水深大于2 000m的广大海域,其海底地形主要包括大陆基、大洋盆地及海沟等。

半深海及深海离大陆较远,一般来说,粗粒物质很难到达这里,只有浊流、冰川和风以及火山作用,能产生较粗的物质沉积。浊流所悬浮和挟带的大量物质,在进入大陆坡脚和深海盆地时,因搬运能力剧减发生堆积,所形成的沉积物叫浊积物。由浊积物构成的扇状地形叫深海扇。深海扇的沉积厚度较大,进入深海平原厚度减小。浊积物主要由黏土和砂组成,还有砾石、岩块、生物碎屑等。具分选性和层理。

陆源物质部分沉积于浅海带,粒径小于0.005mm的悬浮物质进入半深海和深海区。这些物质虽属陆源的悬浮物质,但它们几乎都是胶体性质,可长期悬浮于水中,只有在极安静的水动力条件下才能沉入海底。由于海洋中波浪和洋流的存在,极安静的环境几乎不存在,如果不是胶体物质的凝聚作用,它们可能不会发生沉积。

半深海中的沉积物具有世界共同的特点,即都是一些胶状软泥,其成分大体相似。这些软泥据颜色的差异有蓝色软泥、绿色软泥、红色软泥等。

半深海及深海的生物沉积主要是一些生物软泥,尤其是深海区分布较广,它是深海沉积的重要部分。大量的浮游生物死亡后堆积,与泥质沉积物混在一起形成生物组分超过50%的软泥。生物软泥据其成分和生物碎屑的种类,分为以碳酸钙为主的钙质软泥和以硅质为主的硅质软泥。前者包括抱球虫软泥和翼足类软泥,后者包括硅藻软泥和放射虫软泥。湖泊中的生物作用也可形成腐泥,成岩后称为油页岩

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