流体与床沙形态

如题所述

沉积物呈床沙推移搬运主要见于牵引流中。床沙载荷是指直接覆于床底上的薄层沉积物颗粒作层状运动而进行搬运。随着流体流动强度的变化,在床沙表面会相应出现不同的几何形体,称为床沙形态。在明渠水流(包括河流、湖、海中的水流)中,按流动强度的不同可出现急流、缓流和临界流三种流态,这三种流态的判别标志为弗劳德数。不同流态可出现不同类型床沙形态。

1.急流与缓流

明渠水流的特点是存在与大气相接触的自由表面,因而明渠水流是一种无压流。这种流动才具有急流、缓流和临界流三种流态的变化。急流与缓流的判别准则是弗劳德数(Fr),即:

沉积岩工作方法

式中:υ是水流平均流速;h是水深;g是重力加速度。弗劳德数(Fr)是量纲为一的量,用它可以判别明渠水流的流态。Fr<1时,水流为缓流,也称为临界下的流动状态或低流态,它代表一种水深流缓的流动特点;Fr=1时,水流为临界流;Fr>1时,水流为急流,也称为超临界的流动状态或高流态,它代表一种水浅流急的流动特点。

2.床沙形态

对于牵引流来说,由于其主要以床沙载荷(推移)方式进行搬运,其典型的特征是形成交错层理。在流体的作用下,床沙面上形成沙波,它们可不断地向下游方向移动,其上游边被冲刷(图2-1,A、D),沙子在下游边崩落下来,沿崩落面形成细层,许多细层叠加在一起构成了前积层(图2-1,B)。

图2-1 沙纹的移动及交错层理的形成

A、D—冲刷面;B—前积层;C—底积层

床沙表面可随水流强度变化而出现各种类型的床沙形态。每一类型的床沙形态不是固定不变的,而是通过组成床沙的沙砾颗粒的滚动、滑动或跳跃移动而使床沙形态发生顺流或逆流移动,这种现象在水力学上称之为沙波运动。明渠水流随着流动强度加大,在床底面上会依次出现下列床沙形态:无颗粒运动的平坦床沙—沙纹—沙浪—沙丘—过渡型(或低角度沙丘)—平坦床沙—逆行沙丘—流槽和凹坑。

影响床沙形态、大小和类型变化的最重要因素是流动强度、平均流速、颗粒大小及流动深度。可利用两个参数,即流动强度(或平均流速)与颗粒直径,绘出与床沙形态的关系图(图2-2)。

图2-2 流速、粒度与床沙形态的关系图

(据Middeton and Southard,1977)

从图2-2中可以看出,颗粒小于0.2mm的细粒沉积物,随着流速的增大,床沙形态出现顺序为:无颗粒运动的平坦床沙—沙纹—上部平坦床沙—逆行沙丘;对于直径0.2~0.7mm的砂粒,随着流速的增大,床沙形态出现顺序为:无颗粒运动的平坦床沙—沙纹—沙浪—沙丘—上部平坦床沙—逆行沙丘;对于直径大于0.7mm的沙粒,在流速低,相对应沙纹出现的位置不出现沙纹,而是形成下部平坦床沙,因此,床沙形态出现顺序为:无颗粒运动的平坦床沙—下部平坦床沙—沙浪—沙丘—上部平坦床沙—逆行沙丘。

因此,流体决定床沙的形状,而流体的流动产生了床沙形态的迁移,床沙形态迁移过程在层内留下的痕迹就是层理。床沙形态与层理的对应关系见表2-1。

表2-1 常见的床沙形态与层理的对应关系

图2-3 床沙脊的形态类型

(据姜在兴,2003)

另外,床沙脊的几何形态与交错层理的类型密切相关,床沙脊的几何形态可分为直线状、弯曲状、链状、舌状、新月状和菱形(图2-3)。脊为直线状和微曲线状,可形成板状交错层理;而脊为弯曲状、链状、舌状和新月状时,形成槽状交错层理。

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