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云母在黄河口段沉积物中的形状系数与等效沉积

樊水淼 金秉福 王昕 于海洋

樊水淼,金秉福,王昕,等. 云母在黄河口段沉积物中的形状系数与等效沉积[J]. 海洋地质前沿,2021,37(5):31-38 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.175
引用本文: 樊水淼,金秉福,王昕,等. 云母在黄河口段沉积物中的形状系数与等效沉积[J]. 海洋地质前沿,2021,37(5):31-38 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.175
FAN Shuimiao, JIN Bingfu, WANG Xi, YU Haiyang. MICA SHAPE FACTOR AND ITS EQUIVALENT SEDIMENTATION IN THE SEDIMENTS OF THE YELLOW RIVER ESTUARY[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(5): 31-38. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.175
Citation: FAN Shuimiao, JIN Bingfu, WANG Xi, YU Haiyang. MICA SHAPE FACTOR AND ITS EQUIVALENT SEDIMENTATION IN THE SEDIMENTS OF THE YELLOW RIVER ESTUARY[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(5): 31-38. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.175

云母在黄河口段沉积物中的形状系数与等效沉积

doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.175
基金项目: 国家自然科学基金项目“浅海多源沉积物辨析的碎屑角闪石和石英矿物化学标型特征研究”(41576057)
详细信息
    作者简介:

    樊水淼(1994—),女,在读硕士,主要从事河口海岸过程分析与应用方面的研究工作. E-mail:13031601693@163.com

    通讯作者:

    金秉福(1963—),男,教授,主要从事海洋沉积地质方面的研究工作. E-mail:bingfu_jin@163.com

  • 中图分类号: P572;P736.21

MICA SHAPE FACTOR AND ITS EQUIVALENT SEDIMENTATION IN THE SEDIMENTS OF THE YELLOW RIVER ESTUARY

  • 摘要: 云母有着独特的片状结构和晶形,为了分析云母与其他粒状碎屑矿物的水力沉积差异,以黄河口段沉积物为对象,分粒级进行轻、重矿物鉴定,挑选出其中的白云母以及不同风化程度的黑云母,测量了5个样点、约12 000颗碎屑云母的粒径与厚度,以此比较片状云母与粒状石英和长石在水体中的等效沉积。结果表明,黄河口沉积物中云母含量约为1.8%~9.7%,其在不同样品和不同粒级之间差异很大,在1.5Φ~5.5Φ粒级之间云母含量由高至低急剧减少;云母厚度大都<20 μm,平均厚度仅8.93 μm,白云母的厚度一般小于黑云母;薄片状云母体积远小于相同粒径的粒状石英、长石,约为石英和长石的16%~55%;云母体积的变化可由其形状系数−径厚比来反映,云母的径厚比大都介于5~60。片状云母与粒状石英和长石在搬运与沉积过程中水力特性差异明显,等效沉积作用常使较大粒径云母与细粒泥质沉积密切共生。
  • 图  1  取样点示意图

    Figure  1.  Schematic map for sampling points

    图  2  不同种类云母镜下图片

    Figure  2.  Different types of mica under microscope

    图  3  云母与石英和长石的径厚比分布频率

    Figure  3.  Frequency distribution of diameter-thickness ratio for mica and feldspar plus quartz

    图  4  不同粒级云母径厚比分布频率

    Figure  4.  Frequency distribution of diameter-thickness ratio for mica of different grain size

    表  1  黄河口沉积物代表性样品中各个粒级和全样中的云母含量

    Table  1.   The contents of mica in each fraction and bulk sample of representative sediments in the Yellow River Estuary

    /%
    样品编号鉴定粒级/Φ粒级含量轻矿物含量重矿物含量轻矿物中白云母轻矿物中风化黑云母重矿物中白云母重矿物中黑云母
    LJ2 <1.5 0.02 100.00 0.00 13.92 8.86 0.00 0.00
    1.5~2.0 0.05 100.00 0.00 0.59 3.26 0.00 0.00
    2.0~2.5 0.03 100.00 0.00 17.25 45.32 0.00 0.00
    2.5~3.0 0.24 97.81 2.19 36.13 50.32 3.83 86.90
    3.0~3.5 1.30 99.61 0.39 11.68 20.96 2.71 48.98
    3.5~4.0 38.86 99.56 0.44 2.13 2.44 0.68 8.54
    4.0~4.5 49.10 99.15 0.85 0.57 1.14 0.00 0.81
    4.5~5.0 6.95 97.82 2.18 1.55 0.62 0.00 0.79
    5.0~6.0 2.06 99.99 0.01 4.00 0.92 0.21 0.00
    ∑=98.61 云母加权平均值 1.535 1.966 0.001 0.026
    HKZ9 <1.5 0.02 100.00 0.00 18.48 31.52 0.00 0.00
    1.5~2.0 0.01 100.00 0.00 36.11 62.50 0.00 0.00
    2.0~2.5 0.02 100.00 0.00 31.07 68.61 0.00 0.00
    2.5~3.0 0.30 96.62 3.38 25.62 68.52 6.09 93.48
    3.0~3.5 0.34 99.01 0.99 21.73 44.09 3.52 89.95
    3.5~4.0 30.20 99.37 0.63 4.44 11.54 0.56 10.06
    4.0~4.5 59.85 98.83 1.17 3.19 3.77 0.38 2.64
    4.5~5.0 5.75 98.57 1.43 1.17 2.05 0.15 2.14
    5.0~6.0 2.61 99.60 0.40 1.99 1.32 0.17 0.34
    ∑=99.10 云母加权平均值 3.497 6.215 0.005 0.052
    HH6 <2.0 0.01 99.63 0.37 37.70 62.30 1.89 96.23
    2.0~2.5 0.02 95.93 4.07 35.08 64.92 2.08 95.83
    2.5~3.0 0.05 95.47 4.53 30.15 60.57 3.74 92.52
    3.0~3.5 2.57 98.66 1.34 3.98 6.82 5.61 69.91
    3.5~4.0 39.01 98.49 1.51 0.24 1.18 0.24 10.12
    4.0~4.5 44.67 94.29 5.71 0.60 1.00 0.15 0.15
    4.5~5.0 4.52 89.07 10.93 2.07 1.81 0.00 0.00
    5.0~6.0 0.30 89.95 10.05 1.06 2.90 0.55 0.91
    ∑=91.16 云母加权平均值 0.559 1.182 0.007 0.091
    HBZ12 <2.0 0.03 99.91 0.09 27.27 70.61 3.55 92.31
    2.0~2.5 0.05 99.89 0.11 25.66 68.80 4.99 93.84
    2.5~3.0 0.12 99.03 0.97 25.29 52.35 7.14 81.68
    3.0~3.5 2.82 99.29 0.71 3.20 6.69 6.29 17.96
    3.5~4.0 36.70 98.20 1.80 2.05 4.28 0.73 2.20
    4.0~4.5 30.42 97.94 2.06 1.13 2.27 0.00 0.26
    4.5~5.0 10.92 98.90 1.10 0.82 1.10 0.00 0.00
    5.0~6.0 1.70 99.29 0.71 1.79 1.79 0.16 0.00
    ∑=82.76 云母加权平均值 1.336 2.674 0.006 0.021
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    表  2  各样品云母平均粒径和厚度

    Table  2.   Average particle size and thickness of mica in each sample

    /μm
    矿物种类筛分粒级/ΦHBZ13HBZ12HLJ2HH6HKZ9
    平均粒径平均厚度平均粒径平均厚度平均粒径平均厚度平均粒径平均厚度平均粒径平均厚度
    白云母 1.5~2.0 303.39 13.26 316.66 10.87 302.01 9.79 299.84 8.34 306.65 12.94
    2.0~2.5 186.85 10.82 202.29 7.56 208.60 9.14 208.67 9.29 209.86 10.83
    2.5~3.0 159.04 10.08 157.64 8.74 153.52 8.02 158.77 9.21 159.04 10.08
    3.0~3.5 115.66 7.44 114.07 5.64 112.92 8.17 113.34 2.30 110.53 7.57
    3.5~4.0 85.71 4.24 80.56 3.27 79.44 4.15 77.05 4.78 75.83 4.18
    弱风化黑云母 1.5~2.0 297.39 13.32 298.16 14.71 281.32 12.56 303.05 9.32 288.26 14.88
    2.0~2.5 206.05 10.17 214.80 11.13 214.09 12.61 208.82 11.71 212.76 12.40
    2.5~3.0 152.69 10.79 158.24 11.14 156.83 12.21 160.19 7.85 163.89 12.99
    3.0~3.5 106.01 8.41 106.37 7.63 109.60 11.85 120.80 8.14 112.51 7.80
    3.5~4.0 79.63 7.54 80.37 7.23 79.47 6.13 80.53 6.18 84.83 1.17
    半风化黑云母 1.5~2.0 316.41 10.72 295.39 17.16 293.86 6.65 317.20 10.46 271.37 7.40
    2.0~2.5 222.24 9.78 198.44 11.52 208.33 7.35 222.24 9.78 201.28 7.19
    2.5~3.0 164.94 7.59 153.72 9.67 157.89 5.50 164.94 9.37 157.01 6.33
    3.0~3.5 116.73 7.48 113.43 8.76 117.40 3.45 119.84 9.12 117.15 5.87
    3.5~4.0 80.51 4.04 82.15 7.63 83.82 1.52 85.08 6.93 84.15 1.25
    强风化黑云母 1.5~2.0 305.10 15.17 284.48 13.79 280.66 14.72 277.12 11.34 267.85 13.02
    2.0~2.5 211.59 13.77 207.13 9.31 204.71 9.44 203.26 9.30 206.40 8.28
    2.5~3.0 161.85 11.02 155.60 6.75 152.63 8.57 155.64 8.82 151.19 7.19
    3.0~3.5 121.18 9.01 110.94 6.53 116.30 5.81 112.00 7.13 111.12 9.48
    3.5~4.0 80.77 9.84 87.52 6.57 69.71 3.80 87.32 4.56 66.46 1.94
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    表  3  速度相同时云母与石英和长石粒径差异

    Table  3.   The particle size difference between mica and feldspar plus quartz at the same speed

    D云母D石英
    粒度/μm粒级/Φ平均粒径/μm平均粒径/μm粒级/Φ
    63~884.0~3.566.40~87.5222.98~50.575.5~4.5
    88~1253.5~3.0106.31~121.1836.75~70.025.0~4.0
    125~1773.0~2.5151.19~164.9452.27~95.304.5~3.5
    177~2502.5~2.0186.85~222.2464.60~128.414.0~3.0
    250~4402.0~1.5267.85~347.2092.60~183.283.5~2.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-11-04
  • 网络出版日期:  2021-04-26
  • 刊出日期:  2021-05-20

云母在黄河口段沉积物中的形状系数与等效沉积

doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.175
    基金项目:  国家自然科学基金项目“浅海多源沉积物辨析的碎屑角闪石和石英矿物化学标型特征研究”(41576057)
    作者简介:

    樊水淼(1994—),女,在读硕士,主要从事河口海岸过程分析与应用方面的研究工作. E-mail:13031601693@163.com

    通讯作者: 金秉福(1963—),男,教授,主要从事海洋沉积地质方面的研究工作. E-mail:bingfu_jin@163.com
  • 中图分类号: P572;P736.21

摘要: 云母有着独特的片状结构和晶形,为了分析云母与其他粒状碎屑矿物的水力沉积差异,以黄河口段沉积物为对象,分粒级进行轻、重矿物鉴定,挑选出其中的白云母以及不同风化程度的黑云母,测量了5个样点、约12 000颗碎屑云母的粒径与厚度,以此比较片状云母与粒状石英和长石在水体中的等效沉积。结果表明,黄河口沉积物中云母含量约为1.8%~9.7%,其在不同样品和不同粒级之间差异很大,在1.5Φ~5.5Φ粒级之间云母含量由高至低急剧减少;云母厚度大都<20 μm,平均厚度仅8.93 μm,白云母的厚度一般小于黑云母;薄片状云母体积远小于相同粒径的粒状石英、长石,约为石英和长石的16%~55%;云母体积的变化可由其形状系数−径厚比来反映,云母的径厚比大都介于5~60。片状云母与粒状石英和长石在搬运与沉积过程中水力特性差异明显,等效沉积作用常使较大粒径云母与细粒泥质沉积密切共生。

English Abstract

樊水淼,金秉福,王昕,等. 云母在黄河口段沉积物中的形状系数与等效沉积[J]. 海洋地质前沿,2021,37(5):31-38 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.175
引用本文: 樊水淼,金秉福,王昕,等. 云母在黄河口段沉积物中的形状系数与等效沉积[J]. 海洋地质前沿,2021,37(5):31-38 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.175
FAN Shuimiao, JIN Bingfu, WANG Xi, YU Haiyang. MICA SHAPE FACTOR AND ITS EQUIVALENT SEDIMENTATION IN THE SEDIMENTS OF THE YELLOW RIVER ESTUARY[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(5): 31-38. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.175
Citation: FAN Shuimiao, JIN Bingfu, WANG Xi, YU Haiyang. MICA SHAPE FACTOR AND ITS EQUIVALENT SEDIMENTATION IN THE SEDIMENTS OF THE YELLOW RIVER ESTUARY[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(5): 31-38. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.175
    • 地表的岩石经过风化作用产生了大量的碎屑物质,这些碎屑物质通过坡面流水等方式汇入河流,与河水一起向下游输送。在搬运过程中,机械沉积分异作用常使碎屑颗粒发生因粒度、密度及形状等影响因素造成的聚集或分散,沉积分异现象蕴含着沉积物的形成机制和水动力等方面的信息[1]。研究发现,河流携带的碎屑受到水动力强度和流动方式的影响[2-5],在沉积过程中,近球型的矿物先沉积,板片状的矿物后沉积[6-7],云母类的片状矿物与石英、长石等粒状矿物呈现不一样的沉积规律:云母容易在弱动力环境中沉积,常见与细粒质如细砂、粉砂乃至泥质一起沉积,成为湖海泥质区沉积物中最主要的大粒径碎屑矿物,其沉积学意义需要区别关注和审视[8-11]。而在沉积分异的研究中,相对缺少对沉积物形状的讨论。云母拥有一组极完全解理,这使得云母极易碎裂成薄片,自然状态下通常呈片状、板状。云母族矿物主要包括白云母、黑云母和锂云母[12-13]。河流碎屑沉积物中云母主要为黑云母和白云母,在黄河中含量较高,仅次于石英和长石,主要赋存在轻矿物里,重矿物中也常富含云母类矿物[14-16]。黑云母相对于白云母更易受风化,可分为弱风化、半风化、强风化,进一步蚀变可成为水黑云母、蛭石等[17-18]。由于云母的厚度小,测量有一定难度,目前还没有统一的测算方法。前人曾测算过层状矿物的径厚比[19-20],但是操作困难,且耗费时间长。为此,选择了黄河口的沉积物为研究对象,借助光学3D数码显微镜测量了不同种类云母的粒径、厚度,并计算其体积和径厚比,通过径厚比,计算出与其相同粒径的沉积颗粒(以石英和长石为例)的沉积速度差异,以及当云母与石英和长石沉速相近即等效沉积时二者之间的粒径差异。本项工作可为分析云母等片状碎屑与其他粒状碎屑矿物的水动力沉积差异提供数据和参考。

    • 黄河多年来平均的入海泥沙量为6.74亿t(利津站,1950—2015年),位于世界第2位,占全球所有河流泥沙入海通量的1/20[21-22]。黄河泥沙约90%来自黄土高原[23-24],现自西向东注入渤海,在华北东部和渤海西部形成大型黄河三角洲[25]。黄河的物源比较单一,沉积物的矿物组成特征在很大程度上继承了黄土的特点,即稳定重矿物少而云母多。研究表明,现代黄河碎屑沉积物普遍富含云母类矿物[26-28]。入海后的黄河物质在渤、黄海大面积分布,泥质沉积区碎屑矿物以高含量云母为特征[28-31]

    • 2017年3月,在黄河下游河口段,通过GPS定位,选取了5个样点(图1)进行取样,样品来自黄河边滩、河床以及河口高滩。

      图  1  取样点示意图

      Figure 1.  Schematic map for sampling points

    • 称取原始样品干重约300~500 g,以0.5Φ为筛分间隔,将样品水筛分成<1.5Φ、1.5Φ~2.0Φ、2.0Φ~2.5Φ、2.5Φ~3.0Φ、3.0Φ~3.5Φ、3.5Φ~4.0Φ、4.0Φ~4.5Φ、4.5Φ~5.0Φ、5Φ~6Φ(1Φ间隔,沉降法)和>6Φ多个粒级分样,计算每个粒级的质量百分比。然后,对每一粒级分样(其中有的样品<1.5Φ粒级因含量少、所有>6Φ分样颗粒又太小,故放弃)称出约2 g,放入三溴甲烷(ρ=2.88~2.89 g/cm3)中进行轻、重碎屑矿物分离,每隔15 min搅拌一次,共3次,每次搅拌2 min。将分离好的轻重矿物冲洗、烘干并称重,计算每个粒级的轻、重矿物重量百分比。

      在每个粒级的轻、重矿物中随机挑选300~400颗粒,在双目实体显微镜下进行鉴定,统计每种矿物在轻、重矿物中各自的百分含量,从而计算出各粒级轻、重矿物中白云母和黑云母的颗粒数百分比含量。

    • 结合黄河沉积物中云母的富集状况,本文选取1.5Φ~4.0Φ的云母测量粒径与厚度。将1.5Φ~2.0Φ、2.0Φ~2.5Φ、2.5Φ~3.0Φ、3.0Φ~3.5Φ、3.5Φ~4.0Φ粒级不分轻重矿的原始样品,在体式显微镜下随机挑选出白云母、弱风化黑云母、半风化黑云母与强风化黑云母各200颗,而石英和长石不分粒级随机挑出各150颗用做对比。

      粒径和厚度的测量依托鲁东大学沉积物分析实验室完成,使用像素为210万的OLYMPUS DSX110光学3D数码显微镜,对挑选出来的不同粒级、不同种类的云母拍摄镜下照片,然后对这些颗粒进行长(D1)、宽(D2)、厚(H)测量。云母每组的有效数据约为120个,共5组,合计约12 000颗,石英和长石的有效数据各自约110颗。

    • 对沉积物在各粒级中的含量以及重液分离后的轻、重矿物百分含量进行统计(见表1)。样品的粒级主要分布在3Φ~5Φ范围内,这部分含量超过95%,其余粒级的含量很低。碎屑矿物以轻矿物为主,重矿物含量较低,不同粒级的轻矿物含量都在90%以上,尤其是在<2.5Φ粒级中,重矿物含量极少,甚至含量为零,几乎全为轻矿物,而且主要矿物种类为黑云母和白云母,其他矿物很少。不同粒级分样碎屑矿物鉴定显示,黄河沉积物中云母总体含量较高(加权平均计算)约为1.8%~9.7%,但是粒级之间差异很大,云母在1.5Φ~4.0Φ内轻重矿物中比较富集,2Φ~3Φ粒度区间含量高达75%以上,甚至99%。粉砂粒级和更细的粒级(>4Φ)中云母含量急剧减少,其中云母含量大多数<5%,有的<1%。轻、重矿物中白云母的含量都低于黑云母。

      表 1  黄河口沉积物代表性样品中各个粒级和全样中的云母含量

      Table 1.  The contents of mica in each fraction and bulk sample of representative sediments in the Yellow River Estuary

      /%
      样品编号鉴定粒级/Φ粒级含量轻矿物含量重矿物含量轻矿物中白云母轻矿物中风化黑云母重矿物中白云母重矿物中黑云母
      LJ2 <1.5 0.02 100.00 0.00 13.92 8.86 0.00 0.00
      1.5~2.0 0.05 100.00 0.00 0.59 3.26 0.00 0.00
      2.0~2.5 0.03 100.00 0.00 17.25 45.32 0.00 0.00
      2.5~3.0 0.24 97.81 2.19 36.13 50.32 3.83 86.90
      3.0~3.5 1.30 99.61 0.39 11.68 20.96 2.71 48.98
      3.5~4.0 38.86 99.56 0.44 2.13 2.44 0.68 8.54
      4.0~4.5 49.10 99.15 0.85 0.57 1.14 0.00 0.81
      4.5~5.0 6.95 97.82 2.18 1.55 0.62 0.00 0.79
      5.0~6.0 2.06 99.99 0.01 4.00 0.92 0.21 0.00
      ∑=98.61 云母加权平均值 1.535 1.966 0.001 0.026
      HKZ9 <1.5 0.02 100.00 0.00 18.48 31.52 0.00 0.00
      1.5~2.0 0.01 100.00 0.00 36.11 62.50 0.00 0.00
      2.0~2.5 0.02 100.00 0.00 31.07 68.61 0.00 0.00
      2.5~3.0 0.30 96.62 3.38 25.62 68.52 6.09 93.48
      3.0~3.5 0.34 99.01 0.99 21.73 44.09 3.52 89.95
      3.5~4.0 30.20 99.37 0.63 4.44 11.54 0.56 10.06
      4.0~4.5 59.85 98.83 1.17 3.19 3.77 0.38 2.64
      4.5~5.0 5.75 98.57 1.43 1.17 2.05 0.15 2.14
      5.0~6.0 2.61 99.60 0.40 1.99 1.32 0.17 0.34
      ∑=99.10 云母加权平均值 3.497 6.215 0.005 0.052
      HH6 <2.0 0.01 99.63 0.37 37.70 62.30 1.89 96.23
      2.0~2.5 0.02 95.93 4.07 35.08 64.92 2.08 95.83
      2.5~3.0 0.05 95.47 4.53 30.15 60.57 3.74 92.52
      3.0~3.5 2.57 98.66 1.34 3.98 6.82 5.61 69.91
      3.5~4.0 39.01 98.49 1.51 0.24 1.18 0.24 10.12
      4.0~4.5 44.67 94.29 5.71 0.60 1.00 0.15 0.15
      4.5~5.0 4.52 89.07 10.93 2.07 1.81 0.00 0.00
      5.0~6.0 0.30 89.95 10.05 1.06 2.90 0.55 0.91
      ∑=91.16 云母加权平均值 0.559 1.182 0.007 0.091
      HBZ12 <2.0 0.03 99.91 0.09 27.27 70.61 3.55 92.31
      2.0~2.5 0.05 99.89 0.11 25.66 68.80 4.99 93.84
      2.5~3.0 0.12 99.03 0.97 25.29 52.35 7.14 81.68
      3.0~3.5 2.82 99.29 0.71 3.20 6.69 6.29 17.96
      3.5~4.0 36.70 98.20 1.80 2.05 4.28 0.73 2.20
      4.0~4.5 30.42 97.94 2.06 1.13 2.27 0.00 0.26
      4.5~5.0 10.92 98.90 1.10 0.82 1.10 0.00 0.00
      5.0~6.0 1.70 99.29 0.71 1.79 1.79 0.16 0.00
      ∑=82.76 云母加权平均值 1.336 2.674 0.006 0.021
    • 在实际的碎屑沉积物中,形状规则的颗粒很少,往往都是非球形,粒度分布又非均匀一致。对于非球形泥沙颗粒的平均粒径可以用长、中、短3轴的算数平均值(D1+D2+D3)/3计算,也可以采用几何平均$ \sqrt[{3}]{{{D}}_{{1}}{{∙D}}_{{2}}{{∙D}}_{{3}}} $来计算[32-33]。由于云母多呈扁平片状,在粒径的筛分实验中,主要受到2长轴D1D2的影响。本文利用几何平均值计算各粒级白云母和不同风化程度的黑云母的粒径。D云母=$ \sqrt[2]{{D}_{1{\text{云母}}}\cdot {D}_{2{\text{云母}}}} $,并且把厚度H云母进行统计。将得出的粒径和厚度按照粒级分类,计算出不同粒级的粒径和厚度平均值。由表2可知,同一粒径、不同类型的云母的平均粒径之间相差不大,但是粒径与厚度之间相差很大。云母在外力作用下极容易裂成薄片,与粒径相比其厚度较小,厚度绝大部分<20 μm,平均厚度约为8.93 μm。相同粒径白云母的厚度一般小于黑云母,因为风化后的黑云母层间阳离子的结合力变弱,厚度增加[34-35]。随着粒径增大厚度大体上逐渐增大,粒径与厚度之间大体上呈正相关。

      表 2  各样品云母平均粒径和厚度

      Table 2.  Average particle size and thickness of mica in each sample

      /μm
      矿物种类筛分粒级/ΦHBZ13HBZ12HLJ2HH6HKZ9
      平均粒径平均厚度平均粒径平均厚度平均粒径平均厚度平均粒径平均厚度平均粒径平均厚度
      白云母 1.5~2.0 303.39 13.26 316.66 10.87 302.01 9.79 299.84 8.34 306.65 12.94
      2.0~2.5 186.85 10.82 202.29 7.56 208.60 9.14 208.67 9.29 209.86 10.83
      2.5~3.0 159.04 10.08 157.64 8.74 153.52 8.02 158.77 9.21 159.04 10.08
      3.0~3.5 115.66 7.44 114.07 5.64 112.92 8.17 113.34 2.30 110.53 7.57
      3.5~4.0 85.71 4.24 80.56 3.27 79.44 4.15 77.05 4.78 75.83 4.18
      弱风化黑云母 1.5~2.0 297.39 13.32 298.16 14.71 281.32 12.56 303.05 9.32 288.26 14.88
      2.0~2.5 206.05 10.17 214.80 11.13 214.09 12.61 208.82 11.71 212.76 12.40
      2.5~3.0 152.69 10.79 158.24 11.14 156.83 12.21 160.19 7.85 163.89 12.99
      3.0~3.5 106.01 8.41 106.37 7.63 109.60 11.85 120.80 8.14 112.51 7.80
      3.5~4.0 79.63 7.54 80.37 7.23 79.47 6.13 80.53 6.18 84.83 1.17
      半风化黑云母 1.5~2.0 316.41 10.72 295.39 17.16 293.86 6.65 317.20 10.46 271.37 7.40
      2.0~2.5 222.24 9.78 198.44 11.52 208.33 7.35 222.24 9.78 201.28 7.19
      2.5~3.0 164.94 7.59 153.72 9.67 157.89 5.50 164.94 9.37 157.01 6.33
      3.0~3.5 116.73 7.48 113.43 8.76 117.40 3.45 119.84 9.12 117.15 5.87
      3.5~4.0 80.51 4.04 82.15 7.63 83.82 1.52 85.08 6.93 84.15 1.25
      强风化黑云母 1.5~2.0 305.10 15.17 284.48 13.79 280.66 14.72 277.12 11.34 267.85 13.02
      2.0~2.5 211.59 13.77 207.13 9.31 204.71 9.44 203.26 9.30 206.40 8.28
      2.5~3.0 161.85 11.02 155.60 6.75 152.63 8.57 155.64 8.82 151.19 7.19
      3.0~3.5 121.18 9.01 110.94 6.53 116.30 5.81 112.00 7.13 111.12 9.48
      3.5~4.0 80.77 9.84 87.52 6.57 69.71 3.80 87.32 4.56 66.46 1.94
    • 黄河的泥沙主要来自中游的黄土高原,泥沙经过流水长距离的搬运、沉积,并且在搬运过程中,泥沙颗粒与河床以及颗粒和颗粒之间不断地发生碰撞、摩擦,因此,黄河口的碎屑矿物颗粒一般都有一定磨圆[36],其中云母的磨圆度较高,以次圆状为主(图2)。薄圆饼状云母底面积与椭圆面积接近,其体积可用公式V云母=K1πD1云母D2云母H云母/4来计算,石英和长石一般为次棱角状、少量为次圆状,但球度要比云母高得多。石英发育贝壳状断口,整体形状不规正,颗粒表面有凸起也有凹陷[12],所以石英的体积很难精确计算,长石也有类似状况。当石英与云母的粒径等效时,即D云母=D石英,相当于$ \sqrt{{D}_{1{\text{云母}}}{\cdot D}_{2{\text{云母}}}} $=$ \sqrt{{D}_{1{\text{石英}}}{\cdot D}_{1{\text{石英}}}} $。石英体积最大应为类四方柱状,这时V石英max=K2D1石英D2石英H石英;石英体积最小时,应为类椭球体状,V石英min=K3πD1石英D2石英H石英/6。其中K1K2K3为颗粒的修正系数,取决于颗粒的磨蚀程度,其中K1≈0.9~1.1,K2≈0.7~0.9,K3≈1.0~1.2,皆为经验估计值。一般情况下,石英和长石的形状和径厚关系不会因为颗粒大小的变化而产生明显的改变,而云母的径厚之间因为解理的存在而会产生很大的变化,因此,为了探讨云母与石英和长石的体积差异,讨论两者的沉积分异,引入径厚比M=D/H这一形状系数进行讨论。

      图  2  不同种类云母镜下图片

      Figure 2.  Different types of mica under microscope

      当石英视为类四方柱状时,云母与石英体积的比值简化后为:

      $$ \frac{{V}_{{\text{云母}}}}{ {V}_{{\text{石英}}}}= \frac{\pi }{4}\cdot \frac{{K}_{1}}{{K}_{2}}\cdot \frac{{M}_{{\text{石英}}}}{{M}_{{\text{云母}}}} $$ (1)

      当石英视为类椭球体状时,云母与石英体积的比值简化后为:

      $$ \frac{{V}_{{\text{云母}}}}{ {V}_{{\text{石英}}}} = \frac{3}{2}\cdot \frac{{K}_{1}}{{K}_{3}}\cdot \frac{{M}_{{\text{石英}}}}{{M}_{{\text{云母}}}} $$ (2)

      云母与石英和长石的径厚比统计之后得到图3。可知云母的径厚比绝大多数分布在5~60之间,石英和长石形状相似,径厚比相对接近,都集中分布在3~20之间。把各项数据代入公式(1),可得$ \dfrac{{V}_{{\text{云母}}}}{ {V}_{{\text{石英}}}} $ = 0.30~0.55;代入公式(2),可得$ \dfrac{{V}_{{\text{云母}}}}{ {V}_{{\text{石英}}}} $ = 0.16~0.41。云母体积最小时只相当于石英和长石体积的0.16,最大也只相当于石英和长石体积的0.55。

      图  3  云母与石英和长石的径厚比分布频率

      Figure 3.  Frequency distribution of diameter-thickness ratio for mica and feldspar plus quartz

      流体中运动的颗粒受到各种力的作用,其中重力、浮力是主要的作用力:

      $$ {\text{重力}}\;G = V \cdot {\rho _s} \cdot {\rm{g}} $$ (3)
      $$ {\text{浮力}}\;F = V \cdot \rho \cdot {\rm{g}} $$ (4)

      式中:ρs为沉积颗粒的密度;

      ρ为流体的密度;

      g为重力加速度。

      白云母密度约为2.7~3.0 g/cm3,它为抗风化的稳定矿物,密度基本不变;黑云母由于易风化,其密度随着风化程度的不同而不同,一般情况下弱风化黑云母的密度为2.8~3.0 g/cm3,半风化为2.5~2.8 g/cm3,强风化云母密度<2.5 g/cm3。石英和长石的密度为2.6~2.7 g/cm3。比较结果,ρ云母/ρ石英=1.14~0.92。因为体积的比值远小于密度的比值,不同密度的云母,代入公式(3)和(4)都有G云母<G石英F云母<F石英。当粒径相等的情况下,不同密度云母的重力与浮力都比石英和长石要小,沉积速度也比较慢,所以,两者的沉积特征之间存在着很大的区别。两者沉积速度的差异主要是体积差异,而体积差异实质上就是形状差异,即粒径与厚度的差异,径厚比是阐述云母沉积行为的重要指标。

    • 相同水动力条件下云母与石英和长石相比,云母沉积速度慢、搬运更远,与云母达成水力等效的石英和长石颗粒的粒度比云母要小[37-38],云母富集的粒级与石英和长石富集的粒级存在着差异。

    • 机械搬运的颗粒在水动力不足的情况下,会逐渐沉降下来,所以颗粒的沉积涉及到泥沙颗粒沉速的确定。由上述分析可得,云母的粒径和厚度是影响沉积作用的重要因素,因此在研究云母和石英长石的沉积分异作用和计算沉积速度的时候,要考虑到云母径厚比这一重要的形状系数。把云母的径厚比分粒级进行统计(图4),可以看出,不同粒级的径厚比分布几乎都<100。呈右偏分布,10~40之间分布较为集中。85%左右同样分布在5~60之间。对沉积速度的讨论都在比较理想的层流情况下,这时的碎屑颗粒的沉降与静水相似,然而自然界的沉积作用要复杂得多。Corey 公式与Stokes公式是沉积速度分析的理论基础,有重要实际意义,可以基本展示出沉积作用与颗粒的形状、大小等因素之间的关系[6]。自然其他流态的流动水中沉积还在研究中,也给出了许多相应的沉速计算方法和计算公式等,本文不再多做讨论。

      图  4  不同粒级云母径厚比分布频率

      Figure 4.  Frequency distribution of diameter-thickness ratio for mica of different grain size

    • 对于云母这种片状矿物,其径厚比与其他矿物有着明显的区别。Corey[39]引入了的形状因子$ CFS = $$ H/\sqrt{{D}_{1}{\cdot D}_{2}} =1/M$。Komar和Reimers[40]根据Corey 形状因子得出了一个沉降速度的经验公式,这一公式考虑了颗粒的径厚比:

      $$ U = \frac{1}{{18\mu }} \cdot \frac{1}{{f\left( {CFS} \right)}}({\rho _{\rm{s}}} - \rho ){\rm{g}} \cdot {D_{\rm{n}}}^2 $$ (5)

      式中:μ为流体的黏度系数(g/mm·s);

      $$ {D_n} = \sqrt[3]{{H{D_1}{D_2}}}。 $$

      对本文来说,$ CSF=H/\sqrt{{D}_{1}{D}_{2}} $。当0.4≤CFS≤0.8,即1.25≤M≤2.5时,fCFS)=0.946(CSF−0.378;当CSF≤0.4,即M≥2.5时,fCFS)=2.18−2.09CSF。由图可得,云母的径厚比M都>2.5,则fCFS)=2.18~2.09 CFS。所以(5)式一般为

      $$ U = \frac{1}{{2.18 - 2.09CFS}} \cdot \frac{1}{{18\mu }}({\rho _{\rm{s}}} - \rho ){\rm{g}} \cdot {D_{\rm{n}}}^{2} $$ (6)

      对于云母来说,Dn=$ \sqrt[3]{{hD}_{1}{D}_{2}} $=D云母$/ \sqrt[3]{{M}_{{\text{云母}}}} $,把CSF=1/M代入公式(6)得:

      $$ \begin{split} &{U_{\text{云母}}} = \frac{{{M_{\text{云母}}}}}{{\left( {2.18{M_{\text{云母}}} - 2.09} \right) \cdot \sqrt[3]{{{M_{\text{云母}}}}}}} \cdot\\ &\frac{1}{{18\mu }}\left( {{\rho _{\text{云母}}} - \rho } \right){\rm{g}} \cdot D_{\text{云母}}^2 \end{split} $$ (7)

      慢速沉积的细颗粒石英和长石颗粒的沉积速度一般用下面这个Stokes公式表示:

      $$ {U_{\text{石英}}} = \frac{1}{{18\mu }} \cdot \left( {{\rho _{\text{石英}}} - \rho } \right){\rm{g}} \cdot D_{\text{石英}}^2 $$ (8)

      当云母和石英和长石的粒径相等,即Dn=Do时,两者之间的沉降速度之间的存在着差异。将公式(7)与公式(8)进行比较得出:

      $$ \frac{{{U_{\text{云母}}}}}{{{U_{\text{石英}}}}} = \frac{{{M_{\text{云母}}}}}{{\left( {2.18{M_{\text{云母}}} - 2.09} \right) \cdot \sqrt[3]{{{M_{\text{云母}}}}}}} \cdot \frac{{\left( {{\rho _{\text{云母}}} - \rho } \right)}}{{\left( {{\rho _{\text{石英}}} - \rho } \right)}} $$ (9)

      假设两者密度相等,只考虑径厚关系,M的范围为5~60,代入公式(9)可得,U云母/U石英=0.12~0.33,即同粒径云母的沉积速度约为石英和长石沉积速度的0.12~0.33倍。可见,形状差异对颗粒沉积速度有着很大的影响,从而影响河流碎屑物质的沉积分异。

    • 不同的碎屑颗粒拥有相同的沉积速度时,呈现等效沉积。如果石英和长石与云母等效沉积,则U云母=U石英,此时石英和长石的粒径和云母的粒径之间肯定存在着很大的差异。当与云母等效沉积时,由公式(7)和(8)得

      $$ \begin{split} D_{\text{石英}}^2 =& D_{\text{云母}}^2 \cdot \frac{{{M_{\text{云母}}}}}{{\left( {2.18{M_{\text{云母}}} - 2.09} \right) \cdot \sqrt[3]{{{M_{\text{云母}}}}}}} \cdot\\ &\frac{{\left( {{\rho _{\text{云母}}} - \rho } \right)}}{{\left( {{\rho _{\text{石英}}} - \rho } \right)}} \end{split}\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\! $$ (10)

      只考虑径厚比,将表3中的云母平均粒径与径厚比数据代入公式(10),计算的出D结果。由此可知,当石英和长石与云母等效沉积时,石英和长石与云母粒径之间差异很大:63~88、88~125、125~177、177~250、250 ~440 μm粒度的云母对应石英和长石平均粒径分别为22.98~50.57、36.75~70.02、52.27~95.30、64.60~128.41、92.60~183.28 μm。石英和长石的粒径只有云母粒径的42%~65%。云母的粒级要比石英和长石大约1.0~1.5Φ,所以在河流碎屑沉积物中,云母常与更细的石英和长石颗粒一起沉积。

      表 3  速度相同时云母与石英和长石粒径差异

      Table 3.  The particle size difference between mica and feldspar plus quartz at the same speed

      D云母D石英
      粒度/μm粒级/Φ平均粒径/μm平均粒径/μm粒级/Φ
      63~884.0~3.566.40~87.5222.98~50.575.5~4.5
      88~1253.5~3.0106.31~121.1836.75~70.025.0~4.0
      125~1773.0~2.5151.19~164.9452.27~95.304.5~3.5
      177~2502.5~2.0186.85~222.2464.60~128.414.0~3.0
      250~4402.0~1.5267.85~347.2092.60~183.283.5~2.5

      云母有时也会呈厚板状,石英有时也会呈薄板状,在这特殊情况下,等效沉积的石英与云母可能粒级一样没有差别。本文讨论的都是普遍呈薄片状的云母和粒状的石英和长石。沉积速度公式中最主要的就是颗粒的形状系数,常用的还有表面积形状系数、体积形状系数等,是指特征直径相同的球形颗粒的表面积、体积与实际颗粒的体积与表面积的关系,对于云母与石英和长石来说本质上都是粒径与厚度的关系[41]。形状不规则的碎屑颗粒,由于棱角突出,其表面积、体积都比磨圆度最好的球形颗粒大,在沉积过程中受到的阻力也大。阻力增加的使得不规则颗粒的沉降速度比同体积同密度的球形要低,因此不规则颗粒的沉积速度要低于球形颗粒。而且当层流变为紊流时,近球形颗粒的周围的尾流减小,使得颗粒的阻力系数变小,沉积速度更快[42]。石英和长石的实际沉积速度要比U石英要小,云母实际会更小,也就是粒径相同时,云母的沉积速度与石英和长石沉积速度相比,比值更小。当速度相等时,云母比石英和长石相差的粒级更大。形状不规则对速度的具体影响需要进一步的论证研究。

    • (1)黄河口段沉积物中云母总体含量较高、但粒级之间差异很大,云母在<4Φ的粗粒级范围内含量高,在有些粒级中占接近100%;在>4Φ的细粒级中含量低,但云母总量较高。不论白云母还是黑云母主要分布在轻矿物中,重矿物中含量较低。

      (2)云母与石英和长石形状差异明显,相同粒径的云母与石英和长石的体积有着很大的差异,云母的体积约为石英和长石体积的16%~55%,体积的差异与径厚比有着明显的关系,体积导致的重力差异,使云母沉积速度比同粒径的石英和长石要慢得多。

      (3)云母的径厚比集中分布在5~60之间,当云母和石英和长石粒径相同时,云母的沉积速度仅为石英和长石的0.12~0.33倍;云母与石英和长石等效沉积时,云母要比石英和长石的粒径大,相差约1.0Φ~1.5Φ粒径,所以较大粒径云母常与细粒泥质沉积共生。

参考文献 (42)

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