侵蚀一改造水流效应床沙底形与流态

1）床沙底形系列

沉积物被搬运和沉积时沿底面非粘性沉积物与流体之间造成的几何形态称之为床沙形体（Bedformor Bed Configuration，简称底形）。它的大小和形状、类型，取决于流动深度、动力强度、平均流速、流动粘度、液体密度、沉积颗粒大小、沉积物密度和重力加速度。其中最重要的是流动深度、流动强度、平均流速和颗粒大小。

侵蚀－改造水流流过非粘性颗粒组成的底床时，随着流速的增加，产生从较粗沉积物中平行于水流的线性条纹直到各种底形的有规律系列。

①小型沙纹（Ripples）：这是一种小型底形，当清水以20cm/s左右的速度流动，并施剪切力于细

砂上方时，这种沙纹的波长为10～30cm，波高0.6～30cm；所有的沙纹都缓慢地向下游方向迁移。在粒度中值大于0.6mm（d50=1.25Φ）的沉积物中未发现过，主要形成于中细砂以下的粒径。

②沙浪或沙波（Sand Waves）：有两种形成方式：当流速为50cm/s时，由沙纹沉积物变来；当沉积物粒度粗于0.6mm时，由平坦床沙（Plane bed）沉积物变成。

通常沙浪有四种类型（右表）；其中A，B，C型沙浪的特点是产顺剪切波接近休止角（30°）。A型和B型沙波能在浅水流（深度<0.5m）中形成，而C型沙波较大（长15m以上，高12m），且不在浅于4.7m的水流中形成。水流在越过A，B，C型沙波的顶点之后会发生分离。

在沙波脊界点和下游方向下一个沙波脊的界点之间有一个分离涡流带。在分离涡流的底部，水流方向和主流相反，速度约为主流的三分之一到二分之一。若沉积是细砂且涡动回流的速度相当大，则回流也能形成交错纹层倾向和主流相反的小型波纹（图2）。

图2中（a）沙浪从流面上的波纹向脊顶迁移，当砂顺着陡的背流波塌落时，这些波纹就被破坏了。塌落面下游波谷中的波纹，逆水流方向迁移。这种回流波纹，被向下游迁移的沙浪坍塌面上落下来的砂粒所掩埋而得以保存。回流波纹的小型交错层与沙浪的大型交错层之结合是流水搬运细砂所特有的形态：它是由沙浪造成的水流分离作用形成的（据Boersma，1967）。

图2中（b）水流在粗砂上形成沙浪时，在平行于水流方向的垂直平面中水和沉积物的示意剖面。在沙浪脊上面的水面下降；在沙浪脊之间的波谷上面，水面好像开了锅似地上涨。像图2中（a）中的那种小波纹不会在粗砂中形成（据Simons，Richardson和Nordin，Jr，1965）。

同时，大型沙波还使水面“波”第一组沙波的相位不同。当剪切速度较大时，出现D型沙波。它不与小型沙纹共生，向下游流动和水与D型沙浪的剖面上所有部分都保持连续的接触；水流不发生分离现象（图3）。

③平坦床沙（Plane bed or flat bed）：流速若再增大，“冲蚀”（Washed-out）的D型沙浪也消失了，沉积物—水的界面变为平坦的，沉积物不断向下游快速流动，此时呈一系列平坦的席状流动。

④同相位沉积物波（In—Phase sediment waves）：其特征主要受限于福劳德数，当Fr>0.84（接近于1）时，出现和水面波同相位的圆滑沉积物波（图4）。在这些同相位波中，沉积物顺流运移，但波形可以保持不动，也可向下游或向上游方向迁移。G．K．Gilbert称向上游方向迁移的沉积波为“逆行沙丘”（Antidunes）。

图4中（a）若水流越过波谷时的深度总是大于逆行沙丘脊的高度，则形成驻波型逆行沙丘。在逆行沙丘向流面上，水面上涌，但不发生破浪。

图4中（b）若波谷中的水深小于逆行沙丘的高度，水波破碎，向上游方向反撞；水波越过逆行沙丘破碎带时产生猛烈的湍动（据Simons，Rechardson和Nordin，Jr.，1965；Harms和Fahnestock，1965）。

2）流态或称流动体制（Flow regime）

由于在水槽实验中观察到流水与非粘性颗粒的牵引搬运负载之间存在着一定的规律，因而人们提出了流态的概念。所谓流态是指：“水流、水与沉积物的界面形状、沉积物的搬运方式、水流中能量消散过程以及水面形态和水一沉积物界面之间的相位关系总和”。通常有低流态与高流态之分，其间有一个过渡流态。

①低流态（Lower flow regime）：水和沉积物的界面处可以发育有：只有小型沙纹，沙纹与沙浪，沙浪和沙垅，或仅有沙浪。沉积物的搬运作用或能力较小，而且断续进行（图5）。搬运作用先是靠牵引毯状层在沙纹或沙浪的向流面上向上运动，然后，靠颗粒在这些底形坡陡的背流面上发生重力塌落而形成。在沙浪的波谷中，在迁移方向与主流方向相反的回流沙纹上能够发生某些反向搬运。某种程度上讲，水流能量可以被沉积物颗粒的糙度和惯性阻力所消耗，但主要还是被沙纹和沙浪的形态阻力以及水流分离部位的回流旋涡所消耗。因而，沉积物沿流动方向具有一定的分选性，留在底形上的沉积物比冲到下游去的要粗。

②过渡阶段：其特征底形是D形沙浪或沙波。沉积物趋于连续运动，但在D型沙浪的低倾角交错层内确实还有堆积；而沉积物不会沿D型沙波的背流坡坍落下来。水流中的能量被惯性阻力和运动颗粒的糙度所耗散。水流不再分离，水面：往往变平，并且与低而长的床沙形体无关。

③高流态（Upper flow regime）：水和沉积物的界面是平面或各种瞬息变化的起伏面，沉积物大量而不断地被搬运着，卵石大约以平均水流速度一半的速度向下游运移。水流中的能量被颗粒的糙度和惯性阻力，逆行沙丘波的破碎以及沉积物波形的产生与消失所耗散；水面的起伏与被隆起的沉积物底形同相位。没有顺流分选，流到下游去的沉积物和组成底床的沉积物具有同样的粒度分布（图6）。

侵蚀一改造水流有选择地搬运其底床物质。分选机理和分选程度随流速变化而变化。因此，沉积物在顺水流方向上有规律地分选开来，其最终产物按主要作用、颗粒粒度以及它们在底床物质中的丰

侵蚀－改造水流在粘性沉积物底质上所形成的各种痕迹统称为流痕（Current marks）。包括冲刷痕（Scour marks）和压刻痕（Tool marks）。水流往往带来砂级沉积物覆盖在这些痕迹之上，在粘性底质上生成的这种痕迹就称为底痕（Sole marks）。

要想侵蚀比细砂更细的粘性沉积物，水流得有能够搬运卵石的速度才行。细粒沉积物抗侵蚀的这种能力称为尤斯特龙效应。

侵蚀、搬运和沉积三者之间关系用尤斯特龙图解（Hjulström's diagram）表示（图1），说明颗粒大小与水流速度有着密切的关系，二者的相互关系决定着流体对沉积物和床底的方式，即侵蚀、搬运及沉积。

从物理学上来看，有两种最基本的物质搬运类型（或搬运方式），即悬浮载荷（悬移质）和床沙载荷（推移质），相对应的有两种搬运形式，悬浮搬运和推移搬运

1）悬浮搬运（Suspension transport）

空气或水流把细粒沉积物弥散开来（如粉砂、粘土级颗粒以及不同比例的砂级颗粒），并使其在流动的内部呈悬浮状进行搬运。最基本的驱动力就是紊流，它可以把颗粒上举起来，使之悬浮于流动内部而进行搬运。

2）推移质搬运（Traction transport）

在沉积学中称之为牵引搬运（Traction），这一术语乃是沉积物以床沙载荷（推移质）形式运移的所有作用过程的集合名词，牵引作用是颗粒惯性的产物。

主要以床沙载荷（推移质）方式进行搬运的流体称为牵引流，它们通常密度和粘度均小，与之相对应的是密度流（重力流、块状流），则是一种密度和粘度均大的，在重力作用下呈块状整体的流动，是以悬浮载荷方式进行搬运。

综上所述，在牵引流和沉积重力流中，碎屑物的搬运具有不同的方式，这是由于其形成的机理存在着明显的差异。牵引流的搬运力表现在两方面：

一是流体作用于碎屑颗粒上的推力（即牵引力），所谓推力是以它能移动沉积物颗粒大小的数值来衡量的，推力决定于流体流速，推力越大，流水能搬运的碎屑颗粒就越大；

二是载荷力（或称负荷力），负荷力则是指流水所能搬运的沉积物总负荷量的数值，其大小决定于流体流量，流量越大，负荷力越大，则流水能搬运的沉积物数量越多。牵引流搬运颗粒的动力主要是推力，搬运方式包括溶解负载、悬移负载、推移负载或床沙负载。沉积物重力流是由大小不一的碎屑物质与流体形成的高密度混合体，相对密度可达1.5～2.0，主要以悬移方式搬运。沉积重力流的驱动力主要起因于陡坡条件下重力大于剪切力时的重力加速度，所以当坡度变缓、流速降低时，会发生骤然卸载，形成各种类型的重力流沉积物。

侵蚀一改造水流有选择地搬运底床上的沉积物。分选机理和分选程度随流速变化而变化。因此，沉积物在顺水流方向上有规律地分选开来。其最终产物按主要作用、颗粒粒度以及它们在底床物质中的丰度而定。

侵蚀—改造水流和沉积—改造水流的主要区别在于：后者不仅使原来以悬浮状态携带的砂级沉积物沉积到水底而向上建造底床，同时还以迁移方式移动已沉积下来的颗粒。此处的“改造”一词不包括“变形”的含意，如果发生变形作用，水流就属于沉积—变形流；这两类水流并无重大区别。实际上，在水流施加剪切应力时，刚沉积的沉积物有时可能是非粘性物，不久后又可能是粘性物。如果非粘性沉积物受到牵引作用，水流将是沉积—改造水流；反之，粘性沉积物受到变形，水流就是沉积—变形水流了。因此，当底部沉积物的性质变化时，同样的水流可以在两种类型之间相互变化。 2100433B

沉积—改造水流生成平坦纹层（Plane laminae）和一种特征产物——叠合沙纹（Superimposed ripple）。H．C．Sorby把后者称作：“从上面沉积的迁移沙纹”，后来，一般简称为“迁移沙纹”（Ripple drift），沉积构造中的再作用面便是沉积—改造水流的产物之一。

迁移沙纹沉积物的内部纹层是由于水流、沙纹以及床底向上建造速率的相互作用所形成。当小型沙纹迁移时，下沉到其上的沉积物开始析离。同时，极细沙可以遍布于整个沙纹表面，粉沙与粘土则沉积在波谷或背流坡上；极细沙则聚集在向流面和波脊上。扁平颗粒沉积位置向上游方向的推进作用可以形成叠瓦状排列，显现碎屑颗粒的优选方式，特别是在砂砾质沉积物中。

从物理学上来看，有两种最基本的物质搬运类型（或搬运方式），即悬浮载荷（悬移质）和床沙载荷（推移质），相对应的有两种搬运形式，悬浮搬运和推移搬运

1）悬浮搬运（Suspension transport）

空气或水流把细粒沉积物弥散开来（如粉砂、粘土级颗粒以及不同比例的砂级颗粒），并使其在流动的内部呈悬浮状进行搬运。最基本的驱动力就是紊流，它可以把颗粒上举起来，使之悬浮于流动内部而进行搬运。

2）推移质搬运（Traction transport）

在沉积学中称之为牵引搬运（Traction），这一术语乃是沉积物以床沙载荷（推移质）形式运移的所有作用过程的集合名词，牵引作用是颗粒惯性的产物。

主要以床沙载荷（推移质）方式进行搬运的流体称为牵引流，它们通常密度和粘度均小，与之相对应的是密度流（重力流、块状流），则是一种密度和粘度均大的，在重力作用下呈块状整体的流动，是以悬浮载荷方式进行搬运。

综上所述，在牵引流和沉积重力流中，碎屑物的搬运具有不同的方式，这是由于其形成的机理存在着明显的差异。牵引流的搬运力表现在两方面：

一是流体作用于碎屑颗粒上的推力（即牵引力），所谓推力是以它能移动沉积物颗粒大小的数值来衡量的，推力决定于流体流速，推力越大，流水能搬运的碎屑颗粒就越大；

二是载荷力（或称负荷力），负荷力则是指流水所能搬运的沉积物总负荷量的数值，其大小决定于流体流量，流量越大，负荷力越大，则流水能搬运的沉积物数量越多。牵引流搬运颗粒的动力主要是推力，搬运方式包括溶解负载、悬移负载、推移负载或床沙负载。沉积物重力流是由大小不一的碎屑物质与流体形成的高密度混合体，相对密度可达1.5～2.0，主要以悬移方式搬运。沉积重力流的驱动力主要起因于陡坡条件下重力大于剪切力时的重力加速度，所以当坡度变缓、流速降低时，会发生骤然卸载，形成各种类型的重力流沉积物。