湖水的基本運動形式包括波浪、湖流和其他動力現象。波浪作用於湖面的原理和方式與海面相似。組成波浪的水質點是周期性振動的,其大小取決於風力、風的持續時間和水下地形。在靠近湖岸的淺水區,波浪也會破碎。湖流是指湖中水團沿壹定方向的運動。湖流按成因可分為重力流和風驅動流。重力流是由水面傾斜引起的重力沿水面的分量所引起的流動,也稱梯度流。風致流是風與水面的摩擦以及與風同時產生的波浪反壓引起的湖水運動。這取決於風,風的持續時間和湖的大小。
湖泊沈積物的特征與水動力條件、水化學條件和水生生物的功能直接相關。和海洋沈積壹樣,湖相沈積可以分為三種形式:物理的、化學的和生物的。但由於湖泊的尺度遠小於海洋,湖波和湖流的影響遠不如海洋動力學的影響明顯,所以湖泊沈積物的混合大於海洋沈積。湖泊沈積物的特征受氣候因素和周圍環境因素的控制,如降雨量、蒸發量、供水量、土壤性質、植被條件和進入湖盆的碎屑量。在不同的氣候條件下,有不同性質的湖泊,不同性質的湖泊有各自的沈積特征。比如在濕潤地區,蒸發量小於降雨量,這裏的淡水湖沈積是典型的淡水湖;在幹旱半幹旱地區,蒸發量大於降雨量,這裏的湖泊往往是間歇性的,它們的沈積物是鹽湖沈積物。
在湖泊地質的影響下,堆積在湖盆中的沈積物稱為湖相沈積。
(2)湖泊沈積物
1.淡水湖沈積物
主要是碎屑沈積,也有碳酸鹽化學沈積和矽質生物沈積。
(1)碎屑沈積物主要是砂、粉砂和粘土。從湖岸到湖心,碎屑物質具有明顯的分選性,可分為:
A.在湖岸波和河流註入的影響下,海岸帶水流渾濁,泥沙顆粒較粗,有時有礫石層和礫石層。礫石的大小取決於材料的來源。相對較大的湖相礫石為3 ~ 4 cm,壹般為2 ~ 3~4cm,分選較好,呈圓形。遠離河口,壹般以砂為主,圓度較好,堆積在沿岸淺水區形成淺灘和沙洲。湖相砂礫石層層理清晰,層上常見不對稱的波浪侵蝕痕跡,表明其沈積於波浪能達到的水深環境,湖波能擾動的深度壹般小於20m。沿湖三角洲相沈積仍有明顯的斜層理,顆粒向湖心方向變細,層理逐漸平緩。海岸帶的堆積寬度取決於湖底坡度。
B.過渡帶沈積位於湖岸帶和湖心帶之間。在靠近海岸帶的部分,水流湍急,細小物質被帶走。只能沈積粗懸浮物,壹般為粘質粉土、淤泥。這個地區的沈積受季節影響很大。春夏兩季水量大,沈積物質略粗。秋冬季水量少,沈積物質細。厚度的變化構成薄層的水平層理,這是湖相沈積的典型構造特征。
C.在湖泊中心帶的沈積湖泊中心,水流相對平靜,細小的懸浮物不斷沈積在這壹帶,形成了厚厚的粘土和淤泥的夾層。
紋層是湖相沈積的特征之壹,由成對的顏色、粒度或化學沈積物的季節性沈積物組成。通常夏季蒸發強烈,沈積壹薄層白色碳酸鈣(含碳、氫、氧同位素及更多鍶);冬季蒸發較弱,沈積黑色淤泥和泥沙(鍶含量較少);這兩個圖層合並成壹個年度圖層。由於粘土和淤泥夾層反映了季節變化,因此可以據此計算湖相沈積的年齡。
湖相碎屑沈積物的分帶現象在平面上呈現不規則的向心帶(圖5-1)。
圖5-1湖泊動態與沈積環境分帶
I-湖濱帶;ⅱ-過渡帶;ⅲ——中央湖區
(2)化學沈積淡水湖的化學沈積物沈積在靜水區。湖相石膏(泥灰巖)常形成於寒冷氣候區,湖相鐵礦常形成於潮濕氣候區。
A.湖泊形成的石膏河流或泉水將重碳酸鈣溶液帶入湖中,並與湖底的礦物質或粘土顆粒混合,形成鈣質淤泥。汙泥中還混有淤泥、鐵和有機質,重質碳酸鈣含量達50% ~ 95%。這種淤泥固結後形成泥灰。湖成石膏層理清晰,固結堅硬。即使重質碳酸鈣溶液在沈澱時達不到分層條件,鈣結核也往往濃縮形成含有鈣結核的湖相粘土層。在中國第四紀湖相地層中,廣泛分布著含鈣質結核的湖相粘土層。
B.湖成鐵礦湖成鐵礦形成於濕潤的溫帶和亞熱帶地區,與森林石灰土的形成密切相關。石灰土型土壤形成過程中,低價鐵化合物,如Fe (HCO3) 2、FeSO4等從土壤中析出,進入湖泊,與膠體狀態的有機質混合,形成鮞狀、豌豆狀、餅狀或透鏡狀鐵礦層。如在湖岸氧化環境中,Fe(HCO3)2或FeSO4被氧化形成褐鐵礦,或湖礦。
地貌學和第四紀地質學基礎
在湖的深部還原環境中,Fe(HCO3)2或FeSO4與湖底有機質分解出的CO2和H2S反應,會沈澱出黃鐵礦或白鐵礦。
地貌學和第四紀地質學基礎
在寒冷潮濕的氣候中,細菌可以從Fe(HCO3)2中吸收CO2,形成菱鐵礦。
地貌學和第四紀地質學基礎
(3)生物沈積在潮濕的氣候條件下,湖相沈積往往含有大量的植物和動物遺骸,它們在還原環境中分解形成富含有機質的汙泥(腐泥)和泥炭。腐泥巖含碳量高(C: 40% ~ 50%,H: 6% ~ 79%,O: 34% ~ 44%,NO < 6%),成巖後可形成腐泥煤。如果埋得很深,在高溫高壓下可以形成沼氣或天然氣甚至石油。鹹味可分為碎屑腐泥、粘土腐泥和鈣質腐泥。近岸部分形成碎屑腐泥,由壹些高等植物、矽藻等碎屑堆積而成。矽藻生長在溫帶寒冷氣候,大量矽藻堆積後可形成矽藻土。粘土和鈣質腐泥主要由低等藻類殘渣組成。當湖中形成寬闊的腐泥層時,標誌著湖泊向沼澤的演化。隨著植物的發育,泥炭層往往堆積在腐泥之上。因為不同的植物生長在湖的不同水深,從湖濱到湖心可以形成不同類型的泥炭。同時,隨著湖泊演化引起的植物變化,在泥炭類型變化明顯的湖相沈積的垂直剖面上也可以看到泥炭層。
2.鹽湖沈積物
氣候幹燥,地形阻隔,湖水不外泄,有利於鹽湖的形成。現代鹽湖廣泛分布於中國西北地區。
鹽湖鹽化是鹽湖形成和發展的過程(圖5-2)。隨著湖水的不斷蒸發,湖水含鹽量增加,形成不同水化學類型的鹽湖。圖5-3在橫坐標上顯示了湖泊的水化學類型。從圖中可以看出,無論是哪種礦化類型,按照成鹽的先後順序,依次是碳酸鹽沈積湖泊、硫酸鹽沈積湖泊、氯化物沈積湖泊。該圖表明,在鹽湖發展的不同階段和時期,有不同的鹽礦床。碳酸鹽湖或蘇打湖是淡水湖向鹽湖的過渡類型,也是鹽湖沈積的第壹階段。湖水的特點是含有碳酸氫鈉和微量的鉀、鎂、鈣的碳酸鹽。沈積物中形成方解石、白雲石、蘇打(Na2CO3 10H2O)、氫堿(Na2CO3 H2O)和天然堿(Na2CO3和NaHCO3 2H2O)。這種湖也叫堿湖。內蒙古、黑龍江、吉林三省(區)堿湖較多。吉林省乾安縣大布蘇堿泡是著名的堿湖,水淺,冬季結冰時地面上還出現天然碳酸鈉晶體。碳酸鹽沈澱後,湖水進壹步鹽化,富含硫酸鹽的湖水中出現石膏(CaSO4 2H2O)、芒硝(Na2SO4·10H2O)、無水芒硝(na2so 4)等硫酸鹽沈澱,石膏、芒硝壹般與白雲石、方解石等礦物結合。這種湖也叫苦湖,分布在新疆和青海。硫酸鹽沈澱後,湖水進壹步蒸發濃縮,然後沈澱出最易溶的氯化物,如鹽(NaCl)、雜鹵石(2CaSO4、K2SO4、MgSO4 2H2O)、光鹵石(KCl、MgCl2、6H2O)和鉀鹽(KCl),這代表了鹽湖沈積的最後階段。中國著名的柴達木茶卡鹽池和唐珂鹽池都是這種類型。濃度相當於氯化鈉沈澱的濃度。如果湖中含有硼酸鹽,可以形成硼砂(Na2B4O7 10H2O),西藏有壹個舉世聞名的硼砂湖。
圖5-2幹旱區現代湖泊鹽堿化示意圖
(據H.M. strakhov,1956)
I-蘇打湖;ia-濃堿湖;ⅰb-中等蘇打湖;ⅰc-弱蘇打湖。ⅱ—硫酸鹽湖;ⅱa-鈉鎂色澱;ⅱa '-鎂鈉色澱;ⅱB-鈉鎂鈣湖;ⅱc-鎂鈣色澱。ⅲ-氯化物湖;含有氯化鈉、氯化鎂和氯化鈣。
1-碳酸鹽階段;2-硫酸鹽階段;3-氯化物期;4—被蘇打混合物嚴重汙染的硫酸鹽沈積物;5—硫酸鹽混合物嚴重汙染的巖鹽
圖5-3鹽湖發展示意圖
(據H.M. strakhov,1956)
ⅰ-碳酸鹽湖;ⅱ—硫酸鹽湖;ⅲ-氯化物湖;ⅳ—下沙湖;1-碳酸鹽礦床;2-硫酸鹽沈積;3-石鹽