第十一章++沉积岩的基本特征

第十一章沉积岩的基本特征第一节概述一．沉积岩的定义和分布沉积岩：在地壳表层常温常压条件下，由风化作用、生物作用、火山作用的产物，经过搬运、沉积和成岩作用所形成的岩石。沉积岩在地壳表层分布甚广，占陆地面积75%，而海底几乎全由沉积物覆盖。但以体积而言，沉积岩仅占岩石圈体积的5%，结晶岩占95%。各类沉积岩的分布各不相同。分布最广的是泥质岩（72.2%）、砂岩（13.2%）和碳酸盐岩(7.7%)，其余的沉积岩及其沉积矿产仅占1%—2%。沉积岩在地表广泛分布，是储油、储水的有利场所。沉积岩中的矿产不仅种类多，而且储量大。据统计沉积和沉积变质矿产占世界矿产总储量的75—85%。煤、石油、油页岩和天然气等全是沉积形成。铁、锰、铝、磷、放射性金属及铜、铅、铅、锌、汞、锑等矿产，多属沉积成因或、、与沉积有成因关系。有些沉积岩本身就是矿产。二．沉积岩的成分特征（一）化学成分特征沉积岩的主要物质来源于火成岩的风化产物，所以两者的平均化学成分非常相似。但由于火成岩转变为沉积岩要经过风化、搬运、沉积、成岩等一系列转化过程，因而仍存在有一些差别。1．Fe2O3与FeO：火成岩和沉积岩中铁的总量大致相等，但沉积岩中Fe2O3FeO，火成岩中FeOFe2O3。2．K2O与Na2O：沉积岩中K2O和Na2O总量低于火成岩中。在沉积岩中K2ONa2O，而火成岩中Na2OK2O。3．H2O和CO2：沉积岩较火成岩富含H2O和CO2。4．有机质：沉积岩中有且可富含（如煤、油页岩、石油等），岩浆岩中无。5．化学成分：火成岩中各类岩石的化学成分彼此过渡，而沉积岩则各类岩石之间化学成分差别很大。如石英砂岩以SiO2为主，页岩以SiO2和Al2O3为主，石灰岩则以CaO和CO2为主。（二）矿物成分特征沉积岩的平均矿物成分与火成岩相比有明显差别。构成沉积岩的主要矿物是：①云母及粘土矿物，②碳酸盐矿物，③石英族矿物（石英、玉髓、蛋白石等）。这三类矿物约占沉积岩80%±。沉积岩火成岩橄榄石、辉石、角闪石和少见可大量存在黑云母（铁镁矿物）石英、长石、白云母都可大量存在石英（平均含量）＞长石（平均含量）＜盐类矿物（石膏、石盐等）、特有矿物，无或很少碳酸盐类矿物、粘土矿物常是主要矿物生物组分特有无二.沉积岩的结构构造特征沉积岩的结构构造明显不同于岩浆岩。岩浆岩多为晶粒结构；而沉积岩的结构则随岩石的类型和成因而变化，最常见碎屑结构（陆源碎屑岩）、泥状结构（泥质岩）、晶粒结构（化学及生物化学岩）、颗粒结构（内源沉积岩）等。沉积岩具特征的层理和层面构造。第二节沉积岩的形成和变化沉积岩的形成作用可概括为以下3个阶段：①沉积岩原始物质的形成阶段（风化阶段），②沉积岩原始物质的搬运和沉积作用阶段，③沉积物的同生、成岩作用和沉积岩的后生作用阶段。一．沉积物质的形成作用沉积岩的原始物质有四类：1．母岩风化所提供的物质：陆源碎屑、粘土物质、溶解物质。2．生物成因的物质：生物残骸及有机质。3．深部来源的物质：火山碎屑物质、深部来的卤水、温泉水、喷气物质等。4．宇宙来源的物质：陨石及宇宙尘埃。以下主要介绍风化作用形成的物质。（一）风化作用地壳表层的岩石，在水、空气、太阳能和生物的作用和影响下发生机械破碎和化学变化的作用。风化作用按性质分为：物理风化作用、化学风化作用和生物风化作用。1．物理风化作用使母岩发生机械破碎为主的风化作用称为物理风化作用。它为沉积岩的形成提供各种碎屑物质。2．化学风化作用不仅使母岩破碎，而且其矿物成分和化学成分也发生本质的改变，直至形成在地表条件下稳定的矿物组合的过程称为化学风化作用。它为沉积岩的形成提供各种溶解物和不溶残余物。3．生物风化作用生物对岩石产生的机械和化学的破坏作用。风化作用的产物：⑴碎屑物质碎屑岩⑵溶解物质（真溶液、胶体溶液）化学岩和生物化学岩⑶粘土物质泥质岩（二）主要造岩矿物和岩石在风化过程中的稳定性1．长石类矿物长石类矿物是地壳中分布最广的矿物。受到各种酸，尤其是碳酸的作用极易发生分解，析出K、Na、Ca等离子，同时发生水化而变为水云母，并继续分解。以钾长石为例：K[AlSi3O8]K1Al2[(Si,Al)4O10](OH)•nH2OAl4[Si4O10](OH)8钾长石水云母高岭石Al2O3•nH2O(铝土矿)SiO2•nH2O（蛋白石）在长石类中钾长石比斜长石难于风化，酸性斜长石较基性斜长石难于风化。2．铁镁矿物这类矿物包括橄榄石、辉石、角闪石等铁镁矿物，易风化，沉积岩中甚少，一般呈重矿物形式出现。3．石英类是在地表最稳定的矿物，在风化过程中几乎只有机械破碎。母岩风化愈彻底，风化产物中石英的相对含量愈高。4．云母类白云母稳定性较大，故在沉积岩中较多，黑云母不稳定，所以在沉积岩中很少。岩石由造岩矿物组成，因而在风化时的稳定程度取决于它所含的矿物成分。因而抗风化能力，岩浆岩中为：酸性岩→中性岩→基性岩→超基性岩沉积岩中砂岩、页岩其矿物成分为地表稳定的组分，不易发生化学分解，主要以碎屑物被搬运；石灰岩在干旱地区以机械破碎为主，在湿热地区则以溶解为主；硅质岩则很难受化学风化。变质岩的风化习性与岩浆岩近似。二．沉积物的搬运和沉积作用母岩的风化产物有三类：碎屑物质、粘土物质（又叫不溶残余物）和溶解物质。它们除少部分残留原地组成风化壳堆积外，大部分被搬运走，并在新的地方沉积下来。三者的性质不同，故其搬运、沉积方式也不同。使沉积物发生搬运和沉积的地质营力主要是流水、风、冰川、重力和生物。搬运方式可分为机械搬运、化学搬运和生物搬运。（一）机械的搬运与沉积作用碎屑物质在水、风、冰及重力等的作用下，以机械的方式进行搬运和沉积，受流体力学定律支配。可呈悬浮状态搬运（称悬移载荷），也可呈滑动、滚动或跳跃方式搬运（称推移载荷或床沙载荷）。按搬运流体的性质分为牵引流和重力流两种。对原始沉积物的搬运以牵引流最常见，如含少量沉积物的流水（包括雨水、河流、湖流、洋流等）和大气流等属牵引流，为牛顿流体。符合牛顿流体定律ττ=τβ+ηdyduτ=µdydudyduτ=µdydu，τ为水体单位面积上的内摩擦力，即水的应力，µ为水的粘滞系数，dydu为流速梯度。它以悬浮和推移方式搬运沉积物。随着流体中沉积颗粒数量增加，逐渐过渡为重力流，如浊流、泥石流、颗粒流等。为非牛顿流体—宾汉塑性流体，主要以悬浮方式搬运。1．碎屑物质在流水中的搬运和沉积（1）碎屑物质的搬运促使碎屑搬运的力有：水体对物质的上举力（浮力），流水的动力（包括水平推力和负荷力），它主要决定于流速、流量和流体性质。其中水平推力主要决定于流水的流速。当流量一定时，流水搬运碎屑的大小与流速平方成正比（d∝v2）。山区河流流速快（5—8m/s），可手搬运粗大的碎屑；平原河流流速小（1.5m/s），只能搬运细小颗粒。流水的负荷力主要决定于流量。流量大小决定了搬运数量，如长江流量大，能搬运大量泥沙（970×106t/a）入海，但无大的碎屑。因此，砂粒在流水搬运中最为活跃，易搬运也易沉积，故常呈跳跃式地搬运前进。3）2mm颗粒的起始流速与沉积临界流速相差也很小，但这两个流速本身却很大，且随粒径增大而增大，故砾石很难作长距离搬运，且多沿河底滚动式推移前进。4）0.05mm颗粒的起始流速与沉积临界流速之间的差值随着颗粒的变小而增大，因而粉砂和泥质一经搬运，就长期悬浮于水体中，大多数搬运至较远的深水环境缓慢地沉积下来。侵蚀固结的粘土所需的流速甚至大于侵蚀松散的中砾。（2）碎屑物质的沉积作用处于搬运状态的碎屑物质，当流水的流速降低，流水的动力不足以克服颗粒的重力，颗粒就会沉积下来。或当流水的水平推力小于颗粒的有效重力（重力减浮力）时，床沙颗粒就会停止移动。当流水的上举力小于有效重力，或流速小于颗粒沉速的12倍，悬浮颗粒就会下沉。碎屑物质在静水中的下沉情况可用斯托克斯实验公式表示：=922grws式中：—颗粒下沉速度（mm/s），g—重力加速度（cm/s2），r—球体的尤尔斯特隆研究了碎屑颗粒的侵蚀（开始搬运）、继续搬运、沉积与水流速度的关系。从此图可知：1）颗粒开始搬运（侵蚀）所需的启动流速要大于继续搬运的流速。2）0．5—2mm间的颗粒所需的起动流速最小，而且起动流速与沉积临界流速间的差距也不大。半径（cm），s—颗粒的密度（g/cm3），w—水介质的密度（g/cm3），—介质的粘度（Pa·s）。影响碎屑颗粒沉速的因素很多，主要有颗粒的密度、形状、水质、含沙量等。①颗粒的沉速与其粒度和形状有关同样密度的颗粒，颗粒愈大，沉速愈大。因而砾→砂→粉砂先后沉积。颗粒的形状对沉速也有关。如同样体积和密度的颗粒：球状颗粒为100，椭球状颗粒为61—81，立方体为74，长柱状体为50，片状体为38—80。②颗粒的沉速与其密度成正比，或与其体重成正比。③颗粒的沉速与介质的粘度成反比。碎屑沉积物在水盆地（海、湖）中的搬运与沉积因受波浪流、潮汐流和洋流、湖流的反复改造，特别是海洋对碎屑沉积物的改造能力比河流大100倍，故海洋沉积物常分选好、磨圆度好、结构成熟度和成分成熟度常很好。2．碎屑物质在风中的搬运与沉积3．冰川的搬运与沉积4．重力流的机械搬运与沉积作用5．搬运过程中碎屑物质的变化（主要指牵引流搬运过程中）随着搬运距离的加长，碎屑物质要发生以下变化：①粒度变细。②圆度、球度渐好（粉砂、泥等则始终不好）。③颗粒的分选愈好（即颗粒的大小愈接近一致）。在水成环境中分选最好通常是细砂；而对风成砂来说，最好的分选出现在极细砂的粒径。④稳定矿物增多，不稳定矿物渐少，即岩石的成分成熟度渐好。⑤发生机械沉积分异作用。即按搬运距离加长，碎屑物按大小、比重、形状、成分不同而分别沉积。6．沉积分异作用沉积岩的原始物质经过搬运、沉积而分化为比较简单的沉积物（岩石和矿产）类型的作用，称为沉积分异作用。主要受物理因素支配的分异作用，叫机械沉积分异作用。其一般规律为：1）按颗粒大小分异：砾→砂→粉砂→泥。2）按比重分异：3）按形状分异：4）按矿物成分分异：（二）化学的搬运与沉积作用沉积物质中的溶解质，常呈胶体溶液或真溶液被子搬运和沉积。这主要与物质的溶液解度有关。Ca、Na、K、Mg等的溶解度大，常呈真溶液搬运；而Al、Fe、Mn、Si等的氧化物难溶于水，多呈胶体溶液搬运。1．胶体物质的搬运与沉积胶体物质的性质介于粗分散系（悬浮液——其中的粒子直径100nm）和离子分散系（真溶液——分子或离子直径1nm）之间。它主要靠布朗运动维系。当胶体溶液由于：①带不同电荷的胶体相互混合，②电介质的作用，③蒸发作用，使胶体浓度增大，④其它如pH值的改变等。会发生凝聚作用，使胶体质点在溶液中成凝絮状、团块状的胶块，在重力作用下沉积下来。由胶体凝聚沉淀而成的沉积物和沉积岩有以下特征：①呈胶状、贝壳状断口。②胶体沉积物形成的岩石，颗粒细小，吸收性强，故有粘舌现象。常呈微晶、放射状结构。③胶体陈化脱水而产生收缩裂隙，孔隙性也较好，易敲击成尖棱角状碎块。④具有较强的离子交换和吸附能力。⑤胶体沉积物可呈巨厚状岩层，也可呈透镜、结核状产出。2．真溶液的搬运与沉积化学溶解物质中Cl、S、Ca、Na、K、Mg等成分主要呈离子状态存在于水溶液中，呈真溶液搬运。有时Fe、Mn、Al、Si也可呈真溶液搬运。并通过化学作用而沉淀。它们沉淀先后，主要受物质的溶解度决定，即溶解度愈大，愈易搬运，不易沉淀。物质的溶解度除物质本身的性质外，还受介质条件影响，如pH、Eh(氧化-还原电位)、温度、压力、CO2含量等一系列因素控制。这些因素的改变都会使溶解度发生改变，使各类溶解物先后沉淀，而使物质在沉积阶段发生分异作用。这种主要受化学因素支配的分异作用称为化学沉积分异作用。普斯托瓦洛夫根据溶解度提出从沉积盆地边缘到盆地中心溶解物质的沉积顺序，首先是溶解度小的铝、铁、锰、硅的氧化物，继而是溶解度大一些的磷酸盐、硅酸盐和碳酸盐，最后是溶液解度大的硫酸盐和卤化物。三．沉积期后的变化及其作用（一）阶段划分划分为四个阶段：同生阶段（或海解阶段）、成岩阶段、后生阶段和退后生阶段。（二）主要的沉积期后变化1．压