沉积学——沉积岩的形成及演化过程

沉积岩的形成及其形成后的演化的全

部历史过程大致可分为以下几个阶段

沉积岩原始物质的形成阶段

（主要是母岩的风化产物，还有火山物质、有机物质以及宇宙物质等）

沉积岩原始物质的搬运和沉积阶段

（即沉积物的形成阶段）

沉积后作用阶段

（其中又包括沉积物的同生作用和准同生作用阶段、沉积物的成岩作用阶段以及沉积岩的后生作用阶段)

第一节：母岩的风化作用～沉积岩最原始物质的形成 

一、风化作用的概念：

母岩：是供给沉积岩原始物质成分的岩石，主要是岩浆岩和变质岩，也包括早已形成的沉积岩。

风化作用：暴露于地表及其附近的岩石，在大气、温度、水和生物的联合影响下，使原来岩石的物理性质或化学成分发生改变的地质作用称为风化作用。

（一）物理风化作用：

指岩石在风化过程中，只改变物理状态，不改变化学成分的破坏作用。

物理风化的产物：是产生岩石碎屑和矿物碎屑。

理风化的因素：温度、压力、水、重力、风、雷电等。

（二）化学风化作用：    

在氧、水和溶于水中的各种酸的作用下，母岩遭受氧化、水解和溶滤等化学变化，使其分解、产生新矿物的过程称为化学风化作用。

1、氧化作用：

空气和水中的游离氧是地表最重要的氧化剂。氧化作用最易破坏的是硫化物、有机化合物和含有氧化亚铁、氧化亚锰、钒、钴的矿物。

例如：由硫化矿物组成的矿床，经过氧化作用以后，常常形成以褐铁矿为主要成分的疏松多孔的堆积体，这种堆积体称为铁帽。在铁帽的下部，往往可以找到较富的原生矿床。

4FeS2 ＋ 14H2O ＋ 15O2 = 2(Fe2O3·3H2O) ＋ 8H2SO4

黄铁矿  水    氧     褐铁矿      硫酸

2、CO2的化学风化作用：

CO2比其它气体易溶于水，在河水和地下水中，CO2的含量为大气圈中的1700～2700倍。

富有游离碳酸的水比纯水破坏碳酸盐和原生铝硅酸盐矿物更为剧烈。

CO2的化学风化作用举例：

（1）石灰岩与二氧化碳的作用：石灰岩遇到含有CO2的水时，就会形成可溶于水的Ca(HCO3)2,因而石灰岩被风化了。

CaCO3  ＋  CO2  ＋  H2O  =   Ca(HCO3)2

石灰岩（不溶于水）          （溶于水）

（2）正长石与二氧化碳的作用：

正长石与含二氧化碳的水作用后，能使正长石分解。

4KAlSi3O8＋2CO2＋4H2O=Al4Si4O10(OH)8＋8SiO2＋2K2CO3                            

   正长石                       高岭石    

3、水的化学风化作用：

（1）水解作用：

矿物与含有自由离子H＋和[OH]－的水作用，能使矿物的阳离子形成氢氧化物，从矿物中解脱出来，因而破坏了矿物。

例如：正长石与水作用，可使正长石中的钾形成KOH溶于水中，正长石最后变为高岭石而被破坏。

4KAlSi3O8＋6[H＋＋(OH)－]=Al4Si4O10(OH)8＋8SiO2＋4KOH

  正长石      离解水           高岭石

（2）水化作用：

有些矿物与水起反应，吸收水分子形成新的矿物。

例如：硬石膏与水作用后形成石膏，体积增大60%，对周围岩石产生很大压力，因而促进了物理的破坏作用。

CaSO4 ＋ 2H2O = CaSO4·2H2O

硬石膏        石膏

经过水化作用而形成的石膏较硬石膏的

溶解度要大得多，加速了石膏被水的溶解。

（3）含硫酸水的作用：

硫化物氧化后，经常产生大量的硫酸，含硫酸的水对矿物岩石的化学风化作用能力很强，从而破坏岩石。

例如：含硫酸的水与石灰岩作用，也能使石灰岩产生溶蚀现象。

CaCO3 ＋ H2SO4 = CaSO4 ＋ CO2 ＋ H2O    

石灰岩       硬石膏

（4）含碱质水的作用：

长石经过化学风化后，可产生K2CO3、Na2CO3及KOH等，它们都易溶解于水，使水呈碱性。

含碱质的水能加大对SiO2的溶解度，促进硅质岩石的风化。

（三）生物风化作用：   

1、生物物理风化作用：

2、生物化学风化作用：

例如，有些微生物新陈代谢时，要汲取矿物中的某些元素。如磷细菌、硅细菌，它们的生命活动就是靠分解矿物中的磷和硅，因而含磷矿物和含硅矿物就被它们破坏了。

菌类、藻类及其他微生物通过它们的生命活动能放出CO2、O2、H2S等气体，这些气体能对矿物岩石进行强烈的化学风化作用。

生物本身分泌出的有机酸能腐蚀和溶解岩石，使岩石遭到破坏（如地衣、植物的根等）。

二、各种造岩矿物的风化及其产物：

1、石英（SiO2）：在风化作用中稳定性极高，它几乎不发生化学溶解作用，一般只发生机械破碎作用。

2、长石：长石的风化稳定性次于石英。

在长石类矿物中，钾长石的稳定性较高，多钠的酸性斜长石次之，中性斜长石又次之，多钙的基性斜长石稳定性最低。

因此，在沉积岩中钾长石多于斜长石。

钾长石的风化过程及其产物如下：

铝土矿是钾长石风化的最终产物，是风化带中很稳定的矿物。但是，只有在十分有利的条件下，钾长石才能完全风化成铝土矿，在一般情况下，钾长石大都转变为水白云母和高岭石。

3、云母：白云母的抗风化能力较强，所以它在沉积岩中相当常见。黑云母的抗风化能力比白云母差的多。

白云母（KAl2[AlSi3O10](OH)2）：白云母在风化过程中，主要是析出钾和加入水，先变为水白云母，最后可变为高岭石。

黑云母（K(Mg,Fe)3[AlSi3O10](OH,F)2）：

黑云母遭风化后，钾、镁等成分首先析出，同时加入水，常经过水黑云母、绿泥石Mg5Al[AlSi3O10](OH)8(Fe3O4)、最终变为褐铁矿或高岭石等粘土矿物。

在海底风化条件下，黑云母可变成海绿石：

(K,HO)(Fe,Mg,Al)2[(Si,Al)Si3O10](OH)2

4、铁镁硅酸盐矿物[橄榄石(Mg,Fe)2 SiO4；辉石Ca(Mg,Fe,Al)[ Si, Al] 2O6；角闪石Ca2Na (Mg,Fe)4( Al, Fe)[( Si, Al)4 O11](OH)2]：

它们的抗风化能力比石英、长石、云母都低得多，所以在沉积岩中较少见，其中以橄榄石最易风化，辉石次之，角闪石又次之。

这些矿物在遭受风化时，铁、镁、钙等易溶元素首先析出，硅也部分或全部地析出，大部分元素呈溶液状态流失走，一部分元素在风化带中形成褐铁矿、蛋白石等。

故这类矿物在沉积岩中含量很少，一般多呈重矿物的形式存在。

5、粘土矿物（如高岭石、蒙脱石、水云母等）：

粘土矿物本来就是在风化条件下或者沉积环境中生成的，在风化带中相当稳定。

但是，在一定的条件下，它们也还会发生变化，转变为更加稳定的矿物，如铝土矿、蛋白石等。    

6、碳酸盐矿物（如方解石、白云石等）：

风化稳定性甚小，很易溶于水并转移，因此在碎屑沉积岩中很难见到它们。     

只有在干旱的气候条件下，在距母岩很近的快速搬运和堆积的沉积物中，才可能看到由它们组成的岩屑。

7、硫酸盐矿物（如石膏、硬石膏）、硫化物矿物（如黄铁矿）、卤化物矿物（如石盐）等：

它们的风化稳定性最低，最易溶于水，多呈真溶液状流失走。

三、各种岩石的风化及其产物：

岩石是矿物的集合体，因此岩石的风化及其产物主要是由组成它的矿物的风化情况决定的。

（一）岩浆岩：

1、花岗岩风化作用及其产物：

花岗质的岩浆岩及变质岩（包括花岗岩、花岗闪长岩；花岗片麻岩等）是分布最广的岩浆岩及变质岩，它们的风化作用具有代表性。

花岗岩风化后的产物可分为三类：溶解物质、粘土矿物（新生成的矿物）和残留物质。 

2、花岗闪长岩风化作用及其产物：

3、基性和超基性侵入岩：

主要由较易风化的橄榄石、辉石、基性斜长石组成，远比花岗质岩石易风化。风化后，除部分易溶元素转移流失外，常在原地形成一些化学残余矿物，如蛇纹石、滑石、绿泥石、褐铁矿等。

4、火山岩及火山碎屑岩：

由于含有相当的甚至大量的玻璃质或火山灰，故其风化速度大都相当快。    

（二）沉积岩：

以蒸发岩（主要由卤化物及硫酸盐矿物组成）最易溶解，最易风化。碳酸盐岩次之，粘土岩、石英砂岩、硅岩等最难风化。

砂岩的主要成分为碎屑石英，不易受化学分解，而以机械破碎为主；

粘土岩一般也较稳定，但易破碎呈细小碎屑被搬运；

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。

四、母岩风化过程中元素的转移顺序及母岩风化的阶段性：

（一）元素的转移顺序：

（二）母岩风化的阶段性（以玄武岩为例）：

由于母岩的各种化学成分在风化作用中从风化壳中淋出的顺序有先有后，所以母岩的风化作用过程就呈现出了阶段性。

波雷诺夫将结晶岩的风化过程分为四个阶段。在各阶段中，各有其独特的风化产物。 

1、破碎阶段：以物理风化作用为主，形成岩石或矿物的碎屑。

2、饱和硅铝阶段：

新生成的矿物：蒙脱石、水云母、拜来石、绿泥石等。都是不含或微含Ca2＋、Na＋，且K＋、Mg2^＋含量也下降了的矿物。

3、酸性硅铝阶段（粘土型风化阶段）：

新生成的矿物：K＋、Mg2＋的再次析出使得上个阶段所形成的矿物（蒙脱石、水云母等）又被破坏而形成在酸性条件下稳定的、不含Ca2＋、Na＋、K＋、Mg2＋盐基的粘土矿物～高岭石等。

4、铝铁土阶段（红土型风化阶段）：    

硅酸盐矿物被彻底分解，全部可移动的元素都被溶液带走，主要剩下Fe、Al、Si的氧化物残留原地，形成铝土矿、褐铁矿和蛋白石的堆积（红土）。

五、母岩风化产物的类型：

1、碎屑残留物质：

主要是母岩的岩石碎屑或矿物碎屑。

在风化作用的第一阶段最发育，到第四阶段，这种物质就很少了，只有那些风化稳定性最高、极难风化的石英才能保留下来。

这种物质的初始阶段大都残留在母岩区，后来就可能被各种营力搬运走。

2 、新生成的矿物（化学风化矿物）：

主要是指在风化作用过程中新生成的一些矿物，如水云母、高岭石、蒙脱石、蛋白石、铝土矿、褐铁矿等。

这些物质在初始阶段也大都存在于母岩的风化带中，所以也常称为“化学残余物质”。后来，它们也将被各种营力搬运走。

3、溶解物质：

主要是指母岩在化学风化作用过程中被溶解的那些成分（如Cl,S,Ca,Mg,K,Si,Fe,Al,P等）。

这些物质大都呈真溶液或胶体溶液状态被流水搬运走，转移至远离母岩区的湖泊或海洋中去，在一定的条件下沉积下来，形成化学岩沉积。

六、风化壳：

1、风化壳的概念：

地壳表层岩石风化的结果，除一部分溶解物质流失外，其碎屑残余物质和新生成的化学残余物质大都残留在原来岩石的表层。这个由风化残余物质组成的地表岩石的表层部分，或者说已风化了的地表岩石的表层部分，就称为风化壳或风化带。    

风化壳基本特征：风化壳一般分三层，上层土壤、中层为残积物和半风化的岩石、下层为未风化的基岩。

2、风化壳的厚度：       

可以由几米～一、二百米，通常为几米或几十米。与气候、地形、构造等因素有关。

一般说来，在气候潮湿、地形平坦、构造活动比较稳定的地区，风化作用较强，剥蚀作用较弱，风化残余物质易于保存，故风化壳厚度较大。在相反的条件下，风化壳厚度就较小，以至为零。

3、古风化壳：

地壳下降，沉积物沉积在风化壳上，把风化壳埋藏在地层之中，即成为古风化壳

4、古风化壳的意义：

古风化壳是地壳上升、沉积间断、不整合的重要标志；是古气候、古地理分析的重要依据；是当前划分层序地层界面的主要标志；风化壳中常蕴藏着一些重要的金属和非金属矿床（如高岭石矿、铝土矿、铁矿、镍矿等）；在风化壳中还可以形成油气藏。

七、沉积物的其他来源：

1、生物成因的沉积物：生物遗体。

2、深部来源的沉积物：火山碎屑物。

3、宇宙来的沉积物：陨石及其尘埃。

提问：

1、元素或化合物在风化过程中的转移顺序？

2、风化产物类型？    

第二节：碎屑物质的搬运和沉积作用

一、牵引流和沉积物重力流的搬运和沉积：

（一）牵引流：河流、海湖浅水、风等

1、搬运：搬运力表现在二方面：

（1）推力（即牵引力）。推力的大小主要取决于流体的流速。推力越大则能搬运的碎屑颗粒越大。

（2）负荷力（即负载沉积物的能力）。负荷力的大小取决于流体的流量。负荷力越大则能搬运的沉积物数量就越多。

2、沉积：随着牵引流流速的降低，流量的减小，流体的推力和载荷力就要减弱，从而形成超载而发生沉积。

（二）重力流：

沉积物重力流是密度流，相对密度可达1.5～2.0，是大小不一的碎屑物质与流体形成的高密度混合体。

1、搬运：

在重力的作用下，主要以悬移载荷方式搬运，沿斜坡由高处向低处移动。

2、沉积：

当坡度变缓，流速降低时，沉积物重力流会发生骤然卸载，故在沉积盆地的斜坡根部常形成各种类型的重力流沉积。有些重力流可沿盆地底部扩展到深水平原的广大地区发生沉积。  

二、碎屑物质在流水中的搬运和沉积作用：

1、搬运方式：

流水搬运碎屑物质的方式主要有三种：    

滚动搬运：即较粗粒的碎屑沿流水的底部呈移动、滚动式地前进。

跳跃搬运：碎屑一边跳跃一边向前搬运。比如砂级的碎屑。

（滚动搬运和跳跃搬运也可统称为滚动搬运）

悬浮搬运：对细碎屑，如粉砂、粘土等。

2、机械沉积作用：

颗粒下沉速度与相对密度、颗粒半径成正比，与流体粘度成反比。所以，大而轻的颗粒可以和小而重的颗粒同时沉积。

斯托克公式适用于：粒径小于0. 1毫米球形颗粒，表面光滑，水温200C，静水或层流条件。

假如颗粒不是球形，则沉速会有所不同，实验证明，假定球形颗粒的沉速为100，则椭球形颗粒的沉速为84～61（体积相同的前提下），立方体为74，长柱体为50，片状颗粒为80～38。

由此可见，球形颗粒沉速最大，片状颗粒沉速最小，所以，片状矿物（如白云母）常被搬运的很远，与较细的粉砂、粘土沉积在一起。

由图可以看出：

①始动流速比继续搬运流速大。

②0.05～2毫米颗粒：易搬运、易沉积，常呈跳跃式前进。

③＞2毫米的颗粒：不易搬运、易沉积，多呈滚动式搬运。

④＜0.05毫米颗粒：不易搬运、不易沉积，呈悬浮式搬运。    

l经森德伯格修改过的尤尔斯特隆图解：

始动流速被分为二条：未固结的和固结的。由图可知固结的始动流速高于未固结的。且未固结的始动流速线粘土、粉砂段比尤氏图解低了。

3、碎屑物质在流水搬运过程中的变化：

随着碎屑物质被流水搬运的时间和距离的增长，不稳定成分逐渐变少，粒度逐渐变小，圆度逐渐变好，球度有所增高。

4、机械沉积分异作用：

母岩的风化产物在搬运和沉积过程中，根据其本身的特性，在外部条件的影响下，按一定顺序沉积下来，称为沉积分异作用。

机械沉积分异作用是指主要受物理因素支配的分异作用。

①粒度分异：

碎屑物质在搬运过程中，粗粒者首先沉积，细粒者后沉积。结果沿着搬运方向，从物源区起由近而远依次沉积：砾（岩）、砂（岩）、粉砂（岩）、粘土（岩），沉积物分选越来越好，并作有规律的带状分布。搬运的时间和距离越长，这种粒度分异现象越明显。 

②密度分异：

密度大者首先沉积，搬运距离较近；密度小者后沉积，搬运距离较远。结果沿着搬运方向出现碎屑物质按密度分异的现象。

③形状分异：

碎屑物质的搬运还受其形状的影响，因而产生形状上的沉积分异。比如，同样大小的粒状碎屑不如片状碎屑搬运的远。

④成分分异：    

不同成分的碎屑，其粒度、密度、形状上都有所不同，所以，粒度、密度、形状上的分异必然导致成分上的分异。

在碎屑物质的搬运和沉积过程中，上述各种分异作用同时进行。