01 第一章 沉积岩的形成及演化

第一节 沉积岩原始物质的形成
风化作用的结果是破坏岩石。在地球表面，各种风化作用是同时 进行而又相互促进的，只是有主次之分而已。 这一方面，是由岩石的性质和外界条件决定的，在遭受风化过 程中，岩石本身的性质是内因，它决定风化产物的性质；外界条件 是外因，它只决定风化作用的方式和强弱程度，而且是通过内因起 作用的。 另一方面，由于机械破碎使得母岩产生许多裂隙或破碎成小块， 这就增大了岩石与周围介质的接触面，大大促进了化学分解；反过 来，化学分解可降低母岩的硬度和强度，又给机械破碎创造了有利 条件。但就全部风化作用而言，化学和生物化学风化作用具有重要 的意义，尤其是生物化学风化作用更是如此。
第二节 物质的搬运和沉积作用
3.风的搬运与沉积作用
分布于气候干旱沙漠区、海岸地带。 只能搬运碎屑物质，而不能搬运溶解物质。 搬运能力也比流水小，一般只能搬运细粉砂和粘土，大风 时可搬运砂，甚至砾石，可形成大型砂丘。 搬运方式：悬浮、滚动、跳动，以跳动为主。 风成砂分选好、磨圆好、砂粒表面有霜面。
第二节 物质的搬运和沉积作用
长石类矿物抵抗风化的能力不强，长石类中的钾长石比斜长石稳 定，斜长石中的酸性斜长石又较基性斜长石稳定。
铁镁矿物的稳定性比长石要低得多。 岩石是由造岩矿物组成的，因而各类岩石在风化时的稳定程度决 定于它所含的矿物成分。
第一节 沉积岩原始物质的形成
4.母岩风化产物类型
地壳表层岩石风化的结果，形成了三种性质不同的风化产物。
第二节 物质的搬运和沉积作用
三、生物搬运与沉积
生物参与搬运与沉积方式： A. 直接作用：生物骨骼堆积成岩石或矿床，如生物灰岩、礁灰岩、 磷块岩、硅藻土及白垩等；生物遗体中有机质转化而成，如石 油、天然气、油页岩及煤等。 间接作用：生物活动引起周围介质条件改变，影响某些物质的 搬运和沉积。如，生物活动引起CO2含量变化，影响碳酸盐沉 淀或溶解。生物遗体腐烂分解能产生大量的H2S、NO3、CH4等 气体，影响沉积介质氧化-还原条件，影响沉积物质的溶解或 再分配。
沉积岩石学
Sedimentary petrology
课程负责人：杨友运 ２００６年１０月
XSYU
第一章
沉积岩的形成及演化
(Formation and evolution of sedimentary rocks)
第一节、沉积岩原始物质的形成 第二节、物质的搬运和沉积作用 第三节、沉积后作用及阶段划分
1.流水搬运与沉积 流水，包括雨水、暂时性流水及河流。碎屑物质在流 水中搬运或沉积主要受两方面的因素控制： 一方面是碎屑物质的重力及它们之间相互的吸引力 和摩擦力。 另一方面是流水的动力，包括流速、流量及流水性质 等。当动力大于重力，并克服了摩擦力时，物质就被搬运， 相反则发生沉积。
碎屑 物质的搬 运与沉积， 还与其比 重、形状 和大小有 关，特别 是与水的 流速有关。
第一节 沉积岩原始物质的形成
母岩风化产物是沉积岩最主要物质来源。这三类风 化产物构成了最常见的三类沉积岩的基本物质，即碎屑残 留物质(碎屑物质)是陆源碎屑岩(砾岩、砂岩、粉砂岩)的 主要成分，新生成的矿物中的粘土矿物是陆源碎屑岩中粘 土岩的主要成分，溶解物质则构成了化学岩、生物化学岩 或生物礁的主要成分。 风化产物的性质无疑会影响到以后所生成的沉积岩 的性质。
气候、地形、地壳运动强度、母岩性质和风化时间等因素。 如气候因素在干旱沙漠地区，母岩风化可长期停留在碎屑阶段； 植被发育的温暧潮湿的亚热带，则可达到并长期停留在酸性硅 铝阶段；而在潮湿炎热的热带区，则可达到铝铁土阶段。
第一节 沉积岩原始物质的形成
3.造岩矿物稳定性
决定因素：内因，造岩矿物化学成分和内部构造；外因，古地理、 古气候条件、造岩矿物风化习性
(1)碎屑残留物质：主要指母岩的岩石碎屑和矿物碎屑。在风化作用 的第一阶段，这种碎屑残留物质最发育。
(2)新生成的矿物：主要指在化学风化过程中新生成的粘土矿物及氧 化物或氢氧化物，如水白云母、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。
(3)溶解物质：主要指母岩在化学风化过程中被溶解的成分，如Cl、 S、Ca、Na、Mg、K、Si、Fe、Al、P等。这些物质大都呈真溶液或 胶体溶液状态顺水流走，转移至远离母岩区的湖泊或海洋中去。
第一节 沉积岩原始物质的形成
一.绝大部分沉积岩形成和变化进程：
1.沉积岩原始物质的形成阶段(母岩风化阶段) 2.原始物质搬运和沉积阶段(沉积物形成阶段) 3.沉积物改造变化阶段
第一节 沉积岩原始物质的形成
二、组成沉积岩原始沉积物质来源
陆源物质-母岩的风化产物 生物源物质-生物残骸和有机质 深源物质-火山喷发碎屑物质和深部卤水 宇宙源物质-陨石 母岩风化产物是沉积物最主要的来源。供给这类沉积 物的地区，即母岩存在的地区，称作物源区。此外，由 生物的生命活动所产生的沉积物以及来自地壳深部物质 组成的沉积物也占有一定的比例，而宇宙来源的沉积物 则数量甚微。
伯 格 （ Sundbogy，1956 ）修改 过的尤尔斯特隆图解表示 了始动流速与碎屑大小之 间的关系（如图）。 由图中可看出如下一 点：图示水深 1m 时平坦河 床上石英颗粒发生侵蚀、 搬运和沉积的临界流速， 虚线表示实验数据的离散 度。在粘土和粉砂岩区只 有较少的可靠数据。
经
森
德
第二节、物质的搬运和沉积作用
第一节 沉积岩原始物质的形成
三、风化作用（Weathering）
1. 风化作用概念 沉积岩的形成作用发生于地壳表层或沉积圈，它的特 点是低温、低压，富含水、氧和二氧化碳，生物活动强烈。 风化作用就是指地壳最表层的岩石在温度变化、大气、水、 生物等因素作用下，在原地发生物理和化学变化的一种作 用。根据作用的性质和因素不同，分为三大类型：物理风 化作用、化学风化作用和生物风化作用。
3)
第一节 沉积岩原始物质的形成
（4）铝铁土阶段：
风化的最后阶段。在此阶段铝硅酸盐矿物被彻底分解，碱和碱 土金属全部游离出来，加上有机酸被地表水淋走或冲淡，使介 质又呈碱性或中性，SiO2大量流失，剩下铁和铝的氧化物及部 分二氧化硅，在原地形成水铝石、褐铁矿、针铁矿、赤铁矿及 蛋白石的堆积。由于它是一种红色疏松的铁质或铝质土壤，所 以也称红土。达到此阶段的风化作用通常为红土型风化作用.
第一节 沉积岩原始物质的形成
2.风化作用阶段性 造岩矿物因化学性质和物理性质不同，在风化过程 中具有明显的阶段性。一种原生矿物随着风化程度的加深，
通过一系列中间阶段，依次形成一些过渡性矿物，然后转 化为最终产物。
由于造岩矿物风化显示出明显阶段性，因此由造岩矿
物组成的母岩，其风化过程的变化也会出现阶段性。前苏 联学者波雷诺夫根据元素从风化带中析出的顺序，将结晶 岩的风化过程分为四个阶段，不同阶段有其独特的风化产 物。
搬运能力取决于波浪大小，波浪大小决定于风力和潮汐强弱
主要发生在浅海或浅湖地区，有效深度不超过200m。
第二节 物质的搬运和沉积作用
海流搬运 流水相似，主要发生在浅海陆棚区，由于表层流速大于 底部流速，常搬运的是上部的溶解物质和悬浮物质，对海 底粗碎屑物质影响较小。 潮汐作用
对海岸沉积物的改造和形成是有很大影响的，对陆源 碎屑物及碳酸盐碎屑沉积物的影响均很重要。
式中：V—颗粒的沉降速度(毫米/秒)d1—颗粒的比重 d2—介质的比重g—重力加速度(毫米/秒2) r—球体(球状颗粒)的半径(毫米) μ—介质的粘度(克/毫米· 秒或泊)
第二节、物质的搬运和沉积作用
2.水盆地固定水体中的搬运与沉积
水盆地：海洋、湖泊 搬运营力：波浪、潮汐及海流等。 波浪搬运
第一节 沉积岩原始物质的形成
1) 2) 碎屑阶段：以物理风化为主，风化产物主要为岩屑或矿物碎屑。组成母岩 的元素或化合物成分转移甚微。 饱和硅铝阶段：岩石中如有氯化物和硫酸盐将全部被溶解，Cl和SO2全部 被带出。然后在O2、CO2和H2O的共同作用下，铝硅酸盐和硅酸盐矿物开 始分解，游离出K+、Na+、Ca2+、Mg+2，其中Ca+2和Na+的流失要比 K+和Mg2+容易。这些阳离子的存在，使介质呈碱性或中性，并使少量 SiO2转入溶液。这个阶段形成的粘土矿物有蒙脱石、水云母、拜来石、绿 脱石以及绿泥石等。 酸性硅铝阶段：碱金属和碱土金属大量被溶滤掉，SiO2进一步游离出来， 随着有机质分解形成大量有机酸和CO2，使介质变为酸性，使饱和硅铝阶 段形成的矿物(蒙脱石、水云母等)转变在酸性条件下稳定的不含碱和碱土 金属的粘土矿物(高岭石、变埃洛石等)。粘土型风化作用。
颗粒搬运特点
①
② ③
颗粒开始搬运的水流速度要比继续搬运所需的流速大。
0.05-2mm的颗粒所需的始动流速最小，而且始动流速与沉积临界流 速相差也不大。故常呈跳跃式前进。 大于2mm的颗粒其搬运与沉积的两个流速曲线更接近，但两者的流 速值也都是随着粒径的增大而增加。故砾石不能长距离被搬运，并 多沿河底呈滚动式前进。 小于0.005mm的颗粒，两个流速相差很大。因而粉砂(0.05~0.005mm) 和粘土(<0.005mm)物质一经流水搬运，就长期悬浮于水体之中不易 沉积下来。而且它们沉积之后又不易呈分散质点再搬运，即使水速 发生急剧改变，也只是冲刷成粉砂质或泥质碎块继续搬运。故在海 洋和湖泊的波浪带的沉积物中冲刷的“泥砾”是常见的。
第二节、物质的搬运和沉积作用
一般说来，风化产物的类型主要的搬运营力有水、 风、冰川。此外重力及生物的搬运也不可忽视。按搬运方 式可以分为：机械搬运、化学搬运和生物搬运。
一、机械搬运与沉积作用 碎屑物质和粘土物质多以机械方式在流水、海水、湖 水、冰川、风及重力等营力下被搬运。
第二节、物质的搬运和沉积作用
④
第二节 物质的搬运和沉积作用
搬运碎屑物质变化 ① ② ③ ④ 粒度变细； 圆度、球度变好(粉砂粒则始终不好)； 颗粒的分选愈好； 稳定矿物增多，不稳定矿物减少，即岩石的矿物成 熟度渐好。前三者即说明岩石的结构成熟度渐高。
第二节、物质的搬运和沉积作用
颗粒沉速与粒度、比重、形状和水介质性质(流速、比重、粘度)关系 用斯托克斯(G.G.Stokes,1850)公式表示：
搬运物质组分的溶解度由小到大的顺序为：
Al2O3-Fe2O3-MnO-SiO2-P2O5-CaCO3-CaSO4-NaCl-MgCl2
Al、Fe、Mn、Si等呈胶体溶液被搬运；Ca、Mg、Na成真
溶液Biblioteka Baidu搬运。
第二节 物质的搬运和沉积作用
1.胶体搬运与沉积 胶体粒子很小，在1-100毫微米之间，当胶体溶液失 去稳定时，胶体质点就会发生凝聚作用(或叫胶凝作用或 絮凝作用)，在溶液中成絮凝状、团块状沉淀。 2.真溶液物质的搬运与沉积 溶解度大的物质不容易沉淀，溶解度小先沉淀；溶解 度受介质pH值、Eh值、温度、压力和CO2含量等一系列因 素的影响。
第一节 沉积岩原始物质的形成
生物风化作用：生物的生命活动及其分解或分泌的物质对岩石所引 起的破坏作用，叫生物风化作用。在岩石圈的上部、大气圈的下部和 水圈的全部，几乎到处都有生物的存在。故生物，特别是微生物在风 化作用中能起到巨大的作用。生物对岩石的破坏方式既有直接的机械 作用，又有间接的化学作用和生物化学作用。
4.冰川的搬运与沉积作用
一般见于高寒地区，固体方式搬运，部分沿谷底拖运 特点：
① 搬运能力巨大，可运载大石块(冰川漂砾)
② ③ 冰川砾石呈棱角状。 冰碛物毫无分选，无磨圆，更无化学分解，可形成特殊 的冰擦痕—钉形痕。
第二节 物质的搬运和沉积作用
二、溶解物质搬运和沉积
搬运方式：胶体溶液、真溶液
化学搬运物质组分的溶解度大小的顺序为：
第一节 沉积岩原始物质的形成
物理风化作用： 温度的变化以及岩石孔隙中水和盐分的物态转化，使岩石和矿物发 生机械破碎而不改变其化学成分的过程叫物理风化作用。温度变化 引起矿物与岩石体积的膨胀与收缩，岩石孔隙中水的冻结与融化， 以及岩石孔隙中盐的结晶与潮解，这些变化使矿物和岩石破碎。物 理风化的总趋势是使母岩崩解，产生碎屑物质，其中包括岩石碎屑 和矿物碎屑。 化学风化作用： 化学风化作用是指氧、水和溶于水中的各种酸对岩石和矿物所起的 一种化学作用和形成新生矿物的综合作用。它不仅使岩石或矿物发 生分解，而且也使它们的化学成分发生改变，在适当的条件下就形 成粘土物质和化学沉淀物质，使那些在地表条件下不稳定的原生矿 物变成稳定的次生矿物。氧、水和酸是引起母岩化学风化作用的主 要因素。