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表1三类沉积岩的化学成分含量(%)
表2按粒度化分的粘土岩的结构类型
表3沉积岩构造
图1层里的组成单位及基本类型
图2沉积岩的简化分类(不包括表性的沉积物)

  成层堆积的松散沉积物固结而成的岩石。曾称水成岩。是组成地壳的三大岩类 (火成岩、沉积岩和变质岩)之一。沉积物指陆地或水盆地中的松散碎屑物,如砾石、砂、粘土、灰泥和生物残骸等。主要是母岩风化的产物,其次是火山喷发物、有机物和宇宙物质等。沉积岩分布在地壳的表层。在陆地上出露的面积约占75%,火成岩和变质岩只有25%。但是在地壳中沉积岩的体积只占5%左右,其余两类岩石约占95%。沉积岩种类很多,其中最常见的是页岩砂岩石灰岩,它们占沉积岩总数的95%。这三种岩石的分配比例随沉积区的地质构造和古地理位置不同而异。总的说,页岩最多,其次是砂岩,石灰岩数量最少。沉积岩地层中蕴藏着绝大部分矿产,如能源、非金属、金属和稀有元素矿产等。

目录

化学成分

  随沉积岩中的主要造岩矿物含量差异而不同。例如,泥质岩以粘土矿物为主要造岩矿物,而粘土矿物是铝-硅酸盐类矿物,因此泥质岩中SiO2及Al2O3的总含量常达70%以上。砂岩中石英长石是主要的,一般以石英居多,因此SiO2及Al2O3含量可高达80%以上,其中SiO2可达60~95%。石灰岩白云岩等硫酸盐岩,以方解石白云石为造岩矿物,CaO或CaO+MgO含量大,SiO2,Al2O3等含量一般不足10%。表1是根据岩样的化学分析资料综合的泥质岩、砂岩和石灰岩的化学成分含量范围值。

造岩组分

  包括碎屑组分、化学-生物化学组分、蒸发化学组分、有机质衍变组分、火山喷发组分、宇宙物质组分等。

碎屑组分

  按物质来源又分下列几种:①陆源碎屑,指由早先生成的岩石经风化、剥蚀形成的碎屑,包括岩石碎屑和矿物碎屑。陆源矿物碎屑主要是硅-铝质的。②内碎屑,主要指沉积盆地内产生的碎屑,它是沉积盆地中固结的或半固结的沉积岩经水流、风暴、滑塌或地震等作用再次破碎而形成的。常见的是碳酸盐岩的内碎屑,也有泥质岩、铝质岩磷质岩硅质岩、石膏岩甚至盐岩的内碎屑角砾或砾石。③生物骨骼碎屑,多半是盆地内的钙质壳生物碎屑或壳体堆积而成,如甲壳类和珊瑚等,也包括微体动物的壳和壳屑,以及藻类和藻类的碎屑等。

化学-生物化学组分

  其中包括若干化学沉淀的组分。例如,由硅、铝、铁、锰、磷和硅酸盐等组成的矿物可由沉积区的化学条件控制,如铝-硅酸盐粘土矿物和铝矿物;也可由化学条件支配又受到生物、微生物细菌等的促进,如有些铁、锰、铜、铅等沉积矿物组分;还有一些元素主要依靠生物体提供,如磷质岩中的磷来自海洋生物骨骸或陆地的鸟粪,硅质放射虫岩来自放射虫的硅质壳及硅质海绵等。

蒸发化学组分

  半封闭盆地内最常见的蒸发组分是方解石和白云石。在封闭盆地强烈蒸发条件下,可出现石膏硬石膏石盐、镁盐或钾-镁盐,或天然碱、苏打等。蒸发组分与干旱气候环境有关。

有机质衍变组分

  各种低等和高等植物的根、茎、叶的堆积物和各种陆生的和水生的高等、低等以及微体动物的堆积物的有机质部分经埋藏和细菌分解,可衍变为由碳、氢、氧不同比例聚合而成的有机酸、脂酸、醣、纤维素和有机碳等多种衍生组分,构成石油、 天然气、油页岩等的主要成分。此外,有一些自然硫、锰、铁、铜、铅、锌、铀等在沉积岩中的聚集,也是在微生物或细菌活动的参与下造成的。

火山喷发组分

  由于火山喷发而进入沉积岩的物质,包括凝灰质、矿物晶屑、喷发的岩石碎屑和岩浆的浆屑等。陆地的火山喷发和海洋的火山喷发都可带来这些组分。海底火山喷发,还可由火山喷出的热水、气体等,把多种元素离子,如硅、铁、 磷、 镍、铜、铅、锌、锰、铀等,带入海水。这些元素经过富集,可在沉积岩、沉积层内形成矿床,或促进有关的沉积矿床的形成。

宇宙物质组分

  在沉积岩中含少量宇宙物质,如陨石、宇宙尘。宇宙尘的研究不仅可了解沉积岩本身,而且还可进一步了解各地质时代沉积岩形成时,天体可能发生的某些事件或变化。

形成

  沉积岩是由风化的碎屑物和溶解的物质经过搬运作用、沉积作用成岩作用而形成的。形成过程受到地理环境和大地构造格局的制约。古地理对沉积岩形成的影响是多方面的。最明显的是陆地和海洋,盆地外和盆地内的古地理影响。陆地沉积岩的分布范围比海洋沉积岩的分布范围小;盆地外沉积岩的分布范围或能保存下来的范围,比盆地内沉积岩的分布或能保存下来的范围要小一些。大地构造环境对沉积岩的形成及其以后的变化有多方面的制约。例如在陆内造山带形成山前粗碎屑砾岩层序;在陆内断陷盆地、洼地和山前拗陷盆地,可形成湖泊、干盐湖或湖沼沉积;在稳定大陆块或克拉通之上的陆表海内,常形成厚度不大的砂质岩或碳酸盐岩组合;在大陆与火山岛弧之间或弧后海沟一带,可形成厚度很大而且包含火山岩和火山碎屑岩的韵律层状沉积岩;在大陆架到深海的斜坡带形成滑塌堆积岩或混杂岩等。古气候对沉积岩的形成的影响在陆地范围内非常明显。在干旱古气候条件下,形成大面积的陆相红色粗细碎屑岩,这是由于沉积物中的氧化铁常氧化为三氧化二铁。潮湿气候条件下,有机质丰富,进入沉积物中使沉积岩颜色成为暗灰或黑色。盐类在炎热干旱气候形成,煤炭在温暖潮湿气候聚集,都说明古气候对沉积岩形成是有制约作用的。生物在地质历史时期的进化,繁盛或衰亡对沉积岩的形成有明显影响,元古宙时期还未出现大量的海生动物群,因此,世界各地的中、晚元古代地层都包含大量叠层石藻灰岩,据认为在显生宙以后大量海生动物出现并以食藻为生,因而叠层石灰岩大为减少。在石炭纪,全球性的植物繁茂,形成了大量煤炭层。古水动力条件对沉积岩的形成的影响表现为不同的水流条件形成不同的沉积或造成不同的结构构造。山前和河流的水流主要是由高处流向低处的定向水流,常形成分选差的、具单向交错层理的洪积和冲积沉积。在滨海带,潮汐带主要是往复流动的双向水流,常形成分选好的、具鱼骨状交错层理的滨海和潮汐沉积。在海洋中还有风暴流、浊流等深流造成碎屑岩的结构、构造和造岩成分的差异。此外,有些沉积岩形成后还受到地下潜水流的影响,使石灰岩发生白云岩化和硅化等次生变化。此外,冰川和风也可搬运碎屑物,在特定条件下,形成冰碛岩和风成岩。

结构

  指组成沉积岩的组分的大小、形状和排列方式。它既是沉积岩分类命名的基础,也是确定沉积岩形成条件的重要特征和参数。按不同岩类分为下列几种:

碎屑岩的结构

  指碎屑颗粒本身的特征(粒度、圆度、球度、形状及颗粒表面特征),基质和胶结物的特征,碎屑颗粒与基质和胶结物之间的关系(胶结类型)的总和。粒度以颗粒的直径来计量。它是反映碎屑岩形成环境的重要特征之一。圆度、球度和形状是表征碎屑颗粒形态的 3个特征参数。圆度指颗粒的原始棱角受机械磨蚀而圆化的程度。球度指颗粒接近球体的程度。颗粒的表面特征指颗粒表面的磨光度及显微刻蚀痕。如砾石表面的冰川擦痕、刻擦痕、撞痕和凿痕或凹坑;石英砂表面的各种刻蚀痕、溶蚀痕和撞击痕。基质和胶结物是充填在碎屑颗粒之间的填隙物质。基质又称杂基,是粗、中碎屑岩石中较细粒的机械充填物,通常是细粉砂和粘土物质。当颗粒之间留下孔隙而无细粒的物质时,则造成颗粒支撑结构,而大小颗粒和泥质一起堆积下来便形成杂基支撑结构。胶结物是化学沉淀的物质,可分为原生和次生两种。常见的胶结物有碳酸盐、硅质、铁质和磷质等。根据基质和胶结物与碎屑颗粒的相互关系,可分出各种胶结类型,如基底式、接触式、孔隙式、充填式、溶蚀式和嵌晶式等。

粘土岩的结构

  根据粘土质点、粉砂和砂的相对含量,可将粘土岩的结构划分为以下几种(表2)。按岩石结晶程度可分为非晶质粘土结构,隐晶质粘土结构,显微晶质粘土结构,粗晶粘土结构和斑状粘土结构。

  按粘土矿物结合体的形状分为胶状粘土结构,鲕状粘土结构,豆状粘土结构和碎屑状粘土结构。此外,还有生物粘土结构和残余粘土结构等。

碳酸盐岩的结构

  包括粒屑结构、生物格架结构、晶粒结构和残余结构。①粒屑结构,由颗粒、泥晶基质和亮晶胶结物组成。颗粒与泥晶、亮晶的相对含量可以反映岩石形成环境的介质能量条件。颗粒多、亮晶多则介质能量高;颗粒少、泥晶多则介质能量低。碳酸盐岩胶结物的结构类型有栉壳状、粒状、再生边及连生胶结等。胶结类型也可分为基底式、孔隙式和接触式等。②生物格架结构,主要由原地固着生长的群体造礁生物形成的一种坚硬的碳酸钙格架。③晶粒结构,晶粒主要成分是方解石,其次是白云石。晶粒从>4毫米到<0.001毫米不等。按晶粒大小分为:巨晶、极粗晶、粗晶、中晶、细晶、粉晶、微晶和隐晶。④残余结构,由交代和重结晶作用形成。常见的残余结构有残余生物结构、残余鲕状结构和残余碎屑结构等。

火山碎屑岩的结构

  根据不同粒级的火山碎屑物在火山碎屑岩中的含量可分为4种基本结构类型:集块结构、火山角砾结构、凝灰结构和火山尘结构。此外,还有塑变结构、沉凝灰结构和凝灰碎屑结构。(见火成碎屑岩)

构造

  由成分、结构、颜色的不均一引起的沉积岩层内部和层面上宏观特征的总称。它有无机和有机的,有原生和次生的。沉积岩的构造可用于推论沉积条件,判断地层顺序。类型划分见表3。

原生沉积构造

  沉积阶段机械作用生成的构造。是沉积环境的标志。它包括3种构造。①层间构造,流体侵蚀冲刷先期沉积物的表面痕迹和堆积形态。它能指示风、水流、波浪的运动方向。波痕是最常见的层间(面)构造。它是流体流经底床时床沙运动的形态,又称底形。②层内构造,又称层理(图1)。流体在搬运过程中由载荷物质垂向和侧向加积形成。细层是组成层理的最小单位,代表瞬时加积的一个纹层。层系是在成分、结构、形态相似的一组细层,代表一个持续水动力状况的加积物。层系组由一系列相似的层系所组成。不同特征的层系组分别构成:水平层理(C1),波状层理(C2),板状交错层理(C3),楔状交错层理(C4),槽状交错层理(C5)。不同层理是实验水槽或天然水道中水流牵引床沙形态变化和迁移形成的。不同流态的床沙形态迁移加积,形成各种层理。低流态时(水的冲刷力弱)由无颗粒运动的平坦底床形成水平纹理;由小型沙纹形成各种小型交错纹理;由沙波和沙丘分别形成板状交错层理和槽状交错层理。高流态时(水的冲刷力强),由粗颗粒平床形成平行层理(带剥离线理)和由逆行沙丘形成逆行沙丘交错层理。粒序层理又称递变层理,指粒度由下而上有递变现象的沉积层。粒度自下而上由粗递变细的称正粒序;粒度做反向递变的称逆粒序。前者主要发育于现代浊流沉积和古代复理石层中。后者见于浊流沉积和某些颗粒流沉积中。粒序层理偶尔可见于牵引流(如河流)和三角洲沉积。③层的变形构造,又称同生变形构造。它是在准同生或沉积期后可塑性变形作用中形成的。变形作用有垂向为主和侧向为主之分。垂向变形的,主要由沉积物液化、重荷、潜水渗透、水位变动等原因造成的,如盘状构造、泄水构造、重荷构造(球-枕构造)、帐篷构造等。侧向变形的,主要由断裂剪切、重力滑帛、水流拖曳诸原因形成的,如滑塌、滑坡、变形层理(同生揉皱)、伏卧前积层等。大规模的侧向变形作用往往能诱导出垂向变形构造。

次生或多因素生成的构造

  大多数产于碳酸盐岩和其他内源岩中。其中①结核构造,岩中存在一个成分与主岩有差异的核形物体,是在物理化学条件不均匀状况下,某种成核物质从周围的沉积物或岩石向成核中心富集而形成的。结核可在沉积岩形成作用的各个阶段形成。②鸟眼构造,碳酸盐岩中似鸟眼状孔隙被亮晶方解石或硬石膏充填的构造。大小多为1~3毫米,多平行层面排列。多产于潮上带,少数亦产于潮间带。它是由于露出水面的沉积物干燥收缩、灰泥中产生气泡或藻类腐烂而产生的孔隙,被亮晶充填沉淀而成。③缝合线,由于压溶作用形成垂直层面分布的锯齿状、尖锋状、指状等形态的裂缝。常见于碳酸盐岩中,也可出现于砂岩、硅质岩和盐岩层中。缝合线处常遗留有较多不溶残余物质。缝合线可用于了解岩石形成环境和油、气、水运移条件。

生物成因构造

  由生物活动形成的原生沉积构造。包括生物生长沉积构造和生物扰动构造。

  ①生物生长沉积构造。是由生物的生长作用形成的一类特殊的沉积构造。主要产于碳酸盐岩和其他内源岩中。其中叠层石构造是由富藻的和贫藻的碳酸盐(或其他内源沉积)的双纹层构造生长叠置而成。核形构造是无固着基底滚动悬着生长而成。凝块构造是只有生长构造外形,没有内部叠层构造。叠层构造的形态特征和变化,与藻类粘结作用的光合作用强度、水流速度和排气强度有关。

  ②生物扰动构造。是由生物的扰动和挖掘作用形成的沉积构造。又称生物侵蚀构造。其中足迹是动物的足趾留在沉积物表面的印痕。移迹是由于无脊椎动物蠕动爬行或啮食,在沉积物表面产生的沟槽。潜穴是由无脊椎动物在未完全固结的沉积物内部,为了居住或觅食所挖掘的各种洞穴、管道。常见的有呈垂直管型、斜交管型、水平管型和复杂分支管道系统等。钻孔是无脊椎动物为了寻食或庇护,在已固结岩石质海岸、海底或生物钙质壳上凿蚀的各种孔洞。钻孔一般分布于未被海侵沉积物覆盖的岩石质海底上,为判别海侵和海岸线的标志。生物扰动变形层理系指生物在沉积物中活动引起的对原生层理构造的变形和破坏,并形成由规则状、不规则状、斑迹状以至完全均质化结构的层理。

分类

  沉积岩分类考虑岩石的成因、造岩组分和结构构造3个因素。一般沉积岩的成因分类比较粗略,按岩石的造岩组分和结构特点的分类比较详细。(图2)为沉积岩成因分类框图。

  外生和内生实际上是指盆地外和盆地内的两种成因类型。盆地外的,主要形成陆源的硅质碎屑岩,但是陆地的河流等定向水系可将陆源碎屑物搬运到湖、海等盆地内部而沉积、成岩;盆地内的,形成的内生沉积岩的造岩组分,除了直接由湖、海中析出的化学成分外,也可能有一部分来自陆地的化学或生物组分。因此,可简单地概分为2类:①陆源碎屑岩,主要由陆地岩石风化、剥蚀产生的各种碎屑物组成。按颗粒粗细分为砾岩、砂岩、粉砂岩和泥质岩。②内积岩,主要指在盆地内沉积的化学岩、生物-化学岩,也可由风浪、风暴、地震和滑塌作用将未充分固结的岩石破碎再堆积,成为内碎屑岩。内积岩按造岩成分分为铝质岩、铁质岩锰质岩、磷质岩、硅质岩、蒸发岩可燃有机岩(褐煤、煤、油页岩)和碳酸盐岩(石灰岩、白云岩等)。此外,由不同性质的水流可形成不同沉积岩。如浊流作用形成浊积岩,风暴流作用形成风暴岩,平流作用形成平流岩,滑塌作用可形成滑积岩,造山作用前后常可分别形成复理石磨拉石

  参考书目

  宋天锐等,关于沉积岩的分类和命名,《中华人民共和国地质科学院论文集》,中国工业出版社,北京,1965。

  刘宝珺:《沉积岩石学》,地质出版社,北京,1980。

  F.J.佩蒂庄著,李汉瑜等译:《沉积岩》,石油工业出版社,北京,1981。(F. J. Pettijohn,Sedimentary Rocks,3rd ed., Harper & Row Pub.,New York,1975.)

  H.布拉特等著,《沉积岩成因》翻译组译校:《沉积岩成因》,科学出版社,北京,1978。(H.Blatt,et al.,Origin of Sedimentary Rocks, Prentice Hall Inc.,Englewood Cliffs,New Jersey,1972.)

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