第二章 沉積巖形成及演化

1、第二章第二章 沉積巖的形成及演化沉積巖的形成及演化基本內(nèi)容基本內(nèi)容: : 基本概念基本概念：風(fēng)化作用：風(fēng)化作用( (物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化、物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化、生物風(fēng)化生物風(fēng)化) )、風(fēng)化殼、牛頓流體、層流、紊流、風(fēng)化殼、牛頓流體、層流、紊流、雷諾數(shù)、佛羅德數(shù)、沉積分異作用雷諾數(shù)、佛羅德數(shù)、沉積分異作用( (機械沉積分機械沉積分異和化學(xué)沉積分異作用異和化學(xué)沉積分異作用) )、正常沉積作用、事件、正常沉積作用、事件沉積作用、沉積后作用。沉積作用、沉積后作用。 基本原理：基本原理：各種造巖礦物、巖石的風(fēng)化及其各種造巖礦物、巖石的風(fēng)化及其產(chǎn)物，母巖風(fēng)化的階段性，碎屑物質(zhì)在流水中產(chǎn)物，母巖風(fēng)化的階段性，碎

2、屑物質(zhì)在流水中的搬運和沉積作用，兩種沉積分異作用的關(guān)系，的搬運和沉積作用，兩種沉積分異作用的關(guān)系，沉積后階段的劃分，沉積巖的分類。沉積后階段的劃分，沉積巖的分類。重點：重點： 碎屑物質(zhì)在流水中的搬運和沉積作用，碎屑物質(zhì)在流水中的搬運和沉積作用，沉積巖的分類沉積巖的分類本次課主要參考文獻(xiàn)：本次課主要參考文獻(xiàn)：1.1.趙澄林，趙澄林，沉積巖石學(xué)沉積巖石學(xué)第二章，石油工業(yè)出第二章，石油工業(yè)出 版社版社,2001,20012 2馮增昭，馮增昭，沉積巖石學(xué)沉積巖石學(xué)第二章，石油工業(yè)第二章，石油工業(yè) 出版社，出版社，19931993 沉積巖的形成及其形成后的演化的全部歷史過程大致可分為以下幾個階段： 1、

3、沉積巖原始物質(zhì)（主要是母巖風(fēng)化產(chǎn)物）的形成階段 2、沉積巖原始物質(zhì)的搬運和沉積階段（即沉積物的形成階段） 3、沉積后作用階段（包括沉積物的同生作用和準(zhǔn)同生作用階段、沉積物的成巖作用階段、沉積巖的后生作用階段）第一節(jié)第一節(jié) 母巖的風(fēng)化作用母巖的風(fēng)化作用沉積巖最原始物質(zhì)的形成沉積巖最原始物質(zhì)的形成 一、風(fēng)化作用的概念 風(fēng)化作用 是地殼最表層的巖石在溫度變化、大氣、水、生物等因素的作用下，發(fā)生機械破碎和化學(xué)變化的一種作用。 風(fēng)化作用是地殼表層巖石的一種破壞作用。 風(fēng)化作用按其性質(zhì)可分為三種類型： 物理風(fēng)化作用（physical weathering）:發(fā)生機械破碎而化學(xué)成分不改變。 化學(xué)風(fēng)化作用（c

4、hemical weathering）：母巖發(fā)生氧化、水解、溶慮等化學(xué)變化而分解，形成新礦物。 生物風(fēng)化作用（biological weathering）：常常伴隨物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化。 二、各種造巖礦物的風(fēng)化及其產(chǎn)物 石英（quartz）：主要的造巖礦物，在風(fēng)化作用中穩(wěn)定性極高，它幾乎不發(fā)生化學(xué)溶解作用，一般只發(fā)生機械破碎作用。 注：礦物是地殼上各種地質(zhì)作用形成的，在一定的物理化學(xué)條件下相對穩(wěn)定的自然體，是地殼中巖石、礦石和粘土的組成單位。 長石（feldspar）：穩(wěn)定性次于石英，風(fēng)化穩(wěn)定性由高到低的順序是：鉀長石、多鈉的酸性斜長石、中性斜長石、基性斜長石。最先析出的成分是鉀，其次是硅，最后

5、才是鋁。KAlSi3O3 (鉀長石) K1Al2(Si，Al) 4O10OH 2nH2O (水白云母) (高嶺石) Al4Si4O10OH 8 (高嶺石) (SiO2nH2O (蛋白石) / Al2O3nH2O (鋁土礦) 云母（mica）： 白云母抗風(fēng)化能力較強。 白云母在風(fēng)化過程中，主要是析出鉀，并加入水，先變成水白云母，最后變?yōu)楦邘X石。 黑云母的抗風(fēng)化能力比白云母差得多。黑云母遭受風(fēng)化后，鉀、鎂等成分首先析出，同時加入水，轉(zhuǎn)變?yōu)轵问⒕G泥石、褐鐵礦等。 橄欖石、輝石、角閃石等鎂硅酸鹽礦物抗風(fēng)化能力低。 各種粘土礦物（如高嶺石、蒙脫石、水云母等）在風(fēng)化帶中相當(dāng)穩(wěn)定。 各種碳酸鹽礦物如方解石

6、、白云石等，風(fēng)化穩(wěn)定性甚小，極易溶于水并順?biāo)D(zhuǎn)移。 各種硫酸鹽礦物(如石膏、硬石膏)、硫化物礦物(如黃鐵礦)、鹵化物礦物(如石鹽)等，風(fēng)化穩(wěn)定性最低，最易溶于水，呈溶液狀態(tài)流失走。 重礦物風(fēng)化穩(wěn)定性的差別很大，如鋯石、金紅石、電氣石等較穩(wěn)定，為沉積巖中常見的穩(wěn)定重礦物。 以下各種造巖礦物抗風(fēng)化能力強弱排列正確的是（）。A A鉀長石石英黑云母B B方解石斜長石黑云母C C石英微斜長石方解石D D白云石中性斜長石方解石 影響造巖礦物風(fēng)化穩(wěn)定性的因素： 與它們的結(jié)晶溫度有關(guān) 在巖漿巖的主要造巖礦物中，橄欖石結(jié)晶溫度最高，其風(fēng)化穩(wěn)定性最低，最易被風(fēng)化破壞掉。 輝石、角閃石、黑云母的結(jié)晶溫度依次降低，

7、而它們的風(fēng)化穩(wěn)定性卻依次增高。 基性斜長石、中性斜長石、酸性斜長石、鉀長石的結(jié)晶溫度也依次降低，它們的風(fēng)化穩(wěn)定性也依次增高。 石英的結(jié)晶溫度最低，故其搞風(fēng)化能力最強。 影響造巖礦物風(fēng)化穩(wěn)定性的因素： 與其化學(xué)成分的化學(xué)活潑性（主要是在水中的溶解能力）有關(guān) 與其晶體結(jié)構(gòu)特征及化學(xué)鍵強度有關(guān) 三、各種巖石的風(fēng)化及其產(chǎn)物 巖石是礦物的集合體，因此巖石的風(fēng)化及其產(chǎn)物主要由組成它的礦物的風(fēng)化情況決定的。花崗巖的風(fēng)化作用 中性和堿性侵入巖的風(fēng)化情況大體與花崗質(zhì)巖石相似 基性和超基性侵入巖主要由較易風(fēng)化的橄欖石、輝石、基性斜長石組成，遠(yuǎn)比花崗質(zhì)巖石容易風(fēng)化 火山巖及火山隨屑巖由于含有相當(dāng)多的甚至大量的玻璃質(zhì)

8、或火山灰，故其風(fēng)化速度相當(dāng)快 沉積巖的風(fēng)化情況比較簡單，其中以蒸發(fā)巖最容易溶解、最易風(fēng)化，碳酸鹽巖次之，粘土巖、石英砂巖硅巖等最難風(fēng)化四、母巖風(fēng)化過程中元素的轉(zhuǎn)移順序及母巖風(fēng)化的階段性 1.風(fēng)化過程中元素的析出順序 母巖在化學(xué)風(fēng)化過程中表現(xiàn)為某些元素的淋濾分散和另外一些元素的殘積富集兩個方面。各種元素在特定的風(fēng)化條件下遷移能力是不一樣的，因而造成各種元素按一定順序從母巖中分離出來即元素的風(fēng)化分異。 前蘇聯(lián)學(xué)者雷波諾夫（1934）首先根據(jù)河水中元素的含量與該河流域的巖石中相應(yīng)元素的含量相比較的辦法，了解各種元素遷移的相對活動性，并得出了元素遷移序列。巖漿巖平均化學(xué)成分與流經(jīng)該地區(qū)的河流流水溶解物

9、質(zhì)平均化學(xué)成分的對比將風(fēng)化帶中的元素分為五類：最易遷移元素(Kx=n10n102)：CI，Br，I，S易遷移元素(Kx=nn10)：Ca，Mg，Na，F(xiàn)，Sr，K，Zn可遷移元素(Kx=n10-1n)：Cu，Ni，Co，V，Mn，Si(硅酸鹽)，P惰性(微弱遷移元素) (Kx40時，出現(xiàn)“卡門渦街”，紊流(渦流)自然界中絕大多數(shù)水體是紊流運動 3、緩流、急流和佛羅德數(shù) 在明渠水流中按流動強度不同可分為急流、緩流和臨界流三種狀態(tài)。 這三種流態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)是佛羅德數(shù)(Fr)。 Fr = 慣段能 / 重能 = V2 / Lg 大多數(shù)工程技術(shù)人員把這一數(shù)值的平方根 當(dāng)作佛羅德數(shù)，即 VFRLg Fr1，

10、急流，超臨界流，水淺流急 Fr=1，臨界流 Fr1，靜流，緩流或臨界以下的流動，水深流緩 明渠水流隨著流動強度的加大，在床面上會依次出現(xiàn)下列床沙形體：無顆粒運動的平坦床沙 沙紋沙浪沙丘過渡型低角度沙丘平坦床沙逆行沙丘流槽和凹坑 4、兩種流體及其搬運和沉積作用方式 牽引流(Traction current)-符合牛頓流體定律的流體。其搬運機制是流體動能拖曳牽引沉積物一起運動，如河流、風(fēng)流和波浪流等。沉積物重力流(Gravity flow)-在重力作用下發(fā)生流動的彌散有大量沉積物的高密度流體。 牽引搬運(牽引作用)-能使碎屑物質(zhì)作底負(fù)載移動的各種作用。 牽引流的搬運力包括推力和載荷力。推力(牽引力

11、)與流速有關(guān)，載荷力(負(fù)荷力)與流量有關(guān)。推力大不一定負(fù)荷力大，反之亦然。 牽引流搬運方式： 溶解載荷、懸移載荷、推移載荷或床沙載荷。重力流搬運的驅(qū)動力主要起因于重力。 二、 碎屑物質(zhì)的搬運和沉積作用1.碎屑礦質(zhì)在流水程的搬運和類沉作用 隨屑顆粒在流水中的搬運和沉積，主要與水的流動狀態(tài)關(guān)系密切，是層流還是紊流，是急流還是緩流；還與碎屑顆粒的本身特點（大小、相對密度和形狀等）有關(guān)。 碎屑物質(zhì)在靜水中下沉情況可用斯拖克實驗公式表示（G.G.Stokes，1850）： 其中：V顆粒下沉速度（cm/s）， d1顆粒密度，d2水介質(zhì)密度， g重力加速度（980cm/s2） r顆粒半徑（cm）22 d1-

12、d2V=gr (0.1mm)9適用于粒徑的球形顆粒 碎屑顆粒在靜水中下沉速度與顆粒半徑平方成正比 碎屑顆粒在靜水中下沉速度與其相對密度成正比； 假設(shè)球形顆粒的沉速為100，則橢球形顆粒的沉速為8461，立方體為74，長柱體為50，片狀顆粒為8038； 斯托克公式只有在靜水或?qū)恿鞯臈l件下才適用。 碎屑物質(zhì)在流水中的搬運和沉積，流速和顆粒大小之間的關(guān)系最為關(guān)鍵。 尤爾斯特隆圖解 經(jīng)森德伯格（Sundborg，1956）修改過的尤爾斯特隆圖解 (3)碎屑物質(zhì)在流水搬運過程中的變化 成分上的變化：不穩(wěn)定組分逐漸減少，穩(wěn)定組分則相應(yīng)增加，同其它組分也就變得更加簡單了。 碎屑顆粒度逐漸變小。 碎屑顆粒的圓

13、度逐漸變好 碎屑顆粒的球度也有所增高 類沉分異作用包括：類沉分異作用包括： 粒度分異 相對密度的分異 形狀上的分異，片狀碎屑顆粒較粒狀碎屑顆粒搬運遠(yuǎn) 成分分異。 機械類沉分異作用機械類沉分異作用碎屑礦質(zhì)在搬運和類沉化過程，當(dāng)介質(zhì)運動的速度和運轉(zhuǎn)的化能在一定的方向上作有規(guī)律的變化時，它們也相應(yīng)按照顆粒大小、密度和形狀發(fā)生分異，依次類沉。與類沉分異作用相對立的是“摻和作用”或“混合作用”、“混雜作用” 。2.碎屑物質(zhì)在海、湖水中的搬運和沉積作用 陸地表面流水搬運的碎屑物質(zhì)，大部分都注入海洋，其次是湖泊。海、湖是流水搬運碎屑物質(zhì)的最終場所。 （1）碎屑物質(zhì)在海水中的搬運和沉積作用引起海洋中碎屑物質(zhì)搬

14、運和沉積的營力主要是波浪和潮汐，其次是海流。 波浪主要由風(fēng)引起，波浪的大小主要取決于風(fēng)的大小 。波基面(浪底)-波浪作用的下限，即波浪所影響的最大深度 。 除正常天氣情況下，碎屑物質(zhì)在橫向和縱向波浪作用下的搬運和沉積作用外. 還有陣發(fā)性的風(fēng)暴浪將淺海沉積物卷起而重新搬離或搬向海岸，形成風(fēng)暴沉積物。 潮汐作用對濱岸地區(qū)的碎屑物質(zhì)影響很大，在潮汐作用帶，水體作大規(guī)模地漲潮和落潮運動，因此也使水底的碎屑物質(zhì)作相應(yīng)的往返運動。 近岸地帶的海流或深海的濁流、等深流、內(nèi)潮汐流、冷流、暖流、赤道洋流和上返洋流等對碎屑物質(zhì)的搬運和沉積均有一定的作用。 （2）碎屑物質(zhì)在湖水中的搬運和沉積作用與海洋相比，湖泊面積

15、小，缺乏潮汐作用，因此，潮浪和潮流是潮泊中搬運和沉積碎屑物質(zhì)的主要營力。3、碎屑物質(zhì)在空氣中的搬運和沉積作用 4、碎屑物質(zhì)在冰川中的搬運和沉積作用昆侖山雪線（海拔4400m）及冰川（攝于花土溝尕斯湖畔） 冰川的搬運與堆積： 冰磧物-冰川攜帶的碎屑物質(zhì) 冰川具有巨大的搬運能力 南極大陸冰蓋 冰川的搬運與堆積： 冰磧物-冰川攜帶的碎屑物質(zhì) 冰川具有巨大的搬運能力 南極大陸冰蓋 冰磧物的基本特征： 結(jié)構(gòu)疏松，大小混雜，分選極差； 冰磧物中礫石磨圓極差； 一般缺乏層理構(gòu)造。第三節(jié)第三節(jié) 溶解礦質(zhì)的搬運和類沉作用溶解礦質(zhì)的搬運和類沉作用一、概述 母巖風(fēng)化的礦程的溶解礦質(zhì)，主要為CI、S、Ca、Na、K、

16、Mg、P、Si、Al、Fe 等。 它們均呈溶解狀態(tài)，在河水或地下水中，向湖泊和海洋中轉(zhuǎn)移。 前面的溶解度較大，多呈真溶液；后面的溶解度較小，多呈膠體溶液。二、膠體溶液物質(zhì)的搬運和沉積作用 膠體：種物質(zhì)的細(xì)微質(zhì)點分散在另一種物質(zhì)中的不均勻分散體系。 膠體質(zhì)點一般介于1001m之間，多呈分子狀態(tài)。 膠體質(zhì)點常有電荷。劉家場水巖屋寒武系覃家廟組白云巖裂縫中的瑪瑙（SiO2SiO2膠體沉淀）三、真溶液物質(zhì)的搬運和沉積作用 母巖風(fēng)化產(chǎn)物中的真溶液物質(zhì)主要是CI、S、Ca、Na、K、Mg等，P、Si、Al、Fe、Mn等也可部分呈真溶液狀態(tài)。 真溶液物質(zhì)的搬運及沉積作用的根本控制因素是它們的溶解度。 溶解度

17、越大，越易搬運，越難沉積。 溶解度越小，越易沉積，越難搬運。 Fe、Mn、Si、Al等溶解物質(zhì)的溶解度較小，易于沉淀，在它們的搬運和沉積作用中，水介質(zhì)的各種物理化學(xué)條件的影響十分重要。 各種鐵、錳礦物生成時所需要的PH值及EH值 對于溶解度大的物質(zhì)的搬運和沉積作用，水介質(zhì)的影響不大，它們只有在干熱的氣候條件下，在封閉或辦封閉的盆地中，或在水循環(huán)受限制的潮上地帶，即在蒸發(fā)條件下，才能沉積下來。如石膏、硬石膏、鎂鹽等。四、生物的搬運和沉積作用 生物在母巖風(fēng)化產(chǎn)物的搬運和沉積過程中起著重要的作用，不少沉積巖和沉積礦產(chǎn)的形成都與生物作用有關(guān)，或直接由生物作用而形成。如碳酸鹽巖、磷酸鹽巖、沉積鐵礦、硅藻

18、土、白堊、煤、油頁巖和石油等。 在各類生物中，尤以藻類和細(xì)菌等微生物在沉積巖和沉積礦產(chǎn)形成作用中的意義較大。 生物的搬運和沉積作用有兩種方式： 一是生物通過新陳代謝作用，在其生活過程中不斷地從周圍介質(zhì)中吸取一定的物質(zhì)成分，從而把一些元素富集起來。 另一種方式是由于生物作用而引起的周圍介質(zhì)條件的改變，從而影響某些物質(zhì)的搬運和沉積。2、化學(xué)沉積分異作用 化學(xué)沉積分異作用化學(xué)沉積分異作用-受化學(xué)原理支配的分異作用。 母巖風(fēng)化產(chǎn)物中的溶解物質(zhì)，在搬運和沉積過程中，由于各元素和化合物彼此在化學(xué)性質(zhì)上的差異(主要是化學(xué)活潑性或溶解度大小)，它們從溶液中按一定先后順序沉淀出來，從而逐漸產(chǎn)生了分異。六、兩種沉

19、積分異作用的關(guān)系及其地質(zhì)意義 1、關(guān)系 機械沉積分異作用進(jìn)行得較早，化學(xué)沉積分異作用進(jìn)行得較晚。 2、意義 兩種沉積分異作用的結(jié)果，就形成了各種類型的機械沉積巖和化學(xué)沉積巖以及相應(yīng)的各種沉積礦產(chǎn)。 分異作用進(jìn)行越徹底，各種類型的沉積巖在成分上和結(jié)構(gòu)上的成熟度就越高，從而越易形成各種沉積礦產(chǎn)。七、正常沉積作用和事件沉積作用七、正常沉積作用和事件沉積作用 正常沉積作用正常沉積作用-正常情況或條件下發(fā)生的正常情況或條件下發(fā)生的搬運和沉積作用，這一作用過程是緩慢的、均變搬運和沉積作用，這一作用過程是緩慢的、均變的。的。 事件沉積作用事件沉積作用-指事件性的、陣發(fā)性的或指事件性的、陣發(fā)性的或災(zāi)變性的搬運

20、和沉積作用。這類作用的發(fā)生和發(fā)災(zāi)變性的搬運和沉積作用。這類作用的發(fā)生和發(fā)展可能是瞬間的、短暫的，但其作用過程是快速展可能是瞬間的、短暫的，但其作用過程是快速的。的。 母巖母巖沉積巖的形成與演化類沉礦形成的階成巖作用的階類沉巖后生作用的階變質(zhì)作用變質(zhì)作用沉積后作用成巖作用后生作用 廣義的成巖作用包括狹義的廣義的成巖作用包括狹義的成巖作用成巖作用和和后生作后生作用用兩個階段。兩個階段。 成巖作用成巖作用-沉積物轉(zhuǎn)變沉積巖所發(fā)生的一沉積物轉(zhuǎn)變沉積巖所發(fā)生的一系列變化。系列變化。 后生作用后生作用-沉積巖形成以后到遭受風(fēng)化作用沉積巖形成以后到遭受風(fēng)化作用或變質(zhì)作用以前的變化?；蜃冑|(zhì)作用以前的變化。 沉

21、積后作用的上限為沉積物沉積后作用的上限為沉積物表面或潛水面。表面或潛水面。 沉積后作用的下限為沉積后作用的下限為變質(zhì)巖帶頂變質(zhì)巖帶頂(220(220，1000bar)1000bar)。二、沉積后作用階段的劃分 沉積后作用階段的劃分，到目前為止也還沒有一個公認(rèn)的、統(tǒng)一的劃分方案。 1.根據(jù)粘土礦物成分來劃分 2.根據(jù)煤巖學(xué)來劃分 3.根據(jù)地球化學(xué)不環(huán)境來劃分 4.根據(jù)埋深來劃分 5.綜合劃分方案成巖作用階段的劃分和對比成巖作用階段的劃分和對比三、有關(guān)術(shù)語的闡明 1、埋藏成巖作用埋藏成巖作用-碎屑沉積物隨埋深增加，主要由于機械壓實作用和化學(xué)膠結(jié)作用，致使巖石逐漸變致密、孔隙度減小、物性變差等一系列

22、物理和化學(xué)變化直到變質(zhì)作用。 2、沉積后作用沉積后作用-泛指沉積物形成以后到沉積巖遭受風(fēng)化作用和變質(zhì)作用以前這一演化階段的所有變化和作用。 3、同生作用同生作用-指沉積物剛剛形成以后而尚與上覆水體相接觸時的變化。如海解作用、海底風(fēng)化作用及陸解作用等。 4、準(zhǔn)同生作用準(zhǔn)同生作用-主要是指潮上帶的疏松碳酸鈣沉積物被高鎂粒間鹽水白云化的作用。 5、成巖作用成巖作用(廣義)-指上覆沉積物不斷增加使早期沉積物逐漸被掩埋，直至基本上與上覆水體脫離，使沉積物在新的物理化學(xué)條件下，產(chǎn)生新的平衡，致使疏松的沉積物固結(jié)成巖的全部變化過程。 6、后生作用后生作用-繼成巖作用階段之后，在沉積巖轉(zhuǎn)變?yōu)樽冑|(zhì)巖之前或遭受風(fēng)化作用之前所產(chǎn)生的一切作用和變化。 7、表生作用表生作用-指沉積物抬升到近地表，在潛水面以下常溫常壓或低溫低壓條件下，由于滲透水和淺部地下水(包括上升水)的影響下所發(fā)生的變化。四、沉積期后的影響因素 沉積物脫離沉積環(huán)境進(jìn)入沉積期后變化階段，實質(zhì)上是沉積物在新的條件下，重新建立起新的平衡的過程。 影響這一平衡過程的因素主要