《地層學(xué)與地史學(xué)》第二章地層的沉積環(huán)境課件

1、第二章地層的沉積環(huán)境及沉積作用第1頁(yè)，共82頁(yè)。第二章 地層的沉積環(huán)境及沉積作用一、沉積相概念及相對(duì)比定律二、沉積環(huán)境的判別標(biāo)志三、沉積環(huán)境與沉積相類型四、古地理圖及其意義第2頁(yè)，共82頁(yè)。1 沉積環(huán)境(sedimentary environment) 一個(gè)具有獨(dú)特的 物理、化學(xué)和生物 特征的自然地理單元2 沉積相(Sedimentary facies)反映沉積記錄成因（環(huán)境、條件和沉積作用）的巖石特征和生物特征的綜合。即沉積記錄成因的物質(zhì)表現(xiàn)。巖相(lithofacies, petrofacies)生物相(biofacies)一、沉積相概念及相對(duì)比定律第3頁(yè)，共82頁(yè)。Carbonate f

2、aciesShale faciesSandstone faciesShale & coal facies3 相變地層的巖石特征和生物特征及其所反映的沉積環(huán)境和沉積作用在空間（橫向）上的變化。第4頁(yè)，共82頁(yè)。5、相對(duì)比定律：19世紀(jì)末期由德國(guó)學(xué)者瓦爾特（J.Walther，1894)提出，“只有那些目前可以觀察到是彼此毗鄰的相和相區(qū)，才能原生的重疊在一起”。 相對(duì)比定律又稱瓦爾特定律。4、巖相分析:根據(jù)地層中巖性特征和生物特征等,推論其生成環(huán)境的方法稱巖相分析。第5頁(yè)，共82頁(yè)。Stratigraphical conformities Gradual transgressiontransgre

3、ssion第6頁(yè)，共82頁(yè)。Stratigraphical conformities? Continental陸相?Deep-sea深海相第7頁(yè)，共82頁(yè)。6、巖相分析的基本原則將今論古現(xiàn)代和地史時(shí)期所形成的物質(zhì)記錄有許多類似之處。第8頁(yè)，共82頁(yè)。PresentPastPrinciple of Uniformitarianism “The Present is the key to the past”第9頁(yè)，共82頁(yè)。Rain dropsSubaerial, most likely semi-humid environmentMudcracks1000Ma第10頁(yè)，共82頁(yè)。 What is

4、 an Uniformitarianism“The past history of our globe must be explained by what can be seen to be happening now” (James Hutton). It was named Uniformitarianism by Charles Lyell (1830; Hutton, 1795)第11頁(yè)，共82頁(yè)。Brachiopods現(xiàn)代腕足動(dòng)物以正常淺海為主，各種水深均能生存，但在水深左右最多;化石腕足類大多數(shù)生活在鹽度正常的淺海環(huán)境中，但中生代以來(lái)發(fā)現(xiàn)它們與某些深水類別共生Uniformitar

5、ianism-1?第12頁(yè)，共82頁(yè)。1)利用生物種類及其保存特征來(lái)鑒別其生存環(huán)境。 海洋環(huán)境:蜓、珊瑚、層孔蟲、腕足、菊石、三葉蟲、筆石等 大陸環(huán)境:陸生植物陸生脊椎動(dòng)物和淡水軟體動(dòng)物等2)可以根據(jù)某些生物判斷海水的鹽度及古氣候。如： 狹鹽度生物（珊瑚、菊石、腕足等） 廣鹽度生物（某些腹足、雙殼類等） 1、生物標(biāo)志二、沉積環(huán)境的判別標(biāo)志(相標(biāo)志)第13頁(yè)，共82頁(yè)。Modern distribution of major fossilizable invertebrate and algae in relation to salinity. After Heckel (1972)第14頁(yè)，共

6、82頁(yè)。 喜暖生物（造礁珊瑚、多數(shù)藻類、海綿、層孔蟲等） 喜冷生物（某些小型單體珊瑚、厚殼的腕足和雙殼） 棕櫚、樟樹長(zhǎng)綠闊葉林熱帶氣候指示性植物 松樹和銀杏等落葉林分布于溫帶區(qū)，年輪清晰3)可以根據(jù)某些生物判斷其生活的水體深度。 在含氧豐富和透光良好、海水深達(dá)0-50米的地帶，底棲生物豐富，可含有大量的底棲的有孔蟲、三葉蟲、腕足類、灰質(zhì)海綿、層孔蟲和塊狀珊瑚等。 100-200米生物逐漸減少，但有很多苔鮮蟲、具鉸綱腕足類、海綿和海膽。 一些薄殼的腕足類、硅質(zhì)海綿、枝狀苔鮮蟲等生活在200米以下較深水域。 遺跡化石組合也可判斷水深第15頁(yè)，共82頁(yè)。第16頁(yè)，共82頁(yè)。第17頁(yè)，共82頁(yè)。4)可

7、以根據(jù)生物化石在地層中保存的完整程度來(lái)判斷水動(dòng)力的強(qiáng)弱和搬運(yùn)的遠(yuǎn)近。 原地埋藏 ： 化石保存完好、無(wú)磨損或保持原位生長(zhǎng)狀態(tài) 異地埋藏：化石破損第18頁(yè)，共82頁(yè)。2、物理標(biāo)志(1)沉積物顏色 淺色巖石 含有機(jī)質(zhì)低 淺水動(dòng)蕩的氧化條件 暗色巖石 深水 靜水和還原條件 紫紅色 強(qiáng)氧化 暗綠色 相對(duì)還原(2)沉積物結(jié)構(gòu) 粒度 圓度 分選 定向性 支撐類型 沉積條件的能量第19頁(yè)，共82頁(yè)。 1)層面構(gòu)造與暴露標(biāo)志 層面構(gòu)造指出現(xiàn)在沉積巖層面上的構(gòu)造，有時(shí)與沉積物同時(shí)形成。 波痕（對(duì)稱和不對(duì)稱波痕） 沖刷痕，刻壓痕。 (3)原生沉積構(gòu)造第20頁(yè)，共82頁(yè)。波痕第21頁(yè)，共82頁(yè)。波痕的形成：b、c示不

8、對(duì)稱波痕；d、e示對(duì)稱波痕第22頁(yè)，共82頁(yè)。Flutes on the soles of sandstone第23頁(yè)，共82頁(yè)。 暴露標(biāo)志指形成于沉積作用之后，并能指示沉積物曾暴露于地表的層面構(gòu)造。 如動(dòng)物的爬痕，足跡，泥裂，雨痕(雹痕)等。更明顯的區(qū)域性暴露標(biāo)志是古風(fēng)化殼，在不同的氣候帶具有明顯不同的識(shí)別標(biāo)志。第24頁(yè)，共82頁(yè)。蟲跡孔龍腳印干裂干裂 暴 露 標(biāo) 志第25頁(yè)，共82頁(yè)。第26頁(yè)，共82頁(yè)。 2)、層理構(gòu)造 層理是兩個(gè)層面之間由于巖石的性質(zhì)在垂直層面方向上，由成分、顏色、結(jié)構(gòu)的變化所顯示的層狀構(gòu)造。 常見的層理有 水平紋理（層理） 交錯(cuò)層理 平行層理 遞變層理 塊狀層理第27

9、頁(yè)，共82頁(yè)。Basic terms of bedding第28頁(yè)，共82頁(yè)。第29頁(yè)，共82頁(yè)。Wedge-bedding formed by wind, Utah, USA第30頁(yè)，共82頁(yè)。Wedge-bedding formed in the shallow lake-facies sandstone, Neogene(N2), 塔北第31頁(yè)，共82頁(yè)。A Tabular cross-beddingC Trough cross-bedding第32頁(yè)，共82頁(yè)。Tidal beddings, P1, NSW, Australia第33頁(yè)，共82頁(yè)。Graded bedding 阿勒泰，

10、D1第34頁(yè)，共82頁(yè)。3）準(zhǔn)同生變形構(gòu)造滑塌構(gòu)造（slump structure ） 由于受地震、風(fēng)暴等因素的影響，處于塑性狀態(tài)的沉積物通過(guò)重力作用沿大陸斜坡發(fā)生移動(dòng)而產(chǎn)生的變形構(gòu)造（準(zhǔn)同生變形構(gòu)造）。 多見于大陸斜坡較深水沉積物中，并形成濁積巖或深水碳酸鹽巖，為識(shí)別古坡向的重要標(biāo)志。第35頁(yè)，共82頁(yè)。Load-casts on the base of sandstone bed from an interbedded sandstone/mudstone sequence, P,天山負(fù)載構(gòu)造覆蓋在泥質(zhì)巖之上的砂層底面上的瘤狀突起第36頁(yè)，共82頁(yè)。Loadcasts第37頁(yè)，共82頁(yè)。c

11、onvolute beddings in the lacustrine facies, N2, 山旺包卷層理第38頁(yè)，共82頁(yè)。4）化學(xué)及生物成因構(gòu)造Eye-birds in dolomite, Pt2,鐵嶺組， 周口店第39頁(yè)，共82頁(yè)。Present stromatolites, Shark Bay, Australia 第40頁(yè)，共82頁(yè)。Stromatolites, Pt2, Beijing 第41頁(yè)，共82頁(yè)。（1）沉積物結(jié)構(gòu)組分如純凈的石英砂巖形成于淺水高能條件(如海灘環(huán)境)；鮞狀灰?guī)r多形成于水質(zhì)清潔的動(dòng)蕩淺水環(huán)境(鮞粒灘、壩)；富含長(zhǎng)石、不穩(wěn)定巖屑的雜砂巖形成于顆粒未經(jīng)充分篩選的

12、快速沉積場(chǎng)所（如斷陷盆地）；以灰泥為主的泥狀灰?guī)r則反映低能的沉積條件（如陸棚或?yàn)a湖沉積）。3、巖礦地化標(biāo)志第42頁(yè)，共82頁(yè)。3、巖礦地化標(biāo)志（2）自生礦物（原始沉積時(shí)期或固結(jié)成巖以前形成的礦物）與沉積環(huán)境中的特定地球化學(xué)條件有關(guān)，并能指示其沉積環(huán)境。 海綠石、磷塊巖一般見于淺海陸棚。 鮞狀赤鐵礦、鮞綠泥石和針鐵礦 一般形成在較淺水區(qū)（包括湖盆中）第43頁(yè)，共82頁(yè)。3、巖礦地化標(biāo)志（3）稀土和微量元素及穩(wěn)定同位素對(duì)于研究沉積環(huán)境、生物作用、陸源區(qū)性質(zhì)（母巖成分）、古氣候特點(diǎn)和古地理再造都具重要作用。 如鈰（Ce）的含量變化反映了三種不同的沉積環(huán)境,由大陸邊緣洋盆至大洋中脊附近在逐步遞減。 第

13、44頁(yè)，共82頁(yè)。4、其它標(biāo)志沉積相的縱向變化序列， 橫向變化關(guān)系及沉積體的空間幾何形態(tài)相模式第45頁(yè)，共82頁(yè)。Vertical sequence of the indicators-facies model第46頁(yè)，共82頁(yè)。 以海平面為標(biāo)志，可以將地表沉積環(huán)境分成三大類型1、大陸環(huán)境的沉積相類型 特點(diǎn)是：地形復(fù)雜，地質(zhì)作用多樣，沉積介質(zhì)影響顯著（水、冰川和風(fēng)等介質(zhì)）受氣候分帶的影響也明顯。 因此，各地區(qū)沉積特征及陸生生物（尤其是植物）的生態(tài)特征及地理分布均存在明顯的差異，故而造成了沉積作用和沉積物類型的多樣性和復(fù)雜性。三、沉積環(huán)境與沉積相類型第47頁(yè)，共82頁(yè)。各種沉積環(huán)境第48頁(yè)，共8

14、2頁(yè)。1）潮濕氣候平原沉積相類型 氣候潮濕、地形起伏微弱、平原廣布，在熱帶和溫帶地區(qū)都有發(fā)育。多雨、生物繁盛、河網(wǎng)密集，湖泊發(fā)育，沉積類型多樣。A、蛇曲河（曲流河）沉積類型在平原區(qū)，河谷寬，流速小，河床坡度小，蛇曲現(xiàn)象發(fā)育。蛇曲河具二元結(jié)構(gòu)河道（床）沉積洪泛平原沉積（河漫灘）另有決口扇沉積第49頁(yè)，共82頁(yè)。第50頁(yè)，共82頁(yè)。B、湖泊相 在降雨量充沛的潮濕氣候區(qū)多形成淡水湖泊。根據(jù)湖水深度可分為濱湖、淺湖和深湖。特點(diǎn)：水體封閉，從湖濱到湖心，隨著湖水深度的增加，水動(dòng)力逐步減弱，沉積物有從粗到細(xì)的機(jī)械分異現(xiàn)象；層理類型也由交錯(cuò)層理漸變?yōu)樗郊y理。沉積相分布基本上呈環(huán)帶狀分布。第51頁(yè)，共82頁(yè)

15、。第52頁(yè)，共82頁(yè)。（2）干旱氣候平原沉積相類型 氣侯干旱，少雨、風(fēng)大、河流不發(fā)育，湖水淺且多為咸水湖，沙漠廣布。 常見沉積類型有：風(fēng)力作用形成的沙漠和黃土沉積、季節(jié)性河流沉積以及咸水湖泊等沉積類型。第53頁(yè)，共82頁(yè)。（3）山麓及山間盆地沉積類型 形成于山間和山前地帶。地勢(shì)起伏懸殊，高差和坡度大，以快速堆積為特征。如：洪積扇堆積，以粗礫為主，多呈棱角狀，分選和磨圓極差，礫徑大小混雜；一般扇根處最粗，向扇端和兩側(cè)逐漸變細(xì)；層理多不發(fā)育，常為塊狀構(gòu)造。具磨拉石建造之特點(diǎn)。 第54頁(yè)，共82頁(yè)。華北中生代洪積扇礫巖第55頁(yè)，共82頁(yè)。2、過(guò)渡環(huán)境的沉積相類型 以三角洲環(huán)境為典型代表。沉積體由相互

16、連接的三部分組成。（1）三角洲平原（頂積層）：是三角洲的陸上部分。包括分支河道砂質(zhì)沉積和泛濫平原上的粉砂、粘土和泥炭沉積，陸生生物化石豐富；（2）三角洲前緣（前積層）：水平面以下，三角洲向海推進(jìn)的前坡,以砂和粉砂為主；常發(fā)育大型交錯(cuò)層理，有時(shí)具浪成波痕；遠(yuǎn)離河口處形成席狀砂體，以粉砂為主并出現(xiàn)水平層理，可含植物碎片和海（湖）生物碎片。（3）前三角洲（底積層）：位于三角洲前緣向海（湖）的方向上。以粉砂和粘土為主，多具水平層理或塊狀層理，海（湖）生生物增多，有機(jī)質(zhì)豐富。第56頁(yè)，共82頁(yè)。由于三角洲沉積體不斷向海（湖）方向推近，這時(shí)則以側(cè)向加積為主，形成前積層底部明顯的下超形態(tài)。因而，在剖面上，沉

17、積物自下而上呈現(xiàn)出由細(xì)到粗的反旋回序列。也是三角洲沉積的一個(gè)主要識(shí)別標(biāo)志。第57頁(yè)，共82頁(yè)。主要沉積環(huán)境位置示意圖:示三角洲第58頁(yè)，共82頁(yè)。沉積環(huán)境第59頁(yè)，共82頁(yè)。三、海洋環(huán)境的沉積相類型根據(jù)海底地形和海水深度，可進(jìn)一步劃分為濱海（潮汐帶）、淺海（陸棚或陸架）、次深海（大陸斜坡）及深海（大洋盆地）第60頁(yè)，共82頁(yè)。（1）碎屑型濱海沉積相類型 濱海帶是指浪基面以上的海岸地帶，也稱濱岸沉積環(huán)境。受潮汐和海浪的影響最為強(qiáng)烈，濱海區(qū)的寬度隨海岸地形而定。 A、有障壁的海岸： 可形成平行海岸的砂壩（多由分選好的石英砂組成，交錯(cuò)層理發(fā)育）和瀉湖沉積（形成于砂壩與海岸之間，與廣海呈隔離狀態(tài)，水淺

18、而低能，以粉砂和粘土沉積為主，水平層理發(fā)育，含廣鹽度生物群。第61頁(yè)，共82頁(yè)。 沙壟 沙壩第62頁(yè)，共82頁(yè)。瀉湖沉積 當(dāng)?shù)⑷肓看髸r(shí)，可形成濱岸沼澤,若植物發(fā)育則形成泥碳沉積。 與廣海連通不好的海灣或?yàn)a湖，在氣候干燥條件下，由于蒸發(fā)量大，可形成咸化海灣或?yàn)a湖，則形成白云巖、硬石膏、石膏和鹽巖沉積。第63頁(yè)，共82頁(yè)。 B、無(wú)障壁的海岸 濱海帶較寬廣，且平坦，形成潮坪環(huán)境（有沉積作用），無(wú)沉積作用的稱為潮浦。以潮汐作用為主。可進(jìn)一步劃分為潮上、潮間和潮下（050m,為亞淺海）三個(gè)帶。第64頁(yè)，共82頁(yè)。潮上帶:處于平均高潮面以上,僅在最高潮時(shí)被淹沒。以砂、粉砂和泥質(zhì)沉積為主，干裂、雨痕等暴

19、露標(biāo)志發(fā)育，可見陸生動(dòng)物的足跡。潮間帶：處于平均高潮面與平均低潮面之間,海水反復(fù)進(jìn)退的地區(qū)，水動(dòng)力強(qiáng)，發(fā)育雙向交錯(cuò)層理和透鏡狀、脈狀及波狀層理，具垂直層面的潛穴等水下標(biāo)志，也有暴露標(biāo)志。潮下帶（也稱亞淺海）：平均低潮面與浪基面之間, 始終被海水淹沒。可進(jìn)一步劃分為潮下高能環(huán)境和潮下低能環(huán)境。 第65頁(yè)，共82頁(yè)。 A、潮下高能環(huán)境：由于波浪的強(qiáng)烈擾動(dòng)作用，多形成石英砂，交錯(cuò)層、水流沖刷面和波痕多見，由于水淺而動(dòng)蕩，富氧，透光性好，營(yíng)養(yǎng)充分，狹鹽度底棲生物大量繁殖。 B、潮下低能環(huán)境：以細(xì)粒粉砂和泥質(zhì)沉積為主，水平層理和水平波狀層理發(fā)育，以廣鹽度生物如雙殼類、介形類等為特色。第66頁(yè)，共82頁(yè)。

20、（2）碎屑型淺海沉積相類型 位于浪基面以下，水深一般50-200m的海域，即陸棚或陸架地帶。這一地帶海域廣闊，可達(dá)數(shù)百公里。受潮汐流和氣象因素控制（風(fēng)暴、洋流）。 特點(diǎn)：常以泥巖、頁(yè)巖、粉砂巖沉積為主，夾有薄的粉砂、砂、貝殼層或生物碎屑灰?guī)r； 富含狹鹽底棲生物，如珊瑚、腕足、棘皮、苔蘚蟲、鈣質(zhì)有孔蟲等，也常見有豐富的遺跡化石（動(dòng)藻跡等），化石保存完整，分異度高。第67頁(yè)，共82頁(yè)。 淺海陸棚沉積中常出現(xiàn)風(fēng)暴流沉積。 風(fēng)暴流是短暫的強(qiáng)風(fēng)（颶風(fēng)、臺(tái)風(fēng)）造成的強(qiáng)海流事件。當(dāng)風(fēng)暴浪發(fā)生時(shí)，原正常浪基面下形成的沉積物受到?jīng)_蝕，形成侵蝕面，并有礫屑滯留； 風(fēng)浪將沉積物卷起形成具密度流或重力流性質(zhì)的風(fēng)暴流，

21、在粗碎屑陳積中形成粒序?qū)永怼?風(fēng)浪減弱時(shí)，細(xì)粒沉積物在風(fēng)暴浪導(dǎo)致的底流影響下形成丘狀層，再變?yōu)椴y層理；風(fēng)暴停息后，又沉積泥質(zhì)懸浮物。第68頁(yè)，共82頁(yè)。（3）碳酸鹽型濱淺海沉積相類型 以碳酸鹽沉積為主的濱淺海相，一般具有由碳酸鹽緩坡向臺(tái)地演化的淺水碳酸鹽沉積特征。 A、碳酸鹽緩坡：是指從岸線向盆內(nèi)緩慢傾斜的斜坡，與較深水的低能環(huán)境之間一般無(wú)明顯波折。當(dāng)碳酸鹽緩坡存在時(shí)，自近岸到遠(yuǎn)岸一般從潮坪沉積、瀉湖沉積的鮞粒或團(tuán)粒淺水碳酸鹽相變?yōu)檩^深水泥質(zhì)粒泥灰?guī)r或泥灰?guī)r沉積，其中含各種完整的廣海生物化石。第69頁(yè)，共82頁(yè)。碳酸鹽潮坪中，潮上帶沉積以發(fā)育雨痕、雹痕、泥裂、鳥眼構(gòu)造為特征；潮間帶則發(fā)育藻紋

22、層及藻疊層石，當(dāng)未固結(jié)的碳酸鹽沉積被風(fēng)暴浪打碎并滾動(dòng)磨圓，暴露地表時(shí)往往形成氧化圈，然后在水下被膠結(jié)形成竹葉狀構(gòu)造；潮下帶高能環(huán)境下形成由鮞粒、生屑組成的亮晶粒狀灰?guī)r，常見交錯(cuò)層理，大量底棲生物發(fā)育；潮下帶低能環(huán)境則以泥晶灰?guī)r沉積為主，發(fā)育水平層理。第70頁(yè)，共82頁(yè)。B、生物礁和碳酸鹽臺(tái)地位置：碳酸鹽緩坡的浪基面與水下斜坡的交截區(qū)，有利于形成生物碎屑砂壩和生物營(yíng)造的、地形向上隆起的初期建隆，由于建隆的出現(xiàn)，這時(shí)原來(lái)的碳酸鹽緩坡開始轉(zhuǎn)變成了碳酸鹽臺(tái)地 。 特點(diǎn)：水體淺、富氧和營(yíng)養(yǎng)、透光好，生物大量繁殖，一些造礁生物如群體珊瑚等大量發(fā)育而形成生物礁。 生物礁如果繼續(xù)向上和向前營(yíng)造或加積,可形成向

23、海盆方向坡度陡,向陸棚方向坡度緩的建隆,即所謂的鑲邊碳酸鹽淺水臺(tái)地。 第71頁(yè)，共82頁(yè)。第72頁(yè)，共82頁(yè)。 C、陸棚海位置：朝海岸方向與大陸相鄰，朝海洋方向與大陸斜坡相鄰的一個(gè)淺水碳酸鹽沉積環(huán)境。特點(diǎn)：水深變化大，從十幾米到200米.海底位于正常浪基面之下，碳酸鹽分布廣而連續(xù)，多呈板狀或蓆狀體。巖性及生物特征：主要由粒泥灰?guī)r（Wackstone）組成，泥?；?guī)r（Packstone）和灰泥灰?guī)r（mudstone）常與泥灰?guī)r或頁(yè)巖呈互層，局部有粘結(jié)灰?guī)r和生物碎屑顆?；?guī)r。正常淺海相生物化石組合（珊瑚、腕足、苔蘚蟲、三葉蟲等）。第73頁(yè)，共82頁(yè)。（4）深海和次深海沉積相類型位置：淺海陸棚坡折外側(cè)的大陸斜坡、陸隆及深海平原。陸?。喝绻箨懶逼录吧詈Ｆ皆嘟犹幋嬖谏詈蟿t無(wú)陸隆,如果發(fā)育海底扇,即存在陸隆。常見沉積類型有兩種：即海底扇和大洋盆地沉積。A、海底扇：是一種塊體重力流的再沉積作用。是指由于風(fēng)暴、地震等因素的觸發(fā)，在濁流作用驅(qū)動(dòng)下，將淺水陸棚邊緣的大量沉積物沿海底峽谷順大陸斜坡以高速度運(yùn)向深水區(qū)，至大洋邊緣因坡