沉積學沉積巖形成與演化

沉積學沉積巖形成與演化第1頁/共70頁原始物質沉積物的搬運沉積后作用階段形成階段和沉積作用階段原始物質沉積物沉積巖搬運沉積后作用沉積沉積巖形成的階段性沉積巖（sedimentaryrocks）的概念組成巖石圈的三大類巖石（巖漿巖、變質巖、沉積巖）之一，是在地殼表層條件下，由母巖的風化產(chǎn)物、火山物質、有機物質等沉積巖的原始物質成分，經(jīng)過搬運作用、沉積作用及沉積后作用而形成的一類巖石。第2頁/共70頁巖漿巖巖漿巖變質巖沉積巖沉積物沉積作用搬運作用隆升-暴露巖漿變質作用成巖作用熔融作用結晶作用固結作用風化作用巖石循環(huán)第3頁/共70頁第一節(jié)沉積巖原始物質的形成

沉積巖的原始物質有4種:母巖風化產(chǎn)物生物來源物質火山物質宇宙物質第4頁/共70頁一、母巖的風化作用和產(chǎn)物—陸源物質形成（一）風化作用的概念地殼表層巖石的一種破壞作用；因溫度的變化，水以及各種酸的溶蝕作用，生物的作用以及各種地質營力的剝蝕作用等，地殼表層的巖石處于不穩(wěn)定狀態(tài)，逐漸遭受破壞，轉變?yōu)轱L化產(chǎn)物的過程。巖石或礦物的一種物理破碎或化學轉化作用。由以下因素所引起:溫度變化、水、酸、生物第5頁/共70頁風化作用的類型:物理風化作用化學風化作用生物風化作用巖石崩解成碎屑溫度變化、重力作用水、冰、風破壞、晶體生長分解成新礦物氧、水、溶于水中的酸碎屑、新礦物生物活動第6頁/共70頁物理風化作用:

冰劈作用層裂或卸載作用鹽分結晶的撐裂作用熱脹冷縮作用生物作用地表巖石發(fā)生機械破碎而不改變其化學成分也不形成新礦物的作用。第7頁/共70頁美國，內(nèi)華達州，WheelerPark,第8頁/共70頁美國，內(nèi)華達州，WheelerPark,第9頁/共70頁第10頁/共70頁水進入巖石溫度降低，水凝結成冰，對巖石產(chǎn)生張力冰融化，裂縫擴大，巖塊從巖體中脫離下來第11頁/共70頁美國，加利福尼亞洲，Yosemite國家公園第12頁/共70頁美國，加利福尼亞洲，Yosemite國家公園第13頁/共70頁美國，加利福尼亞洲，Yosemite國家公園第14頁/共70頁巖體深埋上覆巖層剝蝕巖體向外彭脹，形成層裂第15頁/共70頁Marineabrasionofgraniteprecededandfacilitatedbyrockdisintegrationthroughsaltweatheringinthesurfzone(FrenchMediterraneancoastnearSt.Tropez

第16頁/共70頁Developingsaltcrustthroughevaporationofsaltbrineinthesurfzone第17頁/共70頁第18頁/共70頁第19頁/共70頁熱脹冷縮作用第20頁/共70頁熱脹冷縮作用第21頁/共70頁新疆烏爾禾魔鬼城第22頁/共70頁新疆烏爾禾魔鬼城第23頁/共70頁物理風化作用增大了巖石的表面積第24頁/共70頁斷層與解理第25頁/共70頁化學風化作用:在氧、水和溶于水中的各種酸的作用下，母巖遭受氧化、水解、和溶濾等化學變化，使其分解而產(chǎn)生新礦物的過程。溶解作用水化作用水解作用氧化作用第26頁/共70頁溶解和未溶解的灰?guī)r溶解作用第27頁/共70頁花崗巖表面局部溶蝕水解作用第28頁/共70頁水解作用第29頁/共70頁棱角狀到圓狀水解作用第30頁/共70頁氧化作用第31頁/共70頁生物風化作用:生物活動對巖石所起的機械的或化學的破壞作用。第32頁/共70頁山西省霍州市霍山國家地質公園第33頁/共70頁花崗巖中的根劈北京房山縣第34頁/共70頁（二）元素的風化分異作用在相同的特定風化條件下，各類造巖元素由于從母巖中析出的難易程度不同，而按一定順序從母巖中分離出來的現(xiàn)象?！承┰氐牧転V分散和另一些元素的殘積、富集。

第35頁/共70頁化學成分巖漿巖平均化學成分（%）流經(jīng)巖漿巖地區(qū)的河流流水溶解物質的成分（%）無素及化合物的相對轉移性SiO259.0912.80.20Al2O315.350.900.02Fe2O37.290.400.04Ca3.0014.793.00Mg2.114.901.30Na2.979.502.40K2.574.401.25Cl-0.056.75100.00SO42-0.1511.6057.00CO32--38.50-波雷諾夫，1934，1952第36頁/共70頁轉移順序元素或化合物數(shù)量級別最易轉移Cl,(Br,I),Sn×10易轉移Ca,Na,Mg,Kn可轉移SiO2（硅酸鹽）,P,Mnn×10-1略可轉移Fe,Al,Tin×10-2基本上不轉移SiO2（石英）n×10-∞表2-3元素的風化轉移順序（按波雷諾夫，1948）第37頁/共70頁“水遷移系數(shù)——kx”元素在風化帶中的遷移能力1.最易遷移元素（Kx=n·10～n·102）Cl,Br,I,S等以鹵族元素為主；2.易遷移元素（Kx=n～n·10）Ca,Mg,Na,F,Sr,K,Zn3.遷移元素（Kx=n·10-1～n）Cu,Ni,Co,V,Mn,Si（硅酸鹽中）,P；4.惰性（微弱遷移）元素（Kx<n·10-1）Fe,Al,Ti,Sc,Y,Tr…5.幾乎不遷移元素（Kx≈n·10-10）Si（石英）

第38頁/共70頁（三）礦物的風化及其產(chǎn)物1.石英在風化作用過程中穩(wěn)定性最高，一般只發(fā)生機械破碎作用,幾乎不發(fā)生化學溶解作用。碎屑沉積巖最主要的造巖礦物，在巖石中平均含量達66.8%。第39頁/共70頁1.石英2.長石長石風化穩(wěn)定性僅次于石英鉀長石多鈉的酸性斜長石∨∨斜長石中性斜長石穩(wěn)定

∨多鈣的基性斜長石沉積巖中鉀長石多于斜長石

第40頁/共70頁（1）鉀長石

析出K,Si析出K,Al

SiO2·nH2O（蛋白石）K[AlSi3O8]→K＜1Al2[(Si,Al)4O10][OH]2·nH2O→Al4[Si4O10][OH]8→

鉀長石

+H2O

水云母

+H2O

高嶺石

Al2O3·nH2O（鋁土礦）（2）斜長石

蛋白石

斜長石→蒙脫石→高嶺石→鋁土礦第41頁/共70頁1.石英2.長石3.云母白云母（K）的抗風化能力較強，在沉積巖中較常見。析出鉀，加入水→水白云母→高嶺石黑云母（Fe、Mg）的抗風化能力比白云母差得多。析出K、Mg，加水→蛭石＋綠泥石＋褐鐵礦第42頁/共70頁1.石英2.長石3.云母4.鐵鎂硅酸鹽礦物抗風化能力比石英、長石、云母差得多橄欖石<輝石<角閃石在風化產(chǎn)物中很少保留→在沉積巖中少見→褐鐵礦、蛋白石第43頁/共70頁1.石英2.長石3.云母4.鐵鎂硅酸鹽礦物5.粘土礦物高嶺石>伊利石>蒙脫石→蛋白石、鋁土第44頁/共70頁1.石英2.長石3.云母4.鐵鎂硅酸鹽礦物5.粘土礦物6.碳酸鹽礦物風化穩(wěn)定性很差，很易溶于水并被遷移第45頁/共70頁1.石英2.長石3.云母4.鐵鎂硅酸鹽礦物5.粘土礦物6.碳酸鹽礦物7.硫酸鹽礦物風化穩(wěn)定性最差，很易溶于水，呈溶液狀態(tài)流失第46頁/共70頁1.石英2.長石3.云母4.鐵鎂硅酸鹽礦物5.粘土礦物6.碳酸鹽礦物7.硫酸鹽礦物8.副礦物石榴石、鋯英石、剛玉、電氣石、錫石、金紅石、磁鐵礦、榍石、藍晶石、獨居石、紅柱石等風化穩(wěn)定性較大。沉積巖中的重礦物第47頁/共70頁為什么造巖礦物風化穩(wěn)定性差別如此之大？1.造巖元素風化分異作用2.礦物的結晶溫度（鮑文反應系列）高溫礦物抗風化能力差，低溫礦物穩(wěn)定，但金剛石呢？3.礦物的晶體化學性質（晶體構造）氧和陽離子之間的鍵強度總數(shù)（cal/mol）第48頁/共70頁NormanL.Bowen諾爾曼·鮑文

1887-1956

Bowen,N.L.,Thelaterstagesoftheevolutionoftheigneousrocks,JournalofGeology,23,1–89,1915.Bowen,N.L.,EvolutionoftheIgneousRocks,PrincetonUniversityPress,Princeton,1928.Kingston,Ontario,CanadianM.A.,QueensUniversity,1907B.S.inMineralogyandGeology,QueensUniversity,1909Ph.D.inGeology,MassachusettsInstituteofTechnology,1912D.Sc.,HarvardUniversity,1936D.Sc.,YaleUniversity,1951第49頁/共70頁鮑文反應系列描述礦物從不同溫度及成分的巖漿中結晶的順序不連續(xù)系列連續(xù)系列第50頁/共70頁1.各種巖石的風化及其產(chǎn)物巖石是礦物的集合體不同的巖石礦物組成不同再加上結構、產(chǎn)狀、形成背景等差異→母巖風化的差異性（四）母巖的風化及其產(chǎn)物第51頁/共70頁花崗巖石英：機械破碎

——砂粒鉀長石：K2O——成為碳酸鹽、氯化物進入溶液

——溶解物質

Al2O3——水化后成為含水硅酸鹽

——粘土

SiO2——少部分游離出來

——溶解物質斜長石：Na2O,CaO——碳酸鹽、氯化物，溶于水

——溶解物質

Al2O3,SiO2

——同鉀長石白云母：較少分解

——云母碎片黑云母：H2O——水溶液

K2O，Al2O3，SiO2

——同鉀長石

(Mg,Fe)O——碳酸鹽,氯化物,赤鐵礦,褐鐵——溶解物質及色素副礦物：鋯石、磷灰石——重礦物第52頁/共70頁2.母巖風化作用的階段性由于母巖中的各種化學成分在風化作用中轉移性質的不同，母巖的風化作用具有明顯的階段性。波雷諾夫將結晶巖的風化過程分為四個階段，在各階段中，各有其獨特的風化產(chǎn)物（以玄武巖為例）。第53頁/共70頁A.機械破碎階段（碎屑階段）物理風化為主→巖石或礦物的碎屑

玄武巖的主要礦物成分以輝石和斜長石為代表第54頁/共70頁B.飽和硅鋁階段：化學風化開始，氯化物和硫酸鹽全部被溶解，帶出Cl-和SO42-；O2和H2O共同作用→輝石和斜長石等鋁硅酸鹽和硅酸鹽礦物分解，游離出堿金屬和堿土金屬（Na+,K+,Ca2+,Mg2+）離子，Ca2+、Na+流失比K+、Mg2+要快些；析出的陽離子使溶液呈堿性或中性，并使部分SiO2轉入溶液；形成少量粘土礦物——蒙脫石、水云母、還可出現(xiàn)拜來石、綠泥石等。碳酸鈣開始堆積。第55頁/共70頁C.酸性硅鋁階段：粘土型風化作用幾乎全部的Ca2+、Na+、K+、Mg2+被帶走，SiO2進一步進入溶液，介質由中/堿性轉為酸性，形成不含Ca2+、Na+、K+、Mg2+的高嶺石、變埃洛石等粘土礦物,上個階段形成的蒙脫石、水云母被破壞第56頁/共70頁D.鋁鐵土階段：風化作用的最后階段硅酸鹽礦物徹底地分解，全部可移動元素都被帶走，鐵和鋁的氧化物和小部分SiO2以膠體狀態(tài)在酸性介質中聚集，原地形成水鋁礦、褐鐵礦、針鐵礦、赤鐵礦和蛋白石。堆積物是一種紅色疏松的鐵質或鋁質土壤,也稱紅土。到達這個階段的風化作用通常也稱為紅土型風化作用第57頁/共70頁上述四個階段是一個完整的母巖風化過程，但并不是所有的結晶巖風化作用都能進行到底。風化作用能否達到最后的鋁鐵土階段，取決于母巖巖性、氣候、地形、地殼運動強度、風化時間長短等因素，尤其是氣候因素。第58頁/共70頁ChemicalweatheringbydissolutionLimestoneWeathering-resistantsandstoneyieldslittlesoilSoilSoilSoilFeldspar-richgraniteIron-richbasaltChemicalweatheringbyoxidationChemicalweatheringbyhydrolysisFactorsrelatedtobedrockcomposition第59頁/共70頁氣候對母巖風化作用的景響第60頁/共70頁3.母巖風化產(chǎn)物的類型（1）碎屑殘留物質母巖巖屑或礦物碎屑，在風化作用的第一階段最發(fā)育（2）新生成的礦物----“化學風化物質”化學風化作用過程中新生成的礦物水白云母、高嶺石、蒙脫石、蛋白石、鋁土礦、褐鐵礦等（3）溶解物質化學風化中被溶解的Cl、S、Ca、Na、Mg、K、Si、Fe、Al、P…。第61頁/共70頁三類風化產(chǎn)物構成最重要的三類沉積巖的基本物質碎屑殘留物質＋化學風化物質→（陸源）碎屑物質碎屑巖主要的原始物質溶解物質化學巖和生物化學巖和生物巖風化產(chǎn)物的性質影響以后所生成的沉積巖的性質↓從母巖的風化作用開始，沉積巖的形成作用就開始了第62頁/共70頁1.風化殼或風化帶的概念由風化殘留物質組成的地表巖石的表層部分已風化了的地表巖石的表層部分2.風化殼的厚度決定于母巖性質、氣候、地形、構造等因素母巖性質是最根本的因