沉積巖的形成及演化4

1、第二章 沉積巖的形成及演化,Formation and evolution of sedimentary rocks,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、沉積巖原始物質（主要是母巖風化產物）的形成階段,2、沉積巖原始物質的搬運和沉積階段（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) 母巖的風化作用 沉積巖最原始物質的形成,Weathering of source rocks formation of the most primitive materials of sedi

2、mentary rocks,一、風化作用的概念,風化作用（weathering）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)生機械破碎和化學變化的一種作用。,風化作用是地殼表層巖石的一種破壞作用。,風化作用按其性質可分為三種類型：,物理風化作用（physical weathering ）,化學風化作用（chemical weathering ）,生物風化作用（biological weathering ）,二、各種造巖礦物的風化及其產物,石英（quartz）：主要的造巖礦物，在風化作用中穩(wěn)定性極高，它幾乎不發(fā)生化學溶解作用，一般只發(fā)生機械破碎作用。,Weathering an

3、d products of various rock-forming minerals,長石（feldspar）：穩(wěn)定性次于石英，風化穩(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。,KAlSi3O3 (鉀長石),K1Al2(Si，Al) 4O10OH 2nH2O (水白云母 ),Al4Si4O10OH 8 (高嶺石 ),SiO2nH2O (蛋白石) / Al2O3nH2O (鋁土礦),最先析出的成分是鉀，其次是硅，最后才是鋁,云母（mica）： 白云母抗風化能力較強,白云母在風化過程中，主要是析出鉀和加入水，先變成水白云母，最后變?yōu)楦邘X石,黑云母的抗風化能力比白云母

4、差得多。黑云母遭受風化后，鉀、鎂等成分首先析出，同時加入水，轉變?yōu)轵问?、綠泥石、褐鐵礦等,橄欖石、輝石、角閃石等鎂硅酸鹽礦物抗風化能力低。 這些礦物在風化產物中保留較少，故在沉積巖中較少見。,各種粘土礦物（如高嶺石、蒙脫石、水云母等）在風化帶中相當穩(wěn)定。,各種碳酸鹽礦物如方解石、白云石等，風化穩(wěn)定性甚小，極易溶于水并順水轉移。,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，風化穩(wěn)定性最低，最易溶于水，呈溶液狀態(tài)流失走。,重礦物（heavy mineral）： 風化穩(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。,影響造巖礦物風化

5、穩(wěn)定性的因素,與它們的結晶溫度有關,與其化學成分的化學活潑性（主要是在水中的溶解能力）有關,與其晶體構造特征及化學鍵強度有關,三、各種巖石的風化及其產物,巖石是礦物的集合體，因此巖石的風化及其產物主要由組成它的礦物的風化情況決定的 。,Weathering and products of various rocks,美國科羅拉多州鮑爾德附近密西西比紀 花崗閃長巖的風化剖面,花崗巖的風化及其產物,中性和堿性侵入巖的風化情況大體與花崗質巖石相似,基性和超基性侵入巖主要由較易風化的橄欖石、輝石、基性斜長石組成，遠比花崗質巖石易風化,火山巖及火山碎屑巖由于含有相當多的甚至大量的玻璃質或火山灰，故其風化

6、速度相當快,沉積巖的風化情況比較簡單，其中以蒸發(fā)巖最易溶解、最易風化，碳酸鹽巖次之，粘土巖、石英砂巖、硅巖等最難風化,四、母巖風化過程中元素的轉移順序及母巖風化的階段性,Transportation sequence of elements in the course of weathering of source rocks，and stages of weathering,1、風化過程中元素的析出順序,母巖在化學風化過程中表現(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化分異。,前蘇

7、聯(lián)學者雷波諾夫(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。,彼列爾曼(1955)在雷波諾夫的研究基礎上提出了水遷移系數(shù)Kx，用來衡量元素在風化帶中的遷移能力。,將風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) (Kxn10-1)：Fe，Al，Ti，Sc，Y，Tr， 幾乎不遷移元素(Kx=n10-10)

8、：Si(石英),2、母巖風化的階段性,波雷諾夫根據(jù)元從風化帶中析出的順序，將結晶巖的風化過程分為四個階段，不同階段有其獨特的風化產物 。,破碎階段(碎屑階段),飽和硅鋁階段,酸性硅鋁階段(粘土型風化作用),鋁鐵土階段(紅土型風化作用),五、母巖風化產物的類型,Types of weathering products of various rocks,1. 碎屑殘留物質：母巖的巖石碎屑或礦物碎屑。,2. 新生成的礦物：主要是在化學風化作用過程中新生成的一些礦物，如水白云母、高嶺石、蒙脫石、蛋白石和鋁土礦等。,3. 溶解物質：主要是指在化學風化過程中被溶解的那些成分，如CI、S、Ca、Mg、K、N

9、a、Si、Fe、Al、P等。,六、風化殼(Weathering crust),由風化殘余物質組成的地表巖石的表層部分，或者說已經風化了的地表巖石的表層部分。,鄂爾多斯延安組（J2y）頂部古暴露面：高嶺土化和硅結層,七、沉積物的其它來源,Other sources of sediments,1. 生物成因的沉積物 ：生物遺體，一部分為無機成分為主的生物殘骸，另一部分為有機生物殘體，即動植物的軟體（有機質）。,2. 深部來源的沉積物 ：由火山爆發(fā)作用帶到地表或水下的火山碎屑物，沿深斷裂流出地表或注入地下的熱鹵水、溫泉、熱氣液等。,3. 宇宙來源的沉積物 ：從宇宙空間落到地球上的隕石及其塵埃。,第二

10、節(jié) 碎屑物質的搬運和沉積作用,Transportation and sedimentation of clastic materials,搬運和沉積碎屑物質的流體主要是流水和大氣，在高寒地區(qū)的冰川和干旱地區(qū)的風也是搬運和沉積碎屑物質的營力。,作為碎屑物質搬運和沉積的流體，自然界存在兩種基本類型，即牽引流和沉積物重力流。,一、流體的一些基本知識和概念,1. 牛頓流體和非牛頓流體,牛頓流體（Newtonian fluid）服從牛頓內摩擦定律的流體。,非牛頓流體（Non-Newtonian fluid）不服從牛頓內摩擦定律的流體。,2. 層流、紊流和雷諾數(shù),層流（laminar flow）一種緩慢流

11、動的流體，流體質點作有條不紊的平行線狀運動，彼此不相摻混。,2. 層流、紊流和雷諾數(shù),紊流（turbulent flow）湍流，一種充滿了漩渦的多湍流的流體，流體質點的運動軌跡極不規(guī)則，其流速大小和流動方向隨時間而變化，彼此相互摻混。,英國學者雷諾(O. Reyonolds)首先從實驗室中觀察到這一物理現(xiàn)象，用不同管徑的管道和不同流體進行試驗，獲得了一個判別層流與紊流的準則，稱為雷諾數(shù)（Reyonolds Numbers ）,雷諾數(shù)(Re) = 慣性力 / 粘滯力 = V2d2/Vd = Vd/,V水的流速，d顆粒直徑，水的密度，動力粘滯系數(shù),Re = 1時，流動呈層流型 Re = 140時，

12、在顆粒背后會出現(xiàn)背流尾跡 Re 40時，出現(xiàn)“卡門渦街”，紊流(渦流),自然界中絕大數(shù)水體是紊流運動,3. 急流、緩流和佛羅德數(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)的判別標準是佛羅德數(shù)(Froude Numbers) (Fr)：,佛羅德數(shù) Fr = 慣性力 / 重力 = V2 / Lg,Fr =,大多數(shù)工程技術人員把這一數(shù)值的平方根當作佛羅德數(shù)，即, Fr1，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,床沙表面可隨水流強度變化而出現(xiàn)各種類型床沙形體，一種類型的床沙形體不是固定不動的，而是通過組成床沙的砂礫顆

13、粒的滾動、滑動或跳躍移動而使床沙形體發(fā)生順流或逆流移動。,這種現(xiàn)象在水力學中稱為沙波運動。,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)能使碎屑物質作底負載移動的各種作用,牽引流的搬運

14、力包括推力和載荷力。推力(牽引力)與流速有關，載荷力(負荷力)與流量有關。推力大不一定負荷力大，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。,重力流搬運的驅動力主要起因于重力,二、碎屑物質在流水中的搬運和沉積作用,Transportation and sedimentation of clastic materials in water flow,碎屑顆粒在流水中的搬運和沉積，主要與水的流動狀態(tài)關系密切，是層流還紊流，是急流還緩流； 還與碎屑顆粒的本身特點(大小、相對密度和形狀等)有關。,1. 搬運方式,推移搬運(滾動搬運，包括跳躍搬運),懸浮搬運(懸移搬運),2.

15、機械沉積作用,處于搬運狀態(tài)的碎屑物質，在一定的條件下，主要是當流水的動力不足以克服碎屑的重力時，碎屑物質就會沉積下來。,碎屑物質在靜水中下沉情況可用斯托克實驗公式表示(G.G.Stokes，1850)：,(適用于粒徑0.1mm的球形顆粒),其中：V 顆粒下沉速度(cm/s)， d1-顆粒密度， d2 水介質密度， g 重力加速度(980cm/s2)， r 顆粒半徑(cm),V= gr2,極細砂下沉30m約需2h，而細粘土則約需1年；如下沉30004000m，極細砂約需10d，細粘土則約需100年。,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,斯托克

16、公式只有在靜水或層流的條件下才適用。,斯托克公式是在假定顆粒為球形的情況下求得的，假如顆粒不是球形，其沉速有所不同。實驗證明，假設球形顆粒的沉速為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；,尤爾斯特隆圖解,碎屑物質在流水中的搬運和沉積，流速和顆粒大小之間的關系最為關鍵。,經森德伯格(Sundborg，1956)修改過的尤爾斯特隆圖解,沃克(Walker，1975)的圖解,當流動強度為P時，它所能滾動的礫石最大粒徑為8cm，同時所懸浮的顆粒最大粒徑為2.2mm。,當流動強度略小于P時，可使粒徑為8cm和2.2mm的礫石同時沉積，從而形成雙眾數(shù)的礫巖。,

17、當流動強度在P附近反復變動時，則可能形成粗、細礫石沉積的互層，其平均粒度分別為8cm和2.2mm。,如果流動強度急劇減少，則可能造成分選極差的多眾數(shù)的礫、砂、粉砂和泥的混合沉積物。,沉積1mm砂粒所需的流動強度要比沉積7cm礫石所需強度小得多，因此，在平均粒度為7cm的礫石沉積的孔隙中所充填1mm的砂，不可能是同時沉積物。,3. 碎屑物質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,碎屑顆粒的圓度逐漸變好,碎屑顆粒的球度也有 所增高,4. 碎屑物質在流水搬運及沉積作用過程中的分異作用,沉積分異作用(Sedime

18、ntary Differentiation)母巖在風化產物在搬運和沉積過程中根據(jù)本身特性，在外部條件的影響下，按照一定順序分別堆積在一定程度上是可以分開的地表沉積帶內。,母巖風化產物以及其它來源的沉積物，在搬運和沉積過程中按照顆粒大小、形狀、比重、礦物成分和化學成分在地表依次沉積下來，這種現(xiàn)象稱作地表沉積分異作用。,沉積分異作用包括：,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， 成分分異,機械沉積分異作用(mechanical sedimentary differentiation)碎屑物質在搬運和沉積過程中，當介質運動的速度和運移的能力在一定的方向上作有規(guī)律的

19、變化時，它們也相應按照顆粒大小、密度和形狀發(fā)生分異，依次沉積。,與沉積分異作用相對立的是“摻和作用”或“混合作用”、“混雜作用”。,三、碎屑物質在海、湖水中的搬運和沉積作用,Transportation and sedimentation of clastic materials in sea and lake water,陸地表面流水搬運的碎屑物質，大部分都注入海洋，其次是湖泊。海、湖是流水搬運碎屑物質的最終場所。,1. 碎屑物質在海水中的搬運和沉積作用,引起海洋中碎屑物質搬運和沉積的營力主要是波浪和潮汐，其次是海流。,波浪主要由風引起，波浪的大小主要取決于風的大小。,波基面(浪底) (wa

20、ve base)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)性的風暴浪將淺海沉積物卷起而重新搬離或搬向海岸，形成風暴沉積物。,潮汐作用對濱岸地區(qū)的碎屑物質影響很大，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作相應的往返運動。,近岸地帶的海流或深海的濁流、等深流、內潮汐流、冷流、暖流、赤道洋流和上返洋流等對碎屑物質的搬運和沉積均有一定的作用 。,海洋中碎屑物質在波浪、潮汐等的長期作用下，也會發(fā)生成分、粒度、圓度上的變化以及分異作用。,2. 碎屑物質在湖水中的搬運和沉積作用,與海洋相比，湖泊面積小，缺

21、乏潮汐作用，因此，湖浪和湖流是潮泊中搬運和沉積碎屑物質的主要營力。,四、碎屑物質在空氣中的搬運和沉積作用,自學為主,Transportation and sedimentation of clastic materials in air,風是碎屑物質在空氣中搬運和沉積的主要營力,在干旱地區(qū)，這種搬運和沉積作用是主要的,空氣只能搬運碎屑物質，而不能搬運溶解物質,五、碎屑物質在冰川中的搬運和沉積作用,Transportation and sedimentation of clastic materials in glacier,自學為主,在寒冷的兩極地區(qū)和高寒山區(qū)，冰川的搬運及沉積作用是主要的。,

22、冰川的搬運與堆積,冰磧物冰川攜帶的碎屑物質,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：,結構疏松，大小混雜，分選極差； 冰磧物中礫石磨圓極差； 一般缺乏層理構造。,第三節(jié) 溶解物質的搬運和沉積作用,Transportation and sedimentation of dissolved materials,一、概述(Introduction),母巖風化產物中的溶解物質，主要為Cl、S、Ca、Na、K、Mg、P、Si、Al、Fe 等。,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。,它們均呈溶解狀態(tài)，在河水或地下水中，向湖泊和海洋中轉移。,二、膠體溶液物質的搬運

23、和沉積作用,Transportation and sedimentation of colloid solution materials,膠體：一種物質的細微質點分散在另一種物質中的不均勻分散體系。 膠體質點一般介于1001m之間，多呈分子狀態(tài)。 膠體質點常有電荷。,膠體沉積物的特征：,常呈鐘乳狀、腎狀、豆狀、膠凍狀等 常具貝殼狀斷口 多為含水礦物，且含水量很不固定 其化學成分也不夠固定 常具離子交換性及吸附性 常失水干裂老化或重結晶,三、真溶液物質的搬運和沉積作用,Transportation and sedimentation of true solution materials,母巖風化

24、產物中的真溶液物質主要是Cl、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，水介質的各種物理化學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,SiO2及CaCO3的溶解度與介質PH值的關系,Al2O3的溶解度與介質PH值的關系,對于溶解度大的物質的搬運和沉積作用，水介質的影響不大。它們只有在干熱的氣候條件下，在封閉或半封閉的盆地中，或在水

25、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、鈉鹽、鉀鹽、鎂鹽等。,四、生物的搬運和沉積作用,Transportation and sedimentation by organisms,生物在母巖風化產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的形成都與生物作用有關，或直接由生物作用而形成。如碳酸鹽巖、磷酸鹽巖、沉積鐵礦、硅藻土、白堊、煤、油頁巖和石油等。,在各類生物中，尤以藻類和細菌等微生物在沉積巖和沉積礦產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：,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中吸取一定的物質成分，從而把一些元素富集

26、起來 。,另一種方式是由于生物作用而引起的周圍介質條件的改變，從而影響某些物質的搬運和沉積。,五、化學沉積分異作用,Chemical sedimentary differentiation,化學沉積分異作用受化學原理支配的分異作用,母巖風化產物中的溶解物質，在搬運和沉積過程中，由于各元素和化合物彼此在化學性質上的差異(主要是化學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，從而逐漸產生了分異。,六、兩種沉積分異作用的關系及其地質意義,1. 關系,機械沉積分異作用進行得較早，化學沉積分異作用進行得較晚,機械沉積分異作用,化學沉積分異作用,砂和粉砂階段,鐵的氧化物階段,粘土沉積階段,碳

27、酸鹽階段,已基本結束,硫酸鹽及鹵化物階段,2. 意義,兩種沉積分異作用的結果，就形成了各種類型的機械沉積巖和化學沉積巖以及相應的各種沉積礦產。,分異作用進行越徹底，各種類型的沉積巖在成分上和結構上的成熟度就越高，從而越易形成各種沉積礦產。,七、正常沉積作用和事件沉積作用,Normal sedimentation and event sedimentation,正常沉積作用：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、均變的。,事件沉積作用：指事件性的、陣發(fā)性的或災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的。,事件作用所挾帶的大量砂、礫、

28、泥等碎屑物質一旦沉積下來，一般就不再被搬運了。,如沉積物重力流、泥石流和洪水流、火山噴發(fā)碎屑流、風暴流、地震、隕石雨降落等。,與正常沉積作用相比，事件沉積作用及其產物肯有明顯的等時性，所以，這一作用也叫幕式沉積作用。,正常沉積和事件沉積可發(fā)生于同一沉積環(huán)境，二者交替進行。,第四節(jié) 沉積后作用及其階段劃分,Postsedimentation process and stage division,Sedimentary PetrologyP4146,一、概述(Introduction),沉積物的形成階段：母巖風化產物以及其它來源的物質成分，在搬運和沉積作用之后，就變成了沉積物。,沉積后作用：泛指沉

29、積物形成之以后，到沉積巖遭受風化作用和變質作用之前這一演化階段的所有變化或作用。亦稱為廣義的成巖作用。,母巖,沉積物形成階段,成巖作用階段,沉積巖,風化作用,變質作用,沉積巖的形成與演化,后生作用階段,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成巖作用和后生作用兩個階段。,成巖作用(diagenesis)：沉積物轉變沉積巖所發(fā)生的一系列變化。,后生作用(catagenesis)：沉積物形成以后到遭受風化作用或變質作用以前的變化。,沉積后作用的上限為沉積物表面或潛水面 沉積后作用的下限為變質巖帶頂(220，1000bar),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

30、也還沒有一個公認的、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)煤巖學來劃分 3.根據(jù)地球化學不環(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,三、有關術語的闡明,1. 埋藏成巖作用(buried diagenesis)：碎屑沉積物隨埋深增加，主要由于機械壓實作用和化學膠結作用，致使巖石逐漸變致密、孔隙度減小、物性變差等一系列物理和化學變化直到變質作用。,2. 沉積后作用(postsedimentation process)：泛指沉積物形成以后到沉積巖遭受風化作用和變質作用以前這一演化階段的所有變化和作用。,3. 同生作用(syngenesis)：指沉積物

31、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、海底風化作用及陸解作用等 。,4. 準同生作用(penesyngenesis)：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(diagenesis)：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條件下，產生新的平衡，致使疏松的沉積物固結成巖的全部變化過程。,6. 后生作用(anadiagenesis / catagenesis)：繼成巖作用階段之后，在沉積巖轉變?yōu)樽冑|巖之前或遭受風化作用之前所產生的一切作用和變化。,7. 表生作用(epigenesis)：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)境進入沉積期后變化階段，實質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有： 沉積物的成分、溫度