沉积学[1].doc

沉 积 学沉积学是研究形成沉积地层的沉积作用、沉积过程及沉积物的地质学分支学科。沉积学是从沉积岩岩石学中的沉积作用部分发展、演化而来的，并形成了更广泛的研究内容和应用范围。它解释沉积地层的垂向和横向的关系，从多方面探讨沉积地层中构成地质记录的特征，作出成因分析，并使之上升为理论。 沉积岩岩石学著作中历来都把对现代沉积物及其沉积作用过程的研究内容作为基本内容。1932年沃德尔提出沉积学一词，并定义为研究沉积物的科学。20世纪3050年代特温霍费尔先后发表的沉积作用论和沉积作用原理全面、详细论述了现代沉积物的形成阶段，形成环境，以及不同介质条件下所形成的沉积物的不同特征，为沉积学奠定了基础。 20世纪50年代以来，在石油开发中人们认识到现代沉积的研究对油气勘探至关重要。由世界各大石油公司倡导的对大型现代三角洲、河流沉积物和碳酸盐沉积物等的研究，以及对有价值的资料的出版，推动沉积学迅猛发展。 盖洛韦和霍布迪于1983年发表的陆源碎屑沉积体系全面总结了基于现代沉积研究的沉积体系。此外，对海洋的调查和研究也日益普遍和深入，提出了浅海性的风暴沉积和深海性的平流沉积等开拓性的研究领域等。 沉积学主要结合土壤学研究风化作用；结合流体力学、水文学、大气科学、化学和生物化学等研究搬运作用和沉积作用；结合矿物学、岩石学、化石岩石学等对研究各种碎屑颗粒、粘土矿物和异化颗粒的类型和成因标志，研究陆源沉积物和内源沉积物类型和成因，尤其对各种已知环境的沉积相特征分类、相模式的建立和沉积体系的研究等；结合岩石圈动力学等，研究大构造单元或大地理环境中的沉积特征，主要研究整个沉积盆地，岩石圈板块，褶皱带等的沉积特征。这项研究内容也有人称之为宏观沉积学。 沉积学把对现代沉积研究取得的多方面的资料，特别是沉积类型和成因标志等同古代沉积进行对比，分析古代沉积地层中有无相类似的沉积岩、沉积相或相标志，以及沉积体系等；阐明其相同、相异，或有若干变化之处，以解释地质时期的演化趋势。 自从50年代以来沉积学便由纯科学向应用科学方向转变，并得到迅速发展，应用范围也日益扩大。沉积学的研究已成为油、气勘探获得成功的关键。沉积矿床勘查常必须作出古环境分析，而沉积学的研究对古环境的分析是极有价值的。如铅、锌等层控矿床，可能局限在生物礁母岩中，或藻硫酸盐岩中，铀矿等砂矿床常集中在古河床沉积中。在现代深海沉积的调查和研究中，也重视结合研究锰结核等有远景的矿产。 沉积学与沉积岩岩石学密切相关，有很多研究方法是相通的。沉积岩岩石学中运用的许多现代的分析和测试方法，如 X射线衍射分析，电子探针分析，扫描电镜和透射电镜观察，阴极发光显微镜观察等都可用于沉积学研究。 大范围沉积的研究通常采用地震地层学的方法，它对于含煤、含油盆地，海洋沉积和三角洲沉积等研究都起很大的作用。在深海取样和分析研究中，使用回声探测仪、声呐等工具。 沉积学是地质学的一个分支，也是自然地理学的研究内容，沉积学的研究成果充实和促进了自然地理学的发展。沉积学研究海洋沉积物不但采用海洋学的调查和取样方法，而且直接应用了海洋学关于海洋环境及其物理、化学和生物的特性等的研究成果。 沉积学还和生物学及古生物学、生态学及古生态学密切相关。因为不仅古代沉积物的沉积环境与古生物的生存环境是一致的，而且某些沉积物本身就含有生物，或其遗体，或基本上就是由生物体组成的。沉积学中关于沉积物在陆地、大气、水体中的搬运、沉积过程的研究必须借助于大气和水文科学的研究成果，所以沉积学与大气科学、水文科学的关系也较密切。 沉积学借助土壤学的研究了解风化作用某些特征和识别古土壤层；借助空间科学研究了解到火星表层沉积物和地球上的荒漠特征颇相似；凭借着物理学的进展，包括同位素年代测定在内的多种现代测试方法在沉积学中得到广泛应用。沉积学与构造地质学和大地构造学更是密切相关。沉积作用常为构造所控制，反之，沉积学的研究也可证实或解决大地构造问题。 沉积学在今后的发展、研究中，将与构造地质学和大地构造学研究更多结合。其中需着重研究主动和被动大陆边缘的沉积类型和特征，研究板块缝合带和俯冲带的沉积，研究各分离板块沉积的异同，用沉积学方法研究和证实板块移动的时间和趋向等。在对比沉积学中，将注意定量的和统计的研究古代和现代沉积的差异性。更加注重沉积学的实用意义，尤其在与层控矿床和深海沉积矿床的成因、分布有关的方面将更快的发展。岩 石 学岩石学是研究岩石的成分、结构构造、产状、分布、成因、演化历史和它与成矿作用的关系等的学科。地质学的分支。陨石、月岩等宇宙来源的岩石，也是岩石学的研究对象。岩石学常被分为岩理学和岩类学。前者主要研究岩石的成因，在早期多指与火成岩有关的成因研究；后者主要是鉴定岩石的成分和结构构造，进行岩石特征的描述和分类，又称描述岩石学或岩相学。 在古代，岩石和矿物统称为“石”。最早有关矿物岩石性状的记载是中国的山海经和古希腊泰奥弗拉斯托斯的石头论。古希腊哲学家泰勒斯的“一切都来自于水，又复归于水”论断，可以看作关于沉积岩思想的萌芽。 18世纪后半叶至19世纪初，德国地质学家维尔纳为首的弗莱堡学派倡导水成说，认为所有岩石都是浑沌水的沉淀物。最早沉积花岗岩和片麻岩，其次为片岩、大理岩等，后期为页岩、砂岩、砾岩等。英国自然科学家赫顿于1788年提出了火成说，认为在地下热的影响下，形成的熔融物可经火山活动形成火山岩，或在深部结晶形成花岗质岩石。 两派各以自己的观点排除对方，把所有的岩石基本看成是同一成因。1830年英国自然科学家莱伊尔提出岩石的成因分类，分为水成岩类、火山岩类、深成岩类和变质岩类，深成岩类包括花岗岩和片麻岩类。从“水火之争”到莱伊尔以多种成因观点代替单一成因观点的岩石分类，是岩石学孕育阶段的主要标志。 现代岩石学形成于19世纪中期至20世纪50年代。在这一阶段，野外地质调查和区域性地质制图有了较大的发展，使得历史对比法在岩石学的各个领域都得到广泛的应用，确定了各类岩石组合与其形成地质环境的联系，加深了对岩石成因的了解。 现代的显微岩石学，是英国地质学家索比把偏光显微镜运用于砂岩、石灰岩和粘板岩的观察而开始的。德国齐克尔在1866年描述岩石学教科书，对岩石的许多亚类作详细阐述。齐克尔1873年出版的矿物和岩石在显微镜下特征和罗森布施的岩相学主要矿物在显微镜下结构，奠定了显微岩石学的基础。 19世纪末至20世纪早期，是岩石化学的形成时期。美国的克拉克和德国的奥桑都是这方面的创始人。克拉克与华盛顿等人合作研究从地表至十英里深处物质平均成分，发表了火成岩平均成分、地壳成分等重要著作，创造了CIPW岩石化学计算法；挪威岩石学家福格特用矿渣作材料进行高温熔融实验，说明硅酸盐中的共熔关系，确定矿物的结晶顺序并把它运用于天然岩石；美国岩石学家鲍温在1928年发表火成岩的演化，提出了钙碱性岩浆中矿物析出的反应系列及其原理，习称“鲍温反应原理”，奠定了岩浆分异作用理论基础。在变质岩岩石学方面，挪威地球化学家戈尔德施密特和芬兰岩石学家埃斯克拉，将物理化学中的相律运用于岩石学，创立了变质相的概念。 第二次世界大战结束以后，特别是50年代以来，通过国际性多学科地学研究活动的开展，板块学说兴起并不断发展，作为地质学科分支的岩石学进入了新的发展时期。 X光及电子显微技术的发展，使岩石、矿物内部结构研究进入微区领域；微量分析技术如光谱、X光荧光分析等的发展，使稀土和微量元素定量成为可能，为某些成岩作用的过程的研究提供了定量依据；质谱分析可以测定岩石和矿物中同位素组成，不仅提供了有关成岩作用的时间信息，对示踪岩浆演化、岩浆起源、岩石变质等原岩及其形成过程也都提供重要信息；高温高压实验，能测定的压力达到数百亿帕，约合深度600公里以下，可以模拟上地幔某些岩石的形成。 上述新技术、新方法的应用为地壳早期岩石，洋底和深部地幔岩石的研究，积累了大量资料，推动了现代岩石学理论的完善化。地震研究使过去的一元或二元原始岩浆论，已转变为受大地构造环境控制而形成的多元岩浆的观点，洋中脊、裂谷带、活动大陆边缘和陆内环境都有不同的岩浆组合。 关于岩浆演化除了岩浆分异作用、岩浆同化作用之外，岩浆混合的观点，也日益受到重视。板块构造理论对沉积岩岩石学也有显著影响，现代沉积岩石学理论认为：大型沉积盆地和它们的沉积中心与板块运动有关，板块的相互作用和板块构造环境是沉积盆地演化和各种沉积相形成分布的关键。 用现代沉积作用和水动力学环境的实验模拟资料来解决古沉积环境问题，是沉积岩石学研究的生长点。变质相和变质相系的研究初步奠定了变质作用和大地构造的联系，而地幔与地壳的相互作用而产生的热流是区域变质的根本原因。80年代以来变质作用的温度-压力-时间轨迹的研究揭示了变质作用历史与地壳构造演化之间的关系。岩石学的分支学科 火成岩岩石学是研究主要由岩浆作用形成的岩石的成分、结构构造，及其形成条件和演化历史的学科。其运用现代实验技术、物理化学、流体动力学等理论，阐明各类岩浆的演化运移和冷却结晶等过程，依据岩浆岩区域地质分布结合大地构造单元，总结各类岩浆岩自然组合的时空分布规律。 沉积岩岩石学是研究沉积物和沉积岩的组成、结构、构造和成因的学科。其主要内容包括沉积物和沉积岩物质成分、粒度及其生物化石群落等的研究；判定沉积环境和沉积物的源区，阐明古地理条件和恢复古构造；根据碎屑物和基质的比例，根据矿物颗粒和有机组分的分选性，进行沉积物和沉积岩的分类；根据化学沉积物的特点判定水体化学性质和海水深度等。 变质岩岩石学是研究地壳内部发生的变质作用，和变质岩的形成特点及其演变历史的学科，天体陨石的冲击变质亦属这一研究范畴。 在地壳演化过程中，地幔、地壳的相互作用，引起区域热流和构造环境的变化，发生了一系列属于不同变质相、变质相系和不同形变程度的变质岩石。它们是变质作用在自然界的记录，因而也是变质岩岩石学的研究对象。变质岩石学又可分为两个方向：变质地质学和变质实验岩石学。 工业岩石学是用硅酸盐工艺学的方法来研究和开发与硅酸盐矿物有关的资源，又称工艺岩石学。 其它的还有宇宙岩石学、化学岩石学、实验岩石学、地幔岩石学、构造岩石学等。 岩石的形成与形成时的地质环境密不可分，岩石建造是地质环境的一种表现。因此为了阐明地质环境，区域地质学、大地构造学、构造地质学和地层学的研究是必不可少的知识；矿物学和地球化学可以阐明岩石中主要造岩矿物和元素迁移变化的规律，它们与化学热力学和化学反应动力学相结合，可以说明岩石形成过程中可能的物理化学作用过程，以及岩浆发生的可能原岩。 宇宙岩石学可以看作岩石学与天文学之间的联系环节，而地幔岩石学可以看作岩石学与地球物理学之间的桥梁，这两个分支学科扩大了岩石学研究的时空范围，所研究的深度可达600公里的地幔，时间可以上溯到40亿年左右，其研究成果为研究地球早期演化提供了基础资料。 作为自然体系的岩石组合，其成因是复杂的，受诸多因素所制约，并且与地壳演化有着密切的联系。有成效的岩石学研究，一方面要摆脱传统观点的束缚，从单纯岩石的描述中解放出来；另一方面也要防止简单化的趋向，把复杂的成因问题纳入简单的成因模式。 岩石学的研究要掌握更多的岩相学、区域地质学资料，充分搞清各种岩石之间野外关系，加强岩石组合和岩石的物质组分(包括矿物学和地球化学)的研究，从而进一步引出客观存在的形成条件和岩石构造历史，并从物理化学基础理论来阐明其内在联系和发生的根本原因。此外，从全球构造观点，总结分析岩浆建造、变质建造和沉积建造的时空分布规律，这些将是岩石学的基本任务。实验岩石学实验岩石学是在实验室控制的物理化学条件下，研究矿物岩石体系相平衡和动力机理的学科。欧美习惯把矿物和岩石的高温高压实验研究统称实验岩石学，即广义的实验岩石学。 用实验方法研究矿物和岩石的尝试已有一百多年的历史。英国物理学家霍尔首次做了玄武岩熔化结晶的高温高压实验，因而被称为实验岩石学之父。华盛顿卡内基地球物理实验室于1907年建立，一般把它作为现代实验岩石学发展的起点。20世纪开始了严格受控条件下硅酸盐体系的实验研究，早期以干体系的实验为主。 美国实验岩石学家鲍温，在硅酸盐干体系实验基础上提出了“矿物反应系列”。第二次世界大战后，高温高压技术的进步使实验岩石学有了较大的发展。1948年美国实验岩石学家塔特尔设计出了冷封高压容器，改进型可用于700900和四亿帕的实验。1952年美国实验岩石家约得研制的内加热高压容器能获得1500的高温和十亿帕的高压。这两种流体介质的高压设备成功地用于研究岩浆作用和变质作用，导致了花岗岩深熔理论和玄武岩成因理论的建立。 二十世纪50年代后，实验岩石学进入到以超高压为特征的发展时期。以1955年首次人工合成出金刚石为契机，各种超高压设备迅速发展起来，出现以固体为压力介质的各种压机，能产生高达三百亿帕的超高压。1976年美国毛河光等研制出的钻石高压腔达到了一千二百亿帕的压力，经改进后又获得了二千八百亿帕的超高压，相当于地核内部的压力。 实验岩石学不仅研究火山作用、岩浆作用和变质作用等成岩过程，而且还研究地球深部的物态和物相转变，研究矿物岩石在高温高压下的形变、波传播、磁性、电导等物性。实验资料不仅可以核查和补充地质观察，而且可作为推论人们无法观察的深部地质过程的旁证。 实验岩石学也应用于研究月岩学和陨石学。此外，实验岩石学中的高温高压技术和方法，还用于研制工业和技术的新原料，如人工合成金刚石、半导体和激光晶体、压电和光电晶体，以及耐火、陶瓷等合成材料。 研究火成岩的成因，比较有成效的是花岗岩成因研究。代表花岗岩的钠长石-正长石-二氧化硅-水体系的实验表明，其液相面随水蒸气压的升高而降低。当压力为五千万帕时熔化温度为770，五亿帕时共熔温度降至640。 把钠长石+正长石+二氧化硅，组分大于80%的天然花岗岩的成分点投影到钠长石+正长石-二氧化硅相图上，则绝大多数花岗岩的成分点都集中在共结点附近。这说明花岗岩主要是由熔融体共结形成的，大量天然花岗岩以及沉积岩、变质岩的熔化实验结果也表明，在有水存在及水蒸气压约四亿帕条件下，这些岩石的熔化温度也多在640700之间。 所有这些实验结果都说明，地壳上部的硅铝质岩石因构造运动下降到2025公里深度时，会发生部分或全部含水熔化，其生成熔体的成分就相当于花岗岩或花岗闪长岩。因此，大陆中大量的花岗岩是由地壳岩石经深熔和再结晶作用形成的，这个结论已被大多数岩石学家接受。 基性岩的成因与花岗岩不同。橄榄石-透辉石-二氧化硅体系高压实验表明，橄榄岩或辉橄岩在二十亿帕下发生无水部分熔化，产生的熔体成分相当于二氧化硅略不饱和的玄武岩浆。据此认为，玄武岩浆是超镁铁质上地幔岩石在高压下无水部分熔化形成的。 当岩石受到变质作用时，它们的矿物组分和结构构造会发生重结晶和改造，其新生成的矿物组分取决于变质的温度、压力等物理化学条件。岩石学家把相近温度压力条件下形成的、代表一定变质岩石的矿物组合划分成组，叫变质相。 混合岩化和花岗岩化等作用的发生条件和机理，也能借助于实验阐明。当存在粒间溶液时，岩石的液相面位置与有效水的含量有密切关系。当有过剩水时角闪岩、云英闪长岩和花岗岩的初熔曲线彼此分