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第六章海洋沉积学 marinesedimentology 1 海洋沉积学是海洋地质学的最大分支 它是海洋地质学各分支学科的基础 是研究海底构造 海洋环境 矿产资源 古海洋学 古气候学及全球变化 乃至一切与海底相关的学科研究的前提 海洋沉积是一个巨大的信息库 它储存的地球历史信息是无与伦比的 现代海洋地质学的研究都在想方设法获得最完整和最精确的信息 2 海洋沉积物记录了海洋物理和化学过程以及全球气候和环境变化历史的信息 近年来的研究表明 占沉积物组分一定比例的粘土矿物组合的变化与长期气候演变存在一定的关系 粘土周期性沉积响应与地球轨道驱动因子作用有关 陆源粘土通量既受大陆冰盖厚度和海平面变化以及环流强度的控制 同时又受源区物理 化学风化程度的影响 因此 粘土矿物组合的变化反映了源区气候冷 暖周期性旋回 记录了搬运 再沉积和环境演化的重要信息 为古环境再造 古季风变迁以及海陆对比提供了有力证据 同时也为洋盆及其边缘海形成 地球演化及重建中生代以来古海洋演变模式的研究提供了新思路 3 粘土矿物在沉积和埋藏作用过程中可发生转变 它的形成和转化与其所处的环境有密切关系 因此深入研究粘土矿物的组合与含量的变化 结构特点与转化规律以及粒度分布等特征 可以推测其形成区和来源区的风化作用类型和气候演变规律 有助于揭示全球性的环境演变规律 对粘土矿物的大量研究所揭示的古气候环境演变的信息 已被用于重建古气候和恢复大陆古环境 此外 由于粘土矿物具有较强的吸附性 离子交换性和膨胀性 对水体中各种类型的污染物有良好的吸附性能 并使土壤有一定的自净作用 所以在环境污染的防治中有广阔的应用前景 4 第一节海洋沉积物学概论 海洋沉积学是研究现代海底沉积物 含沉积岩 的特征 时空分布 及其形成和演变机制的科学 是沉积地球科学的重要分支 了解全球现代地质作用 解释古代海洋沉积形成机制 地壳演化历史 寻找海洋矿产 解决工程地质 灾害地质问题 5 一海洋沉积学的发展 1 沉积物调查初期 2 独立学科确立时期 3 蓬勃发展时期 6 研究简史 1 沉积物调查初期1872 1876年英国 挑战者 号考察 揭开了海洋沉积物调查研究的序幕 特别是有关深海沉积物的分类至今仍有重要意义 1899 1900年 荷兰船 西博加 号进行的调查在沉积物的分布及组成等方面也取得重要成果 第二次世界大战后 随着军事的需求和海底石油等矿产资源的勘探开发 海洋沉积物的研究获得长足进展 人们开始对特定海域和重大理论课题开展专题调查研究 40年代末期 F P 谢泼德和M B 克列诺娃的海洋地质学专著相继问世 系统地总结了当时对海洋沉积的认识 7 2 独立学科确立时期 50年代末和60年代初期 由于大规模的国际合作和新技术 新方法的运用 使海洋沉积物的研究提高到一个新水平 尤其是海底沉积矿产 浊流沉积 现代碳酸盐沉积和陆架沉积模式的研究取得了不少新认识 8 3 蓬勃发展时期 60年代末期开始实施的深海钻探计划 使海底沉积的研究进入新的阶段 特别是在深海沉积物的类型与分布以及成岩作用的研究方面获得了大量重要资料 70年代以来 海洋沉积的研究更加深入全面 并派生出一些新的研究方向 如沉积动力学的研究已为很多国家所重视 它的主要目的是解决碎屑物质在不同水动力条件下的搬运过程 以及海底的沉积和侵蚀机制 强调现场观测 在海上使用沉积动力球 可同时测定含砂量 底层流速 流向等多种参数 使研究由静态阶段向动态方向发展 9 中国在20世纪50年代末开展了大规模的海洋调查 这是中国海洋沉积研究的开端 60年代以来 又先后对渤海 黄海 东海 南海的沉积类型 物质组成 沉积速率以及陆架沉积模式和沉积发育历史进行了深入的专题调查 在海岸和海底沉积物的搬运及其动力过程的研究方面也有很大进展 同时还开展了深海远洋沉积的调查研究 10 11 12 13 二 沉积相划分 沉积相为某种特定的沉积环境里形成的 有着内部联系的岩石组合 相模式 一个特定的沉积环境的全面概括 14 二 沉积相的分类 15 SEDIMENTATIONANDSEDIMENTARYROCKS SEDIMENTARYFACIES 16 17 海相 与大陆环境不同 海洋环境在物理化学条件 水动力状况 地貌特征等方面 都有其自身的特点 海水的运动可概括为波浪 潮汐和海流三种形式 控制着海洋中沉积物的分布 海相组岩石类型极为多样 砾岩 砂岩 粉砂岩 粘土岩和碳酸盐岩等在海相组中广为分布 并以厚度大 分布广 岩性稳定 碎屑岩的结构成熟度和成分熟度高 圆度及分选好为特征 沉积构造发育 类型多样 生物化石非常丰富 18 海相组的相带划分及沉积特征 石油地质 19 1 滨岸相 20 SHORESANDCOASTALPROCESSES Verydynamicsettings Affectedbytides wavesandnearshorecurrents Changecanberapidanddramatic 21 SHORESANDCOASTALPROCESSES TheCOASTistheentireregionborderingabodyofwater ASHORELINEisthepreciseborderwhereabodyofwatermeetsadjacentdryland 22 2 浅海陆棚相 浅海陆棚相 指从近滨外侧到大陆坡内边缘的宽阔海域 也可称为陆架 深度一般为10 200m 宽度由数公里至数百公里不等 陆棚浅水区阳光充足 氧气充分 底栖生物大量繁殖 深水区因阳光和氧气不足 底栖生物大为减少 藻类生物几乎绝迹 23 ShelfSedimentationModel 24 RelictSediment 25 EvolutionofCoralReefs 26 3 半深海相 半深海的位置相当于大陆坡 是浅海环境与深海环境的过渡区 沉积主要由泥质 浮游生物和碎屑三部分沉积物组成 半深海区无植物发育 生物群以腹足类为主 还可见瓣鳃类 腕足类 放射虫 有孔虫等 由于生物搅动 泥质沉积不显层理 可见有虫迹 在无生物扰动的情况下 亦可出现纹层 27 4 深海相 深海相是指水深在2000m以下的大洋盆地 平均深度为4000m 深海海底阳光已不能到达 氧气不足 底栖生物稀少 种类单调 深海底层温度一般稳定在l 左右 28 SEDIMENTATIONANDSEDIMENTARYROCKS DeepMarineEnvironments DEPOSITIONALorSEDIMENTARYENVIRONMENTS 29 SEDIMENTATIONANDSEDIMENTARYROCKS DEPOSITIONALorSEDIMENTARYENVIRONMENTS DeepMarineEnvironments 30 Deep seaSedimentationhastwomainsourcesofsediment external terrigenousmaterialfromthelandandinternal biogenicandauthigenicfromthesea 4 2 SedimentationintheOcean SedimentationintheDeepSea 31 Deep seastratigraphyreferstothebroad scalelayeringofsedimentsthatcoverthebasalticcrust Thestratigraphyofthedeepseaisstronglyinfluencedbysea floorspreading 4 2 SedimentationintheOcean 32 TheAtlanticbasincontainsa two layer cake stratigraphy athickbasallayerofcarbonateoozeoverlainbyalayerofmud 4 2 SedimentationintheOcean StratigraphyoftheAtlanticBasin 33 ThePacificbasincontainsa four layer cake stratigraphy becauseunliketheAtlanticitsseafloorasitspreadscrossestheequatorwheretheCCDisloweredtotheoceanbottom 4 2 SedimentationintheOcean 34 StratigraphyandModelofPacificBasin 35 海相沉积与油气的关系 滨岸相中碎屑岩发育 有各种类型的砂体 是油气储集的良好场所 海相组中可发育一系列生 储 盖组合 其中 油源层主要为浅海相暗色粘土岩和碳酸盐岩 含大量化石 有机质丰富 储集层为海相砂岩体和具有孔隙 溶洞 裂缝的海相碳酸盐岩 特别是生物礁石灰岩其储油特点是储量大 产量高 盖层为海相粘土岩 泥灰岩 石膏以及巨厚的致密块状石灰岩等 36 海陆过渡相组 石油地质 37 SEDIMENTATIONANDSEDIMENTARYROCKS TransitionalEnvironments Occuratboundarybetweenoceanandland Somesedimentsareclastic someareorganic Influencedbytides currents andbreakingwaves Includesestuaries deltas beachesandlagoons DEPOSITIONALorSEDIMENTARYENVIRONMENTS 38 三角洲的发育过程 39 三角洲的主要类型 40 1 河控三角洲 密西西比河鸟足状三角洲 据斯考特 1969 41 1 河控三角洲 图密西西比河全新世扇形三角洲 据斯考特 1969 42 2 浪控三角洲 图鸟嘴形三角洲 据斯考特 1969 43 3 潮控三角洲 图巴布亚湾港湾形三角洲 据Fisher 1969 44 45 三角洲相的亚相类型及沉积特征 46 三角洲相与油气的关系 石油勘探的结果表明 世界上许多油气田与三角洲相有关 其中有不少是大型或特大型油气田 前三角洲亚相粘土岩沉积厚度大 分布广 有机质丰富 是具有良好生油条件的相带 三角洲前缘亚相有河口沙坝 远沙坝和席状砂体 砂质纯净 分选好 储油物性良好 与前三角洲亚相紧密相邻 离油源区近 是储集条件有利的相带 超覆在三角洲砂体之上的破坏相粘土岩和三角洲向海推进时形成的水上平原沼泽沉积 可作良好的盖层 三角洲相中有多种圈闭类型 47 三 海洋沉积物类型 沉积学研究的分类以与水动力密切相关的粒度以及物质成分作为分类的依据 48 SEDIMENTATIONANDSEDIMENTARYROCKS CLASSIFICATIONOFSEDIMENTARYROCKS SANDSTONES 49 来源 搬运和沉积是影响沉积作用和沉积类型的重要因素 物质来源海洋沉积物的来源分为以下几类 陆源 主要是陆地岩石风化剥蚀的产物 如砾石 砂 粉砂和粘土等 是典型的陆源沉积物 海洋组分 主要是从海水中由生物作用和化学作用形成的各种沉积物 如海洋生物的遗体 海绿石 磷酸盐 二氧化锰等自生矿物及某些粘土等 火山作用形成的火山碎屑 大洋裂谷等处溢出的来自地幔的物质 以及来自宇宙的宇宙尘等 50 SEDIMENTATIONANDSEDIMENTARYROCKS CLASSIFICATIONOFSEDIMENTARYROCKS SANDSTONES Sandstonesareusefulasbuildingstonescontainoil gasandgroundwaterduetohighporosityandpermeability 51 SEDIMENTATIONANDSEDIMENTARYROCKS CLASSIFICATIONOFSEDIMENTARYROCKS MUDSTONES ParallelalignmentofmicasandclaysistermedFISSILITY SHALE FISSILEmudstone 52 SEDIMENTATIONANDSEDIMENTARYROCKS CHEMICALSEDIMENTARYROCKS Typicallyconsistofinterlockingmineralscrystallizinguponprecipitationfromseawater LIMESTONE ComposedofCalcite CaCO3 Comprise10 15 ofallsedimentaryrocks CaCO3precipitatesinwarmwater 53 SEDIMENTATIONANDSEDIMENTARYROCKS CHEMICALSEDIMENTARYROCKS LIMESTONE GrandBahamasBanksAreaofooliteproduction 54 SEDIMENTATIONANDSEDIMENTARYROCKS CHEMICALSEDIMENTARYROCKS EVAPORITES Precipitatefromseawater IncludeGypsumHaliteSylviteLimestone 55 物质来源 蚀源区的性质决定了陆源物质的原始特征 从而对沉积物的性质产生深刻影响 如黄河径流所携带的固体物质有70 左右沉积在河口区 其特点是CaCO3含量较高 含有角闪石 白云母 绿帘石等重矿物组合 粒径以0 01 0 05毫米占优势 这些特点不同于长江物质形成的沉积 56 57 物质来源 在缺少陆源物质的海域 来源于生物和化学作用的产物占有重要地位 在某些海域 特别是较深的海域 生物作用的产物和生物遗体可成为主要的物质来源 如南海外陆架 东海冲绳海槽的有孔虫细砂以及大洋中的生物软泥等 自生矿物也主要见于陆源沉积速率低的海域 如南太平洋中部的沸石沉积等 58 物质搬运 在不同海域 物质搬运的动力条件不同 陆源物质入海主要是河流的搬运 其次是浮冰和风力等地质作用的搬运 见表 59 60 CalvingglacierinGreenland GlaciersandIceCaps 61 物质搬运 由河流搬运入海的陆源碎屑很少达到深海 主要是在近岸河口区和内陆架沉积下来 只有少量细粒物质被带到外陆架及更远处 在高纬度海域 由于冰川作用和浮冰搬运 形成了大量粗碎屑沉积 62 物质搬运 在大陆边缘 特别是陆架海的物质搬运主要受潮流 密度流 风海流和风浪等作用控制 如欧洲北海 潮差达3米以上 潮流的表面流速可超过2米 秒 沉积物的搬运受潮流作用控制 有的陆架沉积作用主要受风海流与暴风浪控制 天气好时风海流悬移细粒物质散布到陆架各地 风季时暴风浪对粗粒物质进行搬运 63 但是 陆架水流往往是由综合因素形成的 在同一陆架的不同部位其流场也不相同 在近岸带一般以波浪和潮流的作用为主 在内陆架往往是由温 盐 密度差与风形成的海流所控制 它们常沿海岸或向外海流动 致使某些大河搬运入海的细粒物质沿海岸扩展或被搬运至远海区 这种模式在中国东海和南海较为典型 外陆架及大陆坡处往往是由与海岸平行的洋流所控制 如黑潮暖流 上升流对物质搬运所起的作用虽属局部性的 但具有特色 一些磷酸盐沉积往往与上升流活动有关 64 物质搬运 大陆坡沉积物可因滑坡作用向深海运动 或由于碎屑物质与水混合形成高密度水流即浊流 浊流是将沉积物从陆缘搬运到深海区的主要机制 特别是在冰期低海位时 由河流输送到陆架外缘的沉积物随即以浊流形式进入深海 切割陆架外缘和陆坡的海底峡谷就是输送沉积物的重要通道 另外 底层流 包括等深线流 在深海区沉积物的搬运中起着重要作用 它可以搬运粘土 粉砂甚至细砂 在海脊 海山和深海平原上造成侵蚀 65 物质搬运 在高纬度地区 浮冰是搬运沉积物的重要方式 它们目前主要分布在极地至南 北纬55 左右 在更新世冰期曾远达南 北纬35 左右 正是由于物质搬运营力的特殊性而使高纬度地区的沉积类型别具一格 66 物质搬运 风对海洋沉积物的搬运也有一定作用 如沿大西洋东岸的撒哈拉大沙漠一带 热带风可搬运大量微尘入海 某些深海和浅海沉积物中的粘土和火山灰等也与风的搬运作用有关 搬运海洋沉积物的营力虽然复杂多变 但就整体来说 起主导作用的仍然是海水的动力条件 67 沉积 沉积速率海洋沉积物的沉积速率在海底不同的部位相差甚大 沉积速率的不均一性反映了沉积环境的差异性 从而在沉积类型和沉积厚度上表现出很大的差别 影响沉积速率的主要因素有物质来源状况 气候 构造作用等 在物质来源充足 海洋生物作用产物十分丰富的海域 沉积速率很高 反之则低 由于快速沉积期常与慢速沉积 无沉积或侵蚀期相互交替 故通常使用平均值来表达不同环境中沉积速率的大小 68 世界大型三角洲和河口区的沉积速率 最高可达到50000厘米 千年左右 在陆坡和陆隆最高可达100厘米 千年 而深海区一般只有0 1 10厘米 千年左右 由于深海沉积速率低 加之洋底年龄不老于侏罗纪 故深海洋底的沉积厚度小 平均不过0 5公里 各大洋的沉积速率也有所不同 大西洋沉积速率较高 太平洋不少海域距陆甚远 大洋周缘被海沟环绕 陆源物质难以越过海沟到达大洋区 故沉积速率较低 北冰洋由于覆冰沉积速率也低 69 现代浅海环境中有时会出现无沉积区 可看作是短期的沉积间断 深海钻探揭示 深海沉积中沉积间断也十分常见 这就为某些海洋组分 如自生矿物的大量形成提供了有利条件 70 沉积类型传统上 按深度将沉积物划分为 近岸沉积 0 20米 浅海沉积 20 200米 半深海沉积 200 2000米 深海沉积 大于2000米 概括地说 可以将海洋沉积划分为大陆边缘沉积和深海沉积 陆隆沉积则介于两者之间 在大陆隆处常见到具有交错纹层的粉砂沉积物 呈透镜体分布 可能由等深线流形成 所以称为 等深线流沉积 这是近年在陆隆处发现的一种新的沉积类型 71 大陆边缘的沉积物主要来自陆源碎屑 可根据沉积物的粒度大小及级配状况划分出砾石 砂 粉砂和泥等沉积类型 生物作用在深海沉积物中居重要地位 因此 可根据生物种类及其含量将深海沉积物划分为有孔虫软泥 颗石软泥 硅藻软泥 放射虫软泥等类型 此外尚有浊流沉积物 火山沉积物 褐粘土以及自生沉积物等非生源沉积物 72 沉积分带海洋沉积物的分布受气候 距陆地远近和深度等的控制 从而呈现出纬度分带 环陆分带等分带现象 海洋沉积物的分带性是一种具全球规模的宏观现象 各种分带同时存在 相互交织在一起 加以存在有浊流 上升流以及火山活动等区域性现象 致使海洋沉积物呈现出十分复杂的分布格局 73 纬度分带 在极地冰带 广泛出现冰川海洋沉积 在干燥亚热带 褐粘土十分发育 在湿润的温带和赤道带 生物沉积作用极其旺盛 除有钙质软泥外 硅藻软泥主要见于纬度较高的温带海域 放射虫软泥富集于赤道带 在两极高纬度地带 沉积物富含长石 岩屑等易风化物质 粘土矿物以绿泥石和伊利石为主 在化学风化强盛的赤道带 石英含量升高 粘土矿物以高岭石和蒙脱石为主 深海区最低的沉积速率 小于1毫米 千年 和最小的沉积厚度见于亚热带 最高的沉积速率 1 10厘米 千年 和最大的沉积厚度则出现于赤道带和北温带 南温带 74 濒临中国的各个海域 沉积物的纬度分带亦有其特点 例如 渤海沉积物中的重矿物组合以不稳定矿物占优势 如角闪石 绿帘石等 随着纬度的降低 稳定矿物大量出现 与物源也有一定联系 从北向南 沉积物的 石英化 程度和自生碳酸盐沉积都有明显增高 在南海出现了自生文石等 75 环陆分带 在陆缘浅海 以陆源碎屑沉积为主 在半深海海域 既有陆源物质 也有生物和化学作用形成的沉积 至深海区 则主要是生物和化学作用形成的深海沉积 自陆缘向远洋方向 沉积速率和沉积厚度明显降低 沉积物从偏灰绿色逐渐过渡为红褐色 76 WhatdifferencesinthetypeanddistributionofsedimentsdoyounotebetweentheAtlanticOceanandthePacificOcean DistributionOfSediments 77 78 第二节中国近海沉积 一 大陆架沉积二 边缘海沉积1 半深海 深海环境与沉积物分布2 半深海 深海沉积物分区 79 80 第三节大洋沉积物 一 深海陆源碎屑沉积二 钙质软泥三 硅质软泥四 海洋火山碎屑沉积五 深海粘土 81 第四节海洋沉积地球化学 82 海洋沉积地球化学是研究海洋沉积物的化学组成 化学作用和化学演化的学科 海洋沉积地球化学的主要研究内容是 1 元素的物质来源 含量 组合 分布及其存在形式 2 元素的迁移运动方式 沉积的物理化学环境 以及控制发生沉积的各种化学机理 3 各类沉积物的化学特征和元素的分散与富集规律 4 沉积物与海水之间的物质交换与平衡 5 成岩 成矿过程中元素的行为和再分配 以及元素的演化史 6 研究与海洋沉积地球化学有关的各种分析方法 测试技术和模拟实验等 83 海洋沉积地球化学的研究既是海洋沉积学的重要内容 也是海洋地球化学的组成部分 它是海洋沉积学和海洋地球化学之间的一门边缘学科 海洋沉积地球化学的研究对寻找和评价海洋沉积矿产有指导作用 海洋中有害元素沉积地球化学的研究可对海洋环境保护提供科学依据 由于现代海洋是古海洋 天然的模拟实验室 故现代海洋沉积地球化学的研究可以 将今论古 有机沉积地球化学的研究 又可以探索石油成因甚至生命起源问题 84 1891年 英国海洋学家默里和勒纳尔对1872 1876年英国 挑战者 号考察时所采集的沉积物及锰结核进行了若干化学成分的分析与研究 这标志着海洋沉积地球化学研究的开始 至二十世纪50年代 又有十多次重要的深海考察 也陆续发表了沉积物化学成分的资料 使海洋沉积地球化学的研究不断进展 二十世纪50年代以来 随着对开发海洋矿产资源的重视和科学技术的提高 海洋沉积地球化学获得了长足的发展 采用了一系列新的测试技术 测定了更多的元素 其中包括大量的微量元素和同位素 从主要研究沉积物的化学成分 发展为研究化学作用和化学演化 在开展深海大洋研究的同时 也广泛开展了陆架浅海沉积地球化学的研究 对具有经济价值的大洋锰结核的进行了大力研究 85 海洋沉积地球化学的研究领域比较广阔 主要包括 对元素的地球化学研究 对矿产的地球化学研究 有机地球化学的研究 同位素的地球化学研究 海洋沉积环境的地球化学研究 海洋成岩作用的地球化学研究 模拟试验研究等 86 元素的地球化学研究包括海洋沉积物中元素的丰度 来源 搬运形式 沉积机理和沉积后的变化等 元素的丰度特征是地球化学最基本的特征之一 不同沉积环境所生成的沉积物具有不同的丰度 研究表明 海洋中的化学元素 主要来自大陆 海底火山 海底热泉 宇宙 大气等 元素的搬运形式有碎屑态 胶体态 真溶液态和吸附态 元素的沉积机理有重力沉积 化学沉积和生物沉积等 元素沉积后仍可发生迁移 一直到趋于新的地球化学平衡 当前结合矿产资源 环境保护和生物资源的调查研究 对元素地球化学的详细研究多集中在对成矿元素 有害元素和营养元素上 显然 提高元素分析的灵敏度和准确度 进而分析沉积物各种组分中元素的含量 是海洋沉积元素地球化学研究朝纵深发展的方向 87 寻找和评价海底沉积矿产是海洋沉积地球化学研究的主要目的之一 现代海底矿产有锰结核 磷结核 多金属硫化物 海底砂矿等 其中特别是深海锰结核地球化学的研究 因其具有潜在的巨大经济意义而日益广泛和深入 此外 对以磷为主的磷酸盐结核和富含锌 钛 锆 稀土等元素的海底砂矿 也不断进行研究 另外 与海底热泉有关的深海多金属硫化物矿床 近年来尤其引人注目 这种矿床富含锌 铜 钴 铅 铁 锰 镉 银 金等多种金属 常分布于海底扩张带或火山区附近 其上覆盖着一层高温高盐的热卤水 关于热水的来源以及多金属硫化物的成因等 都是海洋沉积矿产地