岩石地层学讲义.doc

第一章 绪论岩石地层学（Lithostratigraphy）作为一个学科术语，早已充溢于浩瀚的地质文献中，对于我们每一个从事地层工作的同行来说，岩石地层学也几乎是无人不知。不仅如此，大多数从事地层学、区域地质学、地质调查的专家和学者，在一个多世纪以来，几代人都在年复一年，日复一日地进行着琐碎而繁重的岩石得出的划分和对比工作。有关岩石地层划分的文献早已堆积如山。然而令人遗憾的是岩石地层学本身却并没有得到足够的重视，岩石地层划分的理论问题也没有得以充分的探讨。追索地层学发展的历史，从第一届国际地质会以来，关于地层划分原则的讨论，已往返反复了一百多年，地层学家们在地层划分的规范化讨论方向作出了积极地贡献，地层学的理论也在围绕地层划分的规范化的讨论中得到了一定的发展，然而，所有这些都只是地层划分方案的不断完善，远非岩石地层学本身。由沉积物堆积并固结在一起的层状地质体-岩石地层正式本书要论述的主体。这些漫山遍野展布而又不起眼的石头，蕴藏着人类赖以生存的石油、天然气、煤和绝大多数固体矿产，当今越来越多的人已认识到，对于一个地区而言，或许能给人来带来更多的实惠。因此，就今天来说，地层的研究已经不仅仅是地层学家的事情。近几十年来，沉积岩石学的研究成果已经迅速发展和丰富了人们对沉积地层的认识，同时也尖锐地冲击着传统地层学的理论和方法。当前的地层学似乎正走在十字路口！人们经常议论地层学正面临着重大突破，但在哪里突破，如何突破却并不明确。应当指出，地层学本来就是在实践概念的支配下产生的，而且，求证地层中岩石的年龄适中都是地层学探讨的最重要的议题。地层学发展的早期，一度假设过局部的岩石特征可以当做全世界同年龄的地层的特征。那时延伸一个同年龄的地层单位就是用延性相同岩性的地层单位来实现的。这样就认为地把沉积岩石与其包含的化石以及各种实践之间及其复杂且变化无穷的相互关系给简单化了。这种简化的思想长期以来控制着地层学的发展。以至当今还可以看到它的作用。十九世纪，史密斯创建生物层序论，给德昌乡左侧了伟大贡献。用化石确定岩石的年龄，才使得地质年代表的建立成为可能。嗣后的一百多年中，用化石鉴定地层的年龄几乎成了地层学的全部，而且几乎所有的地层学家同时也是古生物学家。冉冉，自从人们认识到岩石地层和石油工业的紧密关系以来，就理解到了岩石特征也相当重要。比如对于一个急待寻找的失踪者来说，年龄描述固然重要，但身高、相貌、性格的描述对于寻找这位失踪者来说则更具体、更富于实际意义。也正因为如此，当我们把眼光从显微镜转移到充满泥土气息的荒山野岭之中，从那些令人喜爱的化石转到那些过去以为毫无生气的石头中时，才真正感觉到涉足于岩石地层中的我们，竟像刚开始学步的儿童一样，稚气满身。地层学，源于拉丁文stratum和希腊文graphia，是地层的描述科学。地层工作室地质工作的基础工作之一。唉地层描述中，岩石地层的描述是对客观地层实体物理特征的描述，包括岩石地层的形状、组分、结构及其与响铃地层体间的相互关系，是一种客观记录。理想的岩石地层记录不应当附带任何人为的因素，就像岩石学家描述一块岩石薄片，古生物学家描述一块生物化石一样，只有这样才能真正把地层归纳为客观的自然单位，从而代替单纯依据规范划分的认为单位。也只有这样，才能赋予岩石地层单位以相对的稳定性，并在此基础上建立地方性的岩石地层序列，作为生物地层，年代地层，磁性地层等其他域地质，区域矿产研究的深入。因此岩石地层学有事地层学研究中最基础的部分。地质学家们早已认识到，地质学中许多富有成效的新发现都来自于准确详实的地质填图。前任国际地科联主席R.杜伦佩在26届国际地质大会开幕式讲演词中更是强调指出：“我们不应忘记地质学的发展要立足于地面工作，立足于耐心地勤奋地收集扎实的资料，地质填图在这种地面工作中占有重要的位置，如果忽视了地质填图工作，那么对地质科学来说将是一个可悲的信号”。由此可见，直接服务于区域地质填图应是岩石地层学的主要任务之一，因此本书在赋予岩石地层学的基本内容时，将要求观察和描述的主要资料首先应立足于野外地质露头上所能看到的宏观地质现象。此外大量的资料已经证明，岩石内容相近的地层，其形成条件可截然不同，更为重要的是它们的成矿背景也有很大的差别。因此关于岩石地层结构的论述也构成了本书不可缺少的内容，因为在地质填图时间中岩石地层的结构不尽有助于我们区分那些岩石内容相近而形成条件迥异的成岩系，而且也有助于我们讨论和修订在传统地层中早已被我们所熟悉的那些基本定律和法则。岩石地层学的任务是对岩石地层作科学描述和整理。它不同于沉积学，前者要求对所有能观察到的成岩系进行具体的描述，并直接服务于区域地质调查和找矿地质勘探，因此是客观的。沉积学是研究沉积物或沉积岩的成分和成因的科学，它直接服务于形成沉积地层的古环境的分析，古地理再造以及与地层的成层作用有关的矿产的预测分析。一个岩层可以在露头上沿水平方向进行追索，但是不同特征的沉积过程却不能直接观察。沉积学家所要做的是恢复重建成岩作用以前沉积物堆积的过程。因此关于沉积岩层的沉积学研究只能代表研究者本人认识水准上的分析和判断，难免带有一定的主观性。特别是伴随区域沉积学的发展，一个精细的自然地岩石地层格架已成为沉积学赖以讨论古环境和再造古沉积体系必不可少的基础。而岩石地层学也需要沉积学中有关沉积物和沉积作用过程方面的知识去修改和重新审议那些古老的地层学原理。两者既不相同，又互为补充。最后书中涉及的内容，虽然已沉积地层的研究为基础，但我们相信，在浅变质区，只要地层的原生沉积构造尚未被改造或者能够被恢复，沉积地层的岩石地层学理论亦应该能够被采用。应该指出，我们写本书的目的绝不是声言当前地层学已经实现了何种重大突破。书中所涉及的也只是向广大地质工作者，特别是从事第一线野外地质工作的同行们建议一种新的思维方式。这里同样是一个广阔的天地，需要做的事情还很多，只要你热心地持久地探索，回报你的必将是发现与创新。本书的初衷是应武汉地质干部科技管理学院主办的“总工证书学习班”之约而编辑的。后来为了配合已经炉子的岩石地层及区调改革的电视录像带，在原设想的基础上又有所扩大，鉴于授课对象都是具有多年野外实践经验的工程师，书中内容只包含我们近年来的新认识和为着了解这些认识必须补充、且在意外的地层学记录中被忽略的部分，并非岩石地层学的全部。因此目前的版本严格地说，只能是一本讲义。我们提供这种思路的目的在于抛砖引玉。希望有更多的地质学同行被引到岩石地层学领域里来，为创建岩石地层学理论与工作方法，为改造我国的基础地质建设而作出贡献。第二章 地层的沉积作用 地层是沉积物在沉积作用的控制下堆砌而成的层状岩石地质体，因此不同地则层体有其不同的沉积作用和形成过程。虽然地层沉积作用的详细研究并不是地层学的主要任务，但是地层学的许多基本原理和概念确实依据对沉积作用方式和过程的理解和认识为基础而建立的，沉积学研究的水平和发展对于地层学的研究水平和发展具有极大的影响。地层学家本身并不需要研究地层沉积作用的方式和过程，却十分关心和了解当今有关沉积作用和过程研究的趋势和成果，抖着不能推动地层学继续向前发展，也难以做到正确地理解和应用现代地层学的有关原理。地质学家们意识到研究现代沉积物及其沉积作用的重要性，是因为通过现代沉积环境这个天然实验室，可以观察到现代沉积物堆积的方式和过程，并应用这种观察的结果来解释古代沉积物形成的沉积作用和过程。因此，近20多年来，通过对现代沉积作用及其过程的研究，使人们对雅思地层及其单位的理解发生了巨大的变化。这种研究在的程序的体现是从对地层记录的本质的理解方面发展了对地层堆积作用的认识，并因此而肯定了相对比定律，限制了叠覆原理在地层学中的应用范围和意义。这些认识是现代沉积学关于沉积作用及其过程的研究对地层学理论的最主要的贡献，必将引起地层学的重大变革。简言之，这些认识就是当我们从沉积作用和沉积过程出发吧地层的成层作用置于时间和空间的思维动态体系中时，就需要考虑完全不同，但也是最重要的三种堆积作用的形式，即纵向堆积作用概念、横向堆积作用概念和生物筑积概念，前两者从属于牛顿力学的一般原则，后者则服从于生命物质生存与运动的规律。下面将分别讨论在三种不同的堆积作用下，成层岩系是怎样形成的。一、纵向堆积作用纵向堆积作用是指沉积物在水体中自上而下降落，依次沉积在沉积底面而构成成层岩系的概念。这种堆积的机械作用基本上从属纯于重力作用，搬运物才能在一个原始水平的沉积底面上向上发生堆积；这种概念也是相当一部分地层学家说持有的一种传统观念。在这个概念的指导下，地层学家已经发展了200余年。当前，它依然在控制着地层学。在纵向堆积作用概念的支配下，地层学唯一重要的原理就是地层叠覆原理。应当指出，搬运介质的静止状态是发生纵向堆积作用的必要条件，只有这样沉积物才能完全依据其自身的重力，自上而下自然地降落并堆积在一起。好像在一个装满泥水的大烧杯里所见到的现象一样，当杯中的水处于静止状态时，水中的泥沙自上而下依次下沉，一层一层地堆积于杯底，像千层糕一样。在自然界，类似的环境和沉积物只能见于今天的大洋深处。在那里，沉积物主要有一些小型的大洋生物遗体组成，这些小型的大洋生物遗体就像是在水的“天空”里落下生物“雨滴”，阿格尔形象地把这种现象比喻为“天上下的毛毛雨”，在自身重力的驱动下慢慢地自上而下降落沉积于大洋底，构成大洋深部的放射虫软泥。在大陆内部，某些特殊的湖泊亦可出现典型纵向堆积。如太湖即可作为纵向堆积作用的实例。它早期是一个三角形的海湾，由长江南岸的沙堤和钱塘江北岸的沙堤合围而成古太湖，演化至今，湖面平均海拔在10m以下。没有大型河流注入，仅洪水季节湖泊对长江河水量具有调节作用，属典型的积水湖，沉积物为悬浮的粘土质微粒，这些微粒缓慢沉降构成了湖底淤泥。TM图像显示太湖湖底是一个近于水平的均质湖底。（图2-1）在大陆上地层学家所涉及的古代沉积区绝大多数都不是类似现代大洋沉积类型的地区，而主要是属于陆棚沉积类型的地区，现代沉积学研究的主要贡献已经证明，在这些地区沉积物主要地不是以自下而上的纵向堆积作用而形成的。因此当应用纵向堆积作用的概念解释古代的地层时就应特别小心，几乎只有极为少数的细粒均质岩石地层体才能符合于纵向堆积作用的概念，如山东山旺的山旺组，其中的硅藻土层，水平的微细层特别发育，有“万卷书”之美称，完好地保存着大量动植物化石。有趣的是植物中的花，还保存着鲜嫩多姿时期花瓣之向外弯生的生动体态，昆虫化石还保存着身体的细毛，保存之完好是我国所少见，也是世界所罕见，是古代典型的静水湖相堆积的例证。在纵向堆积作用的支配下，地层记录中岩石组分的变化则必然预示海洋环境的变化。一个只沉积一种类型沉积物的海，必然紧接着被只沉积另外一种类型沉积物的海取代，由此形成一层一层叠置在一起的岩层系，这就是“千层糕”式的地层学概念。二、横向堆积作用上述纵向堆积作用是以搬运介质的相对静止状态为前提。在自然界只是一种极特殊的实例。物质的运动无时无刻都存在于自然界一切物体之中，而搬运介质的运动更是自然界到处可见的基本事实。如果我们认真思考“现在是认识过去的一把钥匙”这句话，就应该把动力学包含在岩石地层学的认识论中，把地球表面的现代动力学研究作为地层记录改变和变化速度的钥匙。近年来，对于现代沉积环境的研究产生了关于沉积岩层是如何堆积新城的机制的新认识。图（2-2）显示了横穿盖尔维斯顿进积型障壁岛的沉积剖面。详细的同位素测量显示障壁沙坝沉积时等时面是向海倾斜的。四条向海依次年轻的等时面说明沉积作用发生在这些向海倾斜界面之上，沉积物的堆积不是向上发生，而是在侧方发生的。由此，Weimer(1987)概括出一个最重要的新概念。即横向堆积原理，其简单定义是“最大量的沉积岩是由侧向加积作用堆积的”。并通过对沉积环境的观察和解释提供了大量证据来证实这一原理，可以归纳为以下几点：堆积沉积物的沉积面（等时面）一般是倾斜的。地层主要通过横向加积堆积在这些面上，成为有成因联系的单元，结果形成一个次要的纵向堆积组分。由于横向堆积和进积，沉积物一般是在搬运方向上堆积的。通过这些作用，沉积斜坡可能变得过陡，往往使不稳定的沉积体通过滑塌，蠕动或滑动而顺陡变形。具有成因联系的自然单位在纵向上的堆叠起因于下沉作用或压实作用，或两者兼备以现实主义原理为基础的推理告诉我们，如果全新世沉积物主要由侧向堆积作用形成，那么古代记录中的类似层序必然也由类似的作用所形成。纯粹的侧向加积作用可以从水槽实验中观察到。一般地说，在非黏性物质上面的水流，由于水-沉积物界面的不稳定性，沉积物表面能产生小波痕和大波浪，是流动介质条件下最重要的底形。赖内克（1961）和乔普林（1967）对波痕背流面作过详细的观察，图（2-3）表示在水槽实验中沉积颗粒运动的轨迹和发生在背流面上的沉积作用，在沉积物-水界面上，存在一个重流体层，他具有相对高度浓度的沉积物。在这个层中，颗粒以滚动滑动、跳跃和悬浮等方式运动。重流体层在波脊上消散，失去了底对颗粒的支持，沉积物则趋向沉降于背流面及前面的区域中，沿背流面排列构成向水流方向倾斜的层理并在流水方向发生进积。在自然界，侧向堆积作用几乎可以发生于绝大多数的大陆和陆棚沉积环境中。图（2-4）表示长江在江西九江市北的一段河道迁移的情况。自龙坪至小池近50km长的一段河道，第四纪以来曾发生了七次明显的改道，每一次改道都起因于河流在凹岸的侵蚀作用，并在凸岸形成点堤沙体。根据影像特征解释的虚线，显示了点坝向侧方增生的细节，并且与先成的和后成的点坝砂体相区别，每一个河湾沉积过程都导致一个独立的点坝沉积体，它们一个交切一个，一个比一个更新，并不肯定发生迭覆作用。相当一部分湖泊，特别是那些有大型河流注入的湖泊，沉积物侧向堆积作用的现象亦非常明显。最好的例证是鄱阳湖，这是一个有大型河流注入的淡水湖，赣江携带着大量泥沙由南向北注入鄱阳湖，在湖的南侧形成一个向北增长的复杂的湖成三角洲沉积体系，TM图像显示鄱阳湖与太湖明显不同，湖水覆盖部分南部呈浅灰色北部为深灰色，亦显示南区湖水较浅，北部湖水较深，有一个向北倾斜的湖底，沉积物亦显示自南向北由粗变细，一个个三角洲朵叶体依次向北迭覆，湖面亦正在向北萎缩。（图-11）波斯湾南侧海岸有个很有意义的现代沉积，那里沿海岸线在潮间带发育有着一个主要由兰绿藻组成的藻席沉积，如果朝陆地走去，穿过盐沼钻一个孔，在含石膏和硬石膏成的风成砂粒之下，能够见到一层藻席。实际上这里的藻席同几英里外今天海滩上形成的那层藻席是直接相连的，取自距海6km陆地上钻孔取样，经14C含量测定为4000年前，说明在4000年间海岸向海推进了6km，（图2-5）。用横向堆积作用的概念去理解古代的沉积地层与地层与用纵向堆积作用概念理解古代的沉积地层可以得出完全不同的结论。以美国东部德克萨斯州下白垩纪Edwards醮层序为例。这套地层可以简单地概括如下：在纵向加积概念的支配下，既然沉积物自上而下像下毛毛雨那样降落到盆地底面而成层，那么，如剖面所述迭覆在一起的几种不同岩性的地层就应当分别有几个时期的含不同沉积物的海沉积而成。这就是说，最初以钙泥质沉积充填于海盆。然后变成一个只有碳酸盐沉积物的海盆，再次又变成只有陆源砂沉积的海。最后成为只有泻湖泥的海，紧接着被一个只沉积另一种沉积物的海所取代。由此产生岩石地层一个堆积在另一个上面。这就是典型的千层糕式地层学概念。然而同是层序，用横向堆积作用概念的解释如图（2-6）它是一个具有生物礁的稳定的浅海陆棚沉积环境。从底部钙泥质沉积到钙质砂，生物礁、障壁沙，到最顶部的泻泥湖，都同时存在于这个统一的浅海陆棚之上。这里并不存在海的更替。在这个模式中，及时盆地不发生下沉，沉积物亦会稳定地向海方向进积，伴随着这种进积作用高位沉积体依次迭覆在低位沉积体之上，逐次形成上述近于水平迭覆的岩系。显示不同岩性的沉积作用与埋藏作用都同时在发生。综上所述，侧向堆积作用应当是成层岩系的最重要也是最常见的堆积作用形式，在这种堆积作用下，成层岩系实际上可以理解为是一个时间加三度空间环境体系的四维动态系统的地质记录。当我们处于这个四维动态系统中，理解地质记录的本质时，许多经典地层学的理论和概念将给予修正。三、生物筑积作用提出把生物筑积作用作为构筑岩石地层的基本形式是由于以下三个方面的原因。首先现代沉积环境以及全新世沉积的研究，已经证明现代大陆架多数碳酸盐物质基本上为有机成因。它们或者直接就是骸骨物质，或者是生物活动间接沉积的副产物。其次是所有这些有机成因的碳酸盐堆积，特别是那些与生物礁有关的碳酸盐沉积，筑积作用主要受生物生长时的生物的、物理的因素所制约，而非单纯的机械作用，并以此区别于纵向堆积作用和侧向堆积作用的概念。最后由于生命物质向上增生的结果，可以导致形成矗立于盆地之上具有巨大厚度和陡倾边缘斜坡的生物礁和碳酸盐台地。由此而形成的地层体有相当一部分亦非板状。如果从生物筑积作用的本质理解现代和古代的碳酸盐沉积，符合牛顿力学模式的那些传统地层学原理将受到极大地限制。生物筑积作用最典型的实例是生物礁，类似的例子可见于我国南海地区，在南海北部大陆坡台阶上，主要发育东沙台阶，西沙台阶等几个中新世隆起的大陆坡台阶。由于第四纪以来的持续下沉，生物礁就直接发育在这些台阶之上，如发育在西沙台阶上的礁是蝴蝶礁，礁体发生于水深1000多米的台阶面上，向上矗立着近10座巨大的礁体，堆积厚度1000多米，类似的珊瑚礁在中沙台阶上发育更广。以中沙大环礁为代表，它是南沙诸岛中最大的环礁，呈长椭圆形，顶部水深多数在1226m之间，礁体厚度估计与西沙近似，其地形除东北边缘NW-SE局部边坡较缓外，其余边坡都较陡，图（2-7）为NW-SE向横切中沙大环礁的地形剖面。（据黄金森1982）显示出游生物筑积作用所构筑的与盆地具有巨大相对高差和陡峭边缘的大型碳酸盐块体。在生物筑积作用过程中，生命物质提供了两方面的钙质来源，首先是原地生长的生物体本身，它们常常构成骨架，在碳酸盐沉积体中，特别是生物礁中，格架在碳酸盐沉积物总量中虽然只占相当少的一部分，平均含量为30%或者更少（郎曼，1978），但它们在构筑礁体的过程中却始终处于主导地位。其次藻类的分解和生物肌体的破碎亦可产生大量的灰泥和沙屑来源，在台地和环礁中这些灰沙占有绝大部分的碳酸盐总量，不过这些灰沙中只有在有格架阻隔的条件下才能参与造礁。虽然决定礁体及台地能否形成的因素是复杂的，有各种生物和物理因素。如果我们仅就在一个适宜造礁生物生长的环境里，控制礁体生长的主要因素就是基底的沉降海平面的升降和底形等因素。由于海平面升降或区域性地带升降引起的海平面变化是控制礁体形态的主要因素，郎曼（1978）详细论述了相对海平面升降与稳定和礁体生长的关系。（图2-8）显示在海平面相对稳定时期，礁体侧向增生，形成层状生物岩和碎屑灰岩，在礁体生长速度与海平面上平衡时礁体则垂直增生，构成几个垂直增生的岩石地层体。虽算以上讨论是以南海地区的环礁为实例，其实它也与大多数具有礁边缘的碳酸盐台地的构筑基本相似。据此将生物筑积作用归纳为以下几点：生物向上增长的沉积面一般是向上凸起的曲面。生命物是以向上辐射增生的方式堆积在向上凸起的曲面上。通过生物的辐射增生和海洋的机械破坏作用，产生向上升起的筑积体，其形态并非一定为板状。既然第三纪以来的绝大多数碳酸盐岩都是生物成因的，可以认为显生宙以来的古碳酸盐地层中亦应当存在由生物筑积作用所构筑的地质体。在古代碳酸盐地层中，应用千层糕式的地层学模型势必导致对地层序列的建立和地层对比理解的错误。甘肃成县以北的泥盆纪地层层序和岩石地层对比将是一个耐人寻味的实例。这里的泥盆纪地层，前人称之为西汉水群，是一个受毕家山大型障壁礁控制而构筑的大型复礁体系。由于濒临古陆区，这里礁后区不发育碳酸盐台地，而以陆源碎屑沉积为主。在60年代开展1/20万区域地质调查时，虽然已经发现这些不同的岩石地层体在横向对比上的复杂性，但由于受到统一地层划分思想的束缚，在最后成图阶段还是按岩性段序号把不同地区的同期沉积人为地叠置在一起。这个人为叠置的地层层序一直影响到80年代初对本区铅锌矿的成矿地质背景的分析，80年代中期受地矿部秦巴地区重大基础研究课题资助，对该地区开展了大陆边缘沉积地层及岩相古地理为主体的沉积地层研究，在该区发现了毕家山大型障壁礁，才产生了如图（2-9）的地层层序和对比模式，并得出在礁后泻湖区控矿的新认识。在爱尔兰，沃尔索特型丘（Waulsortion-Type）提供了一个缺乏水流冲刷和簸选，表明可能是在深陆架低能环境中形成的生物丘的实例。威尔逊（1975）称之为“等向”的沃尔索特丘，生物丘趋向于出现在陆棚边缘以下与盆地之间的地带，其规模有时可高达100以上。丘的核心由泥晶灰岩组成，具有数量不定的洞穴充填物和新生变形的碳酸盐亮晶，通常显示一个从含有稀少窗格苔藓虫类富泥质相到含密集集成网的窗格苔藓虫类富亮晶相的完整序列。主要能识别的骸骨成分是窗格苔藓虫，还有分散杂各处的海百合和其他无脊椎生物碎屑。丘内沉积物的堆积表面以高达50的坡度倾斜，整个岩丘是向上大致等大的，没有明显的生长方向。显示它是具有典型的辐射增生长方式的生物筑积体。（图2-10）四、对几个地层学基本原理的反思在当前的地层学实践中，地层叠覆原理、原始水平性原理、原始连续性原理、动物群顺序原理、穿时的普遍性原理、切穿关系原理、包含物原理、现实主义原理、瓦尔特原理等中的大多数都在19世纪甚至更早以前就已形成，Weimer (1978)认为可以把这些原理分为两类。一类基本上与地层工作中的观察阶段有关另一类与理论阶段有关。这里指的反思的主要是那些与地层学理论有关的原理，其原因首先是在这些基本原理的指导下，地层学已经发展了近二百多年，其导致当前地层学发展缓慢的主要思想障碍可能正是来自于我们对这些原理的理解和崇拜，只要回顾一下产生这些原理的历史背景，那些地质学先驱们说出的时代，人类对大自然认识的程度，就可以得出今天提出修订地层学的某些基本原理是多么自然。一般地说，水平性原理，原始连续性原理和叠覆作用原理，是建立在以纵向加积作用为地产记录的本质之上的。如果应用横向加积作用和生物筑积作用于地层学实践，它们将部分地或直接地与上述原理相矛盾。此外瓦尔特定律亦受到第三纪以来生物筑积作用为主的碳酸盐沉积的冲击，表1显示在不同堆积作用形势下，对几个主要基本原理应用的修订。应当指出，表中所列的岩石单位与地层学原理的关系仅仅只涉及应用方面，只是对应用上述原理的同行们作出我们的建议，而对于上述原理的深入讨论和具体的修订，已经远远超出了本书的宗旨，亦非我们现有的知识水平所能达到，它实在还有待于地质学实践的再探索。第三章 地层的沉积构造沉积构造是沉积岩中最常见、最直观的特征之一。它不仅是解释沉积相和沉积环境的重要标志，也是描述岩石地层结构的重要内容。准确和详实地描述和图示地层的沉积构造极其变化，可以使一个已经确立的岩石地层单位含义更为确指，更易于在野外被识别。大量资料已经证实，具有相同岩石内容的岩层完全可以形成于极其不同的沉积环境，如同样是深灰色、灰绿色的杂砂岩，它既可出现在河流或湖泊沉积环境中，也可以出现于海洋重力流沉积物之中，同样是薄层状灰岩，既可出现在海洋深处，也可以见于平静的浅海相碳酸盐沉积之中。因此在岩石地层描述中，简单的大岩性的描述方式已经不足以把上述岩石内容相近而形成条件差异明显的地层区分开，更重要的是这些不同条件下的沉积地层成矿背景差别极大。因此从当前沉积地层研究发展的总趋势出发，不论是难度日益加深的地质找矿工作的需要，还是沉积岩石学、沉积学、区域地质学及地层学本身的学科发展，都将要求把地层的沉积构造及其演变序列作为岩石地层描述的基本的必不可少的内容。所谓沉积构造，是指沉积物从发生沉积作用开始到成岩作用完成之前，由于物理作用、化学作用和生物作用在沉积物表面或沉积物内部形成的构造，它是沉积颗粒排列的方式。根据沉积构造形成的时间可分为：原生沉积构造-沉积作用过程中形成的沉积构造，如波痕、层理等。准同生沉积构造-沉积物沉积之后到固结之前形成的沉积构造，如负载构造、旋卷层理等。次生沉积构造，指沉积期后由于压实作用，成岩作用形成的沉积构造，如缝合线构造、结核构造、鸟眼构造等。根据沉积构造的形成作用可以分为物理成因、化学成因和生物成因的沉积构造，其中每一类别可依其形态和成因作进一步划分（如表3.1）地层沉积构造的研究内容主要包括沉积构造的形态特征和成因特征两个方面。记录和描述沉积构造的几何形态、内部结构是研究沉积构造的基础工作。它既可以帮助解释沉积构造的形成作用和形成环境，也可以帮助识别和确定地层结构。分割基本岩石地层单元，同时可以进行地层的成因分析。作为岩石地层描述的基本内容之一，本书将只侧重于沉积构造的形态特征。现简述如下：一、暴露构造暴露构造是指当沉积物间歇性暴露于大气中在沉积物表面形成的沉积构造。当暴露于大气中的沉积物受到阳光暴晒和雨、雪、冰雹的作用时，即可在沉积物表面形成各种特征性的构造痕迹。暴露构造主要包括干裂、雨痕、冰雹痕等。1. 干裂 当潮湿沉积物表面暴露于大气中时，在阳光暴晒下可使其干涸、收缩而裂开形成裂缝。这种裂缝即称干裂（又叫泥裂或龟裂）。干裂裂缝宽度从几毫米到几厘米不等，直或弯曲形，常呈三分叉，彼此交切，把层面切割成多边形。剖面形态多呈V形或U形，深度几毫米到几十厘米，最深可达1m左右。缝壁陡而平滑，常为沉积物填充，在上覆岩层的底面可保持为干裂铸型。与干裂相似的沉积构造有水下收缩裂纹和假干裂。前者宽度窄，纵断面上不呈V形，后者裂纹多不连续，并且不呈网状，纵断面上也不呈V形，有时呈倾斜状。2. 雨痕和冰雹痕 雨痕系指雨滴降落在松软的沉积物表面时形成的小冲击坑。雨痕多呈圆形和椭圆形凹坑。坑缘略高于表面，看起来有点粗糙。雨痕形态和雨滴降落方向有关。雨滴垂直降落时，雨痕呈圆形，如倾斜降落时则呈椭圆形，且坑深度最大处在一侧，坑缘一侧高一侧低。在多雨情况下，雨痕不规则，部分连通，使沉积层表面呈蜂窝状。并在上覆沉积物底面，常形成突出于底面的雨痕铸型。冰雹痕是指冰雹打在沉积物表面而形成的凹坑，冰雹痕比雨痕大而且深，形态更不规则，坑缘高而且更粗糙。 二 流动构造流动构造是指沉淀物在流体介质流动作用下形成的沉积构造，可分开为层面构造和层理两大类。1层面构造 指分布在沉积物表面的流动构造，主要代表波痕，细流痕，剥离闲理，皱痕，冲刷痕，刻压痕等。1 波痕 波痕系指非粘性沉积物在流水，波浪，或风的作用下形成的波状起伏的表面痕迹。 一个波痕的突起部分称为波脊，相邻的两波脊之间称为波谷，在自然界波痕常成组出现，称为波列，波列中的波脊一般是相互平行的，根据波痕的形成动力作用类型，和方式可将其分为水流波痕，浪成波痕，孤立波痕，干涉波痕，改造波痕和风成波痕。（L=30-100cm）。根据波脊的形态可以划分为直脊波痕，波曲形波脊，链形波脊，新月形波脊，舌形波脊和菱形波脊，波痕脊的形态和水流速度及水深有关，随着流速的增大，水深减小，波脊由直脊形依次变化为波曲形，链形，新月形，舌形和菱形。 逆行沙丘与上述流水波痕，它是在急流条件下形成的。其特征是沉积物表面波痕与水面波的相位相同，其形态近于对称，一般见于粗砂岩中。 浪成波痕是指波浪作用于非粘性沉积物表面形成的波痕构造，浪成波痕可以分为对称浪成波痕和不对称浪成波痕两种。 孤立波痕是水流或者波浪作用于砂质供应不足的非砂质表面形成的不连续波痕，它常呈鼓励状，平底上凸，呈透镜体形式出现在泥质层表面，在剖面上则呈透镜状层理。干涉波痕是不同方向的水流或者波浪同时或者近同时联合作用于砂质岩沉积物表面形成的波痕，其形态因不同方向的水流或波痕的强度，方向不同而变化，可以呈叠瓦状，鱼鳞状，网格状，串珠状，梯格状等。改造波痕也叫变形波痕，指由于水位下降，先成的波痕受水流或波浪等作用改造发生形态变化，而形成的波痕，如水位下降后在先形成的大波痕波脊上形成的两个小波痕，称之为双脊波痕，先成的波脊背冲蚀或冲刷，就形成圆顶波痕或平顶波痕，另外在先成大波痕上形成一系列小波痕则成为叠加波痕。风成波痕是指风作用于非粘性沉积物表面形成的波痕，风成波痕多为直脊形，波脊平行，少数分叉，多为不对称状。2细流痕 细流痕是细小水流在沉积物表面流动侵蚀形成的痕迹，她由不同形状的微细沟槽组成，具复杂的形态，有齿状，梳状，穗状，圆锥状，树枝状，蛇曲状，网状，等细流痕是指沉积物间歇暴露的标志，常见于潮坪，海滩，河岸，湖岸等环境中。3剥离线理 又叫原生水流线理，是出现在砂岩层面上，由微细的沟脊，平行交替排列所形成的线理，由于在砂岩层剖开面上看的更清楚，故称为剥离理线。剥离理线的线状沟，和脊平行于水流方向，其高差有几个沙粒直径那么高，一般长20-30cm，间距几毫米到1厘米，脊之间为与脊平行的小沟，剥离线理可以分为，平面剥离线理和阶状剥离线理，1.平面剥离线理：剥离面在同一层面上，线理表现为大致平行的现状低脊和浅沟，2. 阶状剥离线理,剥离面切过若干相邻的纹层，不同层面上的线状背脊呈大致平行的阶梯状。4皱痕 皱痕是一种细小，不规则，波痕装表痕，形态类似于皱纹，皱痕多出现在泥质沉积物表面，由0.5-1mm高，几毫米长的小脊组成，这些脊可以平行排布，液可以呈弯曲或者蜂窝状，皱痕是在泥质沉积物表面有薄水膜覆盖，受劲风吹动时形成的是沉积物间隙性暴露的良好标志。5冲刷痕和冲淤构造 冲刷痕是水流在泥质沉积物表面冲蚀形成的痕迹，通常以其上覆傻岩底面形成的铸形保存，最常见的冲刷铸形是槽铸形。槽痕是流水在泥质沉积物表面冲刷蚀形成的长形小凹坑，槽痕长几到十几厘米，深度可达几厘米，一端陡深而另一端逐渐变宽变浅，直至和沉积物表面齐平，当槽痕被冲填，则在上覆岩层底面，形成槽铸状，槽铸型形态大小和槽痕形态大小一致，常见圆锥形，舌形，球根形，及长对称性，可单个出现，但多成群出现排列成雁形式，平行式或之字形等。当流水作用于未固结的沉积物表面时，可以冲蚀出一些浅凹坑，这些凹坑通常为不对称的，上游坡陡而下游坡缓，当流水速度减小时，这些凹坑重新被稍粗于下下伏层的沉积物充填，这种冲刷充填构造就是冲淤构造，冲淤构造一般大小为几厘米到几米，几个冲淤构造排成一行，平行与水流方向。冲淤构造底部多为倾斜纹层，上部纹层呈水平状。6压刻痕 又叫工具痕，是流水携带的沉积物在松软的沉积物表面上运动时所刻蚀或刻划出来的痕迹，这些压刻痕被沉积物充填后则在上覆岩层底面保存为铸型，压刻痕的进一步划分，是根据物体的运动方式进行的，根据其运动和在沉积物表面的作用分为沟痕，V形痕，戳痕，弹跳痕，刷痕，跳跃痕，滚动痕，大型滑动痕等。沟痕是流水携带的物体沿松软沉积物表面连续运动时刻划出来的直而长的小沟，这种小沟深几毫米到1cm，宽度从小于1mm到几十厘米，延伸几厘米甚至几米长，它的铸形则呈直而长的小脊。V形痕是一条有尖端指向下游的一系列V形凹坑连续排列而成的直沟，如果水流携带的物体恰好在沉积物表面上运动又不接触表面时，物体背后产生的涡流将对粘性的泥沙质沉积物表面施加向前的吸力，使表面褶皱出V形花纹，从而产生V形痕，V形痕的铸形为一系列套叠的V形小脊组成的一条直脊，V形的尖端指向下游方向。戳痕为运动物体以较大角度戳向沉积物表面，随后离去而留下的不对称的雏形到三角形的凹坑，凹坑上游端浅而尖，下游端深而宽，戳痕的铸形为尖端指向上游的雏形凸起，出现在上覆砂岩层的底面上。刷痕与戳痕成因接近，但刷痕为运动的物体以很低的角度擦过沉积物表面时，形成的长而浅的凹坑，其下端发育有圆滑的弯曲形泥脊，刷铸形为长而宽的低凸起，其下游端有两条圆滑的弯曲形小脊，向下游方向突出。弹跳痕为水流携带的物体以相当低角度接触沉积物表面并立即弹回水流中，形成的两端尖儿平，大致对称的浅凹坑，其长轴方向和水流方向平行。（18岩） 跳跃痕为水流携带的物体在沉积物表面滚动时留下的痕迹，如果运动的物体不规则，滚动痕就呈一条深浅不一，形状不规则的断续沟，其铸形为一条起伏不平的不规则脊，规则的物体（如菊石）在沉积物表面滚动时，就可能产生规则的轮形和环形的滚动痕。 大型滚动痕是指较大的物体在水流的推动下沉积物表面滑动时产生的长形凹槽，其宽度和深度均比沟痕大，铸体为直，长而宽的凸起。（二）层理构造 层理是沉积地层最重要的特征之一，他是在成层沉积过程中，由沉积物的成分，颜色，粒度排列方式在与沉积表面垂直的方向上的变化显示出的沉积构造。 层理的描述性术语如图3.5所示，有纹层，单层等纹层又称细层，是组成层理的最小宏观单位，其上下为纹层面限制，纹层内成分结构均一，或略有变化，是在教衡定的物理条件下形成的，纹层反映沉积颗粒原始堆积方向，纹层的厚度多为毫米级，有时也可达数厘米，纹层可成直线型，简单弯曲形，S型，和复杂弯曲形等，纹层和层面可平行也可斜交，既可以锐角相交也可以切线相交。 单层液叫层系，是组成层的基本单位，单层由一系列同方向，同性质的的纹层组成，反映形成在一个基本衡定的物理条件下单层与单层之间为层面分开，层面代表无沉积的间断面或冲刷面或侵蚀面单层厚度从几毫米到数米不等。层组又叫层系组，是由两个或者两个以上的成因上有联系，性质相似的或不同的单层叠置而成，相邻层组之间为层组面分割，层组面代表一个重要的沉积阶段，或侵蚀界面，反映介质的动力条件发生了质的变化。根据层理的物质组成，内部结构，纹层和单层的形态及成因可将层理划分为以下类型（表3.3）1交错层理 交错层理是与层面斜交的一系列内部纹层（或前积纹层），组成的沉积单层，交错层单层之间由层面分割，一个交错层单层的厚度由几毫米到几米不等，交错层的分类，有形态分类和成因分类，在岩石地层描述中，只侧重于记录交错层的形态，而不涉及原因，根据交错层单元（层系）之间界面特征可将其分为平面状和曲面状两大类，再根据界面平行或斜交还可以细分为：板状交错层理的层系面为平面状且相互平行，层系呈板状，在平行古水流的切面上，内部纹层和层系面斜交，而在垂直与古水流方向的切面上，纹层和层系面平行。楔状交错层理的层系面为斜交的平面，因此层系呈楔状，在平行与古水流方向上纹层和层系面斜交，而在垂直于水流方向上纹层和层系面平行。波状交错层理的层系面为，大致平行的波曲面，偶见层系面相交，在平行古水的方向上，纹层和波曲状的层系面斜交，在垂直于古水的方向上，纹层和波曲状的层系面，平行或低角度相交。槽状交错层理的层系面为下凹且相交的曲面，在平行古水方向上，层系面呈向下弯曲的平缓弧状，纹层与之相交，在垂直水流方向上，层系面为明显下凹的槽状，纹层与层系面大致平行，羽状交错层理，是交错层理的一种特殊类型，其相邻的两个层系的纹层倾向相反，相邻两个层系之间的层系面明显，有时为以泥质薄层，这种层理是在双向水流下形成的。2爬升波痕层理（上攀波痕层理） 爬升波痕层理是指在砂质沉积物中形成的一系列向前迁移相互叠置的波痕纹理。爬升波痕层理根据波痕纹层的迁移情况可分为同相位的爬升层理和迁移的爬升波痕层理。3平行层理 平行层理是相互平行的，水平或近水平的粗粒纹层叠置的层理，它的特点是组分颗粒粗，主要在砂岩和沙砾岩中，沿层面易剥开，剥开面上可见剥离线理。4水平纹理 水平纹理出现在细粒沉积物（粉砂，泥土）中，纹理由颜色，粒度，重矿物等不同而显示出来，呈水平状，连续或不连续，厚度一般为几毫米。5块状层理合均质层理块状层理合均质层理是指用肉眼甚至仪器也不能辨认出纹理的匀质层，块状层理是指未经分选的粗粒沉积物，快速堆积而成的匀质层理均质层理是在静水条件下由成分单一的细粒沉积物快速堆积而成，或由生物扰动破坏原生层理而成的。6递变层理 也称为粒序层理，它是以颗粒的粒度递变为特征的沉积单位，而且层面基本相互平行，没有交切现象，递变层除了粒度递变外，一般无任何内部纹理，其底部多与下伏地层突变接触，递变层的厚度从几毫米到几十厘米不等，个别可达1m以上。递变层内沉积颗粒的递变有两种类型，一是粒序递变，颗粒向上变细，下部不含细粒物质，这种递变层是由于牵引流的水流速度减少，搬运能力降低而成的，如河流沉积，二是粗尾递变，细粒物质从底部到顶部均有分布，即细颗粒作为基质，粗颗粒自下而上逐渐减小，这种递变层是重力流作用形成的。根据粒度从下而上变化形式，递变层理可以分为正向递变层理和反向递变层理，正向递变层理的粒度从下向上逐渐变细，而反向递变层理的粒度从下相上逐渐变粗。7脉状层理 波状层理和透镜状层理，这三种层理在在成因上有密切的关系，经常共生一起构成复杂层理，它们形成在水动力条件强弱交替的情况，由砂泥，交互而成，脉状层理是泥质沉淀物，不连续分布在砂质波痕的波谷中，在波脊上变薄或消失，因此泥质沉积物呈脉状体分布在砂质沉积物中，泥质脉状有孤立状，分叉状，断续波状，和分叉波状等类型。透镜状层理是砂质沉积物呈孤立状透镜体保存在泥质沉积物中，透镜状层理是孤立波痕在层里面上的表现，其内部具波痕的前积纹层。波状层理是泥，砂交互形成波状联系层。8水平互层层理和韵律层理 水平互层是指水平或近水平的不同成分的沉积层交互组成的的层理，单层厚一般数厘米，互层可等厚或不等厚，既可以由砂泥层交互而成，也可有其他言性交互而成。韵律层理是由成分，结构或颜色等略有不同的，厚度一般小于5mm的纹层重复交互而成的层理，其实他可以被看做极薄的水平互层层理，韵律层层理的形成是由于沉积物才的产生和沉积发生规律重复的结果，潮汐层理，湖泊的季纹层，冰川纹泥，等均为韵律层理。 三 准同生变形构造准同生变形构造指的是沉积物沉积之后到固结以前由物理作用的影响发生变形而产生的构造，这种构造分布局限，局限于上下未变形层之间的一个层内，说明它形成于沉积物固结之前而不是成岩之后。准同生变形构造的分类间表3.4这里仅仅简绍几种常见的主要类型。1负载构造 负载构造是发育在覆于泥质层之上的砂岩层的底面构造，其特征是向下凸起的小丘状或不规则的瘤状凸起，排列杂乱无方向性，大小从几毫米到几十厘米不等。其与槽铸形的区别是负载构造形态不规则，无定向，排列杂乱，槽铸形太规则，大小均一，具定向性。2 球状构造和枕状构造 球状构造是指砂质层断开并陷入下伏泥质层中的一些排列精密或稀疏的球状或枕状体，其大小从几厘米到几米不等，彼此孤立或稍微连接，悬于泥质层之中，通常砂球或砂枕在砂质层的下部发育良好，向上逐级过渡为未受干扰的正常岩层，其下伏泥质层往往发生变形，围绕砂球和砂枕层弯曲，或者呈舌状体向上挤入砂球或砂枕之间，砂球或砂枕可以没有内部构造，也可有纹层或发生变形，球枕的纹层随其外形向下弯曲。3 滑塌构造 滑踏构造是以沉淀但未完全固结的沉积物在重力作用下沿原始斜坡发生滑动，滑踏和位移而产生才变形构造，滑塌构造可以包括简单的重力滑移，也可以破碎形成成分复杂，大小混杂的滑塌角砾，还可以形成复杂的滑塌揉皱，和重力断层，。滑塌揉皱和后生的构造褶皱不同，它仅限于一定的岩层中，上下岩层产状稳定滑塌构造大小可以十几厘米到几十米不等，分布范围也可以从几米到几公里以致更远。4 旋卷层理 是指为变形层之间的一个沉积层内的纹层具明显盘回褶曲或复杂揉皱的一种构造，其褶曲以宽想斜窄倍斜为特征，和滑塌构造不同，旋卷层理的纹层虽然强烈揉皱，但内部纹层连续无断层，滑动和角砾化现象。5碟化构造 为凹而向上形似碟状的纹层，碟状提的直径为1-50cm边缘上翘，侧向断续分布并在垂向上相互叠置。一般认为蝶状构造是由于沉积物在沉寂或固结时，与超孔隙压力引起的空孔水向上流动有关，因此又叫泄水构造，在碟状构造发育的岩层中海常见直立的泄水管。四 化学成因的沉积构造是指沉积期或沉积期后结晶，溶解，沉淀等化学作用在沉积物表面，或内部形成的沉积构造，这里主要介绍几种常见的类型。1晶体印痕和假晶， 晶体印痕是指先成的矿物晶体在松软的沉积物表面留下的具有晶体形态的印痕，常见的晶体印痕为为石盐，石膏等晶体形成的印痕，当这些晶体印痕被沉积物充填就形成晶体的铸形，即假晶，石盐假晶呈正方体状，有的还保存了石盐晶体上漏斗形阶梯状凹陷，石膏假晶多呈斜状，分散状保存在，白云岩等沉积物中。2 鸟眼构造 是在白云岩或灰岩中意单个或成群出现的，几毫米大小的不规则孔隙，常被亮晶方解石或者石膏充填，其可顺层排列，也可与层面垂直或斜交，密级分布，因此有人称之为网格状，窗格状或塞状，构造，因鸟眼充填物为浅色，而周围沉积物为暗色，也有人称之为雪花状构造。3 缝合线构造 多见与碳酸盐中，是压溶作用形成的锯齿状裂缝，缝合线形态如图所示，具各种复杂的形态，根据缝合线和层面的关系可分为水平缝合线，倾斜缝合线，垂直缝合线，和网状缝合线等。4结核 结核是指成分，颜色，结构等和围岩有明显差别的团块状集合体，结核成分有硅质，钙质，磷酸盐质，锰质，铁质等个体直径由几毫米到几十厘米，乃至数米，外形呈球状，椭球状，扁豆状，不规则瘤状等，结核内部均一或不均一，有同心状，放射状，方格状，花苞状等结核可单个出现，也可成层状，串珠状，和不规则状分布，根据成因可分为同沉积结核，成岩结核和后生结核三类，同沉积结核在沉积阶段形成，结核不穿过围岩层理，层理绕过结核，成岩结核形成于成岩期，结核和围岩界限不明显，长呈过渡关系，部分切割围岩层理，结核上方的围岩层理弯曲，后生结核为后生阶段形成的，结核多产生于裂隙中，与层面附近，并明显切穿围岩层理，围岩层理液没有弯曲现象。 五 生物成因的沉积构造 生物成因的沉积构造是由于生物活动或生长咋沉积物表面或内部留下的各种痕迹，最常见的有生物遗迹，生物扰动构造，和植物根痕。1 生物遗迹构造 指的是生物活动期间因居住，运动，或觅食等功能行为而在沉积物表面和内部遗留下来的具有一定形态的生物活动痕迹，又称遗迹化石，是指示沉积环境的良好标志，现仅将常见的几种类型简介如下：足迹：主要指四足动物早沉积物表面行走时留下的痕迹，如鸟类足迹，恐龙足迹等，如足迹成行排列，并具有方向性，则可称作行迹。爬迹：指无脊椎动物在沉积物表面爬行时以身体腹侧，节肢瘤足等在沉积物表面蠕动形成的痕迹。停息迹：指动物停息，躺卧，或伺机捕捉其他动物在沉积物表面停留时留下的痕迹，潜穴：指动物在松散的沉积物内部居住或觅食形成的孔穴，又叫虫孔，潜穴动物可将潜穴的沉积物或自身的排泄物推出洞口，在潜穴口周围形成小圆丘，根据潜穴形态可分为简单的直管形，U形，Y形，水平潜穴，和复杂的潜穴系统。钻孔：是生物为居住，防护，觅食，在坚硬物表面，所钻出的孔洞，如生物介壳，木头，砾石，或岩基上的孔洞。2 生物扰动构造 指生物在沉积物表面或内部活动时扰动沉积物，使其原生沉积构造遭受不同程度的破坏或交行而产生的生物成因构造，广义的生物扰动构造包括遗迹化石，狭义的生物扰动构造指的是不定性的其特征是原生层理受扰动或消失，岩石均匀，或呈斑块状，根据生物扰动的斑块多少可以区分扰动强度。3 生物成长构造 是指涩