外力地质作用与沉积岩

1、第五章外力地质作用与沉积岩教学目的与要求与地球的内动力恰恰相反，外动力地质作用使得地区的外表趋于平坦，所涉及的主要过程即大气圈、水圈、岩石圈的相互作用，风化、剥蚀、搬运迁移是碎屑沉积物和化学溶解物 质形成的必备条件，它们为地表分布最广的岩石一沉积岩的出现奠定了重要的物质根底。本章主要讲解风化作用类型及特征物理、化学风化作用，风化壳与土壤，剥蚀作用地面流水、海水的剥蚀作用，地下水、冰川、风的侵蚀作用简介；搬运作用河流、海洋搬运作用，地下水、冰川、风的搬运作用简介；沉积作用河流、海洋的沉积作用，其它沉积作用；成岩作用压实作用、胶结作用、重结晶作用；沉积岩的一般特征与分类矿物成分特征、主要结构、构造

2、、颜色、分类。重点：要求理解外动力地质作用分类及内涵，沉积岩形成过程，主要沉积岩的特征。难点：要求理解外动力地质作用分类及内涵，沉积岩形成过程，主要沉积岩的特征。沉积岩占地表岩石的 75%，占地壳岩石总体积的 7.9%。是地壳表层最常见岩石，其中 赋存有煤、石油、天然气以及其它许多金属及非金属矿产，具有重要的经济价值。沉积岩的形成与外力地质作用密切相关 。第一节外力地质作用的一般特征一、 引起外力地质作用的因素外因1. 大气：大气圈下部的组成物质即空气，它是氮、氧、C02、微量气体的混合物。大气环流：低纬度地带温度高而密度小的气团上升并向高纬度地带运动，而低纬度地带温度低而密度大的气团下降并沿

3、着地面向低纬度方向运动，从而形成全球性的大气循环。科里奥利效应：地球上一切物体的运动包括水、空气，都会受到地球自转的影响而发生偏转，其偏转方向在北半球向右，在南半球向左。大气圈具有的重要地质意义：第一，大气中的成分是许多地质作用得以发生的物质因素。如02-氧化作用，生命存在的条件；C02-植物制造有机质、参与生物成岩，参与化学反响等。第二，大气圈是生命 的保护层。第三，由于大气圈的存在，地球外表才具有适宜的温度。第四，风的作用。2水：大量的水以液体和固体状态存在。水是一种溶剂。水是一种营力。水是构成生命 的物质。3生物：生物是形成有机矿产和岩石的物质。生物的生命活动对岩石起着破坏作用。动 物是

4、一种营力。植物通过光合作用改变大气成分。二、引起外力地质作用的能源太阳热能是地球外部能量的来源，使地表温暖，并引起大气、水及生命运动。重力能来源于地球的引力。引力能来源于太阳与月球对地球的引力潮汐。三、外力地质作用的类型同种因素可引起多种形式的地质作用，多种困素综合那么更复杂。1风化作用是指地表或接近地表的坚硬岩石、矿物与大气、水及生物接触过程中产生物理、化学变化而在原地形成松散堆积物的全过程。根据风化作用的因素和性质可将其分为三种类型：物理风化作用、化学风化作用、生物风化作用。1物理风化作用是指地表和靠近地表岩石因温度变化等在原地发生机械破坏而不改 变化学成分、不形成新矿物的作用。 这种作用

5、又称机械风化作用。物理风化作用的方式主要有温差风化、冰冻风化、层裂等。(a )图5.1温度变化引起岩石缩胀不均而崩解过程示意图2化学风化作用是指地表和接近地表的岩石因与水溶液、气体等发生化学反响而在原地不仅改变其物理状态，而且也可改变其化学成分、发生化学分解，并可形成新矿物的作用。水是引起化学风化作用的重要因素，特别是在水中溶有.CO?、。2等气体成分，其作用便更加显著。化学风化作用主要有以下方式： 溶解作用：水在自然界中普遍存在，水与岩石相遇，即与其中的矿物发生溶解作用。 矿物溶解的难易主要决定于矿物的溶解度。 水化作用：又称水合作用，即物质与水相结合的作用。如矿物与水作用，水可以直接参加到

6、某些矿物中去，形成结晶水，产生新的含水矿物，例如硬石膏CaSO 4变成石膏CaSO 4?2出0、赤铁矿Fe 2O3变成褐铁矿.FeOOH ?nH2O等。 水解作用：即矿物与水相遇，引起矿物分解并形成新矿物的作用。 氧化作用：在大气和水中含有大量游离氧，大气中氧占21%，溶于水的气体中氧占33 35%。岩石中矿物在氧的作用下，使其中低价元素变为高价元素，低价化合物变为高价化合物，这种作用称氧化作用。3生物风化作用：由于生物作用使岩石在原地发生破坏，叫生物风化作用。 生物的物理风化作用如穴居地下的蚯蚓、蚂蚁、鼹鼠、黄鼠、田鼠等，经常挖洞钻土，破坏土层。所谓“蝼蚁之穴可溃千里之堤，也说明其破坏力量之

7、大。 生物的化学风化作用如各种藻类、苔藓、地衣等在生长过程中，经常分泌有机酸、碳酸、硝酸等，分解岩石，吸取营养。特别是微生物的生物化学风化作用更为强烈，有人统计 微生物对岩石的总分解力大大超过动植物的总分解力。各种风化作用的相互关系上述物理的、化学的、生物的风化作用， 实际上并不是孤立进行的，而是一个互相联系互相影响的统一过程。物理风化使岩石逐渐崩裂破碎，产生、扩大和加深岩石裂隙，并增大岩石的外表积，有利于水溶液、气体和生物渗进岩石中，为化学风化提供了有利条件，从而加速风化的进程，扩大风化范围；反过来，由于岩石的化学分解， 一方面使岩石变得松软，降低抵抗机械破坏的能力，一方面因有些矿物经水化作

8、用变为含水 矿物，体积膨胀，产生很大的压力，这些都为物理风化提供了有利条件。影响风化作用的因素风化作用的程度、速度和深度决定于岩石的性质和外界条件。1岩石性质岩石的性质是风化作用的内因，在相同地理条件下因岩性不同，其风化 结果也不同。2气候条件气候状况对于风化作用的方式和速度影响很大。特别是气温和降水与风 化作用的关系尤为密切。2剥蚀作用岩石因机械作用或化学作用而被剥蚀。如河岸岩石被流水冲刷， 导致河岸后退溯源侵蚀；山顶被剥蚀而变矮准平原。剥蚀作用实际上包括风的吹蚀作用、流水的侵蚀作用、 地下水的潜蚀作用、 海水的海蚀作用和冰川的冰蚀作用等。 但从剥蚀作用的性质来看， 可以分为机械的剥蚀作用和

9、化学的剥 蚀作用两种方式。1机械的剥蚀作用指风、流水、冰川、海洋等对地表物质的机械破坏作用。2化学的剥蚀作用除去风、冰川等外，流水、地下水、湖泊、海洋等对岩石还进行 着以溶解等方式进行破坏的作用，称为溶蚀作用3.搬运作用是指地表和近地表的岩屑和溶解质等风化物被外营力搬往他处的过程，是自然界塑造地球外表的重要作用之一。外营力包括水流、波浪、潮汐流和海流、冰川、地下水、风和生物 作用等。在搬运过程中， 风化物的分选现象以风力搬运为最好，冰川搬运为最差。不同营力有不同的搬运方式。1机械搬运流水、风、冰川、海水等式机械搬运的主要营力。流水搬运：搬运能力的大小主要取决于流速。流速大的水流能挟带砂砾等较粗

10、的物质， 这些物质在河床底部以被推移或跃移的方式前进， 据测定被搬运的球状颗粒的重量与起动它 的水流流速的6次方成正比。图5.2碎屑的圆度级别据李尚宽，19821 棱角状；2次棱状；3次圆状；4 圆状；5浑圆状 风的搬运：与流水搬运有相似之处，具有推移、跃移、悬移3种搬运方式。一般说，被风吹扬的颗粒大小与风速成正比，风速越大，搬运的颗粒越粗，移动的距离越远。 冰川搬运：具有特殊的蠕移方式， 特点是能力大。随冰川的缓慢运动，大至万吨巨石, 小至土块砂粒，均可或被冻结在一起进行悬移， 或在冰底受到推移。 冰川泥石流可使一些风 化物产生跃移。 海水搬运2化学搬运-以化学方式破坏的产物是通过真溶液或胶

11、体溶液进行搬运。如石灰岩溶 于水之后，以Ca2+，HCO3-离子形式搬运；长石风化后形成粘土矿物、二氧化硅在水中呈胶体质点被搬运。(3) 生物搬运-生物吸取介质中的化学元素来营养自己，建造其骨骼，死亡后在一定的 地方堆积下来，也起着搬运作用。4沉积作用搬运物在条件适宜的地方发生沉积。如流水搬运物在河流转弯处、湖口或河口因流速减慢而沉积；风的搬运物因风力减弱或受阻拦而堆积。(1) 机械沉积-机械搬运物按机械方式沉积，受重力支配。重的物质搬运近且先沉积， 轻的搬运远而后沉积。(2) 化学沉积-化学搬运物沉淀作用受化学反响的规律支配。在真溶液中溶解度小的物 质搬运近且先沉淀，易溶物质后沉淀；水中胶体

12、质点的沉积是通过与电解质的中和作用或正、 负胶体中和作用，或水的蒸发作用等。(3) 生物沉积-生物有机体直接发生堆积。如钙质骨骼生物堆积，成为石灰岩；植物被 埋后转变成煤。(4) 生物化学沉积作用-生物作用与化学作用可以共同起作用而引起物质的沉积。如铁细菌吸收水中的铁而沉淀出铁矿。石灰岩(碳酸盐灰泥，原以为化学沉积，实有生物作用参与，也可能就是生物作用)。沉积作用的产物即沉积物，分别称为碎屑沉积物，化学沉积物，生物沉积物，生物化学沉积物。5.固结成岩作用松散沉积物转变为坚硬岩石的过程，称固结成岩作用。(1) 压实作用-上覆沉积物压力使孔隙变少、水份挤出、变硬。(2) 胶结作用-碎屑沉积物的粒间

13、孔隙之中有水溶液，它在成岩过程中会发生化学沉淀，这些物质使碎屑胶结变硬。这种化学沉淀物称为胶结物，如SiO2，Fe 2O3.nH20, CaC03等。粘土及细粉砂等细碎屑物也可起胶结作用，它们称为杂基，杂基是机械沉积的细粒局部。胶结物和杂基统称为填隙物。(3) 重结晶作用：非晶质或结晶微细的沉积物因环境的改变而重新结晶或晶粒长大、加 粗，从而使矿物紧密嵌合。主要发生于化学沉积物或生物化学沉积物中。(4) 新矿物的生长：沉积物中不稳定矿物溶解或发生化学变化，导致假设干化学成分重新 组合或结合成新矿物，从而使沉积物变硬。固结时间、固结程度差异很大，有的易固结(如温泉中沉淀的CaC03)，有的难(如

14、某些粘土，几千万年后仍呈塑性状态)。岩石固结成岩后，假设因构造运动露出地表，又进入新一轮的风化作用、剥蚀作用。第二节沉积岩的特征沉积岩是在地表条件下松散沉积物，经固结而成的岩石。具成层构造；含有古生物化石；矿物成分较简单，暗色矿物少；化学成分H2O，C02多，Fe2O3多于FeO。一、常见矿物有如下几类1. 石英，钾长石，钠长石，白云母。火成岩与沉积岩共有的矿物。具有适应温度变化 的能力且化学性质较稳定，在地表条件下就能够作为碎屑物稳定存在。2. 粘土矿物，方解石，白云石，石膏，硬石膏。沉积岩中相当普遍，但火成岩中难以 出现.地表条件下形成的特征性矿物。3赤铁矿，褐铁矿，玉髓，蛋白石、胶结物4

15、火成岩中常见的橄榄石，辉石，黑云母，角闪石，中性及基性斜长石在沉积岩中很少 出现。只能形成于高温条件下的矿物，在外力地质作用下常温，常压，不能生成，也难以抵抗外力地质作用的破坏而不能长期稳定存在。沉积岩常成层产出，故常用岩层 层状岩石一词。层状岩石泛称为岩层。二、沉积岩的结构沉积岩的结构是指沉积岩颗粒的性质、大小、形态及其相互关系。1. 碎屑结构岩石中的颗粒是机械沉积的碎屑物。碎屑结构具体包含三方面内容：碎屑颗粒本身的 特点碎屑大小、圆度、球度、形状和颗粒外表特征，填隙物的特点，以及碎屑颗粒与填隙物间的关系胶结类型或支撑类型。碎屑物可以是岩石碎屑岩屑、矿物碎屑如长石、石英、化石及碎片生物碎屑

16、以及火山喷发的固体产物火山碎屑等。填隙物包括杂基和胶结物两局部，碎屑较粗大，杂基、胶结物较细小，充填在碎屑之间。机械沉积：碎屑、杂基；化学沉积：胶结物 1按碎屑粒径大小可分为： 砾状结构粒径2mm砂状结构粒径2 0.05mm粉砂状结构 粒径0.05 0.005mm泥状结构粒径0.005mm2碎屑结构按颗粒形态划分：圆度：是指碎屑颗粒的棱角被磨蚀圆化的程度。它与颗粒的形状无关，只是棱角锋利程度的函数。一般将圆度分为四级。棱角状0：具锋利的棱角，棱线向内凹进。次棱角状1:棱角稍有磨蚀，但棱角仍清楚可见。次圆状2：棱角有明显的磨损，棱线略外凸。圆状3：棱角已经磨损消失，棱线外凸呈弧形。球度：是指碎屑

17、颗粒接近球体的程度。在其它条件相同的情况下，随着搬运距离的加长而球度和圆度均增高。形状：圆球体、扁圆体、椭球体、长扁圆体。颗粒外表特征：磨光面、毛玻璃化、沙漠漆、冰川擦痕、撞击痕等。3碎屑结构按分选性划分：?分选好一颗粒大小同一粒级 ?分选中等，由相邻粒级组合而成?分选差，颗粒大小跨粒级混杂2. 非碎屑结构颗粒由化学沉积作用或生物、生物化学沉积作用形成的结构。大多是晶质或隐晶质，或由生物体搭成骨架。三、沉积岩的构造沉积岩的构造是指沉积物沉积时，或沉积后，由于物理作用、化学作用及生物作用形成的各种构造。即岩石各组成局部的空间分布与排列形式。沉积物岩的构造又称沉积构造。通过对沉积构造的研究可分析沉

18、积岩的形成环境及其成岩作用过程。一沉积岩构造的分类：1物理成因构造：a. 流动成因构造层理构造、层面构造、侵蚀面构造等b. 同生变形构造重荷模构造、碟状构造、鸡笼铁丝网状构造等c. 暴露成因构造干裂、雨痕、冰雹痕、泡沫痕、流痕2. 化学成因构造：a结核 b.缝合 c.叠锥 d.晶体印痕3. 生物成因构造：a.生物生长构造b.叠层构造c.生物遗迹构造4. 复合成因构造：a.示底构造b.窗孔构造和鸟眼构造c.层状孔洞构造d.硬底构造二层理结构沉积物岩中不同的颜色、成分、结构、定向性等性质在垂向上显示的特征，称层理 结构。层理结构是沉积物岩成层性的表现，是沉积物岩最根本、最特征的构造类型。层理构造有

19、纹层又称细层、层系、层系组构成。纹层：是组成层理的最小单位， 纹层之内成分，结构均一，是在同一沉积条件下同时形 成的产物。层系：由许多在成分、结构、厚度和产状上相似的同类型的纹层组合而成。是相同条件下连续沉积的纹层的叠置。层系组：由假设干个相似的层系组成， 是相同条件下先后连续沉积的层系在垂向上的组合。1. 水平层理与波状层理在静水条件下形成的各纹层呈直线形、平行层面的层理，呈水平层理 当水体有波动时形成的纹层呈波状，并根本平行的层理，成波状层理。2. 斜层理和交错层理当水流或风沿一个固定方向流动或吹扬时，被水流风推动的砂砾沿地面呈波状运动，沙波形成较平缓的迎水风面和较陡的背水风面，迎水风面上

20、的砂砾不断地被带 到背水风面。在迎水风面上不发生堆积，只在背水风面处发生堆积。背水风 面位于水风流的前方，因此，在背水风面处发生的堆积，所形成的纹层，称为前积 纹层1由向一个方向倾斜，倾角变化不大的纹层组合而成的层理，称斜层理。代表了较 稳定的单向水流或风作用的结果。可用于分析水流或风方向。2 由倾向不同或倾角不同的纹层组合而成的层理，称交错层理。形成于水流或风 的方向有变化的环境。倾向相同、倾角不同的纹层组合而成的层理，是单向水流或风形成的交错层理。有 板状、楔状、槽状层理3由倾向相反的纹层交替组合而成的交错层理，称双向交错层理。形成于双向水流 或风的环境3. 平行层理在水动力很强的急水流条

21、件下，粗的砂粒在水中呈悬浮状态，当水动力略有下降时，粗 颗粒迅速下沉，所形成的各纹层呈平行层面的层理称平行层理。平行层理与水平层理的纹层均平行层面，不同处在于：水平层理是静水条件下的细粒泥于粉砂沉积；平行层理是急水流条件下的粗粒细砂以上沉积。4递变层理在动能特强的水流条件下， 粗大的砂砾和细粒的泥， 均在水中呈悬浮状态， 当水动能突 然下降时，碎屑颗粒在重力分选作用下迅速下沉， 所形成的碎屑粒径向上逐渐变细的层理称 递变层理5韵律层理在成分、结构与颜色方面不同的薄层作用有规律地重复出现而组成的层理。在以砂为主的寂静中有规律地重复夹有眉状的泥质细纹层的层理，称眉状层理。在砂、泥含量均等的沉积中薄

22、层砂与薄层泥有规律地重复交替层理，称砂泥交互层理。在以泥为主的沉积中有规律地重复夹有砂质透镜体的层理，称透镜状层理。三层面构造常见的层面构造有：波痕、干裂、雨痕、流痕、印模、缝合线等。1. 波痕在一定方向的水风流的作用下，在沉积物外表形成的波状起伏的印痕，称为波痕。在单向水风流的作用下形成的。迎流坡较缓，背流坡较陡的波痕，为不对称波痕。 可用于指示沉积物形成时水风流的方向。在来回运动的水流作用下形成的两坡坡角相等的波痕，为对称波痕。2干裂在海滨或湖滨的泥质沉积物，暴露水面后失水、变干形成的收缩裂隙，称干裂。3印痕沉积物顶面的盐类晶体， 或由水流冲刷形成的流痕，或雨痕，被上覆沉积物充填铸模或覆盖

23、后保存下来的痕迹。4缝合线岩石剖面中呈锯齿状起伏的曲线。发育于易溶蚀的石灰岩、白云岩及钙质砂岩。规模较大的缝合线是沉积作用短暂停顿或间断时在沉积物外表发生溶蚀作用形成的溶 沟、溶槽及石牙，后被同类沉积物充填覆盖而成。规模较小的缝合线是沉积物固结成岩过程中，在上覆沉积物的压力下， 酸性的地层水沿层面流动时发生溶蚀作用的结果四结核构造结核是沉积岩中某些成分局部富集而形成的团块。按成分有：钙质结核、硅质结核、铁质结核、磷结核和锰结核等。 按形成时间有：同生结核、成岩结核和后生结核。同生结核：在沉积过程中形成的结核，层理围绕结核。成岩结核：在固结成岩过程中形成的结核，结核切割层理，但结核顶底层理围绕结

24、核。后生结核：在固结成岩作用后形成的结核，结核切割层理。五生物扰动构造生物的生命活动对原生层理结构改造、破坏十分强烈，形成一种无一定形态的生物遗迹构造，称为生物扰动遗迹构造。六变形构造在沉积物沉积的同时或稍后，即在固结成岩之前发生变形所形成的构造。有负荷构造、 滑塌变形构造。粗粒的砂质沉积物覆盖于细粒的粉砂质或泥质沉积物上，下伏的细粒沉积物在重压下发生塑性变形，称负荷构造。第三节常见的沉积岩沉积岩按其成因及组成物的不同分为碎屑岩、化学岩和生物化学岩类及特殊沉积岩类。一、碎屑岩由机械沉积作用产生的碎屑沉积物所形成的岩石称碎屑岩。碎屑岩按组成岩石的 主要碎屑物的粒径及成分 进行分类命名，首先按粒径

25、大小分四类:砾岩与角砾岩粒径2mm的砾石占50%以上砂岩粒径2-0.05mm的砂粒占50%以上肉眼可明显分辨碎屑颗粒粉砂岩粒径0.05 0.005mm的粉粒占50%以上用放大镜才能分辩碎屑颗粒粘土岩粒径v 0.005mm的粘粒占50%以上用放大镜也不能分辨颗粒，需用显微镜及电子显微镜观察1砾岩与角砾岩以圆一次圆状砾石为主，称砾岩以棱角一次棱角状砾石为主，称角砾岩 再根据砾石的主要成分作进一步命名: 砾石主要是石英，称石英质砾角砾岩 砾石主要是石灰岩，称石灰岩质砾角砾岩 砾石主要是安山岩，称安山岩质砾角砾岩 砾石主要是辉绿岩，称辉绿岩质砾角砾岩 2砂岩 砂岩按其粒径大小做进一步分类: 粗粒岩：粒

26、径 2 0.5mm的粒径占50%以上中砂岩：粒径 0.5 0.25mm的砂粒占50%以上细砂岩：粒径 0.25 0.05mm的砂粒占50%以上再根据碎屑、胶结物及基质成分进行命名：细砂岩中碎屑以石英为主，长石次之，CaCO3胶结，称细粒钙质长石石英砂岩。粗砂岩中碎屑以岩屑为主，其次是长石，泥质胶结，称粗粒泥质长石岩屑砂岩。细砂岩中碎屑以长石为主，石英次之，硅质胶结，称细粒硅质石英长石砂岩。3粉砂岩粉砂岩为远源细粒沉积，都以碎屑成分石英为主量、少长石和其他成分， 进一步的命名着中考虑胶结物成分及颜色。CaCO3胶结，称钙质粉砂岩泥质胶结，称泥质粉砂岩SiO2胶结，称硅质粉砂岩不同的颜色可反映不同

27、的沉积环境：褐红色泥质粉砂岩m灰黄色钙质粉砂岩极浅水、强氧化 m 浅水、弱氧化灰绿色钙质粉砂岩m灰黑色硅质粉砂岩较浅水、弱氧化m较深水、强复原4粘土岩主要有粘土矿物组成。固结微弱者，称粘土；固结较好，但无层理者，称泥岩；固结好，且具良好层理者，称页岩。粘土岩中除粘土矿物外常混入粉砂、细砂及 CaC03、SiO2、Fe2O3 nH20、有机质等化 学与生物沉积物。粘土岩因混入物的不同而具有不同的颜色，因此，粘土岩以颜色和混入物的成分，作进一步的命名：棕红色泥岩、黄绿色钙质泥岩、黑色硅质页岩浅水、强氧化if弱氧化 一弱复原if深水、强复原二、化学岩和生物化学岩由化学沉积作用，产生的硅质Si02、钙

28、质CaCO3、白云质MgCO3、铝制Al 2O3 nH2O、铁质Fe2O3 nH2O、锰质MnO MnO? n出0、磷质P2O5 nH2O 等化学沉积物，形成的岩石，称为化学岩。化学岩按其 主要成分分类有：硅质岩、灰岩以 CaCO3为主白云岩、铝质岩、铁质 岩、锰质岩、磷质岩等。1. 硅质岩硅质岩的主要组成矿物是微粒石英、玉髓、少量蛋白石。主要鉴定特征是硬度大于小刀。主要产于较深水 一深水强复原环境强复原，因此，大多含有机质，故色呈灰黑色；呈结核状产出时，称硅质结核，又称燧石结核。在浅水氧化一弱复原环境中形成的含氧化铁的硅质岩，有时带红色色调，有时带黄色或绿色色调，称碧玉；当呈同心圆状构造时称为玛瑙。在溶洞、裂隙中形成的质轻多孔的硅质岩，称硅华。硅质岩与粘土岩的过渡类型为硅质页岩。2. 石灰岩简称灰岩，主要有方解石组成。鉴别特征是硬度小于小刀， 遇稀盐酸剧烈起泡放出 CO2。 灰岩有碎屑结构和非碎屑结构两种类型。碎屑结构的灰岩中，碎屑成分都是CaCO3，有三种类型的碎屑：1海湖盆