第二章 沉积岩的形成及演化

1、第二章第二章 沉积岩的形成及演化沉积岩的形成及演化基本内容基本内容: : 基本概念基本概念：风化作用：风化作用( (物理风化、化学风化、物理风化、化学风化、生物风化生物风化) )、风化壳、牛顿流体、层流、紊流、风化壳、牛顿流体、层流、紊流、雷诺数、佛罗德数、沉积分异作用雷诺数、佛罗德数、沉积分异作用( (机械沉积分机械沉积分异和化学沉积分异作用异和化学沉积分异作用) )、正常沉积作用、事件、正常沉积作用、事件沉积作用、沉积后作用。沉积作用、沉积后作用。 基本原理：基本原理：各种造岩矿物、岩石的风化及其各种造岩矿物、岩石的风化及其产物，母岩风化的阶段性，碎屑物质在流水中产物，母岩风化的阶段性，碎

2、屑物质在流水中的搬运和沉积作用，两种沉积分异作用的关系，的搬运和沉积作用，两种沉积分异作用的关系，沉积后阶段的划分，沉积岩的分类。沉积后阶段的划分，沉积岩的分类。重点：重点： 碎屑物质在流水中的搬运和沉积作用，碎屑物质在流水中的搬运和沉积作用，沉积岩的分类沉积岩的分类本次课主要参考文献：本次课主要参考文献：1.1.赵澄林，赵澄林，沉积岩石学沉积岩石学第二章，石油工业出第二章，石油工业出 版社版社,2001,20012 2冯增昭，冯增昭，沉积岩石学沉积岩石学第二章，石油工业第二章，石油工业 出版社，出版社，19931993 沉积岩的形成及其形成后的演化的全部历史过程大致可分为以下几个阶段： 1、

3、沉积岩原始物质（主要是母岩风化产物）的形成阶段 2、沉积岩原始物质的搬运和沉积阶段（即沉积物的形成阶段） 3、沉积后作用阶段（包括沉积物的同生作用和准同生作用阶段、沉积物的成岩作用阶段、沉积岩的后生作用阶段）第一节第一节 母岩的风化作用母岩的风化作用沉积岩最原始物质的形成沉积岩最原始物质的形成 一、风化作用的概念 风化作用 是地壳最表层的岩石在温度变化、大气、水、生物等因素的作用下，发生机械破碎和化学变化的一种作用。 风化作用是地壳表层岩石的一种破坏作用。 风化作用按其性质可分为三种类型： 物理风化作用（physical weathering）:发生机械破碎而化学成分不改变。 化学风化作用（c

4、hemical weathering）：母岩发生氧化、水解、溶虑等化学变化而分解，形成新矿物。 生物风化作用（biological weathering）：常常伴随物理风化和化学风化。 二、各种造岩矿物的风化及其产物 石英（quartz）：主要的造岩矿物，在风化作用中稳定性极高，它几乎不发生化学溶解作用，一般只发生机械破碎作用。 注：矿物是地壳上各种地质作用形成的，在一定的物理化学条件下相对稳定的自然体，是地壳中岩石、矿石和粘土的组成单位。 长石（feldspar）：稳定性次于石英，风化稳定性由高到低的顺序是：钾长石、多钠的酸性斜长石、中性斜长石、基性斜长石。最先析出的成分是钾，其次是硅，最后

5、才是铝。KAlSi3O3 (钾长石) K1Al2(Si，Al) 4O10OH 2nH2O (水白云母) (高岭石) Al4Si4O10OH 8 (高岭石) (SiO2nH2O (蛋白石) / Al2O3nH2O (铝土矿) 云母（mica）： 白云母抗风化能力较强。 白云母在风化过程中，主要是析出钾，并加入水，先变成水白云母，最后变为高岭石。 黑云母的抗风化能力比白云母差得多。黑云母遭受风化后，钾、镁等成分首先析出，同时加入水，转变为蛭石、绿泥石、褐铁矿等。 橄榄石、辉石、角闪石等镁硅酸盐矿物抗风化能力低。 各种粘土矿物（如高岭石、蒙脱石、水云母等）在风化带中相当稳定。 各种碳酸盐矿物如方解石

6、、白云石等，风化稳定性甚小，极易溶于水并顺水转移。 各种硫酸盐矿物(如石膏、硬石膏)、硫化物矿物(如黄铁矿)、卤化物矿物(如石盐)等，风化稳定性最低，最易溶于水，呈溶液状态流失走。 重矿物风化稳定性的差别很大，如锆石、金红石、电气石等较稳定，为沉积岩中常见的稳定重矿物。 以下各种造岩矿物抗风化能力强弱排列正确的是（）。A A钾长石石英黑云母B B方解石斜长石黑云母C C石英微斜长石方解石D D白云石中性斜长石方解石 影响造岩矿物风化稳定性的因素： 与它们的结晶温度有关 在岩浆岩的主要造岩矿物中，橄榄石结晶温度最高，其风化稳定性最低，最易被风化破坏掉。 辉石、角闪石、黑云母的结晶温度依次降低，

7、而它们的风化稳定性却依次增高。 基性斜长石、中性斜长石、酸性斜长石、钾长石的结晶温度也依次降低，它们的风化稳定性也依次增高。 石英的结晶温度最低，故其搞风化能力最强。 影响造岩矿物风化稳定性的因素： 与其化学成分的化学活泼性（主要是在水中的溶解能力）有关 与其晶体结构特征及化学键强度有关 三、各种岩石的风化及其产物 岩石是矿物的集合体，因此岩石的风化及其产物主要由组成它的矿物的风化情况决定的。花岗岩的风化作用 中性和碱性侵入岩的风化情况大体与花岗质岩石相似 基性和超基性侵入岩主要由较易风化的橄榄石、辉石、基性斜长石组成，远比花岗质岩石容易风化 火山岩及火山随屑岩由于含有相当多的甚至大量的玻璃质

8、或火山灰，故其风化速度相当快 沉积岩的风化情况比较简单，其中以蒸发岩最容易溶解、最易风化，碳酸盐岩次之，粘土岩、石英砂岩硅岩等最难风化四、母岩风化过程中元素的转移顺序及母岩风化的阶段性 1.风化过程中元素的析出顺序 母岩在化学风化过程中表现为某些元素的淋滤分散和另外一些元素的残积富集两个方面。各种元素在特定的风化条件下迁移能力是不一样的，因而造成各种元素按一定顺序从母岩中分离出来即元素的风化分异。 前苏联学者雷波诺夫（1934）首先根据河水中元素的含量与该河流域的岩石中相应元素的含量相比较的办法，了解各种元素迁移的相对活动性，并得出了元素迁移序列。岩浆岩平均化学成分与流经该地区的河流流水溶解物

9、质平均化学成分的对比将风化带中的元素分为五类：最易迁移元素(Kx=n10n102)：CI，Br，I，S易迁移元素(Kx=nn10)：Ca，Mg，Na，F，Sr，K，Zn可迁移元素(Kx=n10-1n)：Cu，Ni，Co，V，Mn，Si(硅酸盐)，P惰性(微弱迁移元素) (Kx40时，出现“卡门涡街”，紊流(涡流)自然界中绝大多数水体是紊流运动 3、缓流、急流和佛罗德数 在明渠水流中按流动强度不同可分为急流、缓流和临界流三种状态。 这三种流态的判别标准是佛罗德数(Fr)。 Fr = 惯段能 / 重能 = V2 / Lg 大多数工程技术人员把这一数值的平方根 当作佛罗德数，即 VFRLg Fr1，

10、急流，超临界流，水浅流急 Fr=1，临界流 Fr1，静流，缓流或临界以下的流动，水深流缓 明渠水流随着流动强度的加大，在床面上会依次出现下列床沙形体：无颗粒运动的平坦床沙 沙纹沙浪沙丘过渡型低角度沙丘平坦床沙逆行沙丘流槽和凹坑 4、两种流体及其搬运和沉积作用方式 牵引流(Traction current)-符合牛顿流体定律的流体。其搬运机制是流体动能拖曳牵引沉积物一起运动，如河流、风流和波浪流等。沉积物重力流(Gravity flow)-在重力作用下发生流动的弥散有大量沉积物的高密度流体。 牵引搬运(牵引作用)-能使碎屑物质作底负载移动的各种作用。 牵引流的搬运力包括推力和载荷力。推力(牵引力

11、)与流速有关，载荷力(负荷力)与流量有关。推力大不一定负荷力大，反之亦然。 牵引流搬运方式： 溶解载荷、悬移载荷、推移载荷或床沙载荷。重力流搬运的驱动力主要起因于重力。 二、 碎屑物质的搬运和沉积作用1.碎屑矿质在流水程的搬运和类沉作用 随屑颗粒在流水中的搬运和沉积，主要与水的流动状态关系密切，是层流还是紊流，是急流还是缓流；还与碎屑颗粒的本身特点（大小、相对密度和形状等）有关。 碎屑物质在静水中下沉情况可用斯拖克实验公式表示（G.G.Stokes，1850）： 其中：V颗粒下沉速度（cm/s）， d1颗粒密度，d2水介质密度， g重力加速度（980cm/s2） r颗粒半径（cm）22 d1-

12、d2V=gr (0.1mm)9适用于粒径的球形颗粒 碎屑颗粒在静水中下沉速度与颗粒半径平方成正比 碎屑颗粒在静水中下沉速度与其相对密度成正比； 假设球形颗粒的沉速为100，则椭球形颗粒的沉速为8461，立方体为74，长柱体为50，片状颗粒为8038； 斯托克公式只有在静水或层流的条件下才适用。 碎屑物质在流水中的搬运和沉积，流速和颗粒大小之间的关系最为关键。 尤尔斯特隆图解 经森德伯格（Sundborg，1956）修改过的尤尔斯特隆图解 (3)碎屑物质在流水搬运过程中的变化 成分上的变化：不稳定组分逐渐减少，稳定组分则相应增加，同其它组分也就变得更加简单了。 碎屑颗粒度逐渐变小。 碎屑颗粒的圆

13、度逐渐变好 碎屑颗粒的球度也有所增高 类沉分异作用包括：类沉分异作用包括： 粒度分异 相对密度的分异 形状上的分异，片状碎屑颗粒较粒状碎屑颗粒搬运远 成分分异。 机械类沉分异作用机械类沉分异作用碎屑矿质在搬运和类沉化过程，当介质运动的速度和运转的化能在一定的方向上作有规律的变化时，它们也相应按照颗粒大小、密度和形状发生分异，依次类沉。与类沉分异作用相对立的是“掺和作用”或“混合作用”、“混杂作用” 。2.碎屑物质在海、湖水中的搬运和沉积作用 陆地表面流水搬运的碎屑物质，大部分都注入海洋，其次是湖泊。海、湖是流水搬运碎屑物质的最终场所。 （1）碎屑物质在海水中的搬运和沉积作用引起海洋中碎屑物质搬

14、运和沉积的营力主要是波浪和潮汐，其次是海流。 波浪主要由风引起，波浪的大小主要取决于风的大小 。波基面(浪底)-波浪作用的下限，即波浪所影响的最大深度 。 除正常天气情况下，碎屑物质在横向和纵向波浪作用下的搬运和沉积作用外. 还有阵发性的风暴浪将浅海沉积物卷起而重新搬离或搬向海岸，形成风暴沉积物。 潮汐作用对滨岸地区的碎屑物质影响很大，在潮汐作用带，水体作大规模地涨潮和落潮运动，因此也使水底的碎屑物质作相应的往返运动。 近岸地带的海流或深海的浊流、等深流、内潮汐流、冷流、暖流、赤道洋流和上返洋流等对碎屑物质的搬运和沉积均有一定的作用。 （2）碎屑物质在湖水中的搬运和沉积作用与海洋相比，湖泊面积

15、小，缺乏潮汐作用，因此，潮浪和潮流是潮泊中搬运和沉积碎屑物质的主要营力。3、碎屑物质在空气中的搬运和沉积作用 4、碎屑物质在冰川中的搬运和沉积作用昆仑山雪线（海拔4400m）及冰川（摄于花土沟尕斯湖畔） 冰川的搬运与堆积： 冰碛物-冰川携带的碎屑物质 冰川具有巨大的搬运能力 南极大陆冰盖 冰川的搬运与堆积： 冰碛物-冰川携带的碎屑物质 冰川具有巨大的搬运能力 南极大陆冰盖 冰碛物的基本特征： 结构疏松，大小混杂，分选极差； 冰碛物中砾石磨圆极差； 一般缺乏层理构造。第三节第三节 溶解矿质的搬运和类沉作用溶解矿质的搬运和类沉作用一、概述 母岩风化的矿程的溶解矿质，主要为CI、S、Ca、Na、K、

16、Mg、P、Si、Al、Fe 等。 它们均呈溶解状态，在河水或地下水中，向湖泊和海洋中转移。 前面的溶解度较大，多呈真溶液；后面的溶解度较小，多呈胶体溶液。二、胶体溶液物质的搬运和沉积作用 胶体：种物质的细微质点分散在另一种物质中的不均匀分散体系。 胶体质点一般介于1001m之间，多呈分子状态。 胶体质点常有电荷。刘家场水岩屋寒武系覃家庙组白云岩裂缝中的玛瑙（SiO2SiO2胶体沉淀）三、真溶液物质的搬运和沉积作用 母岩风化产物中的真溶液物质主要是CI、S、Ca、Na、K、Mg等，P、Si、Al、Fe、Mn等也可部分呈真溶液状态。 真溶液物质的搬运及沉积作用的根本控制因素是它们的溶解度。 溶解度

17、越大，越易搬运，越难沉积。 溶解度越小，越易沉积，越难搬运。 Fe、Mn、Si、Al等溶解物质的溶解度较小，易于沉淀，在它们的搬运和沉积作用中，水介质的各种物理化学条件的影响十分重要。 各种铁、锰矿物生成时所需要的PH值及EH值 对于溶解度大的物质的搬运和沉积作用，水介质的影响不大，它们只有在干热的气候条件下，在封闭或办封闭的盆地中，或在水循环受限制的潮上地带，即在蒸发条件下，才能沉积下来。如石膏、硬石膏、镁盐等。四、生物的搬运和沉积作用 生物在母岩风化产物的搬运和沉积过程中起着重要的作用，不少沉积岩和沉积矿产的形成都与生物作用有关，或直接由生物作用而形成。如碳酸盐岩、磷酸盐岩、沉积铁矿、硅藻

18、土、白垩、煤、油页岩和石油等。 在各类生物中，尤以藻类和细菌等微生物在沉积岩和沉积矿产形成作用中的意义较大。 生物的搬运和沉积作用有两种方式： 一是生物通过新陈代谢作用，在其生活过程中不断地从周围介质中吸取一定的物质成分，从而把一些元素富集起来。 另一种方式是由于生物作用而引起的周围介质条件的改变，从而影响某些物质的搬运和沉积。2、化学沉积分异作用 化学沉积分异作用化学沉积分异作用-受化学原理支配的分异作用。 母岩风化产物中的溶解物质，在搬运和沉积过程中，由于各元素和化合物彼此在化学性质上的差异(主要是化学活泼性或溶解度大小)，它们从溶液中按一定先后顺序沉淀出来，从而逐渐产生了分异。六、两种沉

19、积分异作用的关系及其地质意义 1、关系 机械沉积分异作用进行得较早，化学沉积分异作用进行得较晚。机械沉积分异作用化学沉积分异作用砂和粉砂阶段铁的氧化物阶段粘土沉积阶段碳酸盐阶段已基本结束硫酸盐及卤化物阶段 2、意义 两种沉积分异作用的结果，就形成了各种类型的机械沉积岩和化学沉积岩以及相应的各种沉积矿产。 分异作用进行越彻底，各种类型的沉积岩在成分上和结构上的成熟度就越高，从而越易形成各种沉积矿产。七、正常沉积作用和事件沉积作用七、正常沉积作用和事件沉积作用 正常沉积作用正常沉积作用-正常情况或条件下发生的正常情况或条件下发生的搬运和沉积作用，这一作用过程是缓慢的、均变搬运和沉积作用，这一作用过

20、程是缓慢的、均变的的。 事件沉积作用事件沉积作用-指事件性的、阵发性的或指事件性的、阵发性的或灾变性的搬运和沉积作用。这类作用的发生和发灾变性的搬运和沉积作用。这类作用的发生和发展可能是瞬间的、短暂的，但其作用过程是快速展可能是瞬间的、短暂的，但其作用过程是快速的。的。 母岩母岩沉积岩的形成与演化类沉矿形成的阶成岩作用的阶类沉岩后生作用的阶变质作用变质作用沉积后作用成岩作用后生作用 广义的成岩作用包括狭义的广义的成岩作用包括狭义的成岩作用成岩作用和和后生作后生作用用两个阶段。两个阶段。 成岩作用成岩作用-沉积物转变沉积岩所发生的一沉积物转变沉积岩所发生的一系列变化。系列变化。 后生作用后生作用

21、-沉积岩形成以后到遭受风化作用沉积岩形成以后到遭受风化作用或变质作用以前的变化。或变质作用以前的变化。 沉积后作用的上限为沉积物沉积后作用的上限为沉积物表面或潜水面。表面或潜水面。 沉积后作用的下限为沉积后作用的下限为变质岩带顶变质岩带顶(220(220，1000bar)1000bar)。二、沉积后作用阶段的划分 沉积后作用阶段的划分，到目前为止也还没有一个公认的、统一的划分方案。 1.根据粘土矿物成分来划分 2.根据煤岩学来划分 3.根据地球化学不环境来划分 4.根据埋深来划分 5.综合划分方案成岩作用阶段的划分和对比成岩作用阶段的划分和对比三、有关术语的阐明 1、埋藏成岩作用埋藏成岩作用-

22、碎屑沉积物随埋深增加，主要由于机械压实作用和化学胶结作用，致使岩石逐渐变致密、孔隙度减小、物性变差等一系列物理和化学变化直到变质作用。 2、沉积后作用沉积后作用-泛指沉积物形成以后到沉积岩遭受风化作用和变质作用以前这一演化阶段的所有变化和作用。 3、同生作用同生作用-指沉积物刚刚形成以后而尚与上覆水体相接触时的变化。如海解作用、海底风化作用及陆解作用等。 4、准同生作用准同生作用-主要是指潮上带的疏松碳酸钙沉积物被高镁粒间盐水白云化的作用。 5、成岩作用成岩作用(广义)-指上覆沉积物不断增加使早期沉积物逐渐被掩埋，直至基本上与上覆水体脱离，使沉积物在新的物理化学条件下，产生新的平衡，致使疏松的沉积物固结成岩的全部变化过程。 6、后生作用后生作用-继成岩作用阶段之后，在沉积岩转变为变质岩之前或遭受风化作用之前所产生的一切作用和变化。 7、表生作用表生作用-指沉积物抬升到近地表，在潜水面以下常温常压或低温低压条件下，由于渗透水和浅部地下水(包括上升水)的影响下所发生的变化。四、沉积期后的影响因素 沉积物脱离沉积环境进入沉积期后变化阶段，实质上是沉积物在新的条件下，重新建立起新的平衡的过程。 影响这一平衡过程