沉积岩的形成及演化4

1、第二章 沉积岩的形成及演化,Formation and evolution of sedimentary rocks,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、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 母岩的风化作用 沉积岩最原始物质的形成,Weathering of source rocks formation of the most primitive materials of sedi

2、mentary rocks,一、风化作用的概念,风化作用（weathering）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 ）,化学风化作用（chemical weathering ）,生物风化作用（biological weathering ）,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。,Weathering an

3、d products of various rock-forming minerals,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。,KAlSi3O3 (钾长石),K1Al2(Si，Al) 4O10OH 2nH2O (水白云母 ),Al4Si4O10OH 8 (高岭石 ),SiO2nH2O (蛋白石) / Al2O3nH2O (铝土矿),最先析出的成分是钾，其次是硅，最后才是铝,云母（mica）： 白云母抗风化能力较强,白云母在风化过程中，主要是析出钾和加入水，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

4、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。 这些矿物在风化产物中保留较少，故在沉积岩中较少见。,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、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（heavy mineral）： 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。,影响造岩矿物风化

5、稳定性的因素,与它们的结晶温度有关,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,与其晶体构造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 。,Weathering and products of various rocks,美国科罗拉多州鲍尔德附近密西西比纪 花岗闪长岩的风化剖面,花岗岩的风化及其产物,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，远比花岗质岩石易风化,火山岩及火山碎屑岩由于含有相当多的甚至大量的玻璃质或火山灰，故其风化

6、速度相当快,沉积岩的风化情况比较简单，其中以蒸发岩最易溶解、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,Transportation sequence of elements in the course of weathering of source rocks，and stages of weathering,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

7、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。,彼列尔曼(1955)在雷波诺夫的研究基础上提出了水迁移系数Kx，用来衡量元素在风化带中的迁移能力。,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) (Kxn10-1)：Fe，Al，Ti，Sc，Y，Tr， 几乎不迁移元素(Kx=n10-10)

8、：Si(石英),2、母岩风化的阶段性,波雷诺夫根据元从风化带中析出的顺序，将结晶岩的风化过程分为四个阶段，不同阶段有其独特的风化产物 。,破碎阶段(碎屑阶段),饱和硅铝阶段,酸性硅铝阶段(粘土型风化作用),铝铁土阶段(红土型风化作用),五、母岩风化产物的类型,Types of weathering products of various rocks,1. 碎屑残留物质：母岩的岩石碎屑或矿物碎屑。,2. 新生成的矿物：主要是在化学风化作用过程中新生成的一些矿物，如水白云母、高岭石、蒙脱石、蛋白石和铝土矿等。,3. 溶解物质：主要是指在化学风化过程中被溶解的那些成分，如CI、S、Ca、Mg、K、N

9、a、Si、Fe、Al、P等。,六、风化壳(Weathering crust),由风化残余物质组成的地表岩石的表层部分，或者说已经风化了的地表岩石的表层部分。,鄂尔多斯延安组（J2y）顶部古暴露面：高岭土化和硅结层,七、沉积物的其它来源,Other sources of sediments,1. 生物成因的沉积物 ：生物遗体，一部分为无机成分为主的生物残骸，另一部分为有机生物残体，即动植物的软体（有机质）。,2. 深部来源的沉积物 ：由火山爆发作用带到地表或水下的火山碎屑物，沿深断裂流出地表或注入地下的热卤水、温泉、热气液等。,3. 宇宙来源的沉积物 ：从宇宙空间落到地球上的陨石及其尘埃。,第二

10、节 碎屑物质的搬运和沉积作用,Transportation and sedimentation of clastic materials,搬运和沉积碎屑物质的流体主要是流水和大气，在高寒地区的冰川和干旱地区的风也是搬运和沉积碎屑物质的营力。,作为碎屑物质搬运和沉积的流体，自然界存在两种基本类型，即牵引流和沉积物重力流。,一、流体的一些基本知识和概念,1. 牛顿流体和非牛顿流体,牛顿流体（Newtonian fluid）服从牛顿内摩擦定律的流体。,非牛顿流体（Non-Newtonian fluid）不服从牛顿内摩擦定律的流体。,2. 层流、紊流和雷诺数,层流（laminar flow）一种缓慢流

11、动的流体，流体质点作有条不紊的平行线状运动，彼此不相掺混。,2. 层流、紊流和雷诺数,紊流（turbulent flow）湍流，一种充满了漩涡的多湍流的流体，流体质点的运动轨迹极不规则，其流速大小和流动方向随时间而变化，彼此相互掺混。,英国学者雷诺(O. Reyonolds)首先从实验室中观察到这一物理现象，用不同管径的管道和不同流体进行试验，获得了一个判别层流与紊流的准则，称为雷诺数（Reyonolds Numbers ）,雷诺数(Re) = 惯性力 / 粘滞力 = V2d2/Vd = Vd/,V水的流速，d颗粒直径，水的密度，动力粘滞系数,Re = 1时，流动呈层流型 Re = 140时，

12、在颗粒背后会出现背流尾迹 Re 40时，出现“卡门涡街”，紊流(涡流),自然界中绝大数水体是紊流运动,3. 急流、缓流和佛罗德数,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(Froude Numbers) (Fr)：,佛罗德数 Fr = 惯性力 / 重力 = V2 / Lg,Fr =,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, Fr1，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,床沙表面可随水流强度变化而出现各种类型床沙形体，一种类型的床沙形体不是固定不动的，而是通过组成床沙的砂砾颗

13、粒的滚动、滑动或跳跃移动而使床沙形体发生顺流或逆流移动。,这种现象在水力学中称为沙波运动。,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

14、力包括推力和载荷力。推力(牵引力)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、碎屑物质在流水中的搬运和沉积作用,Transportation and sedimentation of clastic materials in water flow,碎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，是层流还紊流，是急流还缓流； 还与碎屑颗粒的本身特点(大小、相对密度和形状等)有关。,1. 搬运方式,推移搬运(滚动搬运，包括跳跃搬运),悬浮搬运(悬移搬运),2.

15、机械沉积作用,处于搬运状态的碎屑物质，在一定的条件下，主要是当流水的动力不足以克服碎屑的重力时，碎屑物质就会沉积下来。,碎屑物质在静水中下沉情况可用斯托克实验公式表示(G.G.Stokes，1850)：,(适用于粒径0.1mm的球形颗粒),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),V= gr2,极细砂下沉30m约需2h，而细粘土则约需1年；如下沉30004000m，极细砂约需10d，细粘土则约需100年。,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,斯托克

16、公式只有在静水或层流的条件下才适用。,斯托克公式是在假定颗粒为球形的情况下求得的，假如颗粒不是球形，其沉速有所不同。实验证明，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；,尤尔斯特隆图解,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。,经森德伯格(Sundborg，1956)修改过的尤尔斯特隆图解,沃克(Walker，1975)的图解,当流动强度为P时，它所能滚动的砾石最大粒径为8cm，同时所悬浮的颗粒最大粒径为2.2mm。,当流动强度略小于P时，可使粒径为8cm和2.2mm的砾石同时沉积，从而形成双众数的砾岩。,

17、当流动强度在P附近反复变动时，则可能形成粗、细砾石沉积的互层，其平均粒度分别为8cm和2.2mm。,如果流动强度急剧减少，则可能造成分选极差的多众数的砾、砂、粉砂和泥的混合沉积物。,沉积1mm砂粒所需的流动强度要比沉积7cm砾石所需强度小得多，因此，在平均粒度为7cm的砾石沉积的孔隙中所充填1mm的砂，不可能是同时沉积物。,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,碎屑颗粒的圆度逐渐变好,碎屑颗粒的球度也有 所增高,4. 碎屑物质在流水搬运及沉积作用过程中的分异作用,沉积分异作用(Sedime

18、ntary Differentiation)母岩在风化产物在搬运和沉积过程中根据本身特性，在外部条件的影响下，按照一定顺序分别堆积在一定程度上是可以分开的地表沉积带内。,母岩风化产物以及其它来源的沉积物，在搬运和沉积过程中按照颗粒大小、形状、比重、矿物成分和化学成分在地表依次沉积下来，这种现象称作地表沉积分异作用。,沉积分异作用包括：,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,机械沉积分异作用(mechanical sedimentary differentiation)碎屑物质在搬运和沉积过程中，当介质运动的速度和运移的能力在一定的方向上作有规律的

19、变化时，它们也相应按照颗粒大小、密度和形状发生分异，依次沉积。,与沉积分异作用相对立的是“掺和作用”或“混合作用”、“混杂作用”。,三、碎屑物质在海、湖水中的搬运和沉积作用,Transportation and sedimentation of clastic materials in sea and lake water,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) (wa

20、ve base)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 。,海洋中碎屑物质在波浪、潮汐等的长期作用下，也会发生成分、粒度、圆度上的变化以及分异作用。,2. 碎屑物质在湖水中的搬运和沉积作用,与海洋相比，湖泊面积小，缺

21、乏潮汐作用，因此，湖浪和湖流是潮泊中搬运和沉积碎屑物质的主要营力。,四、碎屑物质在空气中的搬运和沉积作用,自学为主,Transportation and sedimentation of clastic materials in air,风是碎屑物质在空气中搬运和沉积的主要营力,在干旱地区，这种搬运和沉积作用是主要的,空气只能搬运碎屑物质，而不能搬运溶解物质,五、碎屑物质在冰川中的搬运和沉积作用,Transportation and sedimentation of clastic materials in glacier,自学为主,在寒冷的两极地区和高寒山区，冰川的搬运及沉积作用是主要的。,

22、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 溶解物质的搬运和沉积作用,Transportation and sedimentation of dissolved materials,一、概述(Introduction),母岩风化产物中的溶解物质，主要为Cl、S、Ca、Na、K、Mg、P、Si、Al、Fe 等。,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。,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。,二、胶体溶液物质的搬运

23、和沉积作用,Transportation and sedimentation of colloid solution materials,胶体：一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。,胶体沉积物的特征：,常呈钟乳状、肾状、豆状、胶冻状等 常具贝壳状断口 多为含水矿物，且含水量很不固定 其化学成分也不够固定 常具离子交换性及吸附性 常失水干裂老化或重结晶,三、真溶液物质的搬运和沉积作用,Transportation and sedimentation of true solution materials,母岩风化

24、产物中的真溶液物质主要是Cl、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,SiO2及CaCO3的溶解度与介质PH值的关系,Al2O3的溶解度与介质PH值的关系,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，在封闭或半封闭的盆地中，或在水

25、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、钠盐、钾盐、镁盐等。,四、生物的搬运和沉积作用,Transportation and sedimentation by organisms,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：,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

26、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。,五、化学沉积分异作用,Chemical sedimentary differentiation,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

27、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,Normal sedimentation and event sedimentation,正常沉积作用：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、均变的。,事件沉积作用：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展可能是瞬间的、短暂的，但其作用过程是快速的。,事件作用所挟带的大量砂、砾、

28、泥等碎屑物质一旦沉积下来，一般就不再被搬运了。,如沉积物重力流、泥石流和洪水流、火山喷发碎屑流、风暴流、地震、陨石雨降落等。,与正常沉积作用相比，事件沉积作用及其产物肯有明显的等时性，所以，这一作用也叫幕式沉积作用。,正常沉积和事件沉积可发生于同一沉积环境，二者交替进行。,第四节 沉积后作用及其阶段划分,Postsedimentation process and stage division,Sedimentary PetrologyP4146,一、概述(Introduction),沉积物的形成阶段：母岩风化产物以及其它来源的物质成分，在搬运和沉积作用之后，就变成了沉积物。,沉积后作用：泛指沉

29、积物形成之以后，到沉积岩遭受风化作用和变质作用之前这一演化阶段的所有变化或作用。亦称为广义的成岩作用。,母岩,沉积物形成阶段,成岩作用阶段,沉积岩,风化作用,变质作用,沉积岩的形成与演化,后生作用阶段,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成岩作用和后生作用两个阶段。,成岩作用(diagenesis)：沉积物转变沉积岩所发生的一系列变化。,后生作用(catagenesis)：沉积物形成以后到遭受风化作用或变质作用以前的变化。,沉积后作用的上限为沉积物表面或潜水面 沉积后作用的下限为变质岩带顶(220，1000bar),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

30、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,三、有关术语的阐明,1. 埋藏成岩作用(buried diagenesis)：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(postsedimentation process)：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(syngenesis)：指沉积物

31、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(penesyngenesis)：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(diagenesis)：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(anadiagenesis / catagenesis)：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(epigenesis)：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。,影响这一平衡过程的因素主要有： 沉积物的成分、温度