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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 Formation and evolution of sedimentary rocks 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 Weathering of source rocksformation of the most primitive materials of sedimentary rocks 一、风化作用的概念一、风化作用的概念 风化作用风化作用（weathering）是地壳最表层的岩是地壳最表层的岩石在温度变化、大气、水、生物等因素的作用石在温度变化、大气、水、生物等因素的作用下
2、，发生机械破碎和化学变化的一种作用。下，发生机械破碎和化学变化的一种作用。风化作用是地风化作用是地壳表层岩石的壳表层岩石的一种破坏作用。一种破坏作用。风化作用按其性质可分为三种类型风化作用按其性质可分为三种类型：物理风化作用（物理风化作用（physical weathering）化学风化作用（化学风化作用（chemical weathering）生物风化作用（生物风化作用（biological weathering）二、各种造岩矿物的风化及其产物二、各种造岩矿物的风化及其产物 石英（石英（quartz）：）：主要的造岩矿物，在主要的造岩矿物，在风化作用中稳定性极高，它几乎不发生化学溶风化作用中
3、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。解作用，一般只发生机械破碎作用。Weathering and products of various rock-forming minerals 矿物矿物在一定的地质和物理化学条件下处于相对稳定的自在一定的地质和物理化学条件下处于相对稳定的自然元素的单质或它们的化合物，它们是岩石和矿石的组成单位，然元素的单质或它们的化合物，它们是岩石和矿石的组成单位，其成分和结构比较均一，具有一定的形态、物理性质和化学性其成分和结构比较均一，具有一定的形态、物理性质和化学性质，并呈各种物态出现的自然体质，并呈各种物态出现的自然体 长石（长石（fel
4、dspar）：）：稳定性次于石英，风稳定性次于石英，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。酸性斜长石、中性斜长石、基性斜长石。KAlSi3O3(钾长石钾长石)K1Al2(Si，Al)4O10OH 2nH2O(水白云母水白云母)Al4Si4O10OH 8(高岭石高岭石)SiO2nH2O(蛋白石蛋白石)/Al2O3nH2O(铝土矿铝土矿)最先析出的成分是钾，最先析出的成分是钾，其次是硅，最后才是其次是硅，最后才是铝铝云母（云母（mica）：）：白云母抗风化能力较强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
5、加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、褐铁矿等时加入水，转变为蛭石、绿泥石、褐铁矿等 橄榄石、辉石、角闪石橄榄石、辉石、角闪石等镁硅酸盐矿物等镁硅酸盐矿物抗风化能力低。抗风化能力低。这些矿物在风化产物中保留较这些矿物在风化产物中保留较少，故在沉积岩中较少见。少，故在沉积岩中较少见。各种粘土矿物各种粘土矿物（如高岭石、蒙脱石、水（如高岭石、蒙脱
6、石、水云母等）在风化带中相当稳定。云母等）在风化带中相当稳定。各种碳酸盐矿物各种碳酸盐矿物如方解石、白云石等，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。风化稳定性甚小，极易溶于水并顺水转移。各种硫酸盐矿物各种硫酸盐矿物(如石膏、硬石膏如石膏、硬石膏)、硫、硫化物矿物化物矿物(如黄铁矿如黄铁矿)、卤化物矿物、卤化物矿物(如石盐如石盐)等，等，风化稳定性最低，最易溶于水，呈溶液状态流风化稳定性最低，最易溶于水，呈溶液状态流失走。失走。重矿物重矿物（heavy mineral）：）：风化稳定性风化稳定性的差别很大，如锆石、金红石、电气石等较稳的差别很大，如锆石、金红石、电气石等较稳定
7、，为沉积岩中常见的稳定重矿物。定，为沉积岩中常见的稳定重矿物。影响造岩矿物风化稳定性的因素影响造岩矿物风化稳定性的因素与它们的与它们的结晶温度有关结晶温度有关 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。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，而辉石、角闪石、黑云母的结晶温度依次降低，而它们的风化稳定性却依次增高。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的结晶
8、温度也依次降低，它们的风化稳定性也依次增高。高。石英的结晶温度最低，故其搞风化能力最强。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影响造岩矿物风化稳定性的因素 与其与其化学成化学成分的化学活泼性分的化学活泼性（主要是在水中的（主要是在水中的溶解能力）有关溶解能力）有关 与其与其晶体构造特晶体构造特征及化学键强度有征及化学键强度有关关 三、各种岩石的风化及其产物三、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其产物主要由组成它的矿物的风化情况决定的。Weathering and
9、products of various rocks 花花岗岗岩岩的的风风化化及及其其产产物物 中性和碱性侵入岩中性和碱性侵入岩的风化情况大体与花岗质岩石的风化情况大体与花岗质岩石相似相似 基性和超基性侵入岩基性和超基性侵入岩主要由较易风化的橄榄石、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火山岩及火山碎屑岩由于含有相当多的甚至大量由于含有相当多的甚至大量的玻璃质或火山灰，故其风化速度相当快的玻璃质或火山灰，故其风化速度相当快 沉积岩沉积岩的风化情况比较简单，其中以蒸发岩最易的风化情况比较简单，其中以蒸发岩最易
10、溶解、最易风化，碳酸盐岩次之，粘土岩、石英砂岩、溶解、最易风化，碳酸盐岩次之，粘土岩、石英砂岩、硅岩等最难风化硅岩等最难风化四、母岩风化过程中元素的转移顺序四、母岩风化过程中元素的转移顺序及母岩风化的阶段性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、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
11、方面。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样的，因而造成各种元素按一定顺序从母岩中分离出来分离出来即即元素的风化分异。元素的风化分异。前苏联学者雷波诺夫前苏联学者雷波诺夫(1934)首先根据河水中元素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。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质
12、平均化学成分的对比岩浆岩平均化学成分与流经该地区的河流流水溶解物质平均化学成分的对比 彼列尔曼彼列尔曼(1955)在雷波诺夫的研究基础上提出了在雷波诺夫的研究基础上提出了水迁移系数水迁移系数Kx，用来衡量元素在风化带中的迁移用来衡量元素在风化带中的迁移能力。能力。Kx=其中：其中：mx x元素在河水中的含量元素在河水中的含量(mg/l)a 河水中矿物残渣总量河水中矿物残渣总量(mg/l)nx x元素在河流域岩石中的平均含量元素在河流域岩石中的平均含量(%)将风化带中的元素分为五类：将风化带中的元素分为五类：最易迁移元素最易迁移元素(Kx=n10n102)：CI，Br，I，S易迁移元素易迁移元素
13、(Kx=nn10)：Ca，Mg，Na，F，Sr，K，Zn可迁移元素可迁移元素(Kx=n10-1n)：Cu，Ni，Co，V，Mn，Si(硅酸盐硅酸盐)，P惰性惰性(微弱迁移元素微弱迁移元素)(Kx 40时时，出出现现“卡卡门门涡涡街街”，紊紊流流(涡涡流流)自然界中绝大数水体是紊流运动自然界中绝大数水体是紊流运动 3.急流、缓流和佛罗德数急流、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、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。缓流和临界流三种状态。这三种流态的判别标准是这三种流态的判别标准是佛罗德数佛罗德数(Froude Numbers)(Fr)：佛罗德数佛罗德数
14、Fr=惯性力惯性力/重力重力=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，水浅流急急流，超临界流，水浅流急 Fr=1，临界流临界流 Fr1，静流，缓流或临界以下的流动，静流，缓流或临界以下的流动，水深流缓水深流缓 床沙表面可随水流强度变化而出现各种类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粒的滚动、动的，而是通过组成床沙的砂砾颗粒的滚动、滑动或跳跃移动而使床沙形体发生顺流或逆流滑动或跳跃
15、移动而使床沙形体发生顺流或逆流移动。移动。这种现象在水力学中称为这种现象在水力学中称为沙波运动。沙波运动。明明渠渠水流随着流动强度的加大，在床面上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：会依次出现下列床沙形体：无颗粒运动的平坦床沙、无颗粒运动的平坦床沙、沙纹、沙纹、沙浪、沙浪、沙丘、沙丘、过渡型过渡型(低角度沙丘低角度沙丘)、平坦床沙、平坦床沙、逆行沙丘、逆行沙丘、流槽和凹坑。流槽和凹坑。4.两种流体及其搬运和沉积作用方式两种流体及其搬运和沉积作用方式 牵引流牵引流(Traction current)符合牛顿流符合牛顿流体定律的流体。其搬运机制是流体动能拖曳牵体定律的流体。其搬
16、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。引沉积物一起运动，如河流、风流和波浪流等。沉积物重力流沉积物重力流(Gravity flow)在重力在重力作用下发生流动的弥散有大量沉积物的高密度作用下发生流动的弥散有大量沉积物的高密度流体。流体。牵引搬运牵引搬运(牵引作用牵引作用)能使碎屑物质作底负载移能使碎屑物质作底负载移动的各种作用动的各种作用 牵引流的搬运力包括推力和载荷力。牵引流的搬运力包括推力和载荷力。推力推力(牵引牵引力力)与流速有关，与流速有关，载荷力载荷力(负荷力负荷力)与流量有关。推力与流量有关。推力大不一定负荷力大，反之亦然。大不一定负荷力大，反之亦然。牵引
17、流搬运方式：牵引流搬运方式：溶解载荷、悬移载荷、推移载溶解载荷、悬移载荷、推移载荷或床沙载荷。荷或床沙载荷。重力流搬运的驱动力主要起因于重力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，是急水的流动状态关系密切，是层流还紊流，是急流还缓流；流还缓流；还与碎屑颗粒的本身特点还与碎屑颗粒的本身特点
18、(大小、大小、相对密度和形状等相对密度和形状等)有关。有关。1.搬运方式搬运方式 推移搬运推移搬运(滚动搬运，包括跳跃搬运滚动搬运，包括跳跃搬运)悬浮搬运悬浮搬运(悬移搬运悬移搬运)2.机械沉积作用机械沉积作用 处于搬运状态的碎屑物质，在一定的条件下，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，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碎屑物质在静水中下沉情况可用斯托克实验公式表示表示(G.G.Stokes，1850)：(适用于粒径适用于粒径0.1mm的球形颗粒的球形颗粒
19、)其中：其中：V 颗粒下沉速度颗粒下沉速度(cm/s)，d1-颗粒密度，颗粒密度，d2 水介质密度，水介质密度，g 重力加速度重力加速度(980cm/s2)，r 颗粒半径颗粒半径(cm)V=gr2 极极细砂细砂下沉下沉30m约需约需2h，而细粘土则约需而细粘土则约需1年；如年；如下沉下沉30004000m，极细砂约需极细砂约需10d，细粘土则约需细粘土则约需100年。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碎屑颗粒在静水中下沉速度与其相对密度成正比 斯托克公式只有在静水或层流的条件下才斯托克公式只有
20、在静水或层流的条件下才适用。适用。斯托克公式是在假定颗粒为球形的情况下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。求得的，假如颗粒不是球形，其沉速有所不同。实验证明，实验证明，假设球形颗粒的沉速为假设球形颗粒的沉速为100，则椭球，则椭球形颗粒的沉速为形颗粒的沉速为8461，立方体为，立方体为74，长柱体，长柱体为为50，片状颗粒为，片状颗粒为8038；尤尔斯特隆图解尤尔斯特隆图解 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。大小之间的关系最为关键。经经森德伯格森德伯格(Sundborg，1956)修
21、改过的修改过的尤尔斯特隆图解尤尔斯特隆图解 沃克沃克(Walker，1975)的图解的图解 当流动强度为当流动强度为P时，它所能时，它所能滚动的砾石最大粒径为滚动的砾石最大粒径为8cm，同时所悬浮的颗粒最大粒同时所悬浮的颗粒最大粒径为径为2.2mm。当流动强度略小于当流动强度略小于P时，可时，可使粒径为使粒径为8cm和和2.2mm的砾的砾石同时沉积，从而形成双众石同时沉积，从而形成双众数的砾岩。数的砾岩。当流动强度在当流动强度在P附近反复变附近反复变动时，则可能形成粗、细砾动时，则可能形成粗、细砾石沉积的互层，其平均粒度石沉积的互层，其平均粒度分别为分别为8cm和和2.2mm。如果流动强度急剧
22、减少，则如果流动强度急剧减少，则可能造成分选极差的多众数可能造成分选极差的多众数的砾、砂、粉砂和泥的混合的砾、砂、粉砂和泥的混合沉积物。沉积物。沉积沉积1mm砂粒所需的流动强度要比砂粒所需的流动强度要比沉积沉积7cm砾石所需强度小得多，因砾石所需强度小得多，因此，在平均粒度为此，在平均粒度为7cm的砾石沉积的砾石沉积的孔隙中所充填的孔隙中所充填1mm的砂，不可能的砂，不可能是同时沉积物。是同时沉积物。3.碎屑物质在流水搬运过程中的变化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。则相
23、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度逐渐变小 碎屑颗粒的圆度逐渐碎屑颗粒的圆度逐渐变好变好 碎屑颗粒的球度也有碎屑颗粒的球度也有所增高所增高 4.碎屑物质在流水搬运及沉积作用碎屑物质在流水搬运及沉积作用过程中的分异作用过程中的分异作用 沉积分异作用沉积分异作用(Sedimentary Differentiation)母岩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。可以分开的地表沉积带内。母岩
24、风化产物以及其它来源的沉积物，在搬运和沉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。作用。沉积分异作用包括：沉积分异作用包括：粒度分异粒度分异 相对密度的分异相对密度的分异 形状上的分异，片状碎屑颗粒较粒形状上的分异，片状碎屑颗粒较粒状碎屑颗粒搬运远，状碎屑颗粒搬运远，成分分异成分分异 机械沉积分异作用机械沉积分异作用(mechanical sedimentary differentiation)碎
25、屑物质在搬运和沉积过程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变化时，它们也相应按照颗粒大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，依次沉积。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与沉积分异作用相对立的是“掺和作用掺和作用”或或“混合作用混合作用”、“混杂作用混杂作用”。沉积岩的形成及其形成后的演化的全部历史过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：程大致可分为以下几个阶段：1、沉积岩原始物质、沉积岩原始物质（主要是母岩风化产物）（主要是母岩风
26、化产物）的形成阶段的形成阶段 2、沉积岩原始物质的搬运和沉积阶段、沉积岩原始物质的搬运和沉积阶段（即（即沉积物的形成阶段）沉积物的形成阶段）3、沉积后作用阶段、沉积后作用阶段（包括沉积物的同生作用（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）的后生作用阶段）思考题思考题 1、试述物理风化、化学风化、生物风化的表现形式、试述物理风化、化学风化、生物风化的表现形式及其影响因素及其影响因素?2、试述母岩风化产物的主要类型。、试述母岩风化产物的主要类型。3、试述影响碎屑物质在流水中搬运和沉积作用的主、试述影响碎屑物质在
27、流水中搬运和沉积作用的主要因素。要因素。4、试述雷诺数、试述雷诺数(Re)的含义，及其水力学解释在地质的含义，及其水力学解释在地质中的应用。中的应用。5、试述佛罗德数、试述佛罗德数(Fr)的含义，及其水力学解释在地的含义，及其水力学解释在地质中的应用。质中的应用。6、以龙尔斯特龙图解为例，说明碎屑颗粒的搬运、以龙尔斯特龙图解为例，说明碎屑颗粒的搬运、沉积与流速的关系。并说明细砂级颗粒为何分选最好。沉积与流速的关系。并说明细砂级颗粒为何分选最好。7、试述斯托克沉速公式的含义及其适用条件。、试述斯托克沉速公式的含义及其适用条件。8、屑物质在流水搬运过程中将发生哪些重大变化、屑物质在流水搬运过程中将
28、发生哪些重大变化?9、何谓沉积分异、何谓沉积分异?机械沉积分异的规律和模式如何机械沉积分异的规律和模式如何?10、与与流流水水搬搬运运、沉沉积积作作用用相相比比，风风和和冰冰川川的的搬搬运运、沉积作用各有哪些显著特点沉积作用各有哪些显著特点?11、何何谓谓牵牵引引流流、重重力力流流?二二者者在在搬搬运运和和沉沉积积方方面面各各有有什么特点什么特点?12、试述真溶液和胶体溶液的搬运和沉积作用。、试述真溶液和胶体溶液的搬运和沉积作用。13、何谓化学分异作用、何谓化学分异作用?试述它的影响因素及其模式。试述它的影响因素及其模式。14、试试述述机机械械沉沉积积分分异异和和化化学学沉沉积积分分异异的的关关系系及及其其在在地质中的意义。地质中的意义。15、试述沉积后作用的概念及其研究的意义。、试述沉积后作用的概念及其研究的意义。