沉積學(xué)沉積巖形成與演化

沉積學(xué)沉積巖形成與演化第1頁/共70頁原始物質(zhì)沉積物的搬運(yùn)沉積后作用階段形成階段和沉積作用階段原始物質(zhì)沉積物沉積巖搬運(yùn)沉積后作用沉積沉積巖形成的階段性沉積巖（sedimentaryrocks）的概念組成巖石圈的三大類巖石（巖漿巖、變質(zhì)巖、沉積巖）之一，是在地殼表層條件下，由母巖的風(fēng)化產(chǎn)物、火山物質(zhì)、有機(jī)物質(zhì)等沉積巖的原始物質(zhì)成分，經(jīng)過搬運(yùn)作用、沉積作用及沉積后作用而形成的一類巖石。第2頁/共70頁巖漿巖巖漿巖變質(zhì)巖沉積巖沉積物沉積作用搬運(yùn)作用隆升-暴露巖漿變質(zhì)作用成巖作用熔融作用結(jié)晶作用固結(jié)作用風(fēng)化作用巖石循環(huán)第3頁/共70頁第一節(jié)沉積巖原始物質(zhì)的形成

沉積巖的原始物質(zhì)有4種:母巖風(fēng)化產(chǎn)物生物來源物質(zhì)火山物質(zhì)宇宙物質(zhì)第4頁/共70頁一、母巖的風(fēng)化作用和產(chǎn)物—陸源物質(zhì)形成（一）風(fēng)化作用的概念地殼表層巖石的一種破壞作用；因溫度的變化，水以及各種酸的溶蝕作用，生物的作用以及各種地質(zhì)營力的剝蝕作用等，地殼表層的巖石處于不穩(wěn)定狀態(tài)，逐漸遭受破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)化產(chǎn)物的過程。巖石或礦物的一種物理破碎或化學(xué)轉(zhuǎn)化作用。由以下因素所引起:溫度變化、水、酸、生物第5頁/共70頁風(fēng)化作用的類型:物理風(fēng)化作用化學(xué)風(fēng)化作用生物風(fēng)化作用巖石崩解成碎屑溫度變化、重力作用水、冰、風(fēng)破壞、晶體生長分解成新礦物氧、水、溶于水中的酸碎屑、新礦物生物活動第6頁/共70頁物理風(fēng)化作用:

冰劈作用層裂或卸載作用鹽分結(jié)晶的撐裂作用熱脹冷縮作用生物作用地表巖石發(fā)生機(jī)械破碎而不改變其化學(xué)成分也不形成新礦物的作用。第7頁/共70頁美國，內(nèi)華達(dá)州，WheelerPark,第8頁/共70頁美國，內(nèi)華達(dá)州，WheelerPark,第9頁/共70頁第10頁/共70頁水進(jìn)入巖石溫度降低，水凝結(jié)成冰，對巖石產(chǎn)生張力冰融化，裂縫擴(kuò)大，巖塊從巖體中脫離下來第11頁/共70頁美國，加利福尼亞洲，Yosemite國家公園第12頁/共70頁美國，加利福尼亞洲，Yosemite國家公園第13頁/共70頁美國，加利福尼亞洲，Yosemite國家公園第14頁/共70頁巖體深埋上覆巖層剝蝕巖體向外彭脹，形成層裂第15頁/共70頁Marineabrasionofgraniteprecededandfacilitatedbyrockdisintegrationthroughsaltweatheringinthesurfzone(FrenchMediterraneancoastnearSt.Tropez

第16頁/共70頁Developingsaltcrustthroughevaporationofsaltbrineinthesurfzone第17頁/共70頁第18頁/共70頁第19頁/共70頁熱脹冷縮作用第20頁/共70頁熱脹冷縮作用第21頁/共70頁新疆烏爾禾魔鬼城第22頁/共70頁新疆烏爾禾魔鬼城第23頁/共70頁物理風(fēng)化作用增大了巖石的表面積第24頁/共70頁斷層與解理第25頁/共70頁化學(xué)風(fēng)化作用:在氧、水和溶于水中的各種酸的作用下，母巖遭受氧化、水解、和溶濾等化學(xué)變化，使其分解而產(chǎn)生新礦物的過程。溶解作用水化作用水解作用氧化作用第26頁/共70頁溶解和未溶解的灰?guī)r溶解作用第27頁/共70頁花崗巖表面局部溶蝕水解作用第28頁/共70頁水解作用第29頁/共70頁棱角狀到圓狀水解作用第30頁/共70頁氧化作用第31頁/共70頁生物風(fēng)化作用:生物活動對巖石所起的機(jī)械的或化學(xué)的破壞作用。第32頁/共70頁山西省霍州市霍山國家地質(zhì)公園第33頁/共70頁花崗巖中的根劈北京房山縣第34頁/共70頁（二）元素的風(fēng)化分異作用在相同的特定風(fēng)化條件下，各類造巖元素由于從母巖中析出的難易程度不同，而按一定順序從母巖中分離出來的現(xiàn)象?！承┰氐牧転V分散和另一些元素的殘積、富集。

第35頁/共70頁化學(xué)成分巖漿巖平均化學(xué)成分（%）流經(jīng)巖漿巖地區(qū)的河流流水溶解物質(zhì)的成分（%）無素及化合物的相對轉(zhuǎn)移性SiO259.0912.80.20Al2O315.350.900.02Fe2O37.290.400.04Ca3.0014.793.00Mg2.114.901.30Na2.979.502.40K2.574.401.25Cl-0.056.75100.00SO42-0.1511.6057.00CO32--38.50-波雷諾夫，1934，1952第36頁/共70頁轉(zhuǎn)移順序元素或化合物數(shù)量級別最易轉(zhuǎn)移Cl,(Br,I),Sn×10易轉(zhuǎn)移Ca,Na,Mg,Kn可轉(zhuǎn)移SiO2（硅酸鹽）,P,Mnn×10-1略可轉(zhuǎn)移Fe,Al,Tin×10-2基本上不轉(zhuǎn)移SiO2（石英）n×10-∞表2-3元素的風(fēng)化轉(zhuǎn)移順序（按波雷諾夫，1948）第37頁/共70頁“水遷移系數(shù)——kx”元素在風(fēng)化帶中的遷移能力1.最易遷移元素（Kx=n·10～n·102）Cl,Br,I,S等以鹵族元素為主；2.易遷移元素（Kx=n～n·10）Ca,Mg,Na,F,Sr,K,Zn3.遷移元素（Kx=n·10-1～n）Cu,Ni,Co,V,Mn,Si（硅酸鹽中）,P；4.惰性（微弱遷移）元素（Kx<n·10-1）Fe,Al,Ti,Sc,Y,Tr…5.幾乎不遷移元素（Kx≈n·10-10）Si（石英）

第38頁/共70頁（三）礦物的風(fēng)化及其產(chǎn)物1.石英在風(fēng)化作用過程中穩(wěn)定性最高，一般只發(fā)生機(jī)械破碎作用,幾乎不發(fā)生化學(xué)溶解作用。碎屑沉積巖最主要的造巖礦物，在巖石中平均含量達(dá)66.8%。第39頁/共70頁1.石英2.長石長石風(fēng)化穩(wěn)定性僅次于石英鉀長石多鈉的酸性斜長石∨∨斜長石中性斜長石穩(wěn)定

∨多鈣的基性斜長石沉積巖中鉀長石多于斜長石

第40頁/共70頁（1）鉀長石

析出K,Si析出K,Al

SiO2·nH2O（蛋白石）K[AlSi3O8]→K＜1Al2[(Si,Al)4O10][OH]2·nH2O→Al4[Si4O10][OH]8→

鉀長石

+H2O

水云母

+H2O

高嶺石

Al2O3·nH2O（鋁土礦）（2）斜長石

蛋白石

斜長石→蒙脫石→高嶺石→鋁土礦第41頁/共70頁1.石英2.長石3.云母白云母（K）的抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，在沉積巖中較常見。析出鉀，加入水→水白云母→高嶺石黑云母（Fe、Mg）的抗風(fēng)化能力比白云母差得多。析出K、Mg，加水→蛭石＋綠泥石＋褐鐵礦第42頁/共70頁1.石英2.長石3.云母4.鐵鎂硅酸鹽礦物抗風(fēng)化能力比石英、長石、云母差得多橄欖石<輝石<角閃石在風(fēng)化產(chǎn)物中很少保留→在沉積巖中少見→褐鐵礦、蛋白石第43頁/共70頁1.石英2.長石3.云母4.鐵鎂硅酸鹽礦物5.粘土礦物高嶺石>伊利石>蒙脫石→蛋白石、鋁土第44頁/共70頁1.石英2.長石3.云母4.鐵鎂硅酸鹽礦物5.粘土礦物6.碳酸鹽礦物風(fēng)化穩(wěn)定性很差，很易溶于水并被遷移第45頁/共70頁1.石英2.長石3.云母4.鐵鎂硅酸鹽礦物5.粘土礦物6.碳酸鹽礦物7.硫酸鹽礦物風(fēng)化穩(wěn)定性最差，很易溶于水，呈溶液狀態(tài)流失第46頁/共70頁1.石英2.長石3.云母4.鐵鎂硅酸鹽礦物5.粘土礦物6.碳酸鹽礦物7.硫酸鹽礦物8.副礦物石榴石、鋯英石、剛玉、電氣石、錫石、金紅石、磁鐵礦、榍石、藍(lán)晶石、獨居石、紅柱石等風(fēng)化穩(wěn)定性較大。沉積巖中的重礦物第47頁/共70頁為什么造巖礦物風(fēng)化穩(wěn)定性差別如此之大？1.造巖元素風(fēng)化分異作用2.礦物的結(jié)晶溫度（鮑文反應(yīng)系列）高溫礦物抗風(fēng)化能力差，低溫礦物穩(wěn)定，但金剛石呢？3.礦物的晶體化學(xué)性質(zhì)（晶體構(gòu)造）氧和陽離子之間的鍵強(qiáng)度總數(shù)（cal/mol）第48頁/共70頁NormanL.Bowen諾爾曼·鮑文

1887-1956

Bowen,N.L.,Thelaterstagesoftheevolutionoftheigneousrocks,JournalofGeology,23,1–89,1915.Bowen,N.L.,EvolutionoftheIgneousRocks,PrincetonUniversityPress,Princeton,1928.Kingston,Ontario,CanadianM.A.,QueensUniversity,1907B.S.inMineralogyandGeology,QueensUniversity,1909Ph.D.inGeology,MassachusettsInstituteofTechnology,1912D.Sc.,HarvardUniversity,1936D.Sc.,YaleUniversity,1951第49頁/共70頁鮑文反應(yīng)系列描述礦物從不同溫度及成分的巖漿中結(jié)晶的順序不連續(xù)系列連續(xù)系列第50頁/共70頁1.各種巖石的風(fēng)化及其產(chǎn)物巖石是礦物的集合體不同的巖石礦物組成不同再加上結(jié)構(gòu)、產(chǎn)狀、形成背景等差異→母巖風(fēng)化的差異性（四）母巖的風(fēng)化及其產(chǎn)物第51頁/共70頁花崗巖石英：機(jī)械破碎

——砂粒鉀長石：K2O——成為碳酸鹽、氯化物進(jìn)入溶液

——溶解物質(zhì)

Al2O3——水化后成為含水硅酸鹽

——粘土

SiO2——少部分游離出來

——溶解物質(zhì)斜長石：Na2O,CaO——碳酸鹽、氯化物，溶于水

——溶解物質(zhì)

Al2O3,SiO2

——同鉀長石白云母：較少分解

——云母碎片黑云母：H2O——水溶液

K2O，Al2O3，SiO2

——同鉀長石

(Mg,Fe)O——碳酸鹽,氯化物,赤鐵礦,褐鐵——溶解物質(zhì)及色素副礦物：鋯石、磷灰石——重礦物第52頁/共70頁2.母巖風(fēng)化作用的階段性由于母巖中的各種化學(xué)成分在風(fēng)化作用中轉(zhuǎn)移性質(zhì)的不同，母巖的風(fēng)化作用具有明顯的階段性。波雷諾夫?qū)⒔Y(jié)晶巖的風(fēng)化過程分為四個階段，在各階段中，各有其獨特的風(fēng)化產(chǎn)物（以玄武巖為例）。第53頁/共70頁A.機(jī)械破碎階段（碎屑階段）物理風(fēng)化為主→巖石或礦物的碎屑

玄武巖的主要礦物成分以輝石和斜長石為代表第54頁/共70頁B.飽和硅鋁階段：化學(xué)風(fēng)化開始，氯化物和硫酸鹽全部被溶解，帶出Cl-和SO42-；O2和H2O共同作用→輝石和斜長石等鋁硅酸鹽和硅酸鹽礦物分解，游離出堿金屬和堿土金屬（Na+,K+,Ca2+,Mg2+）離子，Ca2+、Na+流失比K+、Mg2+要快些；析出的陽離子使溶液呈堿性或中性，并使部分SiO2轉(zhuǎn)入溶液；形成少量粘土礦物——蒙脫石、水云母、還可出現(xiàn)拜來石、綠泥石等。碳酸鈣開始堆積。第55頁/共70頁C.酸性硅鋁階段：粘土型風(fēng)化作用幾乎全部的Ca2+、Na+、K+、Mg2+被帶走，SiO2進(jìn)一步進(jìn)入溶液，介質(zhì)由中/堿性轉(zhuǎn)為酸性，形成不含Ca2+、Na+、K+、Mg2+的高嶺石、變埃洛石等粘土礦物,上個階段形成的蒙脫石、水云母被破壞第56頁/共70頁D.鋁鐵土階段：風(fēng)化作用的最后階段硅酸鹽礦物徹底地分解，全部可移動元素都被帶走，鐵和鋁的氧化物和小部分SiO2以膠體狀態(tài)在酸性介質(zhì)中聚集，原地形成水鋁礦、褐鐵礦、針鐵礦、赤鐵礦和蛋白石。堆積物是一種紅色疏松的鐵質(zhì)或鋁質(zhì)土壤,也稱紅土。到達(dá)這個階段的風(fēng)化作用通常也稱為紅土型風(fēng)化作用第57頁/共70頁上述四個階段是一個完整的母巖風(fēng)化過程，但并不是所有的結(jié)晶巖風(fēng)化作用都能進(jìn)行到底。風(fēng)化作用能否達(dá)到最后的鋁鐵土階段，取決于母巖巖性、氣候、地形、地殼運(yùn)動強(qiáng)度、風(fēng)化時間長短等因素，尤其是氣候因素。第58頁/共70頁ChemicalweatheringbydissolutionLimestoneWeathering-resistantsandstoneyieldslittlesoilSoilSoilSoilFeldspar-richgraniteIron-richbasaltChemicalweatheringbyoxidationChemicalweatheringbyhydrolysisFactorsrelatedtobedrockcomposition第59頁/共70頁氣候?qū)δ笌r風(fēng)化作用的景響第60頁/共70頁3.母巖風(fēng)化產(chǎn)物的類型（1）碎屑?xì)埩粑镔|(zhì)母巖巖屑或礦物碎屑，在風(fēng)化作用的第一階段最發(fā)育（2）新生成的礦物----“化學(xué)風(fēng)化物質(zhì)”化學(xué)風(fēng)化作用過程中新生成的礦物水白云母、高嶺石、蒙脫石、蛋白石、鋁土礦、褐鐵礦等（3）溶解物質(zhì)化學(xué)風(fēng)化中被溶解的Cl、S、Ca、Na、Mg、K、Si、Fe、Al、P…。第61頁/共70頁三類風(fēng)化產(chǎn)物構(gòu)成最重要的三類沉積巖的基本物質(zhì)碎屑?xì)埩粑镔|(zhì)＋化學(xué)風(fēng)化物質(zhì)→（陸源）碎屑物質(zhì)碎屑巖主要的原始物質(zhì)溶解物質(zhì)化學(xué)巖和生物化學(xué)巖和生物巖風(fēng)化產(chǎn)物的性質(zhì)影響以后所生成的沉積巖的性質(zhì)↓從母巖的風(fēng)化作用開始，沉積巖的形成作用就開始了第62頁/共70頁1.風(fēng)化殼或風(fēng)化帶的概念由風(fēng)化殘留物質(zhì)組成的地表巖石的表層部分已風(fēng)化了的地表巖石的表層部分2.風(fēng)化殼的厚度決定于母巖性質(zhì)、氣候、地形、構(gòu)造等因素母巖性質(zhì)是最根本的因