经典地质图集，彻底搞明白沉积岩！

千奇百怪，极具特色，

作为野外最常见的一类岩石，

沉积岩的出露面积

可达陆地的75%。

大洋底部也几乎全部为

沉积岩或沉积物所覆盖！

（图源@J. Dianne Dotson）

（图源@Weyf）

（图源@James St. John）

沉积岩是地壳发展的

重要历史纪录。

目前已知地球年龄约为46亿年，

而沉积岩石圈中最老的岩石

可达36亿年(科拉半岛)，

有生命纪录的岩石

约为35亿(南非)。

沉积岩中富含化石的岩层（图源@Brocken Inaglory ）

如此漫长的历史中，

是什么构成了沉积岩？

形成过程又是怎样的？

沉积环境（图源@Techyan）

01

除宇宙尘埃等微量组分外，

沉积岩的沉积物来源

主要有三：

母岩风化产物

（居主导地位）、

火山物质及生物物质。

其中母岩物质，

一方面包括火成岩和

变质岩(原生岩)，

另一方面还包括组分

已经历过一次或多次沉积作用

而未被高温高压改造过的

较古老沉积岩。

沉积岩（图源@bou7out.com）

当这些岩石因为

地壳运动等原因

进入表生作用带后，

与大气、水及生物接触，

产生物理、化学变化而在原地

形成松散堆积物的全过程

被称为风化作用。

风化侵蚀（图源@Etan J. Tal）

风化作用的

基本类型之一为物理风化，

是指母岩的机械破碎。

主要外动力因素有温度、

水、冰、风、生物作用等，

产物为大小不同的碎屑物质。

物理风化（图源@Till Niermann ）

另一种化学风化以

母岩的化学分解为主，

主要外动力因素包括氧、

二氧化碳、水、生物等，

产物主要为析出离子的

真溶液和胶体溶液。

未风化(左)和风化(右)。（图源@Jstuby）

化学风化是一种

极其复杂的地球化学过程。

氧化作用、水解和水化作用、

去硅作用等都属于

化学风化作用。

化学风化（氧化）（图源@Saperaud）

风化作用的方向和进程与

地形和气候有着密切的关系。

如在热带潮湿地区，

由于大量降水，

化学风化进行较为彻底，

常形成极厚的疏松碎屑带。

热带潮湿地区（图源@UC Davis）

而在终年干旱的沙漠地区

或冰封的极地，

物理风化一般占主导地位。

（图源@Britannica）

母岩风化产物在

水、风、冰等介质的作用下

离开原地进行迁移，

就进入了搬运和沉积的新阶段。

（图源@Fondriest Environmental）

搬运和沉积作用主要包括

机械搬运和机械沉积作用、

化学搬运和化学沉积作用以及

生物搬运和生物沉积作用。

在机械搬运过程中，

随着介质流速的减小和

动能的减弱，

碎屑物质按照重量的大小

依次沉积的现象被称为

机械分异作用。

沉积（图源@Techyan）

碎屑物质的

搬运方式有三种：

滚动式、跳跃式和悬浮式。

前二者多系较粗或

较重颗粒，易较快沉积。

搬运方式（图源@Techyan）

后者系较轻、较细或

在形态上易飘浮的颗粒，

可在水中成悬浮式搬运很远或

在水体中保存很长时间。

悬浮泥沙入海湾（图源@Wilson44691）

化学风化产生的

可溶盐类和胶体物质，

常以真溶液或

胶体溶液的方式进行搬运。

（图源@Quora）

一般情况下，

溶解度越大的物质越难沉积。

这种化学物质因溶解度差别

而先后沉积的现象被称为

化学分异作用。

（图源@Tech）

生物作为一种

搬运营力的意义较小，

但其沉积作用却很重要。

它不仅可使溶解物质大量沉淀，

还可使部分黏土物质和

内源粒屑物质，以及大量

大气迁移元素沉积下来。

（图源@geology.com）

沉积物堆积下来后，

陆续为后继沉积物所覆盖，

进入与原介质隔绝的新环境。

压实（图源@Techyan）

在经过压实、胶结、重结晶和

物质成分重新组合等地质作用后，

形成坚固的岩石，即沉积岩。

而成岩作用即

这些地质作用的总称。

胶结（图源@Techyan）

02

目前，沉积物中

已发现的矿物在150种以上，

而常见的只有二十余种。

石英便是其中一种

最常见的碎屑矿物。

石英是最常见的

一种碎屑矿物，

主要成分是SiO2。

在砂岩中，

石英的平均含量达65%，

页岩中也可达20-30%。

石英（图源@Britannica）

科学家曾对20000个

石英颗粒进行统计，

发现其宽/长比一般在

0.61-0.71之间，

其球度为0.70-0.90，

其长轴方向一般与

结晶C轴一致。

石英（图源@Techyan）

纯石英传统上被称为

岩石水晶或透明石英，

是无色透明或半透明的。

而当含有其他杂质时，

会呈现出多种不同颜色，

如紫色、黄褐色等。

烟水晶（图源@Techyan）

长石是长石族矿物的总称，

与石英一样都是地壳中

最重要的造岩成分之一。

据统计，地壳上的沉积物中

约含长石5%。

长石（图源@Rob Lavinsky/iRocks.com ）

长石在表生条件下的

稳定性不及石英。

现代沉积的研究证明，

长石含量随着搬运距离的增加

而逐渐减少。

长石（图源@Minerals Education Coalition）

长石类别包括

钾长石（正长石）和斜长石。

钾长石是不可溶性钾盐矿物，

一般呈肉红黄白等色，

晶体常呈短柱状或厚板状，

莫氏硬度为6。

钾长石（图源@Didier Descouens）

斜长石是一种在地球上

很常见且很重要的

硅酸盐矿物。

斜长石并没有

特定的化学成分，

而是由钠长石和钙长石等

按不同比例形成的

固溶体系列。

构成长石固溶体的矿物组成相图（图源@Techyan）

云母也是一种

常见的碎屑矿物，

是钾、铝、镁、铁、锂等

金属的铝硅酸盐。

在成熟度较低的砂质或

粉砂质岩石中极为常见。

云母（图源@Diberri）

云母晶体呈

假六方片状或板状，

偶见柱状。

层状解理非常完全，

有玻璃光泽，

薄片具有弹性。

云母（图源@Saperaud commonswiki）

沉积物中的云母

常沿层面分布，

其中黑云母的稳定性较小，

常次变为绿泥石和海绿石，

不如白云母多见。

黑云母（图源@Fred Kruijen）

重矿物是碎屑组分中

含量较少但

意义重大的一类矿物。

在沉积岩中一般含量

在1%以下。

锆石(红)（图源@Rob Lavinsky/iRocks.com）

重矿物稳定性很大，

常集中在粉砂粒级的碎屑中。

由于重矿物在母岩中的分布

有一定的专属性，

因此是确定沉积岩物源和

历史的重要依据。

电气石（图源@Ivar Leidus ）

常见的重矿物包括

锆石、电气石、石榴石、

辉石、角闪石等。

石榴石（图源@Moha112100）

粘土矿物是沉积物中

数量最多的一类矿物，

是含水铝层状硅酸盐。

其粒度极小，

需用电子显微镜才能测定。

牛津粘土矿物(侏罗纪时期)（图源@Techyan）

多数粘土矿物如

伊利石等呈鳞片状，

结晶良好的高岭石则呈

完整的假六方片状，

少数粘土矿物呈管状或纤维状。

高岭石(扫描电镜图，×1340放大)（图源@U.S. Geological Survey）

沉积物中

碳酸盐矿物的种类也很多。

在现代沉积中最常见的是

方解石和霰石；

古代沉积中最常见的是

方解石和白云石。

白云石（图源@Kluka）

03

沉积岩的构造，

类型繁多，成因复杂。

层理是最常见的

一种沉积构造。

它通过成分、结构和

颜色的突变或渐变，

使岩石显示层状特征。

（图源@Miguel Vera León）

根据层理的形态，

可将其分为水平层理、

波状层理、斜层理、

递变层理、块状层理等。

递变层理（图源@Matthew Keyes）

其中水平层理在泥质岩和

细、粉砂岩中极为常见。

在这些细粒沉积中，

水平层理往往是

静水或微弱水流中

缓慢沉积作用的标志。

水平层理（图源@文献[Geological Structur]）

波状层理一般为

波浪振荡运动的产物，

但也可以在单向前进运动的

沉积介质中形成。

后者形成不对称波状层理，

且常有细层向

一个方向逐层迭覆。

波状层理（图源@Michael C. Rygel）

而斜层理由一系列

斜交层系界面的细层组成。

细层倾斜方向常反映

介质运动方向。

斜层理（图源@ NOAA/NESDIS/NODC）

沉积岩的层面构造

是重要的沉积成因标志。

其中常见的有波痕、泥裂、

雨痕、晶痕及印模等。

（图源@Reinhard Kirchner）

变形构造是

沉积物沉积同时或稍后，

亦即在其固结成岩之前，

沉积物尚处于塑性状态下

由无机作用形成的构造。

变形构造（图源@G1991）

如球一枕构造，

常见于覆盖在

泥质层之上的砂岩中。

砂层断成许多

球状或枕状的块体，

大小由几厘米至几米，

或断续相连，或各个孤立。

球一枕构造（图源@Rygel, M.C.）

包卷构造也是

典型的变形构造。

原生层理经变形后

呈复杂的褶皱状，

一般连续，无断裂或

角砾化现象，厚度稳定，

上下层面均平整。

包卷构造（图源@reddit.com/r/geology）

化学成因的构造在

沉积岩中也很常见。

从它的形成阶段来看,

有一部分形成于

同生或准同生阶段,

但大部分则是成岩或

后生阶段形成的。

化学成因沉积构造（图源@dmr.nd.gov）

从它的形成方式来看，

有的是凝集作用的产物，

如结核构造，

一种成分、结构或颜色与

围岩迥然不同的矿物集合体。

结核构造（图源@Courtesy Stuart Swann/North East Yorkshire Geology）

有的是压溶作用的产物，

如缝合线构造，

碳酸盐岩中常见的一种构造。

剖面上呈锯齿状的曲线，

平面上呈现为参差不平、

凹凸不平的面。

缝合线构造（图源@geocaching.com）

还有溶解-凝集作用的产物，

如龟背石，

一种特殊的成岩结核，

表面存在多边形的

同心环及放射状细脉，

因类似龟背的花纹而得名。

龟背石（图源@Techyan）

生物对沉积构造的

形成和改造

也有极其重要的意义。

它可以改造和破坏

沉积物的原始层理，

形成不显示任何

内部构造的块状均质岩石。

叠层石构造（图源@therockandartshop.com）

也可以通过其生命活动

形成特殊的构造类型，

如生物层理(叠层石构造)

及虫迹、虫孔等。

虫迹（图源@fossilmall.com/Pangaea）

参考资料：

[1] 何起祥. 沉积岩和沉积矿床[M]. 地质出版社, 1978.

[2]Gutiérrez De La Cruz, Liseth Vanessa. (2004). Geological Structures and Maps - A PRACTICAL GUIDE Richard J. Lisle 2004.

[3]佩蒂庄. 沉积岩[M]. 石油工业出版社, 1981.

[4]什维佐夫, 中华人民共和国地质部. 沉积岩石学原理[M]. 地质出版社, 1957.

[5]季汉成. 现代沉积[M]. 石油工业出版社, 1997.

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