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2.沉积相的概念
“相”这一术语早在1669年由丹麦地质学家斯坦诺(N.Steno)引入了地质文献。
沉积学中引用是从格列斯利(A.Gress1838)开始。
塞利(R.C1976)又提出“相”从五个方面限定:
沉积岩体的几何形态、岩石特点、古生物特点、沉积构造特点、古流相特点;
由此可见“相”理解为“沉积环境的古代产物”也就是说“环境中的物质表现”如生物学的综合表现即“生物相”,在岩性方面的综合表现即“岩相”。
3.沉积相模式的概念
沉积模式:
这一术语波特和裴蒂庄(Potter&
Pettijohn.1963)的定义是:
“沉积模式实质上是描述了在现的沉积作用的面貌”;
沃克(R.Walker.1978)认为“沉积模式就是对沉积特征的一种全面的概括”。
这种概括,包括两个方面:
一是特征的概括,二是形成机理的概括;
由此可见“模式”是具有解释性的内涵。
第二节沉积环境与沉积相的分类
环境既是地理景观,其分类亦按地理景观。
“相”是环境的物质表现,而同一环境中又可以沉积出几种类型的沉积物。
因此很难制定出完全统一的,理想的相分类。
这里要讨论的分类方案为建议性分类。
通过讨论沉积环境与沉积相的概念,我们可认识到“环境”与“相”这两个名词的意义是不相同的,如“河流环境”与“河流相”前者表示现代的地理景观单位,而后者则常指古代环境中形成的一套沉积组合。
沉积环境与沉积相的分类方案:
我们长期以来习惯用于海相(深海、浅海)、河流相、湖泊相等等。
也就是“相”之前加以环境的名称。
用这样的名称表示古环境的沉积特征。
例如用“海相”来表示古海洋环境所造成的沉积特征,包括岩性,古生物、古气候等,既一套沉积组合。
用“河流相”表示古河流所造成的沉积特征,包括岩性,古生物、古气候等,既一套沉积组合。
沉积环境与沉积相的分类表
第三节沉积环境与沉积相的判别标志
古代环境在地质历史记录中表现为沉积层的各种特征。
这些特征就是特定的古代环境的物质表现(沉积岩石学的全部内容),以下为沉积层的各种特征:
成分:
碎屑成分、填隙物及成岩物质等;
结构:
成分的形态等岩石的微观特征;
构造:
颜色、层理和层面等岩石的宏观特征;
生物:
种类及习性;
定向性:
特定的力学性质作用产物;
层序:
形成、产出、演化和时间;
砂体的形态:
大小等空间展布几何外形;
剖面结构;
宏观展布及韵律性;
判别标志的基本原则:
以上八个方面为划分沉积岩类型及判别沉积相的依据。
也作为研究岩石成因及划分沉积环境、沉积相的标志。
这些特征(标志),大部分遭受强度不等的搬运介质动力的影响(特别是水动力)。
因此搬运介质的动力学性质可作为分析成因标志的重要基础。
一.流体的基本概念和有关沉积物搬运机理
1.流体的基本概念
说明流体特征的术语:
粘度、密度、剪切阻力;
以及在近似条件下形成:
流体流动层流或紊流能力、流体流动强度的大小。
层流的定义:
流体的各部分沿着与流体边界相一致的面彼此滑过的流体。
紊流的定义:
流体出现复杂的流动路线,典型的是曲线状的以及螺旋状的流动路线的流体。
(Re)雷诺数:
是判别流动流体的层流与紊流的参数。
Re<2000±
时的流动为层流型;
Re=2000-10000时为过渡型;
Re>10000-12000时为紊流型;
(Fr)福劳德数:
是急流与缓流的判别参数,可以判别明渠水流的流态。
当Fr<1时,是水流为缓流,是临街下的流动状态,水深流缓特点,也称为低流态。
当Fr=1时,是水流为临界流,也称为过渡态。
当Fr>1时,是水流为急流,超临界的流动状态,也称为高流态。
它是代表一种水浅流急的流动特点。
福劳德数可理解为:
如果重力波的波长可以和水深相比拟的时候,即当重力波波长等于水深时,则此重力波的速度等于
,此时Fr=1。
如果Fr>1时,则由于向下游的流速大于向上游传播的波速,就不可能有向上游传播的波。
此时的流动特点是急流或称超临界流动,是水浅流急,高流态。
如果Fr<1时所出现的则是缓流或临界下的流动,是水深流缓的流态,又称低流态。
下面介绍有关流体的两个定义:
①牛顿流体:
具有固定不变粘性流体称为牛顿流体。
内部含颗粒少的(低密度的)以床沙载荷方式进行搬运的牵引流体(如正常的河流、海浪、风)都是牛顿流体。
浓度很高的含颗粒在30%以上的流体(重力流、块状流)则不属于牛顿流体。
②超孔隙压力流体:
当沉积速率很快,上覆沉积物急剧加厚,负载急剧加大,而孔隙水不能予以排泄,造成孔隙水压力大于静水压力,即出现超孔隙压力水。
因此孔隙水产生膨胀扩散流动,使颗粒局部悬浮,破坏它们的原接触状态,颗粒也膨胀扩散起来形成液体状态,原非粘性颗粒体超过其临界密度,形成高密度液体(液化物流),称液化了的颗粒体。
牵引流与重力流对沉积物的搬运方式和引起沉积物搬运时驱动力不同:
(1)牵引流(牛顿流体)既有推移,又有悬浮方式搬运。
牵引流体的搬运力表现为:
①流体作用与沉积物上的推力(牵引力),推力的大小取决于流体的流速。
②
沉积物的负荷力(载荷力),负荷力的大小取决于流量。
(2)重力流(非牛顿流体)流动以及驱使沉积物发生移动的动力是重力。
重力流是流体和悬浮颗粒的高密度混合体。
它的流动主要是由于作用在高密度固态物质上的重力所引起。
搬运的方式以悬浮搬运为主。
2.沉积物搬运机理
从物理学来看有两种最基本的搬运类型:
①悬浮载荷(悬移质),②床沙载荷(推移质);
与此对应的有两种搬运形式:
①悬浮搬运;
②推移搬运。
(1)悬浮搬运
空气和水流把细的沉积物弥散开,并在空气和水流的本体内进行搬运,此时最基本的驱动力就是紊流;
①水有关的悬浮搬运(水悬浮体)密度达到2.0/cm3时紊动可持续存在。
类型有:
粒序悬浮-粒度和密度分布向上呈递减;
均匀悬浮-粒度和密度分布均匀一致;
浊流的形成-低密度悬浮体向高密度悬浮体过渡。
②空气有关的悬浮搬运,空气的密度和粘度很低,根据地球大气圈的构造可分低海拔悬浮(2-5Km)和高海拔悬浮。
低海拔悬浮体-悬浮体限于2-5Km的大气圈,此带被很强的地面风向上吹扬或火山喷发产生的热灰云。
其特点是沉积物厚度和粒度与物源有关;
高海拔悬浮体-地球高海拔处喷射流所搬运的风成悬浮体,是超常态特殊能量循环(核暴炸、火山喷发)产生的灰云。
而常含细砂。
其特点是物源与沉积区无联系。
如匈牙利中部的细碎屑沉积来自非洲的撒哈拉。
1947.4月在芬兰东部的火山碎屑来自冰岛火山。
长白山火山灰,在日本岛上发现等。
(2)推移质搬运
推移质搬运:
在沉积学中称之为牵引方式搬运,牵引作用是颗粒惯性的产物,是因碰撞而产生。
主要以床沙载荷(推移质)方式进行搬运的流体称为牵引流。
是密度和粘度均小,与它相对应的是密度流(重力流、块状流),这是一种密度和粘度均大的流体。
在重力作用下呈块状整体的流动,是以悬浮载荷方式进行方式。
根据弗里德曼的意见,大气重力沉积物包括:
1岩崩沉积物:
巨大的岩崩物质也可以形成巨大的流动,运移很长的距。
2热气低浪沉积物:
有强烈的喷发处向外运移的气和颗粒的扩张的稠密的底云,最常见于小火山口型(低平火山口)的火山共生沉积。
③
热灰云:
由火山喷发出的灼热的发光的云,其中许多火山碎屑物(细小岩浆凝块,炽热固体颗粒),沉积后其焊接作用。
所产生的流动有很大的活动性质和很高的速度,是一种液化作用的产生,是由于气体从颗粒间流泄出来所产生的流动。
④
碎屑流:
有火山的和非火山作用的,它是流动的水(与火山气流有关的雨雪)和细颗粒的含泥质的混合物,它们可以支撑搬运大量的粗颗粒。
火山碎屑流即火山的灰流。
非火山碎屑流即(与暴雨有关的)大陆泥石流。
米德尔顿和汉普顿(1976)根据颗粒支撑的机理不同,将水下沉积物重力流分为四种:
①
含水的泥质基质以及所携带的碎屑和水组成,基质的密度可高达2.5,最大流速约1-3米/秒,能在小于1º
-2º
的缓坡上可以产生。
碎屑流沉积一般缺乏分选,在较细的基质中夹有中砾和巨砾,而粒度分析直方图为双峰,层理不明显,可底部有时有逆粒序层理。
②颗粒流:
这是巴格诺尔德提出的概念,是无凝聚力的颗粒之间的碰撞作用所产生的支撑应力引起的颗粒沉积物流动。
其特点是砂基质中有大的碎屑物,一般层厚,无粒序,内部为块状,有时出现逆粒序(动力筛选作用)。
不发育的碟状构造,缺乏低面印痕,缺乏典型的牵引流构造。
液化沉积物流:
是孔隙流体支撑颗粒,在外力因素的影响下,原来颗粒支撑的重量传递到孔隙流体,使超孔隙压力急剧增加,颗粒之间的摩擦力减少,甚至趋向零。
使沙成悬浮状态。
表现为具有粘性的流体。
沉积物的特征为粒序性差,有明显的顶底,无牵引流构造(已破坏),底部有重荷模,有碟状及泄水构造,沙火山和包卷层理。
浊流:
沉积物和水的混合物,由流体紊动向上的分离支撑颗粒,使沉积物呈悬浮状态,并与上覆水体形成明显的密度差,在重力作用下这种混合物沿着水下斜坡流动而形成。
沉积物的在垂向上具有一定的内部构造层序(鲍马层序)。
是五个连续的构造段组成。
2.沉积物搬运机理
低海拔悬浮体悬浮体限于2-5KM的大气圈,此带,被很强的地面风向上吹扬或火山喷发产生的热灰云。
其特点是沉积物厚度和粒度与物源有关。
高海拔悬浮体地球高海拔处喷射流所搬运的风成悬浮体,是超常态特殊能量循环(核暴炸、火山喷发)产生的灰云。
二.沉积物的环境意义
沉积岩中的各种组分(微量元素、同位素、矿物成分)常与形成环境有着密切的关系。
因此对沉积相的研究,应该考虑以下四个方面:
1、宏观的;
2、微观的;
3、自然的;
4、改造的。
这样才能全面地、可观地去分析沉积相。
沉积岩中微量元素的含量取决与以下一系列因素:
1、原生条件;
2、陆源区性质(母岩岩性);
3、古气候特点;
4、沉积环境(包括水的性质);
5、沉积岩主成分;
6、生物作用;
7、成岩后生作用。
因此,分析研究沉积岩中的微量元素。
就可以对再造古地理,古环境提供重要地质信息。
如生物(有机质)是沉积岩中常见,而极其重要的(可以说特有的)组分。
在生物生活以及死后埋藏和转化过程中对于某些元素的迁移及富集有极大的作用。
有机质本身就是由O、H、C、N、Ca所组成。
其中其它元素很少,只占1.0-10-11%。
另外有些生物含大量S、P、Mg、Sr、K,而较少含的元素是Fe、Mn、V等。
还有用Rb、K、B-Ga、Sr-Ba作为淡水和海水的区别标志。
目前常用的方法之一,在泥岩中用B(硼)测陆与海的区别,主要用粘土矿物伊利石来分析。
结果表明,海水B一般超过100ppm,而陆相中B一般<70ppm。
[二]矿物成分(包括岩屑)
沉积岩中矿物成分(指岩屑和准成岩期的自生矿物),主要确定岩石类型、成因及沉积岩环境或古地理方面的某些特点。
因此,矿物成分是一种重要的岩石成因及相标志。
下面重点介绍几种主要的成分的特点:
1.岩屑:
岩屑在沉积岩中的含量、种类及粒度是变化极大,这是因为取决于陆源区性质,远近和母岩本身的结构等。
它反映物源区和沉积区的古地貌,古沉积环境的重要标志之一。
岩屑在沉积和成岩作用中非常不稳定,特别是在成岩作用中次生变化现象明显。
2.石英:
石英的标性特征如包裹体,消光类型,颜色,微量元素,形状,圆度和表面结构特征等都具有环境及成因意义。
对石英碎屑中的包裹体研究。
可作物源标志的重要依据,如火成岩中的石英常具有针状包裹体(来自花岗岩类的针状金红石),变质岩中的石英一般具有等轴状自形晶的矿物包裹体。
含绿泥石的石英(乳白色),则几乎来源于热液脉。
石英的表面特征分析对古环境的判别有着重要的意义,如石英表面毛玻璃化(风成),擦痕(冰川)。
3.长石:
长石是易风化,分解,故可作为砂岩成分成熟度的标志,长石具有解理,比石英更易碎裂成小块。
故沿岸搬运比河流搬运更易减小它的含量。
影响长石含量的因素有:
①钾长石和斜长石抗风化能力强,故沉积岩中含量比其它长石多。
②长石的环带构造,如火山岩的长石具有一种由交替消光的环带,而岩浆岩的斜长石具有正常的环带,变质岩中几乎没有环带长石。
③沉积岩中的长石沉积过程,并不损失其放射性氩元素,故可用K-Ar法确定年龄,推断母岩的情况。
[三]同位素
近年来同位素的研究工作发展很快,研究范围扩大到地球科学的各个领域。
包括:
1.天体物质;
2.大气降水;
3.海洋沉积;
4.能源开发;
5.岩浆起源;
6.矿床成因;
7.地壳演化;
8.古气候变迁。
所谓的同位素就是指原子核内质子数目相同,而中子数目不同的一些原子,其中又可分为稳定同位素和不稳定同位素(不稳定也称为放射性)。
目前常用的鉴别古地理环境的主要是稳定同位素中的氧、炭、硫等同位素:
氧有三种稳定同位素(O、O、O);
碳有两种稳定同位素(C、C);
硫有四种稳定同位素(S、S、S、S)。
由于同位素分馏作用,即同位素交换效应,动力效应,和其它物理-化学效应等因素,导致不同环境下形成的地质体,其稳定同位素组成不同。
这就是我们之所以能够利用稳定同位素组成不同的组合关系来(定量)分析不同环境下形成的地质体特点。
这就是我们之所以能够利用稳定同位素来恢复古环境及成岩,成矿过程的根本原理。
通常:
O/O、C/C、S/S的比值表示元素的稳定同位素组合。
由于这些比值变化十分微小。
[四]重矿物
重矿物分析结果主要用于对比亚地层,追索陆源区,判别母岩性质和推断侵蚀区。
由于重矿物(比重>
2.86)在不同粒级砂岩中富集程度(含量<
1%)不同。
因此,取样分析研究时应要考虑实际情况,一般在0.06-0.4mm粒级范围最为合适。
重矿物的稳定性是一个很重要的性质,下面可以按三方面讨论:
抗风化性,抗搬运性,抗层间溶解性。
⑴抗风化性(可分为四组):
①最稳定的:
锆石、金红石、电气石。
②中等稳定的:
兰晶石,十字石,矽线石,红柱石,绿帘石。
③低稳定的:
磷灰石,石椔石。
④最不稳定的:
角闪石,辉石,橄榄石。
⑵抗搬运性:
根据重矿物晶体形态如短柱状或等轴粒状晶形的重矿物抗磨蚀,而搬运远。
⑶抗层间溶解性:
重矿物在成岩后生期(风化带以下)溶解现象,称为层间溶解性,从弱到强的顺序为:
-2白云母、-1金红石、1锆石、2电气石、5黑云母、12角闪石、17辉石、22杆栏石。
(4)组合特征:
①重矿物中锆石、电气石、石椔石、磷灰石、红柱石等组合为来之火成岩。
②重矿物中兰晶石、十字石、矽线石、红柱石、绿帘石、金红石等组合为来之变质岩。
③最不稳定的重矿物角闪石、辉石、杆栏石,在沉积岩中难易保存。
[五]自生矿物的环境意义
自生矿物是在同生,成岩,后生及表生成岩期形成的矿物(粘土矿物、绿泥石、白云母、海绿石等)。
最有环境意义的是同生期和准同生期的自生矿物。
海绿石是此阶级形成的自生矿物,是层状硅酸盐,属伊利石族二轴晶,负光性,中突起,粒状,它通常呈颗粒,胶结物,裂隙和孔隙(包括生物体腔)充填物。
自生矿物以海绿石为例:
1.生成条件:
温度<15º
C,PH=7-8,Eh=0-200mv,水流缓慢,暂时无沉积的间断面。
要形成2mm大小颗粒约需要100-1000年。
在细菌缓慢分解有机质处可造成弱氧化-弱还原的有利环境,故海绿石在温暖陆硼环境分布广,在寒、暖流汇合处最为富集。
海绿石可作为环境标志和地层标志。
2.环境意义:
海绿石10Å
型生成于清洁的中浅海环境,7Å
型生成在内浅海和滨海沼泽中。
多铁亚种产于开阔浅海,多铝亚种产于近岸相,贫铁、贫钾、高铝的过渡型海绿石产于非海相环境。
3.地层学意义:
可以指示海侵,它常产于海侵层位底部。
可指示不整合面,此处生成的海绿石是有序的,粒大,色深,常与磷共生,在整合面处也见有海绿石,是无序型,颗粒小,色浅。
[六]判断沉积环境的生物标志
(一)生物环境
生物在自然界生活过程中,都需要一定的生存条件。
如水生环境,陆生环境、气生环境和寄生环境等。
在地质学中则以水生环境为更重要。
水生环境又分海相和非海相环境,在沉积学上,古代沉积环境的物质表现包括岩相和生物相。
在不统的沉积环境中都有与环境物理化学相适应的沉积物组合和生物组合及生态特征。
1.在水生环境中的生物相发育的主要控制因素:
①
物理因素(包括九个方面):
水体的温度,深度,压力,浑浊度,光照度,水体流动性,能量大小,水域基底性质,水体所处的地理位置(经、纬度,海拔高度)。
如:
北极区的拉普贴大海(北纬75°
)到热带区马来西亚海,随着纬度的降低而水域温度增高,海洋生物的种数从400种增加到40000种。
水的深度的增加不仅直接影响光照度和压力,而且对温度和盐度也产生直接的影响。
化学因素(包括五个方面):
有水体的盐度和氧、氮、二氧化碳、硫化氢等气体,微量元素及有机化合物含量,胶体状况等。
水域的盐度不仅影响生物的生存,繁殖,数量,属种,而且还影响个体大小。
据统计现代生物种属,在正常盐度海中最多。
生物因素(包括四个方面):
生物的种类、数量和密度关系,生物的共和关系,对抗和竞争关系,食物营养供给和依赖关系等。
2.水生环境中生物的生态:
生态是各种生物为了适应其生活环境都有一定的习性和行为,其最主要的是食性,运动方式和栖息特点。
食性可分:
草食生物,肉食生物,滤食生物,泥食,杂食生物。
运动方式和栖息特点可分:
底栖,游泳,浮游生物等。
另外还有不可忽视的寄生生物。
(二)生物标志的环境意义
各个地质时期的生物标志,主要是被保存下来的遗体或遗迹化石。
这些化石不仅能够确定沉积物的地质时代,而且还能提供分析沉积环境。
因此称为环境标志。
1.分布于仅有海相特有或主要海相环境的无脊椎动物有:
有孔虫,放射虫,腔肠动物,苔藓动物,腕足动物,头足动物,掘足动物,三叶虫,棘皮动物等。
2.分布于非海相环境的无脊椎动物有:
部分腹足动物,双壳动物,介形虫。
叶肢介,昆虫和海绵动物等。
3.藻类是再造古水生环境中使用最广泛的生物标志
①呈叠层状构造的兰藻是潮坪,泻湖和半咸水环境的产物。
②呈树枝状或结核团块状者,为淡水,河流湖泊环境的产物。
③绿藻中的藻类和粗枝藻类为主要热带,亚热带浅海低能环境的产物。
④红藻和颗石藻则仅分布于海相环境。
⑤轻藻主要是淡水藻类,广泛用于非海相环境。
(三)化石的矿物成分及显微结构
1.化石的矿物成分:
组成生物硬体的矿物成分主要为钙镁碳酸盐,钙磷酸盐,二氧化硅,有机化合物,其中钙镁碳酸盐包括了白云石,低镁方解石和文石。
①钙镁碳酸盐:
是组成各门类化石矿物成分的主体,主要为低镁方解石、文石,常见于软体动物和绿藻。
高镁方解石,常见于棘皮动物和红藻。
前寒武纪低等藻类由富钙白云石组成。
②钙磷酸盐:
是主要见于软舌螺,三叶虫,牙形石及脊椎动物的骨骼和牙齿。
③二氧化硅:
主要见于硅藻,硅鞭藻,放射虫和硅质海绵。
④有机质:
大部分为造骨的有机基质,包括几丁质,壳蛋白等。
统观各类化石,其矿物成分出现的时间大致是:
a.寒武纪为原生白云石,玉髓和石英;
b.震旦纪晚期为有机质;
c.震旦纪至寒武纪间为磷酸盐;
d.寒武纪初才开始出现方解石。
2.化石的显微结构是指组成化石矿物晶体的形状大小,排列方式及相互关系。
根据化石中晶体的空间分布可分为:
粒状结构;
纤状结构;
片状结构;
单晶体结构等。
(四)遗迹化石的环境标志
遗迹化石是地质时期生物生活,活动的遗迹和遗物的总称。
对现代海洋生物的活动痕迹的研究表明。
不同门类生物,在相同的生活环境中所产生的活动痕迹基本相似,而同一门类生物,在不同的生活环境里则产生不同的生活痕迹类型。
各类遗迹化石均能反映生物生存期间的原始环境,是判断沉积环境的良好标志。
遗迹化石的环境标志
1.判断水体底层气体状况:
沉积层内无遗迹化石,说明沉积水域底层环境恶劣,或缺氧环境。
2.判断沉积速率:
层内出现大量生物钻孔出现表明侵蚀或沉积间断出现。
3.判断水体流动性及方向:
许多底栖生物都有向流性的生态习性,这与食物营养和游离氧的供给有关。
4.判断水体能量大小:
根据潜穴的形态特征来判断水体能量大小。
5.判断沉积基底软硬性质。
第二章大陆沉积环境及沉积相模式
通常把沉积环境可分为:
1.大陆沉积环境:
包括冲积扇、河流、湖泊等沉积环境。
2.过渡沉积环境又称为三角洲沉积环境包括三角洲平原、三角洲前缘和前三角洲沉积环境。
3.陆源碎屑海洋沉积环境:
包括海岸、滨海、浅海、深海沉积环境。
4.碳酸盐沉积环境:
包括台地、台缘、盆地等沉积环境。
第一节冲积扇沉积环境及相模式
冲积扇是一种分布范围局限的沉积体系,其形状近似于一个扁圆锥体,通常发育于地势起伏大,沉积物补给丰富的地区。
冲积扇形成主要受构造、气候、母岩性质等的影响。
构造是指正断层及地堑,造山期后,裂谷作用等有关;
气候是指植被不发育的干旱条件;
母岩性质是指具快速剥蚀条件的母岩体。
一.冲积扇特点:
①由于干旱、半干旱气候条件的影响,岩石常具有红色,并常含有膏盐沉积、方解石沉积,而且呈结核状或层状产出。
②在沉积层序中,砾石为主,还有砂、粉砂、泥等岩石,粒度分布上,分选差,杂基含量高,直方图为多个众数,两种CM图形(牵引流,泥石流)。
③由于构造和地形影响,扇积物的搬运及沉积快,层理不发育,呈块状,水流模式呈扇性放射状。
④扇体分布,可以单个出现,或更多的山麓组成延伸长的扇群出现,规模可达长10
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- 沉积环境 沉积相 石经