3.4 沉积岩

▶ 3.4.1 沉积岩的概念

沉积岩是在地表和地下不太深的地方形成的地质体，它是在常温常压下，由风化作用、生物作用和某些火山作用所形成的松散沉积层，经过成岩作用后形成的。

沉积岩具有以下特点：

①沉积岩是地质体，是在地质历史发展过程中形成的，有其自己的发生和发展历史，在空间分布上有一定的位置和规律。

②沉积岩是在地表地质条件下形成的，因而与岩浆岩和变质岩有显著区别。

③沉积岩是松散沉积层经成岩作用方能成岩，松散沉积层与沉积岩有质的区别。沉积岩按体积约占岩石圈（厚度16 km）的5%，但在地表的分布面积很广，约占地球表面积的75%，是地表常见的岩石。

▶ 3.4.2 沉积岩的形成与物质成分

1）沉积岩的形成

沉积岩的形成一般经过了成岩（岩浆岩、沉积岩或变质岩）遭受风化、剥蚀破坏，破坏产物被搬运至一定场所沉积下来，再固结成岩的过程。具体成岩阶段分为4个阶段。

（1）风化阶段

地表或接近地表的岩石受温度变化，水、氧和生物等因素作用，在原地发生机械崩解或化学分解，形成松散碎屑物质、新的矿物或溶解物质。这些风化产物构成了沉积岩的物质来源。按作用的性质不同，可进一步分为物理风化、化学风化和生物风化3类。

①物理风化：主要指地表岩石受气温变化的影响，发生冷热、干湿或冻融的长期反复交替，使得岩石因组成矿物颗粒之间的连接遭到破坏而破碎崩解的过程。地壳岩石因上覆岩石被剥蚀发生卸荷作用而引起的岩石体积向上膨胀，也可产生平行岩石表面的膨胀裂隙，使岩石遭薄片状剥离。物理风化是一种机械破坏作用，它不改变岩石的化学成分。

②化学风化：系指岩石在H2O、O2和CO2等作用下发生的化学分解。其结果不但使岩石破碎，还使岩石的矿物成分和化学成分发生变化。也包括流水对可溶性岩体以溶解方式的破坏作用。

③生物风化：指表层岩石受生物活动影响而遭破坏的过程。这种作用既可是物理的，也可是化学的。人类的工程建设活动，植物根系生长对岩石的撑裂，穴居动物钻孔和打洞，都会对岩石产生机械破坏作用。而生物新陈代谢过程中产生的有机酸、亚硝酸、碳酸以及生物死亡后遗体分解产生的腐植质等则对岩石有化学破坏作用。

上述3种风化作用并非孤立地进行，而是互相联系和影响的。物理风化使岩石破碎，有利于水的渗透，这给化学风化创造了条件；化学风化使岩石变得松软，降低了抵抗破坏的能力，这又促进了物理风化的进行。但是，在一定的自然条件下，却经常是以某一种风化作用占主导地位。如在高寒和干燥地区以物理风化为主，而潮湿炎热地区以化学风化为主。

（2）搬运阶段

原岩风化产物，除一部分残留在原地外，大部分被流水、风、冰川、重力及生物等搬运到其他地方。搬运方式包括机械搬运和化学搬运。流水的搬运使得碎屑物质颗粒逐渐变细，并从棱角状变成浑圆形。化学搬运是将溶解物质带到湖海中去。搬运作用的方式亦可分为拖曳搬运、悬浮搬运和溶液搬运。

①拖曳搬运：被流水和风搬运的较粗粒物质，在地面上或沿河床底滚动或跳跃前进。被搬运物质大多数在搬运途中逐渐停积于低洼处或沉积于河床底部，部分被带入海洋。

②悬浮搬运：被搬运物质颗粒较细，随风在空中或悬浮于水中前进，搬运距离可以很远。我国西北地区的黄土就是以这种方式从很远的沙漠地区搬运来的。

③溶液搬运：风化和剥蚀产物以真溶液或胶体溶液的形式被搬运。

（3）沉积阶段

在搬运过程中，由于水流变缓，风速降低，冰川融化以及其他因素的影响，导致被搬运物质下沉堆积的现象，称为沉积作用。由于风化产物沉积时介质的物理化学条件不同，在沉积过程中引起不同物质互相分离，这种作用称为沉积分异作用。沉积作用可分为机械沉积、化学沉积、生物和生物化学沉积3种类型。

①机械沉积：机械沉积主要是因为碎屑颗粒的大小，形状和相对密度等不同，在从上游到下游搬运过程中由于河流流速逐步减小能量降低而发生沉积分异，使碎屑物质按一定规律分布的现象。即碎屑颗粒大的距上游来源区近，颗粒小者距来源区远。同样大小的碎屑颗粒相对密度大者先沉积，离来源区近；比重小者后沉积，离来源区远。此外，碎屑颗粒成片状者搬运较远。这便造成了从上游来源区到下游不同的岩性分布。

②化学沉积：呈真溶液或胶体溶液方式被搬运的物质，由于溶解度不同，溶液的性质和环境的温度、压力、pH值发生变化，或胶体粒子表面电荷被中和等原因而沉积下来的现象，称为化学沉积。在化学沉积过程中也存在着分异，通常的沉积顺序是先氧化物，然后依次是硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐和卤化物。

③生物和生物化学沉积：该类沉积以两种方式进行。一是生物遗体的直接堆积，如植物遗体堆积经转化形成泥炭；二是生物化学沉积，即由于生物新陈代谢活动引起环境的改变。促使某些矿物质发生沉积。

（4）成岩阶段

成岩阶段即为松散的沉积物在长期的上覆压力作用下慢慢固结转变为沉积岩的过程。成岩作用主要有3种：

①压实作用：即松散沉积物在上覆沉积物及水体的重力作用下，水分大量排出，孔隙度和体积减小逐渐被压实，发生固结，从而变得紧密坚硬。

②胶结作用：由充填在沉积物颗粒间孔隙中的细矿物质将分散的颗粒黏结在一起，使其胶结变硬。

③重结晶作用：新成长的矿物产生结晶质间的联结。

2）沉积岩的成分

沉积岩的成分主要包括化学成分与矿物成分两方面内容。

（1）化学成分

沉积岩和岩浆岩的化学成分很接近，但由于两者成因不同，有些化学成分仍有差别。沉积岩中含Fe2O3多，而岩浆岩含FeO多。沉积岩中Na2O的含量比K2O少，而岩浆岩则相反。沉积岩中富含H2O和CO2，此两者在岩浆岩中含量较少。

沉积岩的平均化学成分见表3.8。

表3.8 沉积岩和岩浆岩的化学成分（按质量百分比计，%）

（2）矿物成分

沉积岩中已发现的矿物在160种以上，其中比较重要的有20余种，构成了99%以上的沉积岩物质。最常见的矿物有氧化物、硅酸盐（长石类、黏土类矿物、云母类矿物）、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐等矿物，见表3.9。

表3.9 沉积岩与岩浆岩的平均矿物成分（按质量百分比计，%）

由表3.9可知，沉积岩与岩浆岩矿物成分有很大差别：

①橄榄石与钙长石等硅酸盐与铝硅酸盐矿物是在高温高压下形成的，它们在地表条件下易于风化和分解，故在沉积岩中保存很少。

②黏土矿物及有机物质等为沉积岩所特有，它们是在地表常温常压，富含H2O、CO2和生物的条件下形成的。

③钠长石、白云母、石英等矿物既存在于岩浆岩中，也存在于沉积岩中，这是因为这些矿物不仅在地表风化作用下比较稳定，不易分解，而且石英在沉积过程中也能形成。

▶ 3.4.3 沉积岩的结构和构造

1）沉积岩的结构

沉积岩的结构能反映它的成因特征，是与岩浆岩区别的重要标志。沉积岩的结构是指组成岩石成分的个体颗粒形态、大小及其连接方式。

沉积岩的结构按成因可分为碎屑结构、非碎屑结构（泥质结构、结晶结构和生物结构）。沉积岩的结构分类及特征如表3.10所示。

表3.10 沉积岩的结构分类

2）沉积岩的构造

沉积岩的构造，是指沉积岩各个组成部分的空间分布和排列方式。沉积岩的构造主要是层理构造，其特征见表3.11所示。层理是沉积岩在形成过程中，由于季节性气候的变化，沉积环境的改变，使先后沉积的物质在颗粒大小、形状、颜色和成分上发生相应变化，从而显示出来的成层现象（见图3.10）。层理是沉积岩最重要的一种构造特征，是沉积岩区别于岩浆岩和变质岩的最主要的标志。

表3.11 沉积岩的构造分类

图3.10 层理类型

▶ 3.4.4 沉积岩的分类

根据沉积岩的组成成分、结构和形成条件，可将沉积岩分为碎屑岩、黏土岩、化学岩及生物化学岩类，详见表3.12。

表3.12 沉积岩的分类

▶ 3.4.5 常见沉积岩的特征（见表3.13）

表3.13 常见沉积岩的特征

续表