沉积岩的形成及演化(名牌石油院校讲义)

第二章

沉积岩的形成及演化第一节母岩的风化作用——沉积岩最原始物质的形成第二节碎屑物质的搬运和沉积作用第三节溶解物质的搬运和沉积作用第四节沉积后作用及其阶段的划分沉积岩的形成原始物质沉积物的搬运沉积后作用形成和沉积作用原始物质沉积物沉积岩搬运沉积后作用沉积第一节母岩的风化作用——沉积岩最原始物质的形成一、风化作用的概念

二、各种造岩矿物的风化及其产物

三、各种岩石的风化及其产物

四、母岩风化过程中元素的转移顺序及母岩风化的阶段性

五、母岩风化产物的类型

六、风化壳

七、沉积物的其它来源

第一节、母岩的风化作用和产物——

沉积岩主要原始物质的形成母岩地表上出露的供给沉积岩原始物质成分的岩石，主要指早于该沉积岩而存在的岩浆岩、变质岩和较老的沉积岩。一、风化作用的概念是因温度的变化，水以及各种酸的溶蚀作用，生物的作用以及各种地质营力的剥蚀作用等，地壳表层的岩石处于不稳定状态，逐渐遭受破坏，转变为风化产物的过程。

一、风化作用的概念

风化作用是地壳表层岩石的一种破坏作用。

风化作用按其性质可分为：物理风化作用、化学风化作用及生物风化作用。

1、物理风化作用岩石主要发生机械破碎，而化学成分不改变的风化作用，称为物理风化作用。

2、化学风化作用在氧、水和溶于水中的各种酸的作用下，母岩遭受氧化、水解和溶滤等化学变化，使其分解而产生新矿物的过程称为化学风化作用。

3、生物风化作用生物，特别是微生物在风化作用中能起到巨大的作用。生物对岩石的破坏方式既有机械作用，又有化学作用和生物化学作用；既有直接的作用，也有间接的作用。第一节、母岩的风化作用和产物——

沉积岩主要原始物质的形成二、各种造岩矿物的风化及其产物1.石英在风化作用中稳定性极高，几乎不发生化学溶解作用，一般只发生机械破碎作用。石英是碎屑岩中主要矿物成分。2.长石长石风化稳定性次于石英稳定性由高到低：钾长石、多钠的酸性斜长石、中性斜长石、多钙的基性斜长石沉积岩中钾长石多于斜长石

第一节、母岩的风化作用和产物——

沉积岩主要原始物质的形成（1）钾长石

析出K,Si

析出K,AlSiO2·nH2O（蛋白石）K[AlSi3O8]→K＜1Al2[(Si,Al)4O10][OH]2·nH2O→Al4[Si4O10][OH]8→

钾长石+H2O

水云母+H2O

高岭石Al2O3·nH2O（铝土矿）（2）斜长石的物与钾长石相似

第一节、母岩的风化作用和产物——

沉积岩主要原始物质的形成3.云母白云母（K）的抗风化能力较强。白云母→水白云母→高岭石黑云母抗风化能力比白云母差。黑云母→蛭石＋绿泥石＋褐铁矿4.铁镁硅酸盐矿物铁镁硅酸盐矿物抗风化能力比石英、长石、云母差得多，稳定性由高到低：角闪石、辉石（链状）、橄榄石（岛状）第一节、母岩的风化作用和产物——

沉积岩主要原始物质的形成5.碳酸盐矿物方解石、白云石等风化稳定性很差，易溶。6.粘土矿物稳定7.硫酸盐矿物、硫化物矿物，卤化物矿物风化稳定性最低，易溶于水中，呈溶液态流失。8.岩浆岩及变质岩中的一些次要矿物或副矿物风化稳定性差别很大石榴石、锆英石、刚玉、电气石、锡石、金红石、磁铁矿、榍石、十字石、蓝晶石、独居石、红柱石等风化稳定性较大为什么造岩矿物风化稳定性差别这么大？1.矿物的结晶温度金刚石？2.矿物化学成分的化学活泼性3.矿物的晶体化学性质（晶体构造）氧和阳离子之间的键强度总数（cal/mol）第一节、母岩的风化作用和产物——

沉积岩主要原始物质的形成三、各种岩石的风化及其产物花岗岩石英：机械破碎——砂粒钾长石：K2O——成为碳酸盐、氯化物进入溶液——溶解物质

Al2O3——水化后成为含水硅酸盐——粘土

SiO2——少部分游离出来——溶解物质斜长石：Na2O——成为碳酸盐、氯化物进入溶液——溶解物质

CaO——碳酸盐，溶于水——溶解物质

Al2O3,SiO2——同钾长石花岗岩白云母：较少分解——云母碎片黑云母：H2O——水溶液——水溶液

K2O，Al2O3，SiO2——同钾长石

(Mg,Fe)O——碳酸盐,氯化物,赤铁矿,褐铁矿

——溶解物质及色素副矿物：锆石、磷灰石——重矿物第一节、母岩的风化作用和产物——

沉积岩主要原始物质的形成第一节、母岩的风化作用和产物——

沉积岩主要原始物质的形成花岗岩、花岗闪长岩、花岗片麻岩、混合花岗岩中性和碱性侵入岩——同花岗质岩石类似基性和超基性侵入岩——易溶元素转移流失；在原地生成蛇纹石、滑石、绿泥石、褐铁矿等。沉积岩——风化作用简单，但差异性大。盐岩、碳酸盐岩易风化，硅岩、石英砂岩较难风化。第一节、母岩的风化作用和产物——

沉积岩主要原始物质的形成四、母岩风化过程中元素的转移顺序及母岩风化的阶段性（一）元素的转移顺序

1.最易迁移元素（Kx=n·10～n·102）Cl,Br,I,S等以卤族元素为主；2.易迁移元素（Kx=n～n·10）Ca,Mg,Na,F,Sr,K,Zn3.迁移元素（Kx=n·10-1～n）Cu,Ni,Co,V,Mn,Si（硅酸盐中）,P；4.惰性（微弱迁移）元素（Kx<n·10-1）Fe,Al,Ti,Sc,Y,Tr…5.几乎不迁移元素（Kx≈n·10-10）Si（石英）

元素迁移顺序(二)母岩风化作用的阶段性1、机械破碎阶段物理风化为主，形成岩石或矿物的碎屑。2、饱和硅铝阶段：化学风化开始，氯化物和硫酸盐全部被溶解，带出Cl-和SO42-；在CO2和H2O的共同作用下，辉石和斜长石等铝硅酸盐和硅酸盐矿物开始分解，游离出碱金属和碱土金属（K+,Na+,Ca2+,Mg2+）离子，其中Ca2+、Na+的流失比K+、Mg2+要快些；析出的阳离子形成强碱弱酸盐，使溶液呈碱性或中性，并使一部分SiO2转入溶液；形成少量粘土矿物——蒙脱石、水云母、此外，还可出现拜来石、绿泥石等。同时，溶解性较差的碳酸钙开始堆积。3、酸性硅铝阶段：粘土型风化作用几乎全部的Ca2+、Na+、K+、Mg2+被带走，SiO2进一步进入溶液，介质由中/碱性转为酸性，形成不含Ca2+、Na+、K+、Mg2+的高岭石、变埃洛石等粘土矿物,上个阶段形成的蒙脱石、水云母被破坏4、铝铁土段阶：风化作用的最后阶段硅酸盐矿物彻底地分解，全部可移动元素都被带走，铁和铝的氧化物和小部分SiO2，呈胶体状态在酸性介质中聚集，在原地形成水铝矿、褐铁矿、针铁矿、赤铁矿和蛋白石。堆积物是一种红色疏松的铁质或铝质土壤，所以也称红土。到达这个阶段的风化作用通常也称为红土型风化作用第一节、母岩的风化作用和产物——

沉积岩主要原始物质的形成五、母岩风化产物的类型1、碎屑残留物质：主要是指母岩的岩屑或矿物碎屑。在风化作用的第一阶段最发育。

2、新生成的矿物：主要指在化学风化作用过程中新生成的一些矿物，如水白云母、高岭石、蒙脱石、蛋白石、铝土矿、褐铁矿等。按其成因应为“化学风化物质”；

3、溶解物质：主要是指母岩在化学风化过程中被溶解的那些成分，如Cl、S、Ca、Na、Mg、K、Si、Fe、Al、P等。第一节母岩的风化作用和产物——

沉积岩主要原始物质的形成六、风化壳1.风化壳或风化带的概念地壳表层岩石风化的结果，除一部分溶液物质流失以外，其碎屑残余物质和新生成的化学风化物质大部分残留在原来的岩石表层，这个由风化残留物质组成的地表岩石的表层部分，叫作风化壳或风化带。或者说已风化了的地表岩石的表层部分，2.风化程度因深度而不同表层风化程度较深，深处风化程度较浅，最终过渡到未风化的母岩。3.风化壳的厚度决定于母岩性质、气候、地形、构造等因素4.古风化壳风化壳分为古代和现代的，以第三纪为界。古风化壳有很重要的地质意义和经济意义七、沉积物的其它来源

（一）生物成因（生物源）的沉积物1、无机成分为主的生物残骸动物的外壳和骨骼、藻类、植物的硅/钙化遗体等。

2、有机生物残体植物体和动物的软体部分，主要是C、H、O、N、P等元素组成的碳氢化合物——有机质。一部分转化为石油、天然气、油页岩、煤等，大部分呈分散状态存在于沉积岩中。七、沉积物的其它来源（二）深部来源（深源）的物质火山爆发作用带到地表或水下的火山物质沿深断裂流出地表或注入湖泊等水体的地下深层的热卤水、温泉、热气液等（三）宇宙（来）源的物质从宇宙空间落到地球上的陨石及其尘埃第二节碎屑物质的搬运和沉积作用一、流体的一些基本知识和概念

二、碎屑物质在流水中的搬运和沉积作用

三、碎屑物质在海湖水体中的搬运和沉积作用

四、碎屑物质在空气中的搬运和沉积作用

五、碎屑物质在冰川中的搬运和沉积作用

六、正常沉积作用和事件沉积作用第二节沉积物的搬运和沉积作用

风化作用的产物及其它来源的沉积物质除了少量残留原地以外，大部分将进入搬运状态向沉积盆地转移。沉积物发生搬运和沉积的地质营力（搬运介质）：流水、风（大气）、冰川、重力、生物介质搬运能力减弱，无力携带所搬运的沉积物时，发生沉积作用形成沉积物一、流体的几个基本概念和基础知识1、牛顿流体和非牛顿流体内摩擦定律在温度不变的条件下，粘滞切应力与流速梯度是直线关系，动力粘滞系数始终保持一常数。牛顿流体：服从内摩擦定律——牵引流非牛顿流体：不服从内摩擦定律——沉积物重力流一、流体的几个基本概念和基础知识类别牵引流重力流流体性质牛顿流体非牛顿流体密度低高（>1.08，海水比重）水动力学机制地形、潮流或风重力液固相分明不分搬运介质流水沉积物搬运动力推力、负荷力重力搬运方式滚动、跳跃、悬浮悬浮运动关系水主动，颗粒被动水被动，颗粒主动搬运物质碎屑物质、溶解物质碎屑物质为主沉积作用流速、能量减小能力减小转化或稀释沉积环境地形变化较小山前或斜坡及其下游方向沉积构造各种类型层理粒序/递变层理一、流体的几个基本概念和基础知识2、层流、紊流和雷诺数两种流动型态——层流与紊流/湍流/涡流层流缓慢流动，流体质点平行线状流动，彼此不相掺混。紊流充满旋涡的急湍的流动，流速大小和流动方式随时间变化，流体质点运动轨迹极不规则，彼此掺混。层流紊流2、层流、紊流和雷诺数雷诺数（Re,Reynoldsnumbers）层流和紊流的判别标准惯性力与粘滞力之间的关系，描述流体的流动状态Re＝惯性力/粘滞力＝V2d2ρ/Vdμ＝Vdρ/μRe＝1±层流Re＝1～40临界流Re>40紊流层流和紊流一、流体的几个基本概念和基础知识3、缓流、急流和佛罗德数（Fr）明渠水流，按流动强度不同可出现急流、缓流和临界流三种流态。判别标志为佛罗德数（Fr，Froudenumber）Fr＝惯性力/重力＝（V2/L）/g＝V2/（Lg）但一般取Fr＝V/Lg——标志惯性力与重力之间的关系

描述流体的运动强度明渠水流河流、湖泊、海洋中的牵引流——无压流

3、缓流、急流和佛罗德数（Fr）Fr＜1：缓流，水深流缓——下部流动体制，低流态Fr＝1：临界流，过渡流态Fr＞1：急流，水浅流急——上部流动体制，高流态二、碎屑颗粒在流水中的

搬运和沉积作用1、搬运方式（1）推移搬运（滚动+跳跃）——推移载荷(bedload)（2）悬浮搬运——悬移载荷（suspendload）载荷：流体中被搬运的沉积物，也叫负载，负荷。

2、机械沉积作用（1）碎屑颗粒在静水中的沉积作用

在静水条件下，可用斯托克实验公式表示：

V=(2(d1-d2)/(9μ))gr2

V——下沉速度（cm／ｓ）d1——颗粒密度d2——水介质密度µ——水介质粘度（20℃时为0.01cp）g——重力加速度（980cm/s2）r——颗粒半径适用于静水、室温、r<0.1mm（细砂以下）（2）碎屑颗粒在流水中的搬运和沉积与流速和颗粒大小的关系——尤尔斯特隆图解开始搬运速度（V开）：流水把处于静止状态的碎屑物质开始搬运走所需的流速继续搬运速度（V继）：流水维持碎屑物质继续搬运所需要的流速。V开>V继尤尔斯特隆图解两条曲线：开始搬运曲线继续搬运曲线三个区：剥蚀区，搬运区和沉积区三个段：砾级难搬易沉山区d>2mm，V开大，V继大，ΔV＝V开—V继，小。粉砂和泥级易搬难沉深水

d<0.01mm，V开大，V继很小，ΔV很大，砂级易搬易沉跳跃分布最广

0.1～2mm，V开最小，V继中等，

ΔV不大。剥蚀区搬运区沉积区搬运和沉积的决定因素粒径和流速3、碎屑物质在流水搬运过程中的变化矿物成分不稳定组分减少，稳定组分增加粒度（颗粒大小）变细，分选变好圆度与球度颗粒形状变好４、碎屑物质在流水搬运及沉积作用过程中的分异作用：定义：指碎屑物质在流水中（不限于流水）的搬运过程中，按其物理性质（成分、粒度、圆度、球度等）呈现分别集中的现象，其中以粒度分异最明显。与分异作用相对的是“掺和作用”或混合作用，混杂作用，是指由于支流搬运物质的注入，沿岸物质的注入，以及其他因素引起的。从上游到下游，沉积物将发生：（1）、颗粒大小分异，粒度由大到小、分选由差变好；（2）、比重分异，体积小比重大和比重小体积大的沉积物可能一起堆积，如含金砾岩。（3）、形状分异片状颗粒比等轴粒状颗粒搬运得远；圆度和球度高的滚动颗粒更易于搬运。（4）、矿物成分分异机械沉积分异结果：随搬运距离的增长，碎屑物质的矿物成分趋向简单、稳定组分增多、重矿物含量减少、粒度变细、分选、磨圆变好三、碎屑物质在海、湖水体中的

搬运和沉积作用（一）碎屑物质在海水中的搬运和沉积作用海洋环境中的主要营力有：波浪潮汐近岸流风暴流浊流等深流……1、波浪浪底/波基面（H）：波浪能影响到的最大水深，

H=波长/2波浪作用主要限于滨岸的浅水地带，一般几十m波浪大小决定于风的大小按风的性质：正常浪底，风暴浪底横浪——垂直海岸运动纵浪——平行海岸运动过渡类型——斜交海岸运动（1）横浪远岸较深水地带，碎屑往返运动的同时，向海运动。近岸较浅水地带，碎屑往返运动的同时，向岸运动。两者之间，海底碎屑只作往返运动。A.交角<45°，向海运动B.交角=45°，平行海岸C.交角>45°，向岸运动碎屑纵向运动过程中遇地形变化，形成海滩、砂嘴、连岛砂坝等沉积体。（2）纵浪2.风暴浪风暴浪底比正常浪底深，可达200m风暴浪对正常浪底附近沉积物冲刷侵蚀风暴回流携带大量碎屑物质形成密度流或重力流——深海浊流正常浪底和风暴浪底间是风暴沉积物（岩）3.近岸流A.沿岸流纵浪引起，波峰线与岸线斜交破浪后产生B.离岸流沿岸流流动一段距离，穿过碎浪带形成4.潮汐潮汐作用带，碎屑物质往返运动。三、碎屑物质在海、湖水体中的

搬运和沉积作用（二）碎屑物质在湖水中的搬运和沉积作用湖浪、湖流、浊流、风暴流，无潮汐面积小，受各种水动力的影响更大。四、碎屑物质在空气中的搬运和沉积作用条件：干旱地区，沙漠或滨岸地区。营力：风风力特点：a.风力密度比水小300倍，搬运能力为水的1/300。搬运砂和粉砂为主，选择性强。搬运过程中表现物理机制，如碰撞，磨蚀等，相对来讲溶解作用不明显。搬运方式：牵引流特点，跳跃，蠕动（滚动）。沉积物特点：分选好，磨圆好，具霜雨（圆玻璃状），形成各种形状的沙丘，具大型交错层理，颗粒支撑，杂基少，化学胶结为主。四、碎屑物质在空气中的搬运和沉积作用四、碎屑物质在空气中的

搬运和沉积作用四、碎屑物质在空气中的

搬运和沉积作用五、碎屑物质在冰川中的

搬运和沉积作用冰川和浮冰——固体搬运和沉积能力巨大，碎屑为主整体搬运，混杂堆积，没有分选和磨圆；冰川擦痕，特征“丁”字痕、“V”形刻蚀坑。冰川消融，碎屑沉积--冰碛物。按位置分为：底碛、中碛、表碛、前碛、侧碛五、碎屑物质在冰川中的

搬运和沉积作用五、碎屑物质在冰川中的

搬运和沉积作用五、碎屑物质在冰川中的

搬运和沉积作用六、正常沉积作用和事件沉积作用1、正常沉积作用在正常情况或条件下发生的，有明显机械沉积分异作用的，缓慢的、均匀变化的沉积作用，一般发生在河流、湖泊和海洋。2、事件沉积作用由于重力、洪水、火山爆发、风暴等因素所引起的阵发性的、突然性的或灾变性的（搬运和）沉积作用，也叫幕式沉积作用3、两者关系可发生于同一沉积环境交替进行，互为消长关系垂向上任一剖面可由正常沉积和事件沉积的互层构成第三节溶解物质的搬运和沉积作用

一、概述

二、胶体溶液物质的搬运和沉积作用

三、真溶液物质的搬运和沉积作用

四、生物的搬运和沉积作用

五、化学沉积分异作用

六、两种沉积分异作用的关系及其地质意义

一、概述溶解物质：Cl、S、Ca、Na、K、Mg、P、Si、Fe等。Ca、Na、Mg的盐类则常呈真溶液搬运

Al、Fe、Mn、Si的氧化物常呈胶体溶液搬运；1、胶体溶液：介于粗分散系(悬浮液)和离子分散系(真溶液)间，粒子直径介于1～100μm间，多呈分子状态。2、胶体质点常带有电荷，（1）正胶体，表面带正电荷，如Fe、Al含水氧化物胶体；（2）负胶体，表面带负电荷，如Si、Mn氧化物，Pb、Cu硫化物；二、胶体溶液物质的搬运和沉积作用

正胶体负胶体Al(OH)3Fe(OH)3Cr(OH)3Ti(OH)4Ce(OH)4Cd(OH)2CuCO3MgCO3CaF2PbS,CuS,CdS,As2S3,Sb2S等硫化物S,Au,Ag,Pt粘土质胶体，腐植质胶体SiO2,SnO2MnO2,V2O53、胶体溶液稳定的因素（1）同种电荷的胶体质点之间的相互排斥力。（2）水介质中的腐植酸增加某些胶体（如：铁）的稳定—“护胶作用”（3）pH、Eh等。4、胶体聚集和沉淀的因素（1）正负胶体相遇——“相互聚沉”。（2）电解质作用，不同名电荷（电解质）与胶粒电荷中和，胶体降低电动电势，失去稳定性而凝聚。（3）蒸发作用（4）溶液的pH和Eh值（5）温度增加，剧烈振荡，大气放电，毛细管作用等。三、真溶液物质的搬运和沉积作用真溶液物质：母岩风化产生的Cl、S、Ca、Na、K、Mg等，部分P、Si、Al、Fe、Mn。二、真溶液物质的搬运和沉积作用真溶液物质搬运及沉积作用的控制因素1、溶解度，根本控制因素。溶解度大，易搬难沉；反之，易沉难搬。2、介质的酸碱度（pH值）(1)某些溶解物质的溶解度随pH值变化而变化。如酸性介质条件下，SiO2沉淀而CaCO3溶解，在碱性介质中则相反(2)随pH值变化，某些溶解物质沉淀形式不同。如铁,pH＝2～3以Fe(OH)3沉淀，pH=5以Fe(OH)2沉淀。pH=6～7，溶液含CO2，以FeCO3沉淀。Fe2+和Fe3+沉淀时所需Eh值也不同。锰的情况同铁类似。三、真溶液物质的搬运和沉积作用3、介质的氧化—还原电位（Eh值）Eh值对铁、锰等变价元素的溶解和沉淀影响很大。4、温度和压力（1）一般物质的溶解度随温度升高而增大。（2）压力对溶液中CO2含量影响很大。5、溶液中CO2的含量对碳酸盐的沉淀和溶解度有很大的影响。CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2。Pco2升高，即CO2浓度增高，平衡向右移动，CaCO3溶解，反之，向左移动CaCO3沉淀。水中CO2含量与温度、压力有关。6、其它气候、蒸发作用三、真溶液物质的搬运和沉积作用四、生物的搬运和沉积作用1、直接作用——生物遗体直接堆积成岩或沉积矿床光合作用或吸取养料形成有机体，吸取介质中钙、磷、硅无机盐通过生物分泌作用形成外壳和骨骼。有机质部分埋藏下来经生物化学演化，可形成石油、天然气、煤以及油页岩等。无机的生物外壳和骨骼经富集堆积后可形成岩石或矿床，如生物骨骼石灰岩、生物磷块岩、硅藻土、白垩等。有些生物原来就营群体生活，在生活过程中通过生物分泌作用以及生物粘结作用形成坚固骨架，不需要经过成岩作用就能直接成为岩