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《沉积岩石学》本科笔记第一章沉积岩石学概论1.1

沉积岩的定义与特征定义:沉积岩是由先前存在的岩石经过风化、侵蚀后形成的碎屑物质,或由化学沉淀及生物活动产生的物质,在地表或接近地表条件下经过搬运、沉积和压实作用而形成的岩石。主要特征:层状构造:大多数沉积岩具有明显的层理结构,反映了沉积时水动力条件的变化。成分多样:可以是矿物颗粒(如石英砂)、生物遗骸(如珊瑚碎片)或是化学沉淀物(如方解石)等。孔隙度高:相较于火成岩和变质岩,许多沉积岩具有较高的孔隙率,这使得它们成为重要的地下水储存介质以及油气储集层。1.2

沉积岩在地壳中的重要性构成地球表面的主要部分:据统计,地球上大约75%的地表被沉积岩覆盖,特别是在大陆架区域,这一比例更高。记录地质历史:沉积岩中保存了大量的古环境信息,包括气候变迁、海平面波动等自然现象的历史痕迹。经济价值巨大:作为矿产资源(例如石油、天然气、煤炭等能源资源)以及建筑材料(如石灰石用于水泥生产)的主要来源之一,沉积岩对人类社会的发展起到了至关重要的作用。1.3

研究方法与意义野外调查:通过实地考察收集第一手资料,包括观察露头、采集样品等。实验室分析:利用显微镜观察薄片、进行粒度分析、X射线衍射测试等手段来确定岩石成分及其物理性质。数值模拟:基于理论模型建立计算机程序以预测特定条件下沉积体系的行为模式。跨学科合作:结合地质学、地理学、化学乃至生物学等多个领域知识共同探讨沉积过程背后的机制。第二章沉积物来源与搬运2.1

沉积物质的类型碎屑沉积物:由物理破碎而成的小颗粒组成,如砾石、砂子和泥。这些材料通常来源于岩石风化过程。化学沉积物:直接从溶液中沉淀出来的矿物质,常见的例子有碳酸钙(形成石灰岩)和盐类(如石膏)。生物沉积物:由生物体制造或改造过的有机/无机物质聚集而成,比如珊瑚礁就是由无数珊瑚虫分泌出的碳酸钙骨架堆积而成。2.2

风化作用概述物理风化:不改变原有物质化学成分的情况下将其分解为更小的单位,如冰楔作用、温度变化引起的膨胀收缩。化学风化:涉及化学反应导致原物质发生转变,生成新化合物的过程,例如溶解、氧化还原反应等。生物风化:植物根系生长破坏岩石结构,微生物活动促进某些元素的迁移转化等都属于此类别。2.3

搬运机制水流搬运:河流是最常见也是最重要的搬运媒介之一,能够将大量固体颗粒从源头带到海洋深处。风力搬运:适用于干旱地区,尤其是细小沙粒和尘埃可以通过强风作用被远距离输送。冰川搬运:虽然速度较慢但力量极大,能携带巨大的石块甚至整座山丘移动。重力作用:滑坡、崩塌等地质灾害亦可视为一种特殊的搬运方式。2.4

沉积物搬运距离与颗粒大小关系搬运能力:流体(水或空气)的能量决定了其能携带多大的颗粒;一般而言,能量越大,则所能搬运的最大颗粒尺寸也越大。沉降速率:不同大小的颗粒在静止状态下落入底部的速度存在显著差异,较大颗粒因受重力影响更强故而更快下沉。选择性沉积:随着距离增加,较小且轻盈的颗粒会逐渐沉积下来,最终只有那些最细小的部分才能到达最远端位置。案例分析:通过对特定河流系统的研究发现,上游区域往往以粗大砾石为主,下游则更多见细腻的淤泥质地,这种分布规律很好地体现了上述原理的应用。第三章沉积环境3.1

海洋沉积环境浅海区:位于海岸线附近至大陆架边缘之间,此处水深较浅,光照充足有利于各种生物生存繁衍。深海平原:远离大陆架的广阔平坦地带,这里几乎没有阳光照射,压力极高,生命形式相对单一。海底峡谷与扇形体:类似于陆地上河流冲刷形成的地貌,不过规模更加宏大壮观,是连接浅海与深海的重要通道。珊瑚礁生态系统:特指热带海域中由多种珊瑚建造起来的复杂生态群落,不仅是生物多样性热点区域,也是重要的旅游资源。3.2

湖泊沉积环境淡水湖:根据地理位置分为高山湖、火山口湖等多种类型,其中蕴含丰富的动植物资源。咸水湖:由于蒸发量大于补给水量而导致盐度升高,某些极端条件下甚至可以结晶析出固体盐类。季节性湖泊:雨季时积水形成临时水面,旱季则干涸消失,对于研究气候变化具有重要意义。古湖泊遗迹:通过对古代湖泊沉积物的研究可以帮助科学家们重建过去数百万年间当地的气候状况。3.3

河流沉积环境河床与河漫滩:河水流动过程中不断塑造着两岸地形,形成宽阔平坦的泛滥平原。三角洲:当河流入海口处水流减速扩散开来时,携带的大量泥沙开始沉积,久而久之便形成了典型的三角洲形态。冲积扇:山区溪流流出山谷口后迅速铺展开来的扇形堆积体,是了解山区地质构造演化的重要窗口。3.4

其他特殊沉积环境沙漠地区:尽管水资源匮乏,但在偶尔发生的暴雨事件下也能产生局部范围内的快速侵蚀搬运过程。极地冰盖:覆盖南极洲及格陵兰岛的巨大冰体下方隐藏着复杂的沉积层序,揭示了遥远年代里的气候秘密。洞穴系统:地下溶洞内特有的钟乳石、石笋等景观实际上是漫长岁月里碳酸钙缓慢沉积的结果。热液喷口:海底深处富含矿物质的热水柱喷发出来后冷却凝固,形成独特的“黑烟囱”结构,并支持了一个完全独立于太阳光合作用的食物链。第四章沉积作用过程4.1

沉降作用定义:当搬运介质(如水或风)的能量不足以继续携带沉积物时,沉积物就会在介质中沉降下来。影响因素:颗粒大小与形状:较大的颗粒通常较早沉降,而细小的颗粒则可能悬浮更长时间。流体速度:流速减慢会促使更多物质沉淀。密度差异:不同密度的颗粒在相同条件下会有不同的沉降速率。实例分析:河流入海口处形成的三角洲就是典型的例子,这里水流速度显著下降,导致大量泥沙堆积。4.2

分选与分异概念介绍:随着沉积物从源头向目的地移动,不同粒径的颗粒按照其特性被分开的过程称为分选;而根据成分的不同进行分离的现象叫作分异。自然选择机制:物理分选:依据颗粒的尺寸、形状和密度来进行。例如,在河流系统中,粗大的砾石往往留在上游区域,而细砂则可以被带到更远的地方。化学分异:某些特定矿物由于溶解度或其他化学性质上的差异,在搬运过程中会发生不同程度的富集或贫化。实际意义:通过研究沉积物的分选程度可以帮助我们了解当时的搬运条件以及环境特征。4.3

生物作用对沉积的影响生物建造结构:珊瑚礁、藻丘等是由生物活动直接造成的地质构造。有机质贡献:植物残骸、动物遗体等富含有机碳的材料成为许多类型沉积岩的重要组成部分。生物扰动:海底生物如蠕虫、甲壳类动物的活动会对沉积层造成扰动,形成特有的痕迹化石。案例探讨:古生代晚期至中生代早期广泛分布于全球各大洋的放射虫软泥就是一个很好的例子,这种沉积物主要由微小海洋浮游生物的硅质骨骼组成。4.4

化学沉淀过程原理说明:当溶液中的某种离子浓度超过其饱和点时,该物质便会开始结晶并逐渐积累成固体形态。常见类型:碳酸盐沉积:如石灰岩和白云岩,多发生在温暖浅海环境中。蒸发岩沉积:包括石膏、岩盐等,主要见于封闭盆地内水分蒸发强烈的条件下。控制因素:温度变化:对于一些溶解度随温度升高而降低的化合物来说,降温有利于沉淀发生。pH值波动:酸碱度的变化同样会影响某些矿物质的稳定性。离子浓度梯度:局部地区如果存在高浓度的特定离子,则更容易促进相应物质的沉淀。第五章沉积结构5.1

层理构造定义与识别:层理是指沉积岩内部由一系列平行或近似平行的层面所组成的结构,反映了沉积期间水动力条件的变化。类型划分:水平层理:各层界面基本保持水平状态,指示稳定且均匀的沉积环境。交错层理:相邻层面之间呈一定角度相交,表明沉积过程中存在周期性的水流方向改变。波状层理:表现为连续弯曲的层面,常见于湖泊边缘地带。形成机理:层理的形成是多种因素综合作用的结果,包括水流速度、沉积物供给量及外部干扰事件等。5.2

粒度分析重要性:粒度是描述沉积物物理性质的基本参数之一,对于理解沉积环境具有重要意义。测定方法:筛析法:利用一系列标准筛孔将样品按大小分级。激光衍射技术:基于光散射原理快速准确地测量颗粒尺寸分布。应用范围:除了基础科学研究外,粒度数据还广泛应用于石油勘探、矿产评估等领域。5.3

结构成熟度概念解释:指沉积物经历搬运、磨圆等一系列改造过程后达到的状态级别。评价指标:磨圆度:颗粒棱角被磨平的程度。分选性:同一样品中颗粒大小的一致性。演化趋势:一般而言,越成熟的沉积物其磨圆度越高、分选性越好,反映出较长距离的搬运历史。5.4

物理与化学标志物理标志:颜色:受矿物成分、有机质含量等因素影响。硬度:反映岩石抵抗外力破坏的能力。化学标志:元素组成:XRF等仪器可用来测定岩石中各种元素的比例。同位素比值:提供关于沉积年龄、温度等信息的关键线索。综合运用:结合多种标志能够更全面地解析沉积岩的成因背景及其演化历程。第六章沉积构造6.1

斜层理定义:指沉积层面与原始水平面之间存在一定夹角的层理现象。形成原因:水流作用:如河道迁移、洪水泛滥等情况都可能导致斜层理出现。重力滑动:在斜坡上,松散沉积物容易沿坡面向下滑移形成倾斜层面。研究价值:通过对斜层理的研究不仅可以揭示古水流方向,还能推测出当时地貌特征及气候状况。6.2

波痕概述:波痕是由水面波动引起的沉积物表面起伏不平的痕迹。分类:对称型:两翼倾角相近,常出现在湖岸附近。不对称型:一侧陡峭另一侧平缓,指示了单向水流的存在。保存条件:为了使波痕得以保留,必须有快速覆盖的新沉积物将其掩埋起来,否则很容易被后续水流抹平。6.3

生物扰动构造定义:由生物活动(如觅食、筑巢等行为)引起的沉积物内部结构变化。种类多样:轨迹:动物行走留下的印记。穴道:挖掘出来的通道网络。粪便团块:某些生物排泄物聚集而成的小结核。科学意义:这些构造不仅记录了古代生态系统的信息,也是恢复古地理环境的重要证据之一。6.4

构造特征与沉积环境的关系关联性分析:流水环境:快速流动的河水容易产生明显的交错层理。静水环境:湖泊底部通常以水平层理为主。风暴事件:突发性强风会导致特殊的风暴沉积序列。重建模型:结合现代观测资料与古沉积构造特征,科学家们可以建立较为精确的古地理重建模型,帮助我们更好地理解地球过去的历史。第七章砾岩与砂岩7.1

砾岩的定义与特点定义:砾岩是由直径大于2毫米的碎屑颗粒(即砾石)组成的沉积岩。这些颗粒通常经过搬运和磨圆,然后在河床、海滩或山麓等环境中沉积下来。成分多样:砾岩中的砾石可以是任何类型的岩石碎片,包括花岗岩、石灰岩、片麻岩等。结构特征:支撑结构:根据颗粒间的接触方式,可以分为基底支撑型和颗粒支撑型。分选性:良好的分选意味着砾石大小较为均匀;较差的分选则显示出粒径变化较大。磨圆度:从棱角分明到高度磨圆不等,反映了搬运距离和时间。7.2

砂岩的定义与特点定义:砂岩主要由直径在0.0625至2毫米之间的砂粒组成,是一种常见的沉积岩类型。矿物成分:石英砂岩:以石英为主要成分,耐风化性强,分布广泛。长石砂岩:含有大量长石,常见于靠近造山带的地区。岩屑砂岩:含有大量的岩石碎片,反映了复杂的来源背景。胶结物:砂岩中砂粒之间的空隙通常被其他物质填充,如硅质、钙质或铁质胶结物,这会影响其物理性质。7.3

成因类型河流沉积:快速流动的河水能携带较大的砾石,并在流速减缓时将其沉积下来形成砾岩;而较慢的水流则更适合砂岩的形成。海岸沉积:海浪作用下的侵蚀和搬运过程可产生砾岩和砂岩,特别是在风暴期间更为显著。冰川沉积:冰川运动能够将巨石搬运到远处,并在其融化后留下堆积物,其中就包含了砾岩。风成沉积:沙漠地区的强风可以搬运细小的沙粒,在适当条件下沉积为砂岩。7.4

地质意义古环境重建:通过对砾岩和砂岩的研究,科学家们可以推断出古代的地貌特征、气候条件以及水动力状态。资源勘探:许多油气田储层就是由砂岩构成的,因此对砂岩的研究对于能源开发至关重要。工程应用:由于其较好的机械强度和稳定性,砂岩常被用作建筑材料。第八章泥岩与页岩8.1

定义与物理特性定义:泥岩是由极细小的黏土矿物颗粒组成的沉积岩,而页岩则是具有明显层理构造的泥岩。物理特性:质地细腻:肉眼难以分辨单个颗粒。易分裂:沿层理面容易裂开,这是页岩的一个重要特征。颜色多变:从灰色、绿色到红色不等,取决于所含矿物质及有机质含量。8.2

形成条件低能量环境:泥岩和页岩通常在静水环境下形成,如深海底部、湖泊中心或沼泽地带。长期稳定沉积:需要相对稳定的沉积环境,使得细小颗粒得以缓慢沉降并积累。有机质富集:某些情况下,丰富的有机质会参与其中,导致黑色页岩的形成。8.3

地球化学特征微量元素:通过分析微量元素的比例,可以了解沉积时期的海水成分及其变化。同位素组成:碳、氧等元素的同位素比值提供了关于古气候、古海洋循环等方面的重要信息。有机地球化学:页岩中的有机质含量及其类型对于评估烃源岩潜力具有重要意义。8.4

经济价值能源资源:富含有机质的黑色页岩是重要的烃源岩,近年来随着水平钻井技术的发展,页岩气和页岩油开采成为新的能源热点。陶瓷原料:部分粘土矿物含量高的泥岩可用作制陶原料。建筑材料:虽然不如砂岩坚固,但在一些地区仍被用于建造房屋或制作砖瓦。第九章碳酸盐岩9.1

方解石与白云石矿物学方解石(CaCO3):是最常见的碳酸盐矿物,无色透明或呈白色,硬度较低。白云石(CaMg(CO3)2):含有镁离子,晶体结构更加复杂,通常呈现灰白色。识别方法:滴加稀盐酸会产生气泡反应,但白云石的反应速度较慢。9.2

碳酸盐岩分类石灰岩:主要由方解石组成,根据成因可分为生物礁石灰岩、鲕粒石灰岩等多种类型。白云岩:当石灰岩中的一部分方解石被白云石替代时就形成了白云岩,这一过程称为白云石化作用。混合型:在自然界中还存在方解石与白云石共存的情况,这类岩石被称为混积岩。9.3

生物礁发育珊瑚礁:由珊瑚虫分泌的碳酸钙骨架构成,是热带海域中最典型的生物礁之一。藻礁:某些大型绿藻类植物也能形成类似结构,尤其是在浅水区域。生态功能:生物礁不仅是众多海洋生物的栖息地,也是重要的天然屏障,保护着海岸线免受侵蚀。9.4

碳酸盐平台模型概念介绍:指一种平坦且广阔的浅海区域,其上覆盖着厚厚的碳酸盐沉积物。演化阶段:初始期:平台边缘开始形成生物礁,中心部位则以泥晶沉积为主。成熟期:整个平台逐渐抬升,露出水面的部分遭受风化侵蚀。衰退期:最终可能被新的沉积物掩埋或被海水淹没。实例分析:白垩纪时期特提斯海中的巨大碳酸盐台地就是一个经典案例,它记录了长达数百万年的沉积历史。第十章蒸发岩10.1

盐类矿物定义:蒸发岩是由水体中溶解的矿物质在水分蒸发过程中沉淀形成的岩石,主要包括各种盐类。主要类型:岩盐(石盐):化学成分为NaCl,是地球上最常见的一种蒸发岩。石膏:CaSO4·2H2O,常形成于含硫酸根离子的水体中。硬石膏:无水石膏,即CaSO4,通常由石膏脱水形成。钾盐:如钾镁矾K2Mg(SO4)2·6H2O,含有丰富的钾元素。物理特性:蒸发岩通常具有较高的溶解性,质地较软,颜色多变,从白色到灰色、红色不等。10.2

形成条件与分布封闭盆地:蒸发岩的形成需要一个相对封闭的环境,以便水分可以持续蒸发而不被新水源补充。干旱气候:高温和低降水量有利于加速水分蒸发过程。高盐度水体:初始水体必须含有足够高的盐分浓度,以保证在水分减少时能够达到饱和状态并开始结晶。全球分布:蒸发岩广泛分布在沙漠地区、内陆湖泊以及古代海洋退缩后的残留水域。例如,死海周边就有大量的蒸发岩沉积。10.3

蒸发岩序列概念介绍:随着水分不断蒸发,不同盐类会按照特定顺序依次析出,形成一个有序的沉积序列。典型序列:碳酸盐阶段:首先析出的是易溶于水但不易过饱和的碳酸盐矿物,如方解石。硫酸盐阶段:随后是石膏或硬石膏,它们比碳酸盐更难溶解。氯化物阶段:最后析出的是最难溶解且最稳定的岩盐。研究意义:通过分析蒸发岩序列,科学家可以重建古气候条件,了解过去某一时期的干旱程度及其变化趋势。10.4

古气候指示气候变化记录:蒸发岩的形成与特定的气候条件密切相关,因此它们成为了研究古气候变化的重要指标。干湿交替周期:在地质历史上,蒸发岩的出现往往标志着一段干燥期,而其消失则可能表明湿润气候的到来。地球化学证据:同位素分析可以帮助确定蒸发岩形成时的温度和湿度状况。案例分析:地中海地区的蒸发岩记录了中新世末期至更新世早期的一系列干湿变化事件,为理解该区域的古环境提供了宝贵信息。第十一章有机质富集沉积11.1

有机质来源生物来源:包括浮游植物(如藻类)、浮游动物(如放射虫)以及底栖生物(如细菌)等。陆源输入:来自陆地植被的碎屑物质,如树叶、树枝等,在河流作用下被带入海洋或湖泊。微生物活动:某些微生物在缺氧条件下分解有机物时会产生大量腐殖质。重要性:有机质不仅是生命活动的基础,也是油气资源生成的关键原料之一。11.2

富有机质沉积的特点黑色页岩:富含有机质的细粒沉积岩,颜色深黑,有时带有金属光泽。总有机碳含量:TOC值通常超过1%,甚至高达20%以上。层理构造:由于有机质的存在,这些沉积岩常常表现出明显的层理特征。孔隙结构:有机质分解后可产生微孔隙,有助于提高储层的有效孔隙度。11.3

石油和天然气生成潜能生油母质:主要是Ⅰ型和Ⅱ型干酪根,这类有机质富含脂类和蛋白质,易于转化为石油。气源母质:主要是Ⅲ型干酪根,富含木质素,适合生成天然气。成熟度:有机质必须经历一定的埋藏深度和温度才能转化成烃类化合物,这一过程称为热裂解。储层条件:良好的盖层(如泥岩)和圈闭构造是保存油气资源不可或缺的因素。11.4

生物标志化合物定义:指能够在地质时间尺度上保持稳定,并能反映原始生物组分特性的有机分子。种类多样:正构烷烃:来源于高等植物蜡质。类异戊二烯烃:来自藻类和其他微生物。甾醇和萜类:分别代表了不同的生物群体。应用价值:通过分析生物标志化合物的组成和比例,可以追溯烃源岩的来源、成熟度及沉积环境等信息。第十二章沉积盆地12.1

沉积盆地的概念定义:沉积盆地是指地壳中因构造下沉而形成的接受沉积物堆积的区域。基本要素:边界:限定盆地范围的地质构造线。基底:盆地底部的古老岩石。充填物:填充在盆地中的沉积物及其固结产物。分类:克拉通内盆地:位于大陆内部稳定区。造山带前缘盆地:伴随山脉隆起而在其前方发育。伸展盆地:由地壳拉伸导致的下沉所形成。挤压盆地:在板块碰撞过程中产生的凹陷区域。12.2

发展阶段初期阶段:盆地开始下沉,初期接受粗粒沉积物。扩张阶段:盆地继续下沉,沉积速率增加,沉积物变得更为细腻。成熟阶段:沉积速率减缓,盆地趋于稳定,沉积物以细粒为主。衰退阶段:盆地停止下沉,沉积作用减弱直至终止。12.3

对能源资源勘探的意义烃源岩:许多沉积盆地内的深部地层富含有机质,成为重要的烃源岩。储层与盖层:砂岩、石灰岩等渗透性较好的岩石适合作为储层,而泥岩则是优良的盖层材料。圈闭构造:断层、背斜等地质结构可以形成有效的圈闭,阻止油气逃逸。勘探方法:结合地震勘探、钻井取样等多种技术手段来定位潜在的油气藏。12.4

实例分析波斯湾盆地:世界上最大的石油产区之一,拥有厚达数千米的沉积序列,其中包含多个重要的烃源岩层。北海盆地:位于欧洲西北部海域,是一个典型的伸展盆地,自20世纪中期以来一直是重要的油气生产区。四川盆地:中国境内著名的沉积盆地,不仅蕴藏着丰富的天然气资源,还是重要的煤炭产地。第十三章沉积相分析13.1

沉积相的概念定义:沉积相是指特定地质时期内,在一定地理区域内,由相似的沉积环境所形成的沉积物(岩)及其特征的综合。关键要素:沉积物类型:包括碎屑沉积、化学沉积和生物沉积等。沉积结构与构造:层理、波痕、生物扰动痕迹等。古生物群落:反映当时生态环境中的生物种类及其分布。13.2

主要沉积相类型河流相:河道沉积:砂质为主,交错层理明显。泛滥平原沉积:泥质沉积,富含植物残骸。湖泊相:深湖沉积:细粒沉积物,如粘土和粉砂。浅湖沉积:砂质和泥质混合,可能含有碳酸盐成分。海洋相:滨岸沉积:砂质海滩、潮间带沉积。浅海沉积:碳酸盐岩、生物礁等。深海沉积:软泥、远洋浮游生物遗骸。三角洲相:前缘沉积:砂质沉积,交错层理。平原沉积:泥质沉积,水平层理。风成相:沙丘沉积:大型砂粒,有明显的风成层理。黄土沉积:细粒沉积物,具有良好的分选性。冰川相:冰碛物:杂乱无章的大块岩石和砾石。冰水沉积:分选良好,从粗到细依次排列。13.3

沉积相识别标志物理标志:颗粒大小与形状:不同沉积环境下的颗粒特征各异。层理类型:如交错层理指示水流方向,水平层理表明静水环境。化学标志:矿物组成:特定环境下形成特有的矿物组合。地球化学指标:如微量元素比值、同位素组成等。生物标志:化石记录:不同环境中生存的生物种类差异显著。遗迹化石:生物活动留下的痕迹,如虫迹、爬行痕迹等。13.4

应用于古地理重建沉积序列分析:通过研究不同层位的沉积相变化,可以重建区域内的古地理格局。沉积环境演化:结合年代学数据,揭示某一地区在地质历史时期的环境变迁过程。古气候重建:利用沉积物中的有机质含量、氧同位素等信息推断古气候条件。实例分析:通过对白垩纪时期的沉积相分析,科学家们发现当时的全球气候温暖湿润,导致广泛发育的石灰岩和煤层沉积。第十四章沉积岩后生变化14.1

埋藏过程压实作用:随着上覆沉积物的不断增加,下部沉积物受到的压力逐渐增大,导致孔隙度降低,密度增加。胶结作用:溶解于地下水中的矿物质沉淀填充在颗粒间的空隙中,使松散沉积物转变为坚硬的岩石。重结晶作用:某些矿物在压力和温度的作用下发生晶体结构的变化,形成新的矿物形态。14.2

成岩作用压实阶段:初期的机械压缩使得沉积物紧密接触,但尚未完全固结。早期成岩阶段:伴随着胶结物质的沉淀,沉积物开始部分固结。晚期成岩阶段:进一步的压实和胶结,以及可

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