Question

沉积岩形成的构造和气候背景

Answer 1

控制地质历史时期沉积岩演化的因素有很多，诸如大气圈和水圈的变化、侵蚀速率、物源成分、再沉积过程等。归纳起来有两个最重要的因素，其一是构造背景，其二是气候背景。沉积岩的物理、化学及生物特征归根结底是由物源区的沉积物特征和沉积环境（sedimentary environment）这两个因素决定的，而这两个因素均直接受到构造背景和气候背景的控制。

构造背景是指从物源区到沉积盆地（sedimentary basin）整个区域所在的构造部位及其活动阶段。通常情况下，如果某地处在构造持续抬升部位，那么风化剥蚀将会使该地的岩石由浅至深依次成为母岩。如果抬升前该处曾是一个接受沉积的盆地，那么最先成为母岩的将是沉积岩，接着可能是由它变质成的变质岩，再往后是构成原盆地基底的岩石。如果抬升处曾有岩浆侵入，那么依次成为母岩的就可能是浅成岩和深成岩，如此等等。因此，母岩成分或母岩类型基本上是随抬升部位地壳演化史和抬升速率、抬升幅度而变的，而母岩成分又会直接影响到原始物质、尤其是碎屑物质的构成。

另一方面，沉积作用多在一定的沉积盆地内发生。沉积盆地是地球表面长期沉降和接受沉积或发生沉积作用的地区。广义的 “盆地” 又可分为原生沉积盆地（其边缘为沉积边缘）和后生盆地（由于后期构造运动产生的、具有盆地形态的一种向斜构造，与沉积作用无关，其边缘是构造抬升引起剥蚀形成的边缘）。沉积盆地能容纳多少沉积物取决于它的可容纳空间（accommodation），这个空间可用当地侵蚀基准面（base level of erosion）到盆地基底之间的距离来衡量。以浅海为例，那里的侵蚀基准面大致与海平面或被海水均夷了的陆架表面一致，其可容纳空间就是全球海平面和基底垂直升降运动的函数。在全球海平面不变的情况外，如果基底相对静止，这个浅海盆地将会很快被填满，沉积物的厚度就很有限。如果基底抬升，可容纳空间减小，原有沉积物将被剥蚀；只有基底持续沉降，可容纳空间才能不断增大，沉积物厚度才能随之增厚。这样，地壳在什么部位、什么时间沉降以及沉降的速率和幅度就成了沉积物分布格局的另一个主要控制因素。事实上，物源区、沉积盆地和其间的搬运路径总是共存于一个更大的构造体系中，沉积岩的整个形成过程和它最后的物质构成都要受这个体系的制约。试想，若构造运动使物源区和沉积盆地相对快速升降，整个地形剧烈起伏，那么在相同气候条件下，物源区和搬运路径上的搬运能力（如水流速度）将增大，结果是母岩剥蚀速率加快，可被搬运和沉积的最大碎屑将变粗，搬运距离缩短，沉积物将很快堆积并被掩埋，即使气候湿热，化学风化也来不及深入进行，母岩中的不稳定矿物将有更多机会以碎屑形式保留在沉积物中，所有碎屑所经历的搬运改造也比较轻微。相反，若相对升降运动较为缓慢或趋于停止，那么风化剥蚀将会使起伏地形逐渐夷平，结果将使搬运距离加长，搬运力减小，沉积物堆积和埋藏速度降低，不稳定矿物就会遭受更长时间的分解，保留下来的机会也就随之减少，所有碎屑在搬运途中受到的改造也要增强。例如，在大陆裂谷的盆－岭体系中，地壳的相对升降运动强烈，紧邻盆地两侧的大陆断块（主要由大陆基底的结晶岩系构成）是其物源区，沉积盆地基本上是内陆坳陷，沉积物中就常见粗大砾石，砂质沉积物中斜长石、碱性长石、石英的含量都比较高，还常出现角闪石、黑云母等暗色矿物，大大小小的碎屑也多带棱角。当大陆裂谷经海底扩张、大陆漂移发展到被动大陆边缘的浅海盆地时，物源区的构造已很稳定，地势也趋势于平缓，沉积物中只有少量较小的砾石，砂质沉积物中的石英常可达60％～70％以上，长石也主要是碱性长石，暗色矿物则基本绝迹，碎屑外形也多变得圆润光滑。其他构造体系中的沉积物形成作用也莫不遵循这个基本法则。现在，碎屑沉积物的整体粒度、成分和被改造程度以及它们的空间分布与该构造体系的对应关系已成为研究区域构造运动的一个重要出发点。对母岩风化的溶解物质而言，情况较为复杂，尽管理论上溶解离子的类型也与母岩有关，但如果它们不结合成新的矿物沉淀出来就不会留下任何地质记录，而哪些离子在什么条件下可以结合则要受化学或生物化学规律的支配，而且反应物常常还包括有大气中的CO₂、O₂等活性气体和水，也就是说，沉淀矿物与母岩中的被溶矿物已经没有必然联系。由于这个原因，任何化学性沉积物都没有与自己对应的母岩。但是，不论在哪种构造背景中，自元古宙晚期至今的化学性沉积总是以碳酸盐沉积最常见，其次是硅质沉积或可溶盐类沉积，这是由地壳中元素丰度、化学性质和自那时以后的地球表生环境共同决定的。最后，沉积物在埋藏成岩过程中，温度和压力随上覆沉积物厚度的增大而上升显然也要受控于沉降。在大陆裂谷这样的地壳活动部位，地热增温率常常较高，最大可达3℃/100m以上，而被动大陆边缘这样的地壳相对不活动部位，地热增温率则较低，常常只在1.5℃/100m左右。以沉积岩平均密度计算，埋深每增加1000m，负荷压力将增加27.5MPa。另外，埋藏沉积物中孔隙水的化学成分因温压和沉积物成分的不同而不同。所有这些与构造运动有关的因素都可影响成岩作用的进程以及沉积岩和变质岩间的界线深度，因而也就控制了沉积岩在不同构造部位的最大可能厚度。

气候背景是指一个较长时间段内出现在大气中的各种物理现象的总和，其中最具影响力的是气温和降水，其次是风。在原始物质的生成阶段，气温和降水通过控制风化作用性质、风化速率和动植物分布从而控制着原始物质的类型和数量。在炎热多雨的气候中，物理风化、化学风化都很剧烈，母岩会很快解体，不稳定成分很快分解消失，相对稳定的成分也会大量溶蚀，从而形成较多溶解物质和不溶残余物质，碎屑物质的粒度也偏细。相反，在寒冷干旱的气候中，化学风化很缓慢，不稳定成分常可保留，各种成分的碎屑都可出现，粒度也偏粗。在现代大陆架上，卵石和泥分布最多的地区就分别处在寒冷和炎热的气候带中。在沉积作用阶段，气候的影响同样强烈。首先，碎屑和不溶残余物质在搬运过程中会继续受到风化，其次，降水量直接决定了地表径流的规模，继而影响从母岩区将风化产物搬向沉积盆地的能力、速度和距离。在降水稀少的沙漠和其他植被稀少的裸露地区，水的搬运很次要，而风的搬运却很惊人。我国著名的西北第四纪黄土高原和雕塑有乐山大佛的四川白垩纪红色砂岩就是风力搬运的结果。风还是波浪、风暴和大多数沿岸海流的动力来源，对相关沉积物的形成也具有很强的控制作用。对溶解物质而言，气候的影响更为明显，通常是降水量愈少、温度愈高（蒸发量愈大），将会使溶解度愈大的矿物沉淀出来。现在被深埋在地下的石盐、钾盐、石膏等易溶盐类沉积几乎都是过去蒸发量大于降水量的环境产物，即使是最常见的、与化学过程密切相关的碳酸盐沉积也主要产在温暖气候带中。不仅如此，作为最大沉积盆地的海洋，其海平面还会因全球气候的冷暖变化而波动。有人计算过，如果今天大陆冰川全部融化，全球海平面就会上升66m，大约7％的大陆面积将被淹没。许多人认为，地质历史中多次出现的幅度达100～200m的全球海平面升降变化的一个重要原因就是气候导致的大陆冰川体积的消长。显然，全球气候变化必将迫使风化作用、沉积作用和沉积物分布格局全都做出相应调整。沉积物被埋藏以后，气候的影响将逐渐减弱，但顶部暴露的浅埋沉积物则会受大气淡水的强烈影响，某些未经埋藏而在沉积物表层完成的固结过程则只可能出现在温暖的气候背景中。