Question

沉积岩的地史演化

Answer 1

在不同的地质历史时期，形成的沉积岩类型、成分、结构构造、体积都有一定的变化（图19－2）。概括起来，有以下几个特点：

图19－2 地质历史时期的沉积岩类型分布（据Ronov，1983）

（1）条带状含铁建造（banded ironstone formation，BIF），即碧玉铁质岩或磁铁石英岩，最早出现在37.6亿年前的太古宙，与绿岩带（greenstone belt）共生。到元古宙早期沉积数量最丰，以后逐渐减少，元古宙后消失，整个显生宙均未再出现。另一类含铁建造属于鲕绿泥石－针铁矿－菱铁矿型，是在显生宙才出现的，但分布比较局限。

（2）最古老的红层，见于距今25亿年前的绿岩带内，此后至距今18亿年期间甚为少见，直到元古宙晚期和显生宙才又显著增多。

（3）显生宙时，沉积岩中的碳酸盐岩数量可接近25％，而元古宙时形成的碳酸盐岩仅占5％左右，太古宙时更少。在碳酸盐岩的成分上，镁钙比值随时间的推移而降低，反映出显生宙以前白云岩较多。含铁的白云岩在太古宙地层内常见，含铁量也随时间推移而趋于减少。浅水内沉积的泥晶灰岩与生物灰岩开始出现于寒武纪，晚侏罗世的远洋灰岩与联合古陆的解体和大陆漂移有关。

（4）距今23亿～20亿年的古元古代，大陆上开始出现锰矿。元古宙晚期硬石膏与石膏见于北美洲及大洋洲，显生宙内的蒸发岩在所有沉积岩内体积可占5％。距今20亿年古元古代开始出现碳质页岩与煤、石墨，但直到晚泥盆世陆生植物繁盛之前，煤都较少见。

（5）太古宙的绿岩带内已有杂砂岩及浊积岩出现，古元古代地层已有典型的长石砂岩。其后，这些不成熟的沉积岩逐渐被成熟的砂岩和石英岩所替代。

除以上几点总体的变化趋势外，以下简要介绍几类常见的沉积岩在地史时期的演化特征：

◎砂岩：大多数太古宙长石质净砂岩或长石砂岩中斜长石的含量远高于碱性长石。与之相反，显生宙的砂岩中碱性长石的含量要高于斜长石。大多数古－中太古代的砂岩为富含泥基的岩屑杂砂岩，它们多以厚层的浊流沉积出现，成分成熟度和结构成熟都极不成熟。从碎屑成分来看，纯橄岩和橄榄岩等超基性岩岩屑的含量要远高于长英质岩屑。碎屑矿物颗粒中，橄榄石、辉石和斜长石含量丰富，石英和碱性长石少见。这些颗粒主要为棱角状、分选性差，没有很强的搬运和磨蚀作用。这些特征与该时期广泛分布的花岗质陆壳周期性为浅海所覆盖这一沉积环境相符合。尽管部分陆源物质明显来源于花岗岩和麻粒岩，但总体来说该时期硅铝质陆壳较薄且出露范围有限。这一时期主要的母岩剥蚀区为超基性、基性岩浆岛弧和部分暴露的下地壳甚至地幔物质。剥蚀下来的碎屑物质经过快速的、短距离的搬运，直接沉积于海沟、弧前和弧后盆地。由于没有宽缓而稳定的浅海陆架存在，因此碎屑物质的沉积改造作用不明显。同时，该时期地表缺乏植被，大气也处于酸性还原状态，增强了地表风化和剥蚀作用。从太古宙末期到元古宙早期，由碱性长石和富含石英的硅质岩屑组成的长石砂岩含量开始增高，来源于花岗岩和流纹岩的碎屑成分也逐渐增高。在元古宙，陆壳更趋于花岗质，并且开始变得稳定，成分成熟度和结构成熟度都比较成熟的石英砂岩开始大量的出现，它们的碎屑颗粒有相当一部分来源于遭受风化剥蚀的早期砂岩。早古生代砂岩主要是成分和结构成熟度都极成熟的石英净砂岩。它们基本上由99％的极圆状、分选好的石英颗粒组成，表明它们经受了长期的强烈风化和搬运作用。在某些特殊情况下，热带区的化学风化作用也可以形成石英砂岩，但这种化学成因的石英砂岩中石英颗粒多为棱角状，分选差，要形成极成熟的石英砂岩，必须经过多期次的旋回作用。早古生代之后，这些极成熟的石英砂岩开始逐渐消失了。

◎ 碳酸盐岩：石灰岩的矿物组成指示了显生宙期间海水化学组成的微妙变化。这些变化与地质历史时期长时间尺度的冰期与暖期的交替变化直接相关。冰期与暖期的交替，控制了海平面高度、海水温度、海水化学组成的变化。在显生宙大部分时期，地球处于温暖、富CO₂的环境，海平面较高，陆架为浅海所覆盖，石灰岩广泛发育。而在冰期（如晚古生代－三叠纪、渐新世－现今）石灰岩只发育于开阔海盆地，主要以钙质浮游生物软泥的形式出现。显生宙石灰岩的形成速率比较稳定，但是其主要的形成地点因暖期和冰期的交替而相应的在浅海与深海之间变化。前寒武纪的石灰岩沉积较少见，一方面是由于该时期缺乏宽阔而稳定的浅水台地，另一方面更是由于生物的演化而导致。叠层石的研究表明，能够分泌钙质的蓝藻细菌最早出现在35亿年前，但受到海水化学组成和浅水台地的制约，它们直到元古宙才开始繁盛。石灰岩的大量出现，似乎与寒武纪生物大爆发直接相关。寒武纪生物大爆发之后，带壳生物开始大量涌现，生物体分泌钙质的能力得到显著提高，使巨厚层石灰岩的形成成为可能。白云岩的形成则在一定程度上受大气成分的影响。大气含较低CO₂时有利于钙的沉淀，含较高CO₂时有利于钙和镁的同时沉淀，即有利于形成白云岩。白云岩含量丰富的时期，往往对应于温暖期，早期形成的石灰岩也容易被白云岩化。碳酸盐矿物的沉积作用也明显的受到气候影响。在冰期（如晚中生代、晚古生代）海洋的化学组成更有利于文石的沉淀；而在暖期（如早－中古生代、晚新生代）更有利于方解石的沉淀。这种 “文石海”（aragonite sea）与“方解石海”（calcite sea）之间的转换，在很大程度上是由于海洋中镁钙的比例变化而导致的。碳酸盐岩中的生物颗粒类型由碳酸盐岩形成期的主要钙质生物组合所决定，因此在地质历史时期存在着明显的变化。如在古生代，海百合、腕足、三叶虫、苔藓虫生物碎屑组成的石灰岩非常常见，但经历了二叠纪－三叠纪生物灭绝事件之后，这些生物大量灭亡，其后在石灰岩中的含量大大降低。又如，菊石灰岩只见于晚古生代和中生代，钙质微型浮游生物和有孔虫组成的灰岩只有在白垩纪之后的地层中才出现，新生代灰岩主要是由双壳、腹足、钙藻及海胆等生物碎屑组成，这些都是由于钙质生物的演化所决定的。

◎泥质岩：太古宙及元古宙泥质岩中铁元素主要为还原态，铁的氧化物出现在新元古代及其后的地层中。在新元古代后的泥岩中，有机碳和碳酸盐含量显著增高，这是由于生物开始逐渐繁盛，由于生物的固碳作用，碳元素越来越容易进入到沉积物中。大多数前寒武和古生代的泥质岩主要由伊利石粘土矿物组成，但这可能主要是由成岩作用引起的，因为伊利石是在埋藏和成岩作用过程中最稳定的粘土矿物，蒙脱石和高岭石都容易在成岩过程中转变为伊利石。在新生代之前的地层中，蒙脱石矿物为主的泥岩，如胶岭土，非常少见，这也是由于蒙脱石的晶体结构和化学组成容易在成岩过程中遭受显著改造。在中古生代之前的地层中，高岭石矿物也较少见，可能是由于在此之前缺乏陆生植物，无法提供高岭石的形成条件而导致的。黑色页岩则往往与气候的温暖期相对应，通常是在主要海侵期的初始阶段形成于缺乏沉积物供给的深水还原条件下。

◎其他类沉积岩：铁质岩和蒸发岩可以用来指示地质历史时期大气的演化。在18亿年前广泛发育的层状铁质岩，主要指示了大气中非常低的氧含量。当层状铁质岩从地层中消失之后，沉积物中的铁主要是以氧化物的形式存在，偶尔也以鲕粒状铁质岩产出。铁质岩的形成与热带土壤风化和缺乏其他类型沉积物供给有关，并且主要形成于气候温暖期。蒸发岩在距今12亿年左右开始大量出现，尤其以石膏含量最高。蒸发岩只有在宽阔稳定的大陆能够周期性为蒸发作用强烈的浅层海水所覆盖的情况下才可能形成。大气的组成也可影响到蒸发岩的形成。在还原条件下，硫主要以黄铁矿沉淀出来，而有些硫酸盐矿物，如石膏，只有在大气为氧化条件下时才能形成。石膏岩与铁质岩一样，对于大气的演化都是比较敏感的。

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