Question

陆源碎屑岩的一般特征

Answer 1

（一）陆源碎屑岩的物质成分

陆源碎屑岩的物质成分主要由碎屑物质、化学物质、基质（杂基）三部分组成。

1.碎屑物质

陆源碎屑岩的碎屑物质，可占整个岩石的50%以上，是陆源碎屑岩的特征组分。它们主要来自盆地之外，是从陆地上搬运来的，故又称陆源碎屑。它们是物理风化和机械搬运沉积的产物，可分为矿物碎屑和岩石碎屑两类。

（1）矿物碎屑

矿物碎屑又称陆源碎屑矿物或碎屑矿物，在陆源碎屑岩中常见的碎屑矿物有20多种，但每种岩石中主要的碎屑矿物常不超过3～5种，最主要的碎屑矿物是石英、长石和云母。

◎石英：石英是抗风化能力很强的矿物，故在陆源碎屑岩中分布甚广，在砂岩、粉砂岩中含量尤高，平均含量达66.8%（克拉克，1924）。在页岩中有时也可达20%～30%。据统计，在陆源碎屑岩中石英的粒度一般＜1mm,＞1mm的石英在沉积岩中只有9%。因石英是最稳定的碎屑矿物，故在砂岩中碎屑石英含量的高低，常能反映岩石的矿物成熟度（岩石的矿物成熟度表示为：石英/（长石＋不稳定岩屑））的高低，石英含量高，则矿物成熟度高，说明碎屑是经过长距离的搬运、分异而沉积的。

◎长石：长石在碎屑矿物中的含量仅次于石英。在陆源碎屑岩中常见的长石是钾长石、酸性斜长石，中－基性长石少见。长石主要来自花岗岩和片麻岩。由于长石是较不稳定的矿物，若在岩石中大量出现，则大多是在干燥气候区和快速堆积的条件下形成的。

◎云母：陆源碎屑岩中的云母多为白云母，黑云母较少见，这是因为在风化过程中白云母比黑云母稳定。但在离陆源区近，快速堆积，成分复杂的砂岩中，黑云母也常出现。

（2）岩石碎屑

岩石碎屑又称岩屑，是母岩破碎后的岩石碎块，可直接反映母岩的性质。岩屑一般代表母岩风化不彻底、搬运近、沉积快的特征，若岩石中岩屑含量高，一般说明岩石的矿物成熟度低。岩屑多分布于较粗的砂岩和砾岩中，细粒的陆源碎屑岩中少见。

各种岩石都可呈岩屑出现，但以细晶质或隐晶质的岩屑较常见。如岩浆岩的岩屑多为喷出岩（玄武岩、安山岩、流纹岩、粗面岩）、微晶脉岩（细晶岩、煌斑岩）以及火山碎屑岩（凝灰岩）。在较粗的砾岩中也可见到粗粒的侵入岩（如花岗岩、闪长岩）的岩屑。变质岩的岩屑多为千枚岩、板岩、石英岩，少数为片岩和片麻岩。沉积岩岩屑最常见的是泥质岩、硅质岩（燧石岩和碧玉岩）的碎屑，其次为泥晶灰岩、粉砂岩和砂岩碎屑。

2.化学胶结物和自生矿物

它们是从溶液中呈化学沉淀的物质，这类物质在陆源碎屑岩中多以胶结物的形式存在，对碎屑物质起胶结作用，但也有部分只是孤立的分散的矿物晶体，对碎屑物不起胶结作用，这类矿物称为自生矿物（authigenic mineral）。

陆源碎屑岩中的胶结物是在碎屑颗粒之间的孔隙水中化学沉淀出来的物质，一般是在成岩阶段形成的，在岩石中的含量不能大于50%。常见的胶结物有碳酸盐矿物（主要是方解石或白云石、菱铁矿等）、氧化硅矿物（蛋白石、玉髓或石英）、氧化铁矿物（主要是赤铁矿、褐铁矿等）、硫酸盐矿物（石膏、硬石膏、重晶石、天青石）、磷酸盐类矿物（磷灰石和胶磷矿）以及海绿石、沸石等。陆源碎屑岩中的自生矿物在岩石中呈孤立零散状或结核状分布，对碎屑颗粒不起胶结作用，大多数也是在成岩阶段形成的。这些自生矿物的种类多与胶结物相同，只是数量很少，不能成为胶结物罢了。此外，还有其他一些常见的自生矿物，如黄铁矿、白铁矿等。

3.基质

基质又称杂基或粘土杂基，是充填于碎屑颗粒之间的细粒机械混入物。它们对碎屑物质也起胶结作用，但基质不是化学成因的物质，是和碎屑物质一起由机械沉积作用形成的。基质包括＜0.03mm的细粉砂和泥质物质。

（二）陆源碎屑岩的结构

陆源碎屑岩的结构主要有陆源碎屑结构和泥状结构两种类型。

1.陆源碎屑结构

这是陆源沉积岩最主要的结构，它由碎屑颗粒和胶结物（或基质）两部分组成。结构的特征取决于颗粒的结构、胶结物（或基质）的结构以及二者之间的量比和相互关系。

（1）碎屑颗粒的结构特征

碎屑颗粒的结构特征包括颗粒的大小、分选性、形态和表面特征等。

1）颗粒的大小：碎屑颗粒的大小称为粒度（grain size），以颗粒的直径来计量。为了研究方便，常将粒度划分为若干级别，并赋予一定的专用名称，如砾、砂、粉砂、泥等。这种粒度等级称为粒级。

粒级的划分方案很多，至今尚未统一，常见的划分方案有两种：

一种是按自然级数及颗粒大小与搬运、沉积以及矿物组成间的特性来划分的，这种划分方法过去在我国应用较广，一般把碎屑颗粒的粒级划分为：

砾　　＞2mm

砂　　2～0.063mm

粉砂　　0.063～0.004mm

泥（粘土）　　＜0.004mm

具体的粒级界限，还有不同的意见，有的主张以1mm作为砾和砂的分界，以0.1mm作为砂和粉砂的分界，以0.01 mm作为粉砂和泥的分界等。

另一种是以等比级数划分粒级，即以2ⁿ的值（mm）作为粒级的界限，这种划分方案最先由Udden（1898,1914）提出，后由Wentworth（1922）加以修改，因而也称Udden.Wentworth粒级。

后来，Krumbein（1934）对Udden-Wentworth粒级加以转换，按颗粒直径以2为底的负对数来划分粒级，称为ø粒级，其定义为：

φ＝-log₂d

其中d为颗粒直径（mm）。

对数粒级的划分及其φ值见表5-2。这种粒级划分的最大优点是便于用数理统计的方法处理粒度分析的资料，故目前应用越来越广。为了适应现代沉积学研究的需要和资料的对比，本书也采用对数粒级划分方案。

表5-2 对数粒级的划分及其φ值

续表

2）颗粒的分选性（sorting）：自然界中陆源碎屑岩很少由一种粒级的碎屑组成，常有多种粒级。岩石中碎屑颗粒大小的均匀程度谓之分选性。碎屑物分选性的测定通过粒度分析并用数理统计的方法求得。但是在野外手标本的观察中只能粗略地判别。如果岩石中的颗粒大小均匀，某一粒级的颗粒的含量在90%以上的谓之分选很好；若主要粒级颗粒含量为50%～75%的谓之分选中等；若大小悬殊没有一种主要粒级含量超过50%时，称为分选差。图5-1是用图示的方法表示岩石的分选性，更便于野外参考估计。

图5-1 颗粒分选性图示

（据Ehler＆Blatt,1982）

3）颗粒的形态：碎屑颗粒的形态主要是指颗粒的形状和圆度。

◎颗粒的圆度（roundness）：是指碎屑颗粒被磨蚀圆化的程度。在肉眼观察中一般可分为三级（图5-2）。

（a）棱角状：碎屑颗粒的原始棱角和形状都很明显，棱角尖锐或只稍有磨蚀。

（b）次圆状：碎屑颗粒尚有较明显的棱角，颗粒的原始形状尚可辨认，棱角磨蚀显著。

（c）圆状：碎屑颗粒的棱角全部磨蚀消失，或仅残留极少的原始棱角的痕迹，颗粒呈椭球状或圆球状，原始形状已难辨认。

颗粒的圆度不仅取决于颗粒的硬度、密度和大小等因素，而且与搬运历史有着直接的关系。随着搬运距离的增加或搬运时间的增长，颗粒的圆度也增加。因此，圆度是碎屑岩结构成熟度的重要标志之一。也是某些岩类（如砾岩）分类的主要依据。

◎颗粒的形状（form）：是由颗粒的长轴（A轴）、中轴（B轴）、短轴（C轴）的比例关系所限定的一种形态概念。Zingg（1935）根据B/A、C/B两个比值将碎屑颗粒分为四种形状（图5-3）：

圆球体　　B/A>2/3,C/B>2/3

扁球体　　B/A>2/3,C/B<2/3

椭球体　　B/A<2/3,C/B>2/3

长扁球体　　B/A<2/3,C/B<2/3

颗粒的形状与矿物的结晶习性、岩石的构造特征以及搬运介质的性质和搬运距离等有关。

4）颗粒的表面特征：碎屑颗粒的表面特征主要是指颗粒表面的磨光度和有无特殊的刻蚀痕等特征。它们有的可作为判断颗粒成因的标志，如风搬运的砂粒表面常呈毛玻璃状，冰川搬运的砾石表面有“丁”字形擦痕等。

图5-2 碎屑颗粒的圆度

（据M.E.Tucker,1981）

图5-3 颗粒形状的分类

（2）胶结物和基质的结构

1）胶结物（cement）是碎屑颗粒间的化学沉淀物质，通常是结晶的或非晶质的矿物，在岩石中含量＜50%，对颗粒起胶结作用。胶结物的结构可按其结晶程度、晶粒大小及其与碎屑颗粒的结合方式来描述。常见的胶结物有碳酸盐质、硅质、铁质、硫酸盐质和磷酸盐质，它们多为非晶质结构（蛋白石和胶磷矿）、隐晶质结构及微晶结构（玉髓、石英、碳酸盐矿物、氧化铁矿物），少数是显晶粒结构（碳酸盐矿物和硫酸盐类矿物）。而从胶结物和碎屑颗粒之间的结合方式来看，胶结物还有以下几种特殊的结构：

◎栉壳状结构或丛生状结构：多见于碳酸盐类胶结物中，其特征是柱状或纤维状的方解石沿碎屑颗粒的边缘呈栉壳状或丛状生长。这种胶结物的结构，主要通过显微镜观察，在野外观察中多见于粗粒碎屑岩（砾岩、角砾岩）中，而且只有胶结物结晶较粗时才可见及。

◎连生结构：主要见于碳酸盐和硫酸盐（石膏）胶结物中。这种胶结物结构的特点是，胶结物的晶粒因重结晶后形成巨大的连生晶体，碎屑颗粒被包含于胶结物的大晶体中，在手标本的断面上，可见方解石或石膏胶结物呈现出巨大而平整的解理面，碎屑颗粒被包含在巨大的晶体中，转动手标本时可见大片的闪闪发光的胶结物大晶体的解理面。

◎再生加大结构：又称次生加大或自生加大结构，多见于石英胶结物中（有时在长石质胶结物中亦可见及）。这种结构的特点是，硅质胶结物沿碎屑石英颗粒的边缘，按照石英晶体的结晶格架向外生长，结果胶结物的石英成了碎屑石英向外生长加大的部分。这种结构在显微镜下很易辨认（如图5-4）；在手标本上具石英再生加大结构的岩石，其特点是岩石胶结得极为紧密，但肉眼下却看不到胶结物的存在，只见各个石英颗粒紧密相接，与岩浆岩中的结晶结构相似，具这种结构的岩石极为坚硬，渗透性很差。

图5-4 石英自生加大胶结（塔里木盆地塔中，志留系，4441m，单偏光，78×）

由于胶结物的颗粒一般都很细小，多为隐晶质或微晶的，所以肉眼鉴定它们就较为困难，通常是根据其颜色、光泽、硬度及其与盐酸或钼酸铵等反应来区别。如铁质胶结物一般为棕红色；硅质胶结物色浅，硬度很大；碳酸盐胶结物一般亦为浅色，但硬度较小，加盐酸起泡（白云石刻成粉末后起泡）；磷酸盐胶结物多为深灰色，加钼酸铵有黄色沉淀物出现；石膏胶结物一般晶体较粗，硬度小，易成连生结构，但一般胶结不紧密，岩石较松软。

2）基质是＜0.03mm的细粒碎屑物质及粘土矿物，它们一般是与碎屑物质一起机械沉积的，它们对碎屑颗粒也起胶结作用。由于它们的颗粒非常细小，故肉眼下看不清其颗粒轮廓，多为泥状结构，具土状断口，光泽暗淡，颜色多样，因混入不同的色素物质而异。在成岩作用不太强烈的沉积岩中，基质常是较为疏松的，但经较强的成岩作用或轻微的变质作用后，基质则变得比较结实，并常变为绢云母和绿泥石等。在许多岩石中常可见到基质和化学成因的胶结物混杂在一起的现象。

（3）胶结类型

胶结物或基质与碎屑颗粒之间的相互关系称为胶结类型或支撑性质。它主要取决于碎屑颗粒与胶结物或基质的相对含量和颗粒之间的相互关系，而不同胶结类型的出现又是和岩石的形成条件密切相关的。例如，当搬运介质为具一定强度的稳定水流时，则细粒的基质物质将被冲走而不能沉积，此时沉积下来的较粗的碎屑颗粒彼此接触，颗粒之间留下孔隙，即形成“颗粒支撑”的结构（图5-5a）。在成岩过程中，孔隙水中的溶解物质可沉淀充填孔隙，形成颗粒支撑的化学物质胶结的碎屑岩。如果流动介质为含有大量细粒基质物质的高密度流（如浊流、泥石流等）时，则由于基质含量高，且碎屑颗粒和基质一起快速堆积下来，即可造成“基质支撑”的结构，碎屑颗粒互不接触，散布于细粒基质之中（图5-5b），成岩后形成基质支撑的碎屑岩。

图5-5 岩石的支撑类型

（据Tucker,1981）

图5-6 胶结类型示意图

（a）基底式胶结；（b）孔隙式胶结；（c）接触式胶结

常见的胶结类型有以下三种：

◎基底式胶结（basal cementation）：基质的含量高，碎屑颗粒孤立地散布于基质中，彼此不相接触或很少接触，基质和碎屑物是同时沉积的（图5-6a）。

◎孔隙式胶结（porous cementation）：碎屑颗粒紧密相接，胶结物充填于粒间孔隙中，胶结物含量少（图5-6b）。

◎接触式胶结（contact cementation）：胶结物含量极低，碎屑颗粒互相接触，胶结物仅存在于颗粒的接触处，粒间孔隙内大部分地方无胶结物充填（图5-6c）。

2.泥状结构

泥状结构主要由粒度＜0.004mm的泥质物质组成，为泥质岩的特征结构。具这种结构的岩石，其特点是质地均匀、致密，常具滑感和贝壳状断口；矿物成分主要为粘土矿物。自然界中具典型泥状结构的泥质岩并不太多，往往有少量砂和粉砂等混入物，形成过渡类型的砂泥状结构或粉砂泥状结构。