Question

沉积物的形成

Answer 1

1. 沉积物的来源

构成沉积岩的物质从成因上大致可分为两类。

1) 他生 (allogenic) 物质: 一是存在于暴露在地表的既存岩石 (岩浆岩、变质岩、古老的沉积岩) 中的矿物，或矿物集合体 (即岩屑) ，脱离母岩 (provenance) 后作为固体颗粒被流动介质 (如水、空气、冰川等) 搬运到沉积盆地中堆积而成的。二是既存岩石分解之后生成的新不溶性矿物 (如粘土物质) 。三是火山喷发形成的碎屑 (pyroclastic)物质，它们通过空气或流水搬运到沉积盆地堆积而成。

2) 自生 (authigenic) 物质: 这是沉积盆地中被溶解的物质发生沉淀新生成的物质。其中有在沉积盆地由化学作用或生物作用生成的沉淀物质，沉积物沉积之后在埋藏成岩(石化) 阶段沉积物与地下流体等相互作用而形成的化学沉淀物质，有些是浓度过大而发生结晶沉淀的物质。自生物质中最常见的有方解石 (CaCO₃) 、白云石 (CaMg (CO₃)₂)等碳酸盐矿物和蛋白石、玉髓、石英等 SiO₂物质，及石膏、钾盐等。

沉积岩中，有主要以碎屑物质构成者，也有主要以自生矿物构成者。前者往往称为碎屑岩 (clastic rocks) ，后者称为化学 (chemical) 或生物沉积岩 (biogenetic sedimentary rocks) 。

构成沉积岩的物质从来源上来说，包括母岩风化的产物、生物物质、火山物质及宇宙物质。

沉积物中最主要的物质来源是母岩风化作用的产物。风化作用 (weathering) 是指引起地表岩石发生机械破碎和化学变化的地质作用，其中包括了地表大气、流水、生物活动等各种自然因素。风化作用可以在地球表面形成各种各样的风化地貌，图2-1 就是一种非 常 特 别 的 风 化 地 貌———石 林。物 理(physical) 风化、化学 (chemical) 风化及生物 (biogenetic) 风化是地表三种最主要的风化作用。

图2-1 风化地貌———石林

物理风化只引起岩石的机械破碎，而其本身的矿物组成及化学成分不会发生改变。它与地表温度昼夜或季节的变化以及流水、冰川、风沙、矿物晶体生长等的机械破坏密切相关。

化学风化指在大气、水、二氧化碳及其他有机酸的作用下，母岩发生化学反应，生成新矿物和可溶性物质，致使母岩的组成和结构遭到破坏。其中以氧化作用(oxidation)和水解作用(hydrolysis)最为显著。氧化作用系由于大气圈和水圈中自由氧(O₂)的作用，使得岩石中的低价化合物向高价化合物转变。例如，铁橄榄石在水溶液中的氧化反应:

综合地质学

水解作用指岩石中的矿物晶体与水发生相互作用，引起矿物分解，而水溶液变成了弱酸或弱碱的介质。例如，镁橄榄石的水解反应:

综合地质学

生物风化是指由于地表生命活动引起的岩石破坏过程，其中既有物理的又有化学的破坏方式。生物风化的物理方式主要是指因为植物生长、动物活动等过程导致的岩石机械破碎;化学方式主要指生物活动中或其死后的尸体在腐烂过程中释放出大量的有机酸，致使岩石中的矿物发生化学分解。例如，钾长石在有机酸中的分解反应:

综合地质学

生物活动中产生的大量O₂和CO₂等气体也同样影响着岩石的化学风化过程。

风化作用的直接产物包括:①碎屑物质颗粒，由母岩或其中的矿物机械破碎形成，如石英碎屑、长石碎屑等矿物碎屑，以及石灰岩、火山岩、硅质岩等岩石碎屑(亦称之为岩屑);②不溶性残余物质，母岩化学风化过程中新生成的在地表温压下相对较稳定的新矿物，主要以粘土矿物为主，如高岭石粘土、蒙脱石粘土等，其次还有少量的金属氧化物矿物，如氧化硅矿物(玉髓、蛋白石等)、氧化铝矿物(铝土矿等)和氧化铁矿物(赤铁矿、褐铁矿等);③可溶性物质，指溶解于地表下溶液中的金属离子和阴离子团。根据溶液的性质可进一步分为真溶液和胶体溶液，前者如K⁺，Na⁺，Ca²⁺等以离子状态出现于溶液之中，而后者如Al，Fe，Si，Mn等的氧化物以胶体的形式出现于地表水中。

生物物质是由生物的遗迹或遗体形成的有机质，在沉积岩中分布广泛，这类有机质在沉积岩的形成过程中被埋藏，成为沉积岩的一个组成部分。生物物质在一定的温度和压力条件下，是形成煤、石油、天然气的基础。

火山物质是由火山喷发而形成的碎屑物质，可以在火山附近堆积形成火山碎屑岩，也可以分散到其他的沉积物中，与其他沉积物一起形成沉积岩。

宇宙物质为降落在地球上的天体物质，主要为陨石，宇宙物质在沉积岩中含量极少。

2.主要造岩矿物和岩石在风化过程的稳定性

造岩矿物在风化过程中的稳定性，系指矿物抵抗风化作用的能力。这首先决定于矿物的化学成分、内部结构和物理性质，其次是造岩矿物所处的风化条件。各种造岩矿物在风化时的稳定性有所不同，因此，风化习性和风化产物也不同。兹将主要造岩矿物的风化习性简述如下。

长石类矿物 为K，Na，Ca的铝硅酸盐。在物理风化作用下，长石易沿解理面破碎;在化学风化作用下，易受各种酸(主要是碳酸)的作用分解，释离出K⁺，Na⁺，Ca²⁺等阳离子，同时水化而逐渐变为水云母，此时晶体结构由架状变成层状。水云母在酸性介质条件下继续分解，游离出部分SiO₂而形成高岭石;在碱性介质条件下则形成蒙脱石。高岭石在湿热的气候条件下，经去硅作用游离出的SiO₂生成蛋白石，剩下的Al₂O₃则形成含水的氧化铝矿物。不同种类的长石，抵抗风化的能力有所不同，钾长石比斜长石稳定，斜长石中的酸性斜长石又比基性斜长石稳定。因此，在沉积岩中常见的碎屑长石是钾长石和酸性斜长石。

铁镁矿物 为Fe，Mg，Ca的铝硅酸盐矿物，如橄榄石、辉石、角闪石等。这类矿物稳定性比较低，其中以橄榄石最易风化，辉石次之，再次是角闪石。在化学风化作用下，尤其是在碳酸的作用下，这类矿物首先分解出Fe²⁺，Mg²⁺，Ca²⁺阳离子，形成重碳酸盐，溶于水中被带走;在氧化作用下，这类矿物中的低价铁氧化为高价铁，形成含水的氧化铁矿物而残积在风化地区，故其风化产物多呈红色、褐色和棕色。

石英 为最稳定的造岩矿物，在风化过程中几乎只发生机械破碎，不易发生溶解。因此，母岩风化越彻底，石英在风化产物中的相对含量越高。

云母类 白云母比黑云母稳定，因此，在沉积岩中白云母比黑云母常见。白云母在化学风化作用下可分解而转变为水云母以至高岭石;黑云母风化后形成含水的氧化铁矿物及粘土矿物，其部分阳离子则被淋滤。

粘土矿物 为沉积岩的重要造岩矿物。由于此类矿物是在地表条件下形成的，故在一般风化作用下只发生机械破碎，而无化学分解现象。只有在较强的化学风化作用下才进行分解，如水云母在酸性介质条件下可风化为高岭石，在碱性介质条件下则可风化成蒙脱石。

碳酸盐矿物 主要为方解石和白云石，分别是石灰岩和白云岩的主要矿物成分。这类矿物在酸性水中极易溶解，而在极干燥的气候条件下，可由物理风化作用破碎成碳酸盐碎屑。

岩石在风化时的稳定程度取决于主要组成矿物的成分及岩石的结构构造。超基性岩和基性岩主要由铁镁矿物和基性斜长石组成，因此，这类岩石易受风化，而酸性岩的主要矿物为石英、钾长石和酸性斜长石，以及少量黑云母等铁镁矿物，故此类岩石抗风化能力较强。中性岩的抗风化能力则介于上述二者之间。砂岩的主要成分为石英颗粒，不易遭受化学风化，一般只有机械破碎。粘土岩主要由粘土矿物组成，因此，在风化作用的影响下，一般仅发生机械破碎。但在气候湿热的地区，也可发生分解。硅质岩则较难风化。石灰岩在干燥寒冷地区以机械破碎为主，而在潮湿地区则以溶解为主。结构构造可以影响岩石的风化性质。粗粒结构的岩石，如花岗岩、闪长岩等风化时，易沿岩石中矿物颗粒接触面破裂。而细粒结构的致密块状岩石，如各种火山岩等往往碎裂成细粒的岩石碎屑。具有板理、片理和薄层理的岩石及受构造断裂破碎的岩石易风化碎裂。岩石风化中会产生大量的裂隙、溶孔及溶洞，提高了岩石的空隙度，但却降低了其强度。