北京大学-地史学2章-沉积相和古地理恢复

第二章沉积相和古地理恢复对地层进行划分、对比，给我们提供了一个研究地球演化历史的时间标尺。这只是地史学研究的第一步。地质历史时期的古地理面貌和自然环境变化是地史学研究中一个十分重要的内容。地层作为地质历史的物质记录，不但记录了地质历史发展的时间属性，也同时记录了地质历史时期自然环境演变的各种信息。地质学家通常是通过对保存在地层中的沉积岩的原生沉积结构、构造等特征和生物化石特征来推论这些岩层的生成环境条件。这种方法称为沉积相分析或岩相分析。§2.1现代沉积环境类型及其特征沉积环境是指具有特定物理、化学、生物条件的，并有沉积作用发生的自然地理单元。沉积环境中的物理、化学、生物条件及其自然地理和气候条件决定了其内各种沉积的性质。有些沉积物是完全在沉积环境中形成的，如水体中化学沉淀形成的沉积物，组成它们的矿物是在同一个地点形成；而有些沉积物是源自其他地方，通过流体介质被搬运到沉积的地点。因此沉积物的类型和特征对认识沉积环境来说十分重要。1.现代沉积环境类型及其环境和沉积特征现代地表的沉积环境可分为三大类：•海洋环境（marine）•陆地环境（continental）•海陆过渡环境（transitional）。每一大类内又包含了一系列次级的沉积环境。现代沉积环境类型示意图沉积环境1）海洋环境（marineenvironment）i.浅海（shallowmarine）：与大陆架（continentalshelves）对应的海域ii.大陆斜坡（continentalslope）iii.深海（deepmarine）海洋环境滨海带浅海带半深海带深海带大陆斜坡200m4100m大陆架i.浅海环境（shallowmarine）：a.环境特征：•波浪、潮汐和水流作用强烈，沉积物分选作用明显。•各种类型的生物丰富。阳光可以穿透水体到达海底，因此藻类和其他类型的植物繁盛，成为游泳和底栖动物的重要食物来源。海洋环境b.影响沉积物类型的因素：•邻近陆地源岩的性质•物源区的海拔高度和距海岸的距离•能分泌碳酸盐的生物存在情况等。海洋环境c.沉积物特征：分选、磨圆好，与海洋较深部分相比，沉积物相对较粗。常见的沉积物有砂、粉砂和粘土。在陆源碎屑物质供应很少而又相对比较温暖情况下，生物化学成因的碳酸盐灰泥（limemud）成为重要的沉积物类型。珊瑚礁也是温暖浅海的特征沉积。大陆斜坡浊流沉积示意图a.环境特征：•无明显的波浪和流水作用；•远离海岸，沉积物供应微弱。ii.大陆斜坡（continentalslope）和iii.深海（deepmarine）b.沉积物特征：大陆斜坡：多为细砂、粉砂和粘土。通常是通过浊流（turbiditycurrent）被搬运到沉积的地点。大陆斜坡的沉积物还包括从水体之外而来的细粒粘土物质和在重力作用下发生的滑塌堆积。深海：沉积速率缓慢，沉积物组成主要是非常细的粘土，火山灰和钙质或硅质微生物的遗骸，它们构成了海底的软泥。还可能有铁、锰结核等沉积。与海洋环境相比，沉积环境类型更具复杂性和多样性。沉积环境条件变化剧烈，影响沉积作用的因素复杂多变，特别是气候和地形。2）陆地环境i.山麓和山间盆地ii.河流冲积平原（floodplain）iii.湖泊（lake）iv.风成环境（eolian）v.冰川（glacier）i.山麓和山间盆地：山区地势起伏悬殊，高差和坡度较大，沉积作用以快速堆积为特征。往往形成巨厚的冲积扇（alluvialfan）。沉积物以粗砾为主，多棱角状，兼有泥、砂；分选和磨圆较差。从扇根向外，粒度逐渐变细，层理一般不发育。地势较为平坦，河曲发育。河道沉积和洪泛平原沉积交替出现。河道底部的滞留沉积一般以砾和粗砂为主，并明显定向排列；边滩沉积一般以砂-粉砂为主，分选和磨圆较好，但矿物成熟度较低，具有板状、槽状交错层理和平行层理；ii.河流冲积平原（floodplain）天然堤和河漫滩沉积以粉砂和粘土为主，发育小型波状、水平层理。以粉砂和粘土为主；沉积物分布呈环带状。湖泊生物繁盛。干旱地区有时会出现季节性湖泊--干盐湖（playalake）蒸发盐类沉积iii.湖泊（lake）：iv.风成环境（eolian）：沙漠：风是唯一的沉积介质。砂和粉砂，分选和磨圆很好v.冰川（glacier）：冰碛物（till）：无分选、磨圆极差；砾、砂、泥混杂堆积。冰川纹泥（varvedclay）：明暗相间的水平纹层。冰川（glacier）：顶积层前积层底积层三角洲平原三角洲前缘前三角洲三角洲结构示意图i.潮坪（tidalflat）：海岸线附近非常平坦的地区，受潮汐作用影响，时而被海水浸漫，时而暴露。ii.泻湖（lagoon）：海岸线附近与广海隔离的浅水区域水动力条件复杂，同时受河流沉积作用和海洋波浪、潮汐作用改造。iii.三角洲（delta）：江河的入海口区域3）海陆过渡环境过去的沉积环境随着地质历史中的古地理变迁早已不复存在了，但是古代沉积环境的信息通过在其内形成的岩石和生活在其内的生物而保留在了地质记录之中。地质学家就是根据这些岩石特征和生物特征获得有关过去沉积环境的信息。§2.2沉积相和古地理环境的恢复1．沉积相（facies）和相变（facieschange）1）沉积相（facies）定义：形成于特定古沉积环境条件的一套有规律的岩石特征和生物化石特征的组合。能够反映沉积环境特点的物质特征，包括岩石特征和生物化石特征。相不是沉积环境本身，而是沉积环境条件的一种“物质表现”。特定的环境有其特定的“物质表现”。2）相变（facieschange）自然界的沉积环境内部各种沉积条件在不同部位是不均一的，但是连续过渡的。这种沉积条件的不均一性和连续过渡的特点自然会体现在其内沉积物和生物的特征上，即沉积相特征。我们把这种沉积相在横向上的变化现象称为相变（facieschange）。相变实际反映了沉积环境条件在空间上的差异和过渡。查明某一时代地层的岩相变化，就能相应获得该时代地理景观的一般面貌。沉积相和相变的研究是再造古地理的基本手段。对于地史时期的沉积相研究，往往从地层剖面入手，从地层的垂向顺序上分析沉积相的更叠。对于连续的沉积来说，沉积相在垂向（时间）顺序上的更叠反映了沉积环境条件随时间而发生的变化，与其在横向（空间）上的相变存在密切的联系，有规律可循。沉积相相对比定律（瓦尔特定律）：“只有那些现在可以观察到的彼此相邻的相和相区才能原生地重叠在一起”。即相邻沉积相在垂向上的依次变化与其在横向上的变化是一致的。相对比定律告诉我们过去的环境变化实际上是有规律可循的。相对比定律示意图相分析通过地质时期的岩石和古生物的“物质表现”与环境联系起来分析和恢复古沉积环境的方法相分析的基本方法主要是“将今论古”的现实主义方法。2沉积环境识别标志沉积岩的形成是风化、搬运及沉积作用的综合产物，这一过程在地质时期往复进行原始碎屑和粘土的搬运、沉积，遵循沉积介质（水、冰、风等）中的机械分选的力学定律；而溶解物质则遵循化学定律，以化学沉积作用方式形成沉积物；此外某些物质（化学物质）在生物作用下形成有机沉积物。1）沉积岩颜色的环境意义反映沉积作用发生时沉积环境的氧化—还原状态。i.黑色和深灰色：特别是对页岩和泥岩来说，表明有大量有机质未被分解。还可能与黄铁矿（pyrite）有关。反映静水环境：海洋，湖泊，泻湖，沼泽等。ii.红色：沉积岩呈现红、褐、绿等颜色与沉积物中的铁（Fe）有密切关系。铁一般以二价铁或三价铁化合物的形式存在于沉积物中。三价铁化合物，如赤铁矿（hematite），使沉积物呈现红色、褐色、紫色；二价铁化合物使沉积物呈现灰色和绿色；含水的三价铁氧化物--褐铁矿（limonite）通常是黄色。红层：冲积平原、冲积扇、三角洲。红层和蒸发盐在一起时，往往指示温暖干旱的气候条件。2）沉积岩组成和结构的环境意义i.碎屑成分：反映物源区的性质和搬运距离远近。岩屑可以解释母岩的性质，追溯源区。矿物成熟度低的沉积物多属于短距离搬运。石英含量高、分选性好的沉积物多属于远源沉积。纯净的石英砂则是海滩反复冲洗的标志。长石一般在干旱和寒冷气候带或地形高差大的近源地区才能大量保存。ii.颗粒粒度和分选性粒度反映了搬运介质的能量。能量大所搬运的颗粒也大。水环境中体现了流速。分选性反映搬运介质的性质和沉积方式。风成环境、滨海环境常形成分选性好的沉积；山麓沉积和冰川沉积，以及浊流沉积分选性差。iii.颗粒形态和磨圆度：反映搬运方式和搬运距离。冰碛物中的颗粒基本无磨圆，多呈棱角状。风成、湖泊、海洋环境的沉积物多具有较好的磨圆度。河流沉积物的磨圆度与其搬运距离有关，如冲积扇中的沉积物磨圆度较差，而冲积平原地区的沉积物磨圆度较好。沉积结构和构造iv.颗粒的定向排列：指示水流的方向。河流沉积的砾石和砂粒的长轴方向一般与水流方向平行，并沿水流方向倾斜，形成叠瓦状构造。滨岸地带的砾石长轴方向多与海岸线平行，叠瓦状构造方向垂直砾石长轴。通过定向采样可以获得颗粒定向的信息i.泥裂和雨痕：指示暴露或半暴露的环境。泥裂同时还可能说明气候比较干燥。3）原生沉积构造ii.波痕：只出现在风成、有水体运动的（如海洋和湖泊的浅水区域以及河流）沉积环境。可以指示沉积介质的运动方向。iii.层理：交错层理：是最常见的层理类型之一。反映介质能量较强的沉积环境。多见于碎屑岩中。常见于滨岸浅水、河流、三角洲和沙漠等环境。但在不同的环境中常具有不同的形态。•河流环境常出现单向板状或槽状交错层理；•滨岸带由于潮汐作用，常出现特征的鱼骨状交错层理；•海滩环境的冲洗层理则以低倾角（10°）的板状、楔状交错层理为特征，如果水流流向不稳定，则可形成槽状交错层理。•风成交错层理厚度大，倾角高（30°），多向性，砂粒分选好，磨圆度高。。沉积结构和构造河流环境中形成的槽状交错层理水平层理：沉积作用缓慢的低能和静水环境。一般出现在海洋湖泊相对较深水区域，泻湖，冰川湖等环境。平行层理：多见于河流边滩和海滩等环境。反映急流条件。粒序层理：由重力流形成4）自生矿物沉积时形成的矿物与沉积环境中的特定的物理、化学条件有关。•海绿石和鲕绿泥石：海洋环境的标志。•鲕状赤铁矿：水深数十米的动荡浅海环境。•磷块岩：水深30-300米左右的海洋环境。•蒸发盐类矿物（如石膏、硬石膏、岩盐、白云石等）一般是干旱气候条件下滨海泻湖、潮坪和内陆咸水湖环境的产物。•在滨浅海环境，大量碳酸盐的形成与温暖的气候有关。5）生物化石的种类和生态组合许多生物对环境的物理、化学条件（如温度、盐度、水深、基底性质等）十分敏感，它们只生活在适合它们生存的环境之中。因此，每种沉积环境中都会有一些特征的生物。我们可以从生物化石的种类、结构、生活方式、活动痕迹等方面都可以获得一些与环境和气候相关的信息。能够指示特定环境特征的化石---指相化石。种类：多数生物是生活在特定的环境之中。狭温生物和广温生物；狭盐生物和广盐生物；结构：植物的年轮和叶形；贝壳的厚度；特殊的结构构造等。生活方式：底栖、游泳、浮游；底栖固着活动痕迹（遗迹化石）：海洋环境中的遗迹化石可以指示水体的深度变化。地理学：研究地球变面地理环境的结构分布及其发展变化的规律性以及人地关系的学科。古地理学：研究地球地质时期表面地理环境的结构分布及其发展变化的规律的学科古地理图：将地质时期的地理情况按照一定比例尺和花纹在平面上表现出来称为古地理图2．古地理环境的恢复和古地理图对一个地层剖面进行岩相分析我们可以了解该剖面所代表的沉积环境随时间发生的变化情况，同一时期地层（某一地层单位）在不同剖面上的沉积相变化情况（相变）则给我们提供了一个区域当时的古地理环境信息，如沉积区和剥蚀区的分布范围，不同沉积相的分布状况和规律等。在地质研究中，我们通常用一些图件来反映这些古地理环境的信息---古地理图件。古地理图件的类型：沉积等厚度图：---反映沉积物厚度变化。岩相图（lithofaciesmap）---反映各种岩相的分布状况；古地理图（paleogeographicmap）---表现地理景观，如海陆分布、沉积区