沉积学及古地理学教程

沉积环境是一个发生沉积作用的、具有独特的物理、化学和生物特征的地貌单元，并以此和相邻的地区相区别。沉积相”看作是沉积环境的物质表现，即将“沉积相”理解为一个“沉积环境”中所有的原生沉积特征的总和，包括岩石、古生物和岩石地球化学等特征。沉积模式(相模式或沉积相模式)是对沉积环境的沉积特征、发展演化及其空间组合形式的全面概括。是以图形或文字的方式表现的一种理想的、概括的沉积相格局，并能有助于了解复杂的自然现象和作用过程。垂向层序通常是指某一沉积相内部随时间演化，沉积特征（粒度、沉积构造等）在垂向上的规律变化。垂向序列通常是指几种成因上有联系的沉积相在垂向上的组合关系。进积型垂向沉积序列：是指沉积物在不断向沉积盆地中心方向推进过程中，所形成的粗粒的或浅水沉积物覆于细粒的或相对深水沉积物之上的垂向序列。退积型垂向沉积序列：是伴随沉积盆地水体的不断扩张，形成的细粒的或较深水沉积物覆于粗粒的或相对浅水沉积物之上的垂向序列。相分析的过程通过察观沉积相寻找相标志得出沉积参数或沉积条件确定沉积环境相标志：存在于沉积岩（物）中对沉积环境具有指示意义的成因标志。如水平层理、平行层理。现实主义原则现在正在进行着的地质作用，也曾以基本相同的强度在整个地质时期发生过，古代的地质事件可以用今天所观察到的现象和作用加以解释瓦尔特相律在连续的地层剖面中，垂向上几种有成因联系的沉积相相互出现的次序，与它们在横向上所出现的顺序是一致的。母岩：风化前的岩石（先成岩石）。可以是岩浆岩或变质岩，也可以是先成的沉积岩。物源区：供给沉积物的地区（母岩所在的地区），称为物源区（也称供给区或陆源区）。陆源碎屑：母岩经过风化作用后的残余碎屑物质。包括岩屑和单矿物。陆源碎屑是分析物源区母岩类型的直接证据。如在河砂中淘金，下游是多条河流汇集，多物源；上游则容易找到物源区。风化作用就是指地壳最表层的岩石在温度变化、大气、水、生物等因素作用下，发生机械破碎和化学变化的一种作用。流体是一种受任何微剪切力都能连续变形的物质粘滞性流体在静止时不能承受切力抵抗剪切变形；但在运动状态下，流体具有抵抗剪切变形的能力。把不服从内摩擦定律的流体称为非牛顿流体。宾汉流体有的流体只有当切应力达到某一值后才开始流动。当Fr=1时，水流受惯性力与重力作用相等,为临界流；当Fr1时，惯性力作用大于重力作用，水流为急流，也称高流态；当Fr1时，惯性力作用小于重力作用，水流为缓流，也称低流态。层流流体质点的运动有条不紊，呈不混杂并呈现分层流动的状态，。紊流流体质点的运动呈分层流动状态被破坏，发生互相混杂，并且有纵向脉动，管道条件下：当Re2320时为层流，层流是一种缓慢的流动，流体质点作有条不紊的平行的线状运动，彼此不相掺混。当Re=2320时为临界流，也称临界雷诺数(Rek)，其对应的是临界流速(VK)。当Re2320时为紊流，紊流是一种充满了旋涡的急湍的流动，流体质点的运动轨迹极不规则，其流速大小和流动方向随时间而变化，彼此相互掺混。牵引流:是以一定的动力（推力或上举力）拖曳（或牵引）导致流体运动并带动碎屑颗粒运动的流体。流体中被搬运的沉积物称载荷，单位时间内流经某一横断面的沉积物总量(容量)称作载荷量。重力流：是水和悬浮颗粒的高密度混合体，是在重力作用下发生流动的高密度流体，属于非牛顿流体的宾汉流体。床沙形体沉积物呈床沙（推移）方式搬运主要见于牵引流中。随着流体流动强度的变化，在床沙表面相应出现不同的几何形体牵引流的搬运特点和载荷（1）颗粒开始搬运(侵蚀）的起动流速，因需克服其本身的重力和彼此间的吸引力，要比继续搬运的速度大；2）大于2mm的砾级碎屑的起动流速比沉积临界流速大，但二者差较小（两个速度都较大），而且随流速增大起动的颗粒也同样增大，因此砾石很难作长距离搬运，多沿河底呈滚动式推移前进。(3)0.05-2mm砂级碎屑颗粒所需的起动流速最小，与沉积临界流速相差较小。砂级颗粒易搬运、易沉积，最为活跃，故砂粒常常是呈跳跃式前进；4)小于0.05mm的泥级颗粒，两种流速相差很大，特别是更细的泥级颗粒，在流沉积分异作用--按沉积物的物理特性(颗粒的大小、形状、比重)或化学成分，呈规律性依次沉积的现象,称为沉积分异作用。泥石流是一种含有大量粗碎屑和粘土、呈涌浪状前进的粘稠流体。即：是一种砾、砂、泥和水相混合的高密度流体颗粒流颗粒之间没有粘结力或凝聚力的流体（砂、砾所组成的重力流）。浊流是一种混合着大量自悬浮沉积物质的高速紊流状态的混浊高密度流，也是由重力推动流动的重力流重力流与牵引流沉积作用的区别:（1）从分布规律上看，浊流及其它重力流沉积不服从机械沉积分异顺序，只在深部沉积位置上沿流动方向出现由粗到细的变化，而且在完整的浊积物层内，自下而上也有相应的变化。（2）在浊流内的碎屑颗粒(粗到细)几乎全部呈悬浮状态，并且是高浓度的。悬浮颗粒可以较粗。在牵引流中，三种搬运方式都存在，其中仅细颗粒(如泥质)具有悬浮搬运的特点，浓度也低。牵引流和浊流在实际作用过程中是可以互相转化的搬运过程中碎屑物质的变化1)矿物成分的变化(2)粒度和分选性的变化(3)颗粒形状的变化沉积构造:是由沉积物的颜色、成分、结构的不均一性而引起的岩石宏观特征。原生沉积构造：指沉积物沉积时或沉积后不久，以及在其固结以前所形成的构造。次生沉积构造：在沉积物压实或成岩过程中生成的沉积构造，它反映成岩环境流动构造是最重要和最常见的沉积构造。是沉积物在搬运和沉积过程中由于介质的流动在沉积物表面及内部形成的各种构造现象。层面构造是指保存在沉积岩层面（顶面或底面）上的各种特征。波痕是由水流、波浪或风的作用，在沉积物表面形成的波状起伏的痕迹。逆行砂丘：是指在浅水急流条件下(即福劳德数1)，由表面流在沉积物表面上产生的一种与水面波同相位的波痕状底形。与一般的波痕形成作用相反，通常其背流面一侧遭受侵蚀，而在向流面一侧进行堆积作用。故向上游方向移动，称为逆行沙丘。不对称浪成波痕和水流波痕的区别：①浪成波痕的波脊往往出现分叉与会合的特点,水流波痕的波脊则多中断并被别的脊代替；②波长小于4.5cm的不对称波痕一般都是浪成,浪成波痕的波痕指数15,而水流波痕的RI15,浪成波痕的对称指数3.8,而水流波痕的3.8；③浪成波痕的前积纹层往往表现为成束的分枝状,并且通过波谷延伸到相邻波痕的翼部上。干涉波痕：是在浅水区由于不同方向的波浪或不同方向的水流，同时或基本同时的联合作用下形成的波痕。改造波痕：在水流及波基面变化的情况下，原先生成的波痕受到改造而形成的波痕层理构造（简称层理）是由沉积物的成分、颜色、粒度等在垂直于沉积物表面（层理面）的方向上的显示出来的特征，它是沉积物（岩）的最重要的特征之一。单层（层系）是组成层理的基本单位，由一组形状相似的纹层按一定的方式组合而成。层组（层系组）：是由两个或两个以上成因有联系的性质相似的单层叠置而成，相邻层组间以层组面（岩层面）为界，层组的形成是由沉积环境变化引起的交错层理是由一系列与层理面斜交的内部纹层所组成的沉积单位，它主要分布于碎屑岩和颗粒碳酸盐中，它是在介质能量较强的情况下形成的。波浪交错层理的主要鉴别标志:①单层的底界面呈波状，这是由于波痕的不规则迁移造成的；②前积纹层通常由成组排列的交错纹层组成，因而具束状叠置的特点；③前积纹层有时具“人”字型构造；④浪成波痕的交错层理一般显示交错层的分枝现象，即倾斜的前积纹层往往越过波谷，再伸到相邻波痕的另一翼上，有时甚至达到相邻波痕的顶部。爬升波痕层理由水流波痕或波浪波痕的迁移产生，由向上生长的一系列相互叠覆的波痕层理组成平行层理强水动力条件下形成的相互平行的、水平或近水平的、由中粗砂岩、砾岩组成的层理，是在水流能力比形成大型交错层理更强的高流态条件下的平坦底床上形成的，其特点是颗粒粗，伴生剥离线理，与大型交错层理共生。形成环境主要为河流、海滩、浊流等环境。水平层理是细粒沉积物中主要的层理类型，纹层呈水平状，厚度1－2mm，纹层可因粒度变化和有机质含量不同或颜色差别而显示出来，是低能或静水环境的标志之一。分布环境主要为湖泊、河滩、潮坪、泻湖、浅海、半深海、浊流等。脉状、波状、透镜状层理这三种层理常共生在一起,是在泥、砂都有供应,且水动力条件强弱相互交替的情况下形成的。它们主要发育于出现潮汐环境中（涨潮和退潮形成砂质沉积物，平潮期形成泥质沉积物）,在湖滨、三角洲前缘、河流等环境中也可见到。强动能时沉积了砂层，在水流缓慢或停滞时期，沉积了悬浮的泥层。即属于由两种不同类型的岩性层组成的复合层理。依据砂泥沉积层的比例、内部构造和空间连续性分为脉状、波状、透镜状层理三种。脉状层理：水动力作用强，砂供应充分，泥质物质主要分布在砂质波痕的波谷中，而在波脊上很薄或缺失，使泥质物呈脉状分布在砂岩中，俗称“砂包泥”。透镜状层理：和脉状层理相反，是在水流和波浪作用较弱并且砂的供应不足，而泥的供应更有利的情况下形成的，其特点是砂质透镜体被包围在泥岩中，在横向上不连续，俗称“泥包砂”。波状层理：介于上述两者之间的过渡类型，是在泥砂都有供应，且强弱水动力条件交替的情况下形成的，构成砂层与泥层呈交替的波状连续层。砂泥互层水平层理水平的砂质层和泥质层相间成层重复出现，砂泥质层单层厚度数毫米至数厘米，可以等厚也可不等厚，形成动力条件比波状层理弱，形成环境主要为潮汐、三角洲、湖泊等。韵律层理由层与层间平行和近平行的两种或两种以上的岩层的互层重复出现所组成。再作用面系指交错层理中某些层组内的一个冲蚀成因的倾斜面。在此面的上、下相邻的前积纹层具有相同的倾向。再作用面的倾向与前积纹层相同，但倾角较小，而且一般较平滑。常见于潮汐和河流环境中。准同生变形构造指沉积物在沉积之后到固结成岩之前（即沉积物还处于塑性状态时），受局部物理作用而发生不同程度变形的构造。包卷层理是指夹于未变形层之间的一个沉积层内的纹层具有显著的盘回褶曲或复杂揉皱的一种构造。滑塌构造已沉积的沉积物在重力作用下，沿斜坡发生移动而产生各种变形构造，统称为滑塌构造碟状构造指粉砂岩或砂岩中凹面向上的形似碟状的泥质纹层，是在沉积物沉积或固结时由超孔隙压力所引起的孔隙水向上流动形成的。暴露构造指已沉积的沉积物表面间歇性地暴露于大气下时所形成的各种沉积构造，主要包括干裂、雨痕、冰雹痕。晶体印痕与假晶在合适的条件下，盐类矿物如石膏、石盐的晶体在松软的沉积物表面上结晶生长，如果晶体后来因溶解而消失，就留下了具有晶体形态的特征印痕（晶洞）。这种印痕经沉积物充填后，就形成晶体假象即假晶。鸟眼构造在泥晶、粉晶白云岩或灰岩中，常见有1－3mm大、多平行层理排列、似鸟眼状、被亮晶方解石或硬石膏充填或未被充填的构造称为鸟眼构造帐篷构造是一种碳酸盐潮坪环境形成的脊型背斜构造，具有柱状裂隙和极大的干裂状多角断面，略呈不谐和的褶皱和类似尖顶褶皱或倒转岩层，此外，还有V字形裂隙缝和伴生有角砾岩层出现。生物扰动构造生物扰动构造是指生物在沉积物表面或内部活动时扰动沉积物，使物理和化学成因的原生沉积构造遭到不同程度的破坏或变形而产生的生物成因构造。斑状构造是指由于生物活动而使一些颜色、结构或成分与周围沉积物不同的斑点或斑块等不规则地断续分布在沉积物中的现象。沉积环境的主要判别标志沉积构造标志岩石结构和粒度标志岩矿成份和地球化学标志判别沉积环境的生物标志古流分析冲积扇是在山谷出口处，由于地表坡度迅速减缓，洪水及泥石流所携带来的碎屑物质大量堆积而成的山麓堆积物。主要分布于干旱或半干旱气候区。筛积物筛积物指冲积扇表层上呈舌状的砾石沉积物。筛积物是冲积扇沉积所特有，主要出现在扇根和扇中。筛积物的形成机理：物源供应以砾石为主，由于砾石层具有较好的渗透性，使洪水在流到冲积扇端以前就从其中完全渗漏到地下，从而形成舌状的砾石层堆积。因为水是从砾石层中渗掉，而不是从上面流走，所以它们就像筛子一样，只允许水渗走，而阻止粗粒物质继续搬运并堆积下来，故称为筛积物。冲积扇相模式A、下细上粗的进积型层序：当堆积速度大于沉降速度时，冲积扇沙体逐渐向盆地方向推进，使扇根置于扇中沉积之上，而扇中又置于扇端之上。反