第四章 外動(dòng)力作用與沉積巖
Chapter 4 The Role of External Force and Sedimentary Rock

南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院 舒良樹制作

第一節(jié) 外動(dòng)力地質(zhì)作用的一般特征
Section 1 General Features of Geological Action Under an External Force 地質(zhì)學(xué)：關(guān)于固體地球組成、結(jié)構(gòu)及地球演化歷史的 知識(shí)體系。 地球動(dòng)力學(xué)(geodynamics) ： 塑造大自然和地球形貌 的作用力。
分內(nèi)動(dòng)力(internal force)與外動(dòng)力(external force)兩種。

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一、內(nèi)動(dòng)力作用一般特征
◆ 內(nèi)動(dòng)力：巖漿、層圈作用、放射能等。 ◆ 產(chǎn)物：火山巖、侵入巖；地震、斷裂、褶皺；各種 巖漿礦產(chǎn)：金、銀、銅、鐵、鉬、鎢、錫等。 ◆ 意義：了解地質(zhì)體成因、尋找資源礦產(chǎn) 。

二、外動(dòng)力作用一般特征
◆ 外動(dòng)力：太陽輻射、地球轉(zhuǎn)動(dòng)、日月相對(duì)位置、重力等引起的 力, 如科氏力、彎道離心、水流沖擊、潮汐力、風(fēng)、浪等。 ◆ 外動(dòng)力作用的能源：太陽熱能、重力能、日月引力能。 ◆ 外動(dòng)力作用的場(chǎng)所：大氣圈（風(fēng)沙）、水圈（海洋、河流、冰 川、湖泊、地下水）、生物圈、地殼表面。 ◆ 外動(dòng)力作用的類型：風(fēng)化作用(地表巖石在大氣、水、生物作用 下發(fā)生的機(jī)械破碎作用或化學(xué)分解作用) 、剝蝕作用、搬運(yùn)作用、 沉積作用 、固結(jié)作用（壓固、膠結(jié)、重結(jié)晶、新礦物的生長)。 ◆ 產(chǎn)物：四類沉積巖、各種沉積礦產(chǎn)（煤、油氣、鐵）等。 ◆ 意義：找礦、了解地球演化史。

流 水 沖 刷 沉 積 巖 形 成 的 洞 穴

人面獸身像
(砂巖-粉砂巖,埃及)

陸相紅層、海相灰?guī)r
(新疆博樂-哈薩克斯坦邊界)

舒良樹攝

三、與外動(dòng)力作用有關(guān)的4個(gè)物質(zhì)層圈
1. 大氣圈 (atmosphere) （厚度>900km)
（1）大氣圈的組成: 對(duì)流層→平流層→中間層→熱層→外層
◆ 對(duì)流層(troposphere): 高度0～16 km。溫度來自地面反射的太陽能；每上 升1km降溫6.5oC。 大氣(O2+N2+CO2+Ar+H)集中在此層,地球表面最稠密。 ◆平流層(stratosphere): 厚度約40 km。頂面距地面高度55km。不受地表熱 輻射或大氣對(duì)流的影響。地質(zhì)作用基本發(fā)生在55km以下范圍。 位于20～35km高處的是臭氧層，為地球生命的保護(hù)層。

2．水圈 (hydrosphere) ◆ 水圈 = 海洋+湖泊+河流+雨-冰-雪+巖石中的裂隙水; ◆ 為一連續(xù)的物質(zhì)層圈。與大氣圈關(guān)系密切。

水圈與大氣圈的循環(huán)關(guān)系

◆ 科里奧利效應(yīng)(coriolis effect)（1835年提出）
定義：由于地球自轉(zhuǎn)，而使地表運(yùn)動(dòng)流體偏離方向的力。 大氣、河流受此影響特別明顯。 緯度和線速度不同，科氏力作用的方向也不同： N半球:水體向前運(yùn)動(dòng)，水體總是偏向前進(jìn)方向的右側(cè)。 S半球:水體向前運(yùn)動(dòng)，水體總是偏向前進(jìn)方向的左側(cè)。

◆ 水圈的作用(works of hydrosphere) a. 破壞巖石

：機(jī)械破壞(干寒帶)、化學(xué)破壞（CO2）(溫濕帶)。
b. 搬運(yùn)巖石；c. 堆積成礦。

3. 生物圈 (biosphere) ◆ 破壞巖石：機(jī)械破壞(根劈);化學(xué)破壞(生物有機(jī)酸分解礦物)。 ◆ 堆積成礦: 形成有機(jī)巖和石油、煤等能源與礦產(chǎn)。

4. 巖石圈 （lithosphere） ◆ 巖石圈=地殼+上地幔頂部的剛體部分。 ◆ 厚度: 60km (大洋地殼），150km（大陸地殼） ◆ 是礦物、巖石、能源礦產(chǎn)、生命之家，是地球科學(xué) 研究的主要對(duì)象。 5. 沉積環(huán)境 ◆ 海洋 ◆ 河流 ◆ 湖泊 ◆ 冰川 ◆ 地下水系 ◆ 沙漠

第二節(jié)

沉積巖的特征

Section 2 Features of Sedimentary Rock
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一、來源(source)、特性(character)、搬運(yùn)(transport)與固結(jié)
◆ 沉積物來源：母巖風(fēng)化物、生物、火山物質(zhì)、宇宙物質(zhì)。 ◆ 沉積巖主要特性：層理、含化石。 ◆ 沉積物的搬運(yùn):①底運(yùn)（滾、躍):沿水流底部搬運(yùn):>2mm,礫巖;2～0.1 mm,砂巖; ②懸運(yùn)(懸浮狀):0.1～ 0.01 mm,粉砂巖; ③溶運(yùn)（離子態(tài)）: <0.01mm,粘土巖、灰?guī)r。 ◆ 固結(jié)作用 (consolidation) 壓固; 膠結(jié); 重結(jié)晶; 新礦物生長.

美國科羅拉多國家地質(zhì)公園

舒良樹攝

二、沉積巖中的礦物 ( Minerals in sedimentary rocks)
1. 沉積巖、巖漿巖與變質(zhì)巖特有礦物成分比較
沉積巖：方解石、白云石、石膏、石鹽、高嶺石、蒙脫石 巖漿巖：橄欖石、輝石、角閃石、黑云母 變質(zhì)巖：紅柱石、堇青石、矽線石、硅灰石、十字石、藍(lán)閃石

2. 石英、長石、云母是沉積巖、火成巖、變質(zhì)巖中共有的礦物

三、沉積巖的結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)反映形成條件；構(gòu)造反映形成環(huán)境。
◆ 大小( size):肉眼→放大鏡→顯微鏡→電子顯微鏡
礫>2mm、砂2～0.1mm、粉砂0.1～ 0.01mm、泥<0.01mm 巨礫 >25.6cm、 6.4cm<中礫≤25.6cm 、小礫 ≤6.4cm（Mclane，1995）

◆ 碎屑結(jié)構(gòu) (clastic texture): 巖石中的顆粒是機(jī)械沉積的碎屑物。
碎屑巖: 礫巖→砂巖→細(xì)砂-粉砂巖；泥巖（頁巖） 礫巖 = 碎屑+填隙物(比碎屑小1-2粒級(jí))+膠結(jié)物

填隙物 (基質(zhì)(matrix)): 砂、細(xì)砂、粉砂、生物及火山碎屑等。 膠結(jié)物 (cement) : Si, Fe, Ca, 泥 (肉眼分不出大小)。

礫巖的碎屑結(jié)構(gòu)

◆ 沉積巖中的非碎屑結(jié)構(gòu) (non-clastic texture)
①巖石中的顆粒由化學(xué)沉積作用或生物化學(xué)沉積作用形成； ②無碎屑和填隙物及膠結(jié)物之分； ③為化學(xué)巖、生物化學(xué)巖所特有。 ④類型 晶質(zhì)結(jié)構(gòu):全由近等大的沉積晶體組成；如灰?guī)r的方解石。 生物結(jié)構(gòu):由豐富的生物化石碎屑組成。

◆ 分選性(sort)：碎屑大小 的均勻程度。 均勻者，反映搬運(yùn)距離遠(yuǎn)。 ◆ 圓度 (roundness): 碎屑的 圓化程度。棱角(a)、次棱角 (b) 、次圓(c)、圓(d)。 滾圓者，反映搬運(yùn)距離遠(yuǎn)。
碎屑的磨圓度 分選壞（a）好（b）

四. 沉積構(gòu)造 （sedimentary structure）

◆ 定義：沉積巖在形成過程中產(chǎn)生的構(gòu)造,是各組成部分的空

間分布與排列方式。 ◆ 層的厚度：巨厚>1m、厚層1～0.5m、中厚0.5～ 0.1m、 薄層0.1～ 0.01m、微層<0.01m 。 1. 層理（bedding）: 沉積巖的成層性。 沉積時(shí)，顆粒粗細(xì)不同、硬度不同、環(huán)境氣候發(fā)生變化（顏 色），就會(huì)形成層理。
a.平行層理(parallel bedding)：不同沉積層頂?shù)酌嫫叫小?沉積巖在安靜的介質(zhì)環(huán)境中形成。 b.交錯(cuò)層理(cross bedding)：不同沉積層頂?shù)酌娌黄叫小?沉積巖形成于動(dòng)蕩的介質(zhì)環(huán)境中。 根據(jù)“頂截底切”原理，可判斷地層的頂?shù)住?br />
沉積巖的水平層理 (塔里木盆地北緣)

舒良樹攝

砂巖中的單流向斜層理(新疆拜城)

舒良樹攝

→ ← →

多流向斜層理(新疆黑英山)

→

→

舒良樹攝

多流向斜層理

→ ← → →

2.遞變層理(graded bedding)：同一層內(nèi)，碎屑粒級(jí)由下而上逐 漸變小。
◆ 形成環(huán)境：水體運(yùn)動(dòng)可由強(qiáng)到弱或由弱到強(qiáng).如水介質(zhì)環(huán)境周期性 變化，在重力沉積下就形成了“韻律層”。 ◆ 用途：確定地層的頂?shù)住?br />
3.波痕(ripple mark)：波浪彎曲的層面.反映沉積環(huán)境動(dòng)蕩。
◆ 水介質(zhì)定向運(yùn)動(dòng)形成不對(duì)稱波痕: 可確定流向(從緩坡向陡坡), 但不能確定頂?shù)住?◆ 水介質(zhì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)形成對(duì)稱波痕:可確定地層頂?shù)?尖頭朝頂) ,但 不能確定流向。

4.泥裂(mud crack)：層面上多邊形，剖面上楔形。
◆ 成因：濱海、濱湖沉積物暴露出水面，失水→變干→收縮而成； 填充物與上復(fù)巖層相當(dāng)。 ◆ 用途：①確定地層的頂?shù)�；②指示古氣候（干燥）�?③確定沉積相（陸相、海岸相）。

湖相沉積粒序構(gòu)造
（ K2n，廣東南雄盆地）

舒良樹攝

波痕(南京湖山C1g)

舒良樹攝

暴露標(biāo)志: 現(xiàn)代干裂

5.縫合線(stylolite) 巖層中的鋸齒狀曲線，與層面平行（但有例 外）。 與英文的“suture”區(qū)別很大。
◆ 分布：石灰?guī)r、砂巖中（如五通石英砂巖）。 ◆ 成因：大型的縫合線示沉積作用的短暫停頓；小的示壓溶作用，含 二氧化碳淤泥沿層面循環(huán)時(shí)，溶解二側(cè)物質(zhì)所致。 ◆ 用途：確定地層產(chǎn)狀(須結(jié)合其他標(biāo)志才能確定地層的正�；虻� 轉(zhuǎn))。

縫合線 （stylolite）(湖南始興)

舒良樹攝

縫合線(stylolite)
(南京湖山,D3w 砂巖)

舒良樹攝

6.結(jié)核(nodule, concretion)
◆ 定義：沉積時(shí)，一些不同物質(zhì)繞質(zhì)點(diǎn)滾動(dòng)聚積而成的核狀體。 ◆ 分布：石灰?guī)r(棲霞組灰?guī)rP1、高驪山組砂頁巖C1)、 硅質(zhì)頁巖(孤峰組P1)。 ◆ 變化：結(jié)核脫水收縮，形成網(wǎng)狀裂隙，稱“龜背石”。 ◆ 用途：a.劃分對(duì)比地層（結(jié)核體多定向排列）； b.推測(cè)地層形成環(huán)境 (CCD，碳酸鹽巖沉積補(bǔ)償線)。

7.沖刷痕、印模 (scour mark)、底模( sole mark)
◆ 定義：沉積巖層

的底面起伏狀突起。 ◆ 分布：砂巖、頁巖中。

◆ 成因：沖刷、荷重。

沖刷槽(scour mark) 槽 模 (flute cast) (江西井岡山， 舒良樹攝)

8.雨痕、冰雹痕：陸地或淺水環(huán)境； 蟲跡：淺海環(huán)境； 假晶：干旱環(huán)境； 同生褶皺、疊層巖等：淺水環(huán)境。 9.次生構(gòu)造：沉積巖形成后產(chǎn)生的構(gòu)造。

干旱標(biāo)志: 食鹽假晶

蟲 跡

第三節(jié) 常見的沉積巖
Section 3 Common Sedimentary Rock http:///
一、三種常見碎屑巖 (clastic rock)
1. 礫巖 (cnglomerate) （碎屑+填隙物+膠結(jié)物）>2 mm ◆ 粒徑：> 2 mm (>10mm為巨礫)。 ◆ 礫石成分：石英、砂巖、髓石、灰?guī)r、火成巖、變質(zhì)巖。 2. 砂巖 (sandstone) 2～ 0.1mm
◆ 粒徑：粗砂2～ 0.5mm，中砂0.5～ 0.25mm，細(xì)砂0.25～ 0.1mm。 ◆ 成分：石英、長石居多。

3.粉砂巖 (siltstone) ◆ 粒徑：0.1～ 0.01mm 。 ◆ 成分：石英、長石、云母。

具遞變層理的碎屑巖
(新疆石河子)