经典地质图集，彻底搞明白碎屑岩！ |
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经典地质图集，彻底搞明白碎屑岩！
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碎屑岩是母岩 机械破碎的产物 经搬运、沉积、压实、 胶结而成的岩石。 在沉积区外的陆地上搬运来的碎屑称陆源碎屑或外碎屑，陆源碎屑岩是沉积岩的重要组成部分。 （图源@Michael C. Rygel / Wikimedia Commons）（图源@Alberto C. Vázque / Wikimedia Commons）它们是如何形成的？又具有什么特征？（图源@MooMooMath and Science）01碎屑岩由碎屑成分和 填隙物成分组成， 其中碎屑成分占50%以上。 因此，碎屑组分的性质决定了 碎屑岩的主要性质。 碎屑岩的碎屑成分包括各种陆源矿物碎屑和岩石碎屑。目前已经发现的碎屑矿物约有160种，最常见的约20种。但在一种碎屑岩中，其主要碎屑矿物通常不超过3~5种。碎屑矿物按相对密度可分为轻矿物和重矿物两类。前者相对密度小于2.86，主要为石英、长石。辉石（图源@Rob Lavinsky）后者相对密度大于2.86，主要为岩浆岩中的副矿物(如锆石)、部分铁镁矿物(如辉石、角闪石),以及变质岩中的变质矿物(如石榴石、红柱石)。红柱石（图源@Didier Descouens）石英抗风化能力强，抗磨且难分解。大部分岩浆岩和变质岩中石英含量较高,因此石英是碎屑岩中分布最广的一种碎屑矿物。石英（图源@Index Open）它主要出现在砂岩及粉砂岩中(平均含量达66.8%)，在砾岩中含量较少，在粘土岩中则更少。不同来源的石英往往具有不同特点。石英（图源@mclanahan.com）据统计，砂岩中长石的平均含量为10%~15%，而在岩浆岩中长石的平均含量则为石英的几倍。这种截然相反的变化，是由于长石的风化稳定度远比石英小。长石（图源@Dave Dyet）从化学性质看，长石易水解；从物理性质看，其解理和双晶均很发育，易破碎。因此在风化搬运的过程中，长石逐渐被淘汰。长石（图源@Rob Lavinsky）地壳运动比较剧烈、地形高差大、气候干燥、物理风化作用为主、搬运距离近以及堆积迅速等条件，是长石大量出现的有利因素。正长石（图源@Didier Descouens）长石主要来源于花岗岩和花岗片麻岩。一般认为，在碎屑岩中钾长石多于斜长石，在钾长石中正长石略多于微斜长石，在斜长石中钠长石远远超过钙长石。微斜长石（图源@Rob Lavinsky）碎屑岩中的重矿物含量很少，一般不超过1%，其分布的粒度受重矿物的晶形大小、相对密度及硬度的控制。石榴石（图源@Teravolt）如石榴石晶粒较粗、多分布于0.1mm粒级以上的碎屑中；锆石较细，主要分布于粒级小于0.1mm的碎屑中。总的来说，在0.05~0.25mm的粒级范围内，重矿物含量相对最高。锆石（红色）（图源@Rob Lavinsky）岩屑是保持着母岩结构的矿物集合体。但由于各类岩石的成分、结构、风化稳定度等存在差异，因此在风化搬运过程中，各类岩屑含量变化极大。砂岩风化（图源@Not home）研究表明，岩屑含量明显地取决于粒级，即岩屑的含量随碎屑粒级的增大而增加。砾岩中岩屑含量最多，砂岩中只存在有细粒结构及隐晶结构的岩屑。显微隐晶结构（图源@baike.baidu.com）此外，各类岩屑丰度还取决于母岩性质。细粒或隐晶结构的岩石，如燧石岩、中酸性喷出岩等岩石的岩屑分布最广。燧石岩(黑带)（图源@Jstuby）而易受化学分解的石灰岩，除非在母岩区附近有快速堆积和埋藏的条件,否则很难形成岩屑。石灰岩（图源@Ngb）在碎屑岩中，杂基和胶结物都可作为碎屑颗粒间的填隙物，但它们在性质、成因以及对岩石所起的作用等方面都有所不同。杂基是碎屑岩中充填碎屑颗粒之间的、细小的机械成因组分。其粒级以泥为主，可包括一些细粉砂。粘土矿物(SEM图像，×1340放大)（图源@wikipedia.org）最常见的杂基成分是高岭石、水云母、蒙皂石等粘土矿物。各种细粉砂级碎屑，如绢云母、绿泥石及隐晶结构的岩石碎屑等，也属于杂基范围。高岭石（图源@James St. John）碎屑岩中保留大量杂基，表明沉积环境中分选作用不强，沉积物没有经过充分地分异再改造作用，从而不同粒度的泥和砂混杂堆积。绿泥石（图源@EISCO）胶结物是碎屑岩中以化学沉淀方式形成于粒间孔隙中的自生矿物。它们有的形成于沉积—同生期，但大多数是成岩—后生期的沉淀产物。蛋白石（图源@Stannatsw）碎屑岩中主要胶结物是硅质(石英、玉髓和蛋白石)、碳酸盐(方解石、白云石)及一部分铁质(赤铁矿、褐铁矿)。白云石(白色)（图源@Didier Descouens）02碎屑颗粒粒度是碎屑颗粒 最主要的结构特征。 碎屑颗粒的大小直接决定了 岩石的类型和性质， 因此它是碎屑岩 分类命名的重要依据。 （图源@文献[1]）粒度和颗粒的分选性是搬运营力的能力和效率的度量标志之一。砾岩砾岩是指由粒径大于2mm、 含量大于30%、粗大的 碎屑颗粒组成的粗碎屑岩。 砾岩（图源@Jstuby at en.）砾岩中的碎屑颗粒绝大部分都是岩屑,所以砾岩的颗粒成分可以很好地反映母岩类型。砾岩（图源@Brocken Inaglory）与砂岩相比,砾岩的砾间填隙物质较粗,即杂基粒度上限有所增高,通常为砂、粉砂和粘土物质,这些杂基与粗粒碎屑同时或大致同时沉积下来。砾岩（图源@Wilson44691）砾岩中的胶结物常是从真溶液或胶体溶液中沉淀出的一些化学物质，如方解石、绿泥石、二氧化硅、氢氧化铁等。砾岩剖面（图源@Jstub）砾石排列常有较强的规律性，扁形砾石尤为明显，其最大扁平面常向源倾斜，彼此叠覆，呈叠瓦构造。砾岩（图源@Death Valley National Park）砂岩砂岩的分布远较砾岩广泛， 在沉积岩中仅次于 粘土岩而居第二位, 占沉积岩的1/3左右, 它是最主要的 储集油气的岩石之一。 砂岩（图源@Qfl247）砂岩是指主要由含量大于50%、粒径0.1~2mm的陆源碎屑颗粒组成的碎屑岩。砂岩（图源@Etan J. Tal）砂岩的碎屑成分较为复杂，通常砂级碎屑组分以石英为主，其次是长石及各种岩屑，有时含云母和绿泥石等碎屑矿物。石英砂岩（图源@Jstub）从结构上看，砂岩由砂粒碎屑、基质和胶结物三部分组成。基质和胶结物对砂岩都起胶结作用，但成因不同。砂岩（图源@mineralseducationcoalition.org）不同砂岩的化学成分不同，这取决于碎屑组分和胶结物的成分。与岩浆岩的平均化学成分相比较，砂岩中的二氧化硅含量很高。砂岩（图源@文献[2] ）这是因为砂岩是机械沉积作用的产物，不稳定组分(如长石和岩屑)已被大量破坏、淘汰，而稳定组分石英却相对富集所致。岩屑砂岩显微照片（图源@Matt Affolter）粘土岩粘土岩是指以粘土矿物为主 (含量大于50%)的沉积岩。 疏松或未固结成岩者称为粘土。 粘土岩分布海滩（图源@wikipedia.org）粘土岩粒度组分大都细小。当岩石组分中小于0.005mm或小于0.0039mm的组分含量大于50%时，这类岩石才被称为粘土岩。粘土岩电镜照片（放大23500倍）（图源@McKee, E.D）构成粘士岩主要组分的粘土矿物大多来自母岩风化产物，并以悬浮方式搬运至汇水盆地，以机械方式沉积而成。因此就形成机理而言，粘土岩类应归属陆源碎屑沉积岩。粘土岩是沉积岩中分布最广的一类，约占沉积岩总量的60%。它不仅是重要的生油岩，还是良好的盖层，甚至还可作为油气的储层。粘士岩（图源@noguchi.org）03碎屑岩成岩作用主要包括 压实和压溶作用、 胶结作用、交代作用、 重结晶作用等。 压实作用或物理成岩作用是指沉积物沉积后在其上覆水体或沉积层的重荷下,或在构造形变应力的作用下，发生水分排出、孔隙度降低、体积缩小的作用。干压实作用压实作用在沉积物埋藏早期表现较为明显。沉积物内部可发生颗粒的滑动、转动、位移、变形、破裂，从而导致颗粒的重新排列和某些结构的改变。有液体填充的压实作用压溶作用是一种物理化学成岩作用。随埋深增加，沉积物碎颗粒接触点所承受的上覆层压力或构造作用的侧向应力，超过正常孔隙流体压力时，颗粒接触处溶解度增高，发生晶格变形和溶解作用。压溶作用（图源@Mikenorton）随着颗粒所受应力的不断增加和地质时间的推移，颗粒受压处的形态将依次由点接触演化到线接触、凹凸接触和缝合接触。颗粒接触类型（图源@文献[1]）在砾岩中，常见砾石呈凹凸状接触，形成压入坑构造；而砂岩中，常见相邻石英颗粒呈缝合状接触，这均为压溶作用结果。压溶作用形成的劈理（图源@cleavage）胶结作用是指从空隙溶液中沉淀出的矿物质将松散沉积物固结成岩的作用。胶结作用（图源@google.com）胶结作用可以发生在成岩作用的各个时期。是沉积物形成沉积岩的重要作用,也是使沉积层中空隙度和渗透率降低的主要原因之一。方解石胶结在石灰岩中（图源@Mark A. Wilson）交代作用可以发生于成岩作用的各个阶段乃至表生期，是一种矿物代替另一种矿物的现象。交代作用（图源@Mark A. Wilson）交代矿物可以交代颗粒的边缘，将颗粒溶蚀交代成锯齿状等不规则边缘，也可以完全交代碎屑颗粒，从而成为它的假象。交代作用（图源@Rolinator）重结晶现象和矿物的多形转变主要发生在碎屑岩的胶结物中。碳酸盐胶结物的重结晶作用，可使砂岩的胶结物形成特征的连晶或嵌晶结构。重结晶作用（图源@google.com）而碳酸盐矿物受应力影响发生重结晶时，多出现晶格弯曲和波状消光及弱的二轴晶性质。方解石重结晶（图源@google.com）参考资料：[1] 朱筱敏. 沉积岩石学[M]. 石油工业出版社, 2008. [2] Snježana Miletić¹, Sabina Kramar², Judita Lux³, et al. Provenance analysis of Roman stone artefacts from sedimentary rocks from the archaeological site near Mošnje, NW Slovenia[J]. Geologija, 2016, 59(1):35-54. [3] 曾允孚, 夏文杰. 沉积岩石学[M]. 地质出版社, 1986. [4] 于兴河. 碎屑岩系油气储层沉积学[M]. 石油工业出版社, 2002. [5] 裘亦楠. 中国陆相碎屑岩储层沉积学的进展[J]. 沉积学报, 1992, 010(003):16-24. Geology、MooMooMath and Science、BBC、维基百科、搜狐、百度百科等 |
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