沉积岩

沉积岩是构成地球表面三大岩石类别之一，另外两种是火成岩和变质岩。沉积物是由老岩石的风化侵蚀的残余物，或生物体的残骸组成的有机物和矿物质的碎屑，它们堆积并固结形成沉积岩。这些沉积物最终会经历成岩作用、胶结作用和压实作用等一系列过程，形成坚硬的沉积岩构造。

与由熔融物质（岩浆或熔岩）冷却固结形成的火成岩，以及由原有岩石在高温高压下转变而成的变质岩不同，沉积岩主要形成于地表或地表附近。由于它们经常含有化石并保存有古代沉积环境的痕迹，因此它们为我们了解地球历史、环境条件和古代生命提供了重要的线索。

被归类为沉积岩的岩石类型包括砂岩、页岩、石灰岩和砾岩，每种岩石都有独特的性质和形成过程。它们可能出现在各种环境中，如湖泊、河流、海洋、沙漠和冰川，并动态地展示了地质过程与环境因素的相互作用。

在地理学、古生物学和环境科学等学科中，理解沉积岩至关重要，因为它们为我们了解地球过去的生态系统、气候变化和进化历史提供了重要线索。通过仔细检查和分析沉积岩中蕴含的故事，科学家们可以更深入地了解地球系统之间复杂的联系以及地球的地质发展。

沉积岩的形成机制

沉积岩的形成涉及沉积物的堆积、搬运和成岩作用等一系列复杂过程。这些活动发生在地表或地表附近，并受到地形、气候和构造活动等因素的影响。理解这些形成过程对于解读保存在沉积岩中的地质历史至关重要。下面是涉及的主要阶段的概述：

侵蚀和风化

• 风化是指岩石和矿物在地表受到物理、化学和生物过程的作用而发生的分离和改变。
• 侵蚀是指水、风、冰和重力等力量对风化形成的物质进行清除和搬运。

交通

• 风化后，各种力量，如河流、溪流、冰川、风和洋流，会将沉积物从其原始位置带走。
• 搬运方式会影响沉积物颗粒的大小、形状和分选。

沉积

• 在河床、三角洲、海滩、湖泊和海底等沉积环境中，被搬运的沉积物从搬运介质中沉降出来并堆积起来。这个过程称为沉积。
• 沉积过程受沉积物供应量、搬运介质速度和沉积物颗粒大小等因素的影响。

固结

• 随着上覆层重量的增加，沉积物受到压实，体积减小。
• 压实作用导致沉积层固结并减小孔隙度，从而排出沉积颗粒之间孔隙中的空气和水。

胶结

• 在胶结过程中，来自孔隙流体（如地下水）的矿物质会在沉积物中沉淀。
• 方解石、二氧化硅（石英）、氧化铁和粘土矿物是常见的胶结矿物，它们将沉积物颗粒粘合在一起，形成坚固的岩石。

成岩作用

• 成岩作用是指疏松的沉积物经过压实和胶结形成坚硬岩石的过程。
• 随着时间的推移，沉积层由于持续的压实和胶结作用而发生成岩作用，形成包括砂岩、页岩、石灰岩和砾岩在内的沉积岩。

在漫长的地质时期，这些动态而连续的形成过程不断发生。通过检查沉积岩的性质和结构，地质学家可以重构古代环境，理解地质过程与环境因素之间的复杂关系，并重建过去的栖息地。

沉积岩的类型

根据其成分、质地和形成过程，沉积岩被进行分类。它们包括各种各样的岩石类型，每种岩石都有独特的性质和起源。典型的沉积岩类型包括以下几种：

碎屑岩：碎屑沉积岩由“碎屑”组成，即由各种力量搬运和沉积的预先存在的岩石碎片。这些岩石的分类取决于碎屑的大小以及颗粒的分选和圆化程度。

例如，考虑以下内容：

砾岩：由大于 2 毫米的球状、胶结的砾石大小颗粒组成。

砂岩：由胶结的沙粒大小（0.0625-2 毫米）颗粒组成。砂岩有多种类型，如岩屑砂岩、长石砂岩和石英砂岩。

页岩：由压实和胶结的粘土和粉砂大小（<0.0625 毫米）颗粒组成。劈理，即分离成薄层的能力，是页岩的一个特征。

化学沉积岩：溶解在水中的矿物质沉淀形成化学沉积岩。这些矿物质可能由生物活动、水体中的化学反应或海水蒸发产生。

例如，考虑以下内容：

石灰岩：主要由从淡水或海洋环境中沉淀的方解石（碳酸钙）组成。白垩、 the and fossiliferous limestone are among the several varieties of limestone。 (备注：英文原文此处有重复，此处保留一个英文含义“白垩、凝灰岩和有孔虫石灰岩”作为石灰岩的几种变种)

白云岩：主要由白云石（碳酸钙镁）组成，白云岩与石灰岩相似。白云岩是在富镁流体取代石灰岩时形成的。

蒸发岩：是咸水体蒸发后留下沉淀矿物的岩石。这些岩石的例子是石膏和岩盐（石） 。

有机沉积岩：由动植物残骸形成的有机物质堆积和成岩作用形成有机沉积岩。

例如，考虑以下内容：

煤：由烟煤、无烟煤、褐煤、泥炭等压实和改变的植物残骸组成。沼泽地区非常适合煤的形成，因为它们富含有机物质并促进成岩作用。

燧石：由微晶石英组成，是由硅含量高的海洋生物（如放射虫和硅藻）的残骸堆积而成。

生物碎屑岩：骨骼残骸、贝壳碎片和其他生物碎屑构成了生物碎屑沉积岩。这些岩石经常含有化石，并保留有已灭绝生命形式的痕迹。

例如，考虑以下内容：

海螺壳岩：通常在浅海环境中发育，海螺壳岩由贝壳碎片和结合不牢的贝壳组成。

有孔虫石灰岩：有孔虫、珊瑚和贝壳碎片等多种化石残骸存在于此类石灰岩中。

以上只是地球表面可能存在的一些不同类型的沉积岩。每种沉积岩都提供了关于古代栖息地、地质过程和地球生命演化的有价值的线索。

沉积岩的特征和属性

沉积岩的起源和形成过程的多样性反映在其多样的特征和属性中。沉积岩的层状结构，有时也称为层理或层理，是其定义特征之一。它是地质时期沉积层水平堆积的结果。

这些层中经常可以看到明显的沉积特征，如交错层理、波痕和泥裂，它们可以揭示沉积环境和形成过程的信息。此外，沉积岩通常具有各种粒度，从细小的粉砂和粘土颗粒到粗糙的沙子和砾石，这表明了沉积物沉积过程中发生的が分选和搬运活动。

沉积岩储存和传输水、石油和天然气等流体的能力受其渗透性和孔隙度这两个关键特性的影响。此外，化石——可以从巨大的骨骼残骸到微小的生物——经常存在于沉积岩中，并能提供关于古代生态系统和生命类型的重要新信息。

沉积岩还具有其他成分差异，例如煤中的有机含量或石灰岩中的碳酸盐矿物。通过检查这些特征和质量，地质学家可以评估沉积岩地层中记录的沉积历史、环境条件和地质发展。

沉积岩的价值和应用

沉积岩在人类生活和地球地质的许多方面都至关重要，提供了大量的有用用途和科学理解。它们的意义和应用跨越了历史研究、环境科学、能源生产和建筑等多个学科。

建筑材料是沉积岩的主要用途之一。在建筑行业中，岩石，包括砂岩、石灰岩和页岩，经常被用作骨料和建筑石材。由于其高审美价值和耐用性，砂岩经常被用于纪念碑和建筑外墙。

由于其可用性和适应性，石灰岩广泛用于道路材料、水泥和混凝土的生产。经过破碎和处理后，页岩可作为轻质骨料、陶瓷和砖的原材料。

沉积岩对能源生产也至关重要。作为一种有机沉积岩，煤是用于供暖、工业活动和发电的常用化石燃料来源。

此外，碳酸盐岩储层（如石灰岩和白云岩）以及砂岩等沉积岩构成了重要的天然气和石油储量。通过地质勘探和开采方法，这些沉积构造为全球能源供应做出了重要贡献。

沉积岩还提供了关于地球过去的重要见解，包括环境变化和生命类型。通过提供了解过去生态系统的窗口，保存在沉积岩中的化石使科学家能够重构进化趋势和古环境。

通过分析沉积层及其地层关系，地质学家能够重构一个区域的地质历史，包括构造运动、海平面变化和温度变化。

在环境研究中，沉积岩对于理解水资源、污染处理和地貌演化至关重要。水的可用性和质量受到沉积岩孔隙度和渗透性的影响，这些特性也影响地下水流动和含水层特征。

沉积盆地还通过作为垃圾、自然资源和二氧化碳（CO2）地质封存的储存设施，支持环境管理和可持续发展倡议。

总而言之，沉积岩对人类文明和科学研究至关重要，因为它们提供了重要的资源、历史记录和地质发现，这些都影响着我们对地球的看法以及我们与地球的互动方式。

沉积岩的沉积环境

沉积岩形成于沉积物堆积和成岩作用发生的各种环境中。这些沉积环境多种多样，从海洋到陆地，它们都以不同类型的沉积物、特定的沉积过程和由此产生的岩石构造为特征。理解这些环境对于解读一个地区的古代环境特征和地质历史至关重要。典型的沉积岩沉积环境包括以下几种：

1. 河流（河流）环境

• 河流将沉积物从高地输送到低地，在那里它们在洪泛区、河道和三角洲栖息地沉积。
• 河流环境中的沉积岩，如砾岩、砂岩和泥岩，代表了河流系统的搬运和分选活动。

2. 湖泊和湖沼环境

• 湖泊提供低能量、平静的沉积环境，细粒沉积物在此处堆积。
• 湖沼环境中形成的沉积岩的例子包括年縞（每年的细粉砂层）、泥岩以及石灰岩和白云岩等碳酸盐沉积。

3. 三角洲和沿海环境

• 波浪、潮汐和河流的冲刷在海滨和三角洲搬运和沉积物质，创造了动态的地貌。
• 沿海和三角洲环境中形成的沉积岩，如砂岩、泥岩和砾岩，经常显示出波浪或潮汐活动的迹象。

4. 海洋环境（深海和浅海）

• 海洋环境多种多样，从深海盆地到浅海沿岸水域。
• 起源于海洋环境的沉积岩包括石灰岩、页岩、砂岩和燧石。这些岩石代表了沉积条件，如水深、能量水平和离陆地的距离。

5. 风成环境（风）

• 在干旱和半干旱地区，风搬运和沉积物质，形成独特的沉积地貌，包括沙丘和黄土堆积。
• 起源于风成环境的沉积岩，如砂岩和粉砂岩。这些岩石经常包含交错层理和波痕，表明风驱动过程。

6. 冰川环境

• 冰川通过侵蚀、搬运和沉积等活动塑造地貌，随着其前进和后退搬运和沉积物质。
• 起源于冰川环境的沉积岩包括冰碛岩（冰川沉积物）、冰碛物和冲洪积物，它们代表了冰川侵蚀和沉积物搬运的影响。

每个沉积环境中保留的独特沉积结构和成分都为古代构造环境、气候和气候条件提供了重要的见解。通过研究沉积岩及其形成的 the context of their formation，地质学家可以重构地球的历史，并理解地质过程与环境因素之间的复杂关系。

成岩作用：将沉积岩转化为新形态

成岩作用是指沉积岩在首次沉积后、经历变质作用之前所经历的一系列复杂过程。这些过程包括物理、化学和生物改变，跨越漫长的地质时期，将沉积物转化为沉积岩。成岩作用对沉积岩的孔隙度、渗透率和稳定性等特征和属性有显著影响。以下是成岩作用及其对沉积岩影响的一些显著特征：

固结

• 压实作用是主要的成岩作用过程之一，其中上覆沉积物的重量压实下覆层，减小孔隙空间并提高沉积物密度。
• 随着沉积物的压实，孔隙流体从沉积物中释放出来，导致水被排出，沉积层固结。页岩和泥岩等细粒沉积岩的压实作用尤为重要。

胶结

• 在胶结过程中，来自孔隙流体（如地下水）的矿物质会在沉积物中沉淀。这些矿物质作为胶结剂，将疏松的沉积物粘合在一起，将其转化为岩石。
• 方解石、石英、氧化铁和粘土矿物是常见的胶结矿物，它们的性质根据孔隙流体的化学成分和沉积物的成分而变化。

成岩作用

• 将疏松的沉积物转化为坚硬的沉积岩的总体过程是成岩作用，它包括压实和胶结。
• 随着时间的推移，沉积岩层由于持续的压实和胶结作用而发生成岩作用，形成包括砂岩、页岩、石灰岩和砾岩在内的岩石。

矿物变化

• 沉积岩中的化学相互作用可能导致母矿物因成岩作用过程而发生变化。例如，当由于矿物的溶解和重结晶而形成新的矿物相时，岩石的成分和质地可能会发生改变。
• 不稳定的矿物转化为更稳定的相以及次生矿物取代原生矿物是成岩作用变化的常见例子。

孔隙度和渗透率的变化

• 成岩作用极大地影响了沉积岩的孔隙度和渗透率，这影响了它们储存和传输气体、石油和水等流体的能力。
• 压实作用会降低孔隙空间和孔隙度，而胶结作用则会堵塞或改善孔隙连通性，从而改变渗透率。

化石的保存

成岩作用的过程可能会促进或阻碍沉积岩中化石的保存。一些化石残骸可以通过成岩过程中沉淀的矿物质被包裹并保存数百万年。化石可能会被成岩过程（如溶解或重结晶）破坏或改变，这会降低化石保存的可能性。

总而言之，成岩作用是沉积岩形成过程中一个动态的阶段，地球地壳的成分因物理、化学和生物过程而不断变化。通过检查成岩过程及其对这些岩石的影响，地质学家可以解读沉积岩中蕴含的复杂历史，并更深入地了解地球的演变、过去的栖息地和地质条件。

地质构造中的化石形成

化石形成是指在漫长的地质时期内，在沉积岩中保存已灭绝生物的残骸或痕迹的过程。这一非凡的事件为我们了解已灭绝的生态系统、进化历史和古代生命形式提供了宝贵的信息。为了开始化石形成过程，生物体必须死亡，并最终被埋藏并保存在沉积岩构造中。下面是化石形成过程的概述：

死亡和埋藏

当一个生物体（无论是植物、动物还是微生物）死亡时，化石形成通常就开始了。生物体的残骸可能被沉积物覆盖，从而保护它们免受食腐动物、分解和物理损害。

沉积物堆积

随着时间的推移，沉积过程（包括侵蚀、沉积和搬运）会导致沉积层覆盖生物体的残骸。这种埋藏通过保护残骸免受有害物质的侵害，促进了其保存。

矿化作用

最常见的化石形成过程之一是矿化作用，在这种过程中，溶解在地下水中的矿物质渗透到生物体残骸留下的孔隙空间中。这些矿物质从溶液中沉淀出来，并最终取代有机成分，从而在岩石中保存了生物体的原始结构和形状。

形成模具和铸模

在某些情况下，生物体的有机残骸可能会完全分解或降解，在周围的沉积物中留下模具或空腔。这个模具以后可能被富含矿物质的地下水填充，形成一个保存了生物体外部形状的铸模。

碳化作用

当有机物在高压下加热并在无氧环境中保存时，挥发性元素（如氧和氢）会被排出，这个过程称为碳化作用。这种机制通过留下主要由碳组成的薄层或印记，在沉积岩中保存了精细的解剖特征。

痕迹化石的保存

化石形成不仅包括保存身体部位，还包括保存痕迹化石，即古代生命的痕迹。这些可能包括足迹、洞穴、脚印、粪石或化石粪便。痕迹化石为我们了解已灭绝物种的行为、活动能力和生态关系提供了重要线索。

地质暴露和抬升

含化石的沉积岩可能通过构造活动、侵蚀和抬升等地质过程被带到地表。在那里，它们因风化或人工开挖而暴露出来。古生物学家通过研究和分析暴露的化石，可以重构古代生态系统、进化关系和环境条件。

只有一小部分生物体能够在满足正确条件时经历复杂而罕见的化石形成过程。然而，化石提供了与过去的物质联系，帮助科学家解开关于生命起源和地球原始栖息地的奥秘。通过仔细检查和解释保存在沉积岩中的化石，科学家们可以重构地球生命的历史，并更深入地了解我们星球丰富的生物遗产。

沉积岩的识别方法

沉积岩的识别需要结合细致的观察、关键特征的分析以及有时进行的实验室测试。地质学家可以利用各种方法，根据其矿物成分、质地、沉积构造和其他独特特征来区分不同的沉积岩类型。以下是常用的几种方法：

• 目视检查：沉积岩可以通过目视检查来了解其成分、质地和沉积构造的一些基本信息。通过检查岩石的颜色、粒度、分选和层理（层理），可以确定岩石的类型和沉积环境。
• 粒度分析：了解岩石中沉积物颗粒的大小和分布有助于对岩石进行分类。粒度用于将沉积岩分为几类，例如粗粒的砾岩、中粒的砂岩、细粒的粉砂岩和极细粒的页岩。
• 质地分析：岩石的质地由其颗粒的大小和排列决定。沉积岩可能具有不同的质地，例如晶质（由矿物沉淀形成）、生物碎屑质（含有机残骸）、泥晶质（细粒且泥状）和碎屑质（由离散颗粒组成）。
• 沉积特征：在沉积过程中，沉积岩通常表现出特征性的特征，包括层理（水平层）、交错层理（倾斜层和波痕）、泥裂、粒序层理以及生物扰动（洞穴和脚印）。确定这些结构可以揭示沉积过程和沉积环境的细节。

矿物学分析（包括目视检查和X射线衍射（XRD）和岩石显微镜等实验室方法）有助于识别沉积岩的矿物成分。沉积岩中常见的矿物包括石英、长石、方解石、白云石、粘土矿物以及各种副矿物。

• 化学分析：通过元素分析和地球化学方法等技术，可以获得沉积岩的元素成分、微量元素含量和成岩作用变化的信息。对于化学分析，通常采用感应耦合等离子体质谱（ICP-MS）和X射线荧光（XRF）等方法。
• 化石鉴定：保存在沉积岩中的化石具有诊断性特征，对于识别至关重要。为了确定沉积岩地层的年龄、古环境和生物地理分布，古生物学家检查化石的类型、数量和分布。
• 薄片分析：这种方法包括将岩石样本切成薄片，并在岩石显微镜下进行观察。使用这种方法，地质学家可以通过仔细检查其矿物学、构造和结构，更轻松地识别和理解沉积岩。

通过结合这些方法，地质学家可以识别和理解沉积岩，以及它们的沉积历史、环境条件和地质意义。每种技术都通过提供关于沉积岩的成分、质地和形成过程的见解，为我们了解地球表面的过程和历史做出了贡献。

沉积地质学中的挑战和争论

沉积地质学提供了关于地球的栖息地、过程和历史的重要见解，但它也带来了一些科学家目前正在争论的挑战和争议。这些挑战源于对沉积地质学基本概念的分歧，重构古代环境的困难，以及解释沉积数据的挑战。以下是该领域的一些重大挑战和争议：

沉积环境的解释：根据沉积岩的特征来确定和解读古代沉积环境可能很困难。由于构造活动、海平面变化和气候变异等因素，重构古代栖息地非常具有挑战性，这使得古环境的解释存在疑问。

成岩作用叠加：随着时间的推移，成岩作用可能会深刻地改变沉积岩的矿物学、地球化学指纹和质地。当基本的沉积特征与成岩作用的改变相混淆时，理解沉积记录和精确重构古代生态系统可能很困难。

古气候重建：尽管理解古气候信号可能充满挑战，但沉积岩提供了宝贵的古代气候条件档案。由于必须仔细校准和整合代用指标（如同位素组成、沉积结构和化石组合）才能重构古代气候，因此关于古气候重建的准确性和可靠性存在争议。

层序地层学为分析沉积层序和理解盆地的历史历史提供了框架。然而，沉积层序、系统域和层序边界的位置和联系仍然存在争议，特别是在构造复杂的、沉积环境不断变化的地区。

沉积盆地与构造：关于构造与沉积在沉积盆地形成中的关系一直存在争论。构造沉降、沉积物供应和海平面升降对沉积盆地的形成和沉积过程的控制的相对贡献是争论的焦点。

相分析和相模型：根据沉积相（即不同类型的沉积岩）的区域和时间分布，可以重构古环境。然而，相模型的适用性和普适性存在争议，因为局部影响可能会影响沉积相的多样性和复杂性。

储层特征描述和预测建模：准确估计储层参数（包括孔隙度、渗透率和流体流动行为）对于为资源勘探和生产进行沉积储层特征描述至关重要。储层非均质性、成岩作用过程和流-岩相互作用中的不确定性使得预测建模和储层管理变得复杂。

解决这些挑战和争议需要多学科的方法，整合野外观察、实验室分析、建模工具和理论框架。为了增进我们对沉积过程及其对地球历史、现在和未来的影响的理解，沉积地质学家、古生物学家、地球化学家和其他地球科学家的合作至关重要。尽管存在挑战和不确定性，沉积地质学仍然是地球科学研究前沿的一个活跃且不断发展的学科。