1樓:中地數媒
(一)陸源碎屑岩的物質成分
陸源碎屑岩的物質成分主要由碎屑物質、化學物質、基質(雜基)三部分組成。
1.碎屑物質
陸源碎屑岩的碎屑物質,可佔整個岩石的50%以上,是陸源碎屑岩的特徵組分。它們主要來自盆地之外,是從陸地上搬運來的,故又稱陸源碎屑。它們是物理風化和機械搬運沉積的產物,可分為礦物碎屑和岩石碎屑兩類。
(1)礦物碎屑
礦物碎屑又稱陸源碎屑礦物或碎屑礦物,在陸源碎屑岩中常見的碎屑礦物有20多種,但每種岩石中主要的碎屑礦物常不超過3~5種,最主要的碎屑礦物是石英、長石和雲母。
◎石英:石英是抗風化能力很強的礦物,故在陸源碎屑岩中分布甚廣,在砂岩、粉砂岩中含量尤高,平均含量達66.8%(克拉克,1924)。
在頁岩中有時也可達20%~30%。據統計,在陸源碎屑岩中石英的粒度一般<1mm,>1mm的石英在沉積岩中只有9%。因石英是最穩定的碎屑礦物,故在砂岩中碎屑石英含量的高低,常能反映岩石的礦物成熟度(岩石的礦物成熟度表示為:
石英/(長石+不穩定岩屑))的高低,石英含量高,則礦物成熟度高,說明碎屑是經過長距離的搬運、分異而沉積的。
◎長石:長石在碎屑礦物中的含量僅次於石英。在陸源碎屑岩中常見的長石是鉀長石、酸性斜長石,中-基性長石少見。
長石主要來自花崗岩和片麻岩。由於長石是較不穩定的礦物,若在岩石中大量出現,則大多是在乾燥氣候區和快速堆積的條件下形成的。
◎雲母:陸源碎屑岩中的雲母多為白雲母,黑雲母較少見,這是因為在風化過程中白雲母比黑雲母穩定。但在離陸源區近,快速堆積,成分複雜的砂岩中,黑雲母也常出現。
(2)岩石碎屑
岩石碎屑又稱岩屑,是母岩破碎後的岩石碎塊,可直接反映母岩的性質。岩屑一般代表母岩風化不徹底、搬運近、沉積快的特徵,若岩石中岩屑含量高,一般說明岩石的礦物成熟度低。岩屑多分布於較粗的砂岩和礫岩中,細粒的陸源碎屑岩中少見。
各種岩石都可呈岩屑出現,但以細晶質或隱晶質的岩屑較常見。如岩漿巖的岩屑多為噴出巖(玄武岩、安山岩、流紋岩、粗麵巖)、微晶脈巖(細晶巖、煌斑巖)以及火山碎屑岩(凝灰岩)。在較粗的礫岩中也可見到粗粒的侵入巖(如花崗岩、閃長岩)的岩屑。
變質岩的岩屑多為千枚岩、板岩、石英岩,少數為片巖和片麻岩。沉積岩岩屑最常見的是泥質巖、矽質巖(燧石巖和碧玉巖)的碎屑,其次為泥晶灰岩、粉砂岩和砂岩碎屑。
2.化學膠結物和自生礦物
它們是從溶液中呈化學沉澱的物質,這類物質在陸源碎屑岩中多以膠結物的形式存在,對碎屑物質起膠結作用,但也有部分只是孤立的分散的礦物晶體,對碎屑物不起膠結作用,這類礦物稱為自生礦物(authigenic mineral)。
陸源碎屑岩中的膠結物是在碎屑顆粒之間的孔隙水中化學沉澱出來的物質,一般是在成岩階段形成的,在岩石中的含量不能大於50%。常見的膠結物有碳酸鹽礦物(主要是方解石或白雲石、菱鐵礦等)、氧化矽礦物(蛋白石、玉髓或石英)、氧化鐵礦物(主要是赤鐵礦、褐鐵礦等)、硫酸鹽礦物(石膏、硬石膏、重晶石、天青石)、磷酸鹽類礦物(磷灰石和膠磷礦)以及海綠石、沸石等。陸源碎屑岩中的自生礦物在岩石中呈孤立零散狀或結核狀分布,對碎屑顆粒不起膠結作用,大多數也是在成岩階段形成的。
這些自生礦物的種類多與膠結物相同,只是數量很少,不能成為膠結物罷了。此外,還有其他一些常見的自生礦物,如黃鐵礦、白鐵礦等。
3.基質
基質又稱雜基或粘土雜基,是充填於碎屑顆粒之間的細粒機械混入物。它們對碎屑物質也起膠結作用,但基質不是化學成因的物質,是和碎屑物質一起由機械沉積作用形成的。基質包括<0.
03mm的細粉砂和泥質物質。
(二)陸源碎屑岩的結構
陸源碎屑岩的結構主要有陸源碎屑結構和泥狀結構兩種型別。
1.陸源碎屑結構
這是陸源沉積岩最主要的結構,它由碎屑顆粒和膠結物(或基質)兩部分組成。結構的特徵取決於顆粒的結構、膠結物(或基質)的結構以及二者之間的量比和相互關係。
(1)碎屑顆粒的結構特徵
碎屑顆粒的結構特徵包括顆粒的大小、分選性、形態和表面特徵等。
1)顆粒的大小:碎屑顆粒的大小稱為粒度(grain size),以顆粒的直徑來計量。為了研究方便,常將粒度劃分為若干級別,並賦予一定的專用名稱,如礫、砂、粉砂、泥等。
這種粒度等級稱為粒級。
粒級的劃分方案很多,至今尚未統一,常見的劃分方案有兩種:
一種是按自然級數及顆粒大小與搬運、沉積以及礦物組成間的特性來劃分的,這種劃分方法過去在我國應用較廣,一般把碎屑顆粒的粒級劃分為:
礫 >2mm
砂 2~0.063mm
粉砂 0.063~0.004mm
泥(粘土) <0.004mm
具體的粒級界限,還有不同的意見,有的主張以1mm作為礫和砂的分界,以0.1mm作為砂和粉砂的分界,以0.01 mm作為粉砂和泥的分界等。
另一種是以等比級數劃分粒級,即以2n的值(mm)作為粒級的界限,這種劃分方案最先由udden(1898,1914)提出,後由wentworth(1922)加以修改,因而也稱udden.wentworth粒級。
後來,krumbein(1934)對udden-wentworth粒級加以轉換,按顆粒直徑以2為底的負對數來劃分粒級,稱為ø粒級,其定義為:
φ=-log2d
其中d為顆粒直徑(mm)。
對數粒級的劃分及其φ值見表5-2。這種粒級劃分的最大優點是便於用數理統計的方法處理粒度分析的資料,故目前應用越來越廣。為了適應現代沉積學研究的需要和資料的對比,本書也採用對數粒級劃分方案。
表5-2 對數粒級的劃分及其φ值
續表2)顆粒的分選性(sorting):自然界中陸源碎屑岩很少由一種粒級的碎屑組成,常有多種粒級。岩石中碎屑顆粒大小的均勻程度謂之分選性。
碎屑物分選性的測定通過粒度分析並用數理統計的方法求得。但是在野外手標本的觀察中只能粗略地判別。如果岩石中的顆粒大小均勻,某一粒級的顆粒的含量在90%以上的謂之分選很好;若主要粒級顆粒含量為50%~75%的謂之分選中等;若大小懸殊沒有一種主要粒級含量超過50%時,稱為分選差。
圖5-1是用圖示的方法表示岩石的分選性,更便於野外參考估計。
圖5-1 顆粒分選性圖示
(據ehler&blatt,1982)
3)顆粒的形態:碎屑顆粒的形態主要是指顆粒的形狀和圓度。
◎顆粒的圓度(roundness):是指碎屑顆粒被磨蝕圓化的程度。在肉眼觀察中一般可分為**(圖5-2)。
(a)稜角狀:碎屑顆粒的原始稜角和形狀都很明顯,稜角尖銳或只稍有磨蝕。
(b)次圓狀:碎屑顆粒尚有較明顯的稜角,顆粒的原始形狀尚可辨認,稜角磨蝕顯著。
(c)圓狀:碎屑顆粒的稜角全部磨蝕消失,或僅殘留極少的原始稜角的痕跡,顆粒呈橢球狀或圓球狀,原始形狀已難辨認。
顆粒的圓度不僅取決於顆粒的硬度、密度和大小等因素,而且與搬運歷史有著直接的關係。隨著搬運距離的增加或搬運時間的增長,顆粒的圓度也增加。因此,圓度是碎屑岩結構成熟度的重要標誌之一。
也是某些岩類(如礫岩)分類的主要依據。
◎顆粒的形狀(form):是由顆粒的長軸(a軸)、中軸(b軸)、短軸(c軸)的比例關係所限定的一種形態概念。zingg(1935)根據b/a、c/b兩個比值將碎屑顆粒分為四種形狀(圖5-3):
圓球體 b/a>2/3,c/b>2/3
扁球體 b/a>2/3,c/b<2/3
橢球體 b/a<2/3,c/b>2/3
長扁球體 b/a<2/3,c/b<2/3
顆粒的形狀與礦物的結晶習性、岩石的構造特徵以及搬運介質的性質和搬運距離等有關。
4)顆粒的表面特徵:碎屑顆粒的表面特徵主要是指顆粒表面的磨光度和有無特殊的刻蝕痕等特徵。它們有的可作為判斷顆粒成因的標誌,如風搬運的砂粒表面常呈毛玻璃狀,冰川搬運的礫石表面有「丁」字形擦痕等。
圖5-2 碎屑顆粒的圓度
(據m.e.tucker,1981)
圖5-3 顆粒形狀的分類
(2)膠結物和基質的結構
1)膠結物(cement)是碎屑顆粒間的化學沉澱物質,通常是結晶的或非晶質的礦物,在岩石中含量<50%,對顆粒起膠結作用。膠結物的結構可按其結晶程度、晶粒大小及其與碎屑顆粒的結合方式來描述。常見的膠結物有碳酸鹽質、矽質、鐵質、硫酸鹽質和磷酸鹽質,它們多為非晶質結構(蛋白石和膠磷礦)、隱晶質結構及微晶結構(玉髓、石英、碳酸鹽礦物、氧化鐵礦物),少數是顯晶粒結構(碳酸鹽礦物和硫酸鹽類礦物)。
而從膠結物和碎屑顆粒之間的結合方式來看,膠結物還有以下幾種特殊的結構:
◎櫛殼狀結構或叢生狀結構:多見於碳酸鹽類膠結物中,其特徵是柱狀或纖維狀的方解石沿碎屑顆粒的邊緣呈櫛殼狀或叢狀生長。這種膠結物的結構,主要通過顯微鏡觀察,在野外觀察中多見於粗粒碎屑岩(礫岩、角礫岩)中,而且只有膠結物結晶較粗時才可見及。
◎連生結構:主要見於碳酸鹽和硫酸鹽(石膏)膠結物中。這種膠結物結構的特點是,膠結物的晶粒因重結晶後形成巨大的連生晶體,碎屑顆粒被包含於膠結物的大晶體中,在手標本的斷面上,可見方解石或石膏膠結物呈現出巨大而平整的解理面,碎屑顆粒被包含在巨大的晶體中,轉動手標本時可見大片的閃閃發光的膠結物大晶體的解理面。
◎再生加大結構:又稱次生加大或自生加大結構,多見於石英膠結物中(有時在長石質膠結物中亦可見及)。這種結構的特點是,矽質膠結物沿碎屑石英顆粒的邊緣,按照石英晶體的結晶格架向外生長,結果膠結物的石英成了碎屑石英向外生長加大的部分。
這種結構在顯微鏡下很易辨認(如圖5-4);在手標本上具石英再生加大結構的岩石,其特點是岩石膠結得極為緊密,但肉眼下卻看不到膠結物的存在,只見各個石英顆粒緊密相接,與岩漿巖中的結晶結構相似,具這種結構的岩石極為堅硬,滲透性很差。
圖5-4 石英自生加大膠結(塔里木盆地塔中,志留系,4441m,單偏光,78×)
由於膠結物的顆粒一般都很細小,多為隱晶質或微晶的,所以肉眼鑑定它們就較為困難,通常是根據其顏色、光澤、硬度及其與鹽酸或鉬酸銨等反應來區別。如鐵質膠結物一般為棕紅色;矽質膠結物色淺,硬度很大;碳酸鹽膠結物一般亦為淺色,但硬度較小,加鹽酸起泡(白雲石刻成粉末後起泡);磷酸鹽膠結物多為深灰色,加鉬酸銨有黃色沉澱物出現;石膏膠結物一般晶體較粗,硬度小,易成連生結構,但一般膠結不緊密,岩石較鬆軟。
2)基質是<0.03mm的細粒碎屑物質及粘土礦物,它們一般是與碎屑物質一起機械沉積的,它們對碎屑顆粒也起膠結作用。由於它們的顆粒非常細小,故肉眼下看不清其顆粒輪廓,多為泥狀結構,具土狀斷口,光澤暗淡,顏色多樣,因混入不同的色素物質而異。
在成岩作用不太強烈的沉積岩中,基質常是較為疏鬆的,但經較強的成岩作用或輕微的變質作用後,基質則變得比較結實,並常變為絹雲母和綠泥石等。在許多岩石中常可見到基質和化學成因的膠結物混雜在一起的現象。
(3)膠結型別
膠結物或基質與碎屑顆粒之間的相互關係稱為膠結型別或支撐性質。它主要取決於碎屑顆粒與膠結物或基質的相對含量和顆粒之間的相互關係,而不同膠結型別的出現又是和岩石的形成條件密切相關的。例如,當搬運介質為具一定強度的穩定水流時,則細粒的基質物質將被沖走而不能沉積,此時沉積下來的較粗的碎屑顆粒彼此接觸,顆粒之間留下孔隙,即形成「顆粒支撐」的結構(圖5-5a)。
在成岩過程中,孔隙水中的溶解物質可沉澱充填孔隙,形成顆粒支撐的化學物質膠結的碎屑岩。如果流動介質為含有大量細粒基質物質的高密度流(如濁流、泥石流等)時,則由於基質含量高,且碎屑顆粒和基質一起快速堆積下來,即可造成「基質支撐」的結構,碎屑顆粒互不接觸,散布於細粒基質之中(圖5-5b),成岩後形成基質支撐的碎屑岩。
圖5-5 岩石的支撐型別
(據tucker,1981)
圖5-6 膠結型別示意圖
(a)基底式膠結;(b)孔隙式膠結;(c)接觸式膠結
常見的膠結型別有以下三種:
◎基底式膠結(basal cementation):基質的含量高,碎屑顆粒孤立地散布於基質中,彼此不相接觸或很少接觸,基質和碎屑物是同時沉積的(圖5-6a)。
◎孔隙式膠結(porous cementation):碎屑顆粒緊密相接,膠結物充填於粒間孔隙中,膠結物含量少(圖5-6b)。
◎接觸式膠結(contact cementation):膠結物含量極低,碎屑顆粒互相接觸,膠結物僅存在於顆粒的接觸處,粒間孔隙內大部分地方無膠結物充填(圖5-6c)。
2.泥狀結構
泥狀結構主要由粒度<0.004mm的泥質物質組成,為泥質巖的特徵結構。具這種結構的岩石,其特點是質地均勻、緻密,常具滑感和貝殼狀斷口;礦物成分主要為粘土礦物。
自然界中具典型泥狀結構的泥質巖並不太多,往往有少量砂和粉砂等混入物,形成過渡型別的砂泥狀結構或粉砂泥狀結構。
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