第二章化学成因的沉积构造.doc

第二章 化学成因的沉积构造 化学成因的沉积构造是指沉积时期和沉积期后由结晶、溶解、沉淀等化学作用在沉积 面上或沉积物中所形成的沉积构造。其中的大多数沉积构造是在沉积物的压实和成岩过程中生成的，属于次生沉积构造。因此，它们对于解释沉积环境意义不大，但对于了解沉积物沉积后所经历的化学变化却是很有益的。 化学沉积构造不仅产于碎屑岩中，而且在其它沉积岩如碳酸盐岩中也是十分丰富的。总的来说，它们的形成与化学作用有关，但所涉及到的化学作用类型较多，而且有些沉积构造是由几种作用联合造成的，有时甚至有其它作用参与，如压力、收缩等作用。因此，化学沉积构造的分类是一个复杂的问题。我们只是将常见的几种化学沉积构造按其形成时所涉及到的主要化学作用类型进行归类。 一、结晶构造 这里所说的结晶构造系指与结晶作用有关的化学沉积构造。它们往往是由于新晶体在沉积物表面或内部生长的结果。其中包括常见的三种沉积构造晶体印痕与假晶、鸟眼构造和示顶底构造。关于这三种沉积构造的类别归属问题，各家意见不一。我们主要考虑这三种沉积构造的形成均与结晶作用有一定关系，因而放在这里描述。 一晶体印痕与假晶 在合适的条件下，盐类物质如石盐、石膏等的晶体可以在松软的沉积物表面上结晶生长。如果这些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，即晶体印痕crystal imprints。这种印痕经沉积物充填后，就形成晶体假象即假晶crystal pseudomophs。 晶体由于往往长出沉积物表面，因而它们在表面溶解与被新沉积物掩埋后再溶解而留下的印痕及充填而成的假晶，其形态是不同的。如果晶体在表面长成后又溶解掉，所留下的印痕一般是该晶体的不完整形态；其假晶也是不完整的。如果晶体是在掩埋后才溶解消失的，则留下跨越层面的、具有完整晶形的印痕；其假晶呈该晶体的完整形态，而且往往突出在岩层的顶面上图版632。根据这种差别和变化，可以帮助判别晶体生成后水体盐度的变化，或者沉积物埋藏后孔隙水成分的变化。 在地质记录中，最常见的是石盐假晶图版633。它们往往呈立方体散布于层面上，有的甚至保存了石盐晶体100晶面上常显出的漏斗形阶梯状凹陷图版632。这表明石盐假晶是在石盐晶体埋藏后经溶解、充填而形成的。它们的存在，显然说明石盐晶体生长时水体盐度的增高和埋藏后孔隙水盐度的降低。 石盐的晶体印痕和假晶大多产于盐湖、内陆盐沼以及温暖气候下的潮坪等沉积物中。 有时，它们可与石膏的晶体印痕和假晶共生。 二鸟眼构造 鸟眼构造birdseye structures是指细粒沉积岩中成群或单个出现的、一般为几毫米大小的鸟眼状孔隙被亮昂方解石或石膏等胶结物充填而形成的一种沉积构造图版634。由于它们常成群密集地出现在岩层的断面上，所以有人也称为筛状、窗格状或网格状构造。根据充填鸟眼状孔隙的胶结物大多呈浅色斑点出现在暗色的基底上，有人也称之为雪花状构造。鸟眼构造在碳酸盐沉积物中较为常见，但在非碳酸盐沉积物中也有产出Deelman，1972。 鸟眼构造的形成一方面与鸟眼状孔隙的形成有关，另一方面也与化学成因的胶结物充填这种孔隙有关如果未被充填，则只能看作为孔隙或空洞。而且，由于这种孔隙可以有多种成因，所以我们将这种构造归入化学沉积构造类型中。 鸟眼状孔隙主要有以下几种成因 1气泡成因 由沉积物快速沉积时所捕获的气泡形成，或者由沉积物中的有机质分解时产生的气体形成。由此而产生的鸟眼状孔隙大多是孤立的或分散状的，多少有点椭圆形或圆形的形态； 2收缩成因 由碳酸盐沉积物露出水面因干缩而产生的孔隙，或者是成岩时期收缩而成的孔隙。它们呈13毫米高、几毫米宽的孤立扁平形空洞，分布可能较为不规则； 3生物成因 是由潮上带的藻席埋藏后腐烂分解而留下的空隙。它们可能大致平行于层面分布。 此外，它们还可能由碳酸盐灰泥中所包含的水滴、硬石膏的溶解以及成岩时的重结晶作用所形成。 碳酸盐沉积物中的鸟眼构造大多产于潮上带，潮间带较为少见，潮下带则几乎没有。因此，这种构造是一种良好的指相标志。 三示顶底构造 示顶底构造geopetal structures这个术语是桑德Sander，1936最先提出来的，说的是岩石中能够指示岩层顶底方向的任何内部构造或组构，例如交错层理等。因此，这是一个范围很广的术语，包括了能够指示沉积岩层原始顶底方向的各种沉积构造。而我们这里所说的示顶底构造则仅仅是指在碳酸盐岩中的生物体腔或洞穴内由下部泥晶碳酸盐沉积物和上部胶结物晶体所组成的、能够指示岩层顶底方向的一种沉积构造图版643。这种构造的大小取决于碳酸盐沉积物中空洞或生物体腔的大小。然而，一般来说只有在显微镜下才能清晰地辨认这种构造。 这种示顶底构造的特征是洞穴或有壳生物体腔的下部充填泥晶或微晶碳酸盐沉积物，一般是碳酸盐灰泥图版645；上部则是亮晶碳酸盐矿物，通常是亮晶方解石嵌晶图版643。两者之间的界面一般比较平直，并且与层面大致平行。界面上、下的充填物不同，成因也不一样。一般来说，下部的碳酸盐灰泥是机械沉积形成的，上部的亮晶方解石嵌晶则是孔隙溶液沉淀结晶的产物。因此，这种界面可能代表了沉积作用与胶结作用之间的一段时间间隔。充填物的这种上下关系总是不变的，所以能够指示岩层的原始顶底方向。 二、压溶构造 压溶构造pressuresolution structures是指沉积岩中由压溶作用所形成的沉积构造， 主要有缝合线和叠锥等。 一 缝 合 线 缝合线stylolites主要产于比较纯净的碳酸盐岩中，有时也出现在石英砂岩图版65、盐岩、硅质岩中，指的是横剖面中将相邻两个岩层或同一岩层的两个相邻部分连接起来的锯齿状接缝。它实际上是缝合面在横剖面上的反映。这种线两侧的岩石大多呈不规则犬牙交错状或相互穿插状连接起来。缝合线中常富集该种岩石的不溶残余物，如粘土、有机质、砂等。 缝合线的起伏幅度，即它两侧的指状尖端之间的距离变化较大，小的可在1毫米以下，一般为几厘米到十几厘米，大的可达1米。通常按其幅度的大小分为肉眼可见的显缝合线和显微镜下才能辨认的微缝合线图版654。 缝合线的几何形状常见的有下列五种图251简单波曲形图版652；2复杂弯曲形；3尖齿形；4方齿形图版653；5震波曲线形。实际上，它们之间还存在着许多过渡形状。有时，一条缝合线在侧向上可由这种形状变为另一种形状。 根据缝合线与层面的关系，它们一般可分为1与层面平行的水平缝合线图版65 2；2与层面斜交的倾斜缝合线；3与层面垂直的垂直缝合线；4网状缝合线，由上述两种或三种缝合线联合组成的交织网状或具有相互切割关系的复杂缝合线。 关于缝合线的成因还来完全解决，但目前倾向于认为它们的形成与成岩后生阶段的 压溶作用有关。具体地说，缝合线的形成是由于在成岩后生阶段相邻岩层在压力作用下 发生选择性溶解的结果。在定向应力条件下，在岩石组分具有不同应力溶解度的地方，一 种组分会比另一种组分溶解得更快。例如，碳酸盐岩中的钙质生物骨屑在应力条件下就 比泥晶基质难溶。因此，当相邻的岩石组分发生应力溶解时，较易溶的部分被溶解掉，而 较难溶的部分则留下来并相应地伸入到溶解所产生的空间中，从而形成了起伏不平的齿 状溶解缝。溶解掉的物质呈溶液状态沿这种溶解缝搬走，或者作为附近岩层中的胶结物 再沉淀下来。不溶残余物则残留在这种缝中。 根据缝合线大多既切过颗粒又切过基质和胶结物的现象来看，它们必定是在沉积物 发生胶结作用之后形成的。 从缝合线的这种形成过程来看，可以根据它的起伏幅度大致地估算出缝合线两侧岩 层被溶解掉的最小厚度。 二叠锥构造 叠锥构造cone-in-cone structures是由一串漏斗状的空心圆锥体套叠在一起所组成 的构造图版661。锥体表面有横纹凸起和纵向条纹。锥高通常为110厘米，偶尔可达20厘米。锥顶多朝下，在某些情况下也有朝上的；锥顶角为30600。锥轴垂直于层面。因此，叠锥在层面上呈同心圆状，在纵剖面中则呈V形套叠。 叠锥的组成物质一般是大致与锥轴平行排列的纤维状方解石晶体，少数情况下是菱 铁矿或石膏。锥面之间常有粘土膜充填。 叠锥构造多出现在不纯的石灰岩中，如泥灰岩、泥质灰岩中，有时也产于钙质粘土岩和方解石脉中。煤系地层中也有这种构造发育。 关于叠锥构造的成因，目前尚未研究清楚，大致有两种倾向性的成因解释。一种认为叠锥构造的形成与缝合线的成因相似，即与成岩后生阶段的压溶作用有关；另一种则认为是文石重结晶成方解石的过程中产生圆锥形剪切应力的结果Woodland，1964。 三、增生与交代构造 这一类沉积构造的形成大多与化学成因矿物的生成有关。这些矿物或者是沉淀、凝聚而成的，或者是交代母岩物质的结果。其中最常见又比较重要的是结核和葡萄状构造。 一 结 核 结核concretion and nodules是指成分、结构、颜色等方面与围岩有明显差别的团块 状矿物集合体。结核的大小不一，从数毫米到数十厘米，大者可达几米；外形常呈球状、椭 球状、圆盘状、扁豆状、透镜状、不规则瘤状等。结核的内部可以是均质的，也可以是非均 质的，甚至含有围岩的成分；其构造形式也很不相同，有同心圆状、放射状、方格状、花苞状等。结核在围岩中可以呈单个产出，也可以呈串珠状或似层状成群出现，或者是不规则布的。它们在某些层位或部位较富集，在另一些地方则较少甚至没有。 1．结核的成因类型 1同生或沉积结核 这种结核是在沉积阶段生成的。它的特点是结核与围岩的界线一般很明显，并且不切穿围岩的层理，而是层理绕结核弯曲。同生结核的生成方式主要有两种1胶体物质围绕某些质点凝聚、沉淀，形成具有同心圆状构造的结核；2由成分上不同于周围沉积物的胶体物质以凝块形式析出而成。现代海底上的磷酸盐结核和锰质结核即属于同生结核。 2成岩结核 成岩结核是在沉积物的成岩过程中形成的，例如页岩中的钙质结核。在沉积物的成岩阶段，物质发生重新分配，来源于沉积物内部的胶体物质围绕某些中心例如有机体凝聚、沉淀，最终形成结核。在这一过程中，胶休物质有时在局部地方与围岩组分发生化学反应或交代。这种结核的特点是 与围岩的界线不甚明显，往往早过渡关系，部分切穿围岩的层理。结核上方的围岩层理发生弯曲。这是由于结核的压缩体积比围岩小的缘故。 3后生结核 后生结核形成于沉积物已固结成岩之后的后生阶段。它是由外来的溶液沿裂隙或层面进入岩石内部沉淀或交代而成的。因此，这种结核大多产于裂隙中或层面附近，并且明显地切穿围岩层理，但层理没有弯曲现象。 在实际工作中，有时由于找不到充分的证据而难于断定所研究的结核到底属于哪一种成因类型。通常是用成分来描述结核的，例如钙质结核、硅质结核等。下而仅简要地按成分介绍几种常见的结核。详细讨论这方面的内容已超出沉积构造的范畴，有兴趣的读者可参阅有关文献例如，Raiswell，1971；Pettijohn，1975，第十二章。 2．结核的成分类型 1钙质结核 钙质结核大概是最常见的结核之一，其成分主要是碳酸钙。它们在砂岩、页岩、泥岩、 黄土中均有大量分布。 1砂岩和粉砂岩中的钙质结核 它们通常呈球状、似球状或圆盘状，大小不一，小者1厘米或几厘米，大的可达几米。其大小可能与岩层的渗透率有一定关系。总的来说，砂岩中的结核往往比粉砂岩中的更大、更圆些，因为岩层的渗透率越高，进入其中的CaCO3溶液就越多。结核中经常含有大量的碎屑颗粒，而且层理可以穿过结核。这说明这种结核是在碎屑颗粒沉积之后形成的，很可能是方解石胶结物局部胶结或差异胶结的结果。 由于这种结核胶结牢固，闲此在露头上比围岩更能抵抗风化，使它们呈球状砂岩体散布于地面上。这就应注意与砂岩发生球状风化所形成的球状体相区别。 2砂晶 它们是一种经常出现于砂岩中的、与方解石胶结物的结晶生长有关的、类似于结核的沉积构造。砂晶是方解石的大自形晶体或呈偏三角面体产出的自形晶簇，长度一般为510厘米，甚至更长。这种方解石具有变嵌晶状结构，在阳光下会出现斑点闪光的现象。砂晶是由于砂岩中的方解石晶体在快速生长时并入石英颗粒等包裹物而形成的。重晶石的玫瑰花结也有类似的成因和特征Pettiiohn，Potter，Siever，1972。 3页岩中的钙质结核．图版642 它们一般呈椭球状到球状，直径从几厘米到几米不等；中心部分往往含有生物化石。结核上、下的围岩纹理绕结核弯曲，中间的则穿过结核。因此，在许多结核中可以见到沉积成因的纹理，但有一部分已变形了。在这种结核内，靠中间部分的纹理是近水平的，并与围岩纹理连接起来；靠上、下边缘的纹理则顺结核外形弯曲，并向两端收敛穿出结核。这说明结核是在泥质沉积物沉积之后才生长的，很可能属于成岩作用的产物。然而，结核中所含的生物化石没有压碎现象似乎又说明它们是在压实作用发生之前生成的。总之，这种结核形成较早，可能是在靠近沉积表面的地方由碳酸盐沉积于泥质沉积物中而形成的，但它们的生长也可能延续到成岩阶段的较晚期。 4黄土中的钙质结核 这种结核俗称砂礓，形状多种多样，有长柱状、椭球状、板状；树枝状、锥状、不规则瘤状等。其大小不一，长425厘米，直径2－20厘米，大者可达50厘米长、30厘米粗。内部构造可以是同心圆状或放射状，也可以是致密块状，并含有黄土碎屑和生物化石。结核在黄土剖面中或零星分布，或富集成钙质结核层，并大致平行于层面展布。 黄土中钙质结核的形成除了与风化过程中CaCO3的淋溶、淀积有关外，更重要的大概是富含CaHCO32的地下水由于蒸发作用而上升到毛管水带聚集，由于压力降低，地下水中的CO2逸出，致使CaHCO32转变为CaCO3胶结物沉淀下来刘东生等，1966。 在土壤和洪泛平原等陆相沉积物中，也经常发育钙质结核。它们除了个体较小外，其它特征和成因均与黄土中的钙质结核相似。 5龟背石图版644 这是一种比较大的直径10100厘米、扁圆形的钙质结核，并以具有一系列已充填的放射状裂隙为特征。这些裂隙向结核中心变宽，向边缘则逐渐消失。裂隙在结核表面上通常组成网状，但靠近结核边缘则保持放射状式样。裂隙大多被方解石充填，也可以被黄铁矿、闪锌矿或重晶石等充填。一般认为，龟背石的形成是一个复合过程。其中包括钙质结核的形成，随后结核脱水收缩产生裂隙以及晶质矿物充填裂隙。 2硅质结核 最常见的硅质结核大概要算碳酸盐岩中的燧石结核图版634。这种结核的形状变化多端，从透镜状、扁豆状、圆盘状到极不规则的团块状或瘤状，甚至呈条带状。大小也不一样，有的仅几厘米甚至更小，有的可达几十厘米长。内部构造一般呈致密状，有时具有同心圆状。有些结核中含有硅质或钙质生物化石。燧石结核主要由微晶质石英和少量的玉髓所组成。它们大多沿一定的层面分布，而且其扁平面大致与层面平行；经常富集成燧石结核层，并且与碳酸盐岩层呈韵律式交替出现。 关于燧石结核的成因，就象硅质层的成因一样，也是一个争论不休的问题。看来，它们可能有多种成因。一种是沉积成因，即在海底上由硅胶团直接沉淀而成。大多数人则持交代成因的观点由生物化学作用从海水中萃取出来的氧化硅与碳酸盐沉积物一起沉积。在成岩分异过程中，分散的氧化硅发生溶解，随后再沉淀并交代碳酸盐沉积物而成为结核。还有一种成因是与碱性湖泊中硅酸钠胶体的淋滤作用有关。 3磷酸盐结核 磷酸盐结核通常呈直径几厘米的卵石状或圆面包状。其底面扁平，顶面穹形而光亮。内部构造复杂又多变。有些结核由均一的磷灰石组成；有的具有鲕状、放射状；另一些则含有相当多的矿物颗粒、生物介壳及有机质。 这种结核不仅存在于磷酸盐沉积物中，而且也广泛地散布在某些灰岩和页岩中，在现代海底上也有产出。一般认为，磷酸盐结核可以是原生或沉积成因的，也可以是交代成因的。 4锰质结核 锰质结核常呈球状、扁平透镜状或板状。大小变化很大，小至1毫米，大到20厘米以上。它们与围岩的关系显出同生结核的特征图版641。这种结核一般是由锰矿物呈同心带状围绕碎屑颗粒或生物介壳生长而成的。在现代海底上和某些内陆湖泊中均有锰质结核产出。 5铁质结核 这一类结核包括由菱铁矿、氧化铁、黄铁矿、白铁矿等铁矿物所组成的各种结核。它们的大小和形状变化多端，有的甚至具有奇特的特征。例如，氧化铁结核常呈空心的管状，内部有可自由转动的碎屑物，摇时会发出响声。这一类结核的成因，有的是原生的，如某些菱铁矿结核；有的是成岩阶段形成的，如砂岩中的黄铁矿结核图版662。 这类结核分布甚广，在砂岩、泥岩、碳酸盐岩中均有发育。一般来说，低价铁矿物所组 成的结核形成于还原环境中，而高价铁的结核则是氧化条件下生成的。 二葡萄状构造 葡萄状构造cluster structures是指碳酸盐岩中一种由许多具有碳酸盐包壳的似球状或不规则状的大颗粒密集堆积而成的、表面看起来象成串葡萄的沉积构造图版671。这种颗粒往往具有一个或多个核心，外表包绕一些同心状的碳酸盐纹层。这种纹层大多由颜色的不同而显示出来，形状随所包绕的颗粒或颗粒集合体的外形而变图版663、662。它们可能是由碳酸盐溶液沉淀而成的，但也可能有藻类参与作用。 6