第四章 外动力作用与沉积岩
Chapter 4 The Role of External Force and Sedimentary Rock

南京大学地球科学与工程学院 舒良树制作

第一节 外动力地质作用的一般特征
Section 1 General Features of Geological Action Under an External Force 地质学：关于固体地球组成、结构及地球演化历史的 知识体系。 地球动力学(geodynamics) ： 塑造大自然和地球形貌 的作用力。
分内动力(internal force)与外动力(external force)两种。

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一、内动力作用一般特征
◆ 内动力：岩浆、层圈作用、放射能等。 ◆ 产物：火山岩、侵入岩；地震、断裂、褶皱；各种 岩浆矿产：金、银、铜、铁、钼、钨、锡等。 ◆ 意义：了解地质体成因、寻找资源矿产 。

二、外动力作用一般特征
◆ 外动力：太阳辐射、地球转动、日月相对位置、重力等引起的 力, 如科氏力、弯道离心、水流冲击、潮汐力、风、浪等。 ◆ 外动力作用的能源：太阳热能、重力能、日月引力能。 ◆ 外动力作用的场所：大气圈（风沙）、水圈（海洋、河流、冰 川、湖泊、地下水）、生物圈、地壳表面。 ◆ 外动力作用的类型：风化作用(地表岩石在大气、水、生物作用 下发生的机械破碎作用或化学分解作用) 、剥蚀作用、搬运作用、 沉积作用 、固结作用（压固、胶结、重结晶、新矿物的生长)。 ◆ 产物：四类沉积岩、各种沉积矿产（煤、油气、铁）等。 ◆ 意义：找矿、了解地球演化史。

流 水 冲 刷 沉 积 岩 形 成 的 洞 穴

人面兽身像
(砂岩-粉砂岩,埃及)

陆相红层、海相灰岩
(新疆博乐-哈萨克斯坦边界)

舒良树摄

三、与外动力作用有关的4个物质层圈
1. 大气圈 (atmosphere) （厚度>900km)
（1）大气圈的组成: 对流层→平流层→中间层→热层→外层
◆ 对流层(troposphere): 高度0～16 km。温度来自地面反射的太阳能；每上 升1km降温6.5oC。 大气(O2+N2+CO2+Ar+H)集中在此层,地球表面最稠密。 ◆平流层(stratosphere): 厚度约40 km。顶面距地面高度55km。不受地表热 辐射或大气对流的影响。地质作用基本发生在55km以下范围。 位于20～35km高处的是臭氧层，为地球生命的保护层。

2．水圈 (hydrosphere) ◆ 水圈 = 海洋+湖泊+河流+雨-冰-雪+岩石中的裂隙水; ◆ 为一连续的物质层圈。与大气圈关系密切。

水圈与大气圈的循环关系

◆ 科里奥利效应(coriolis effect)（1835年提出）
定义：由于地球自转，而使地表运动流体偏离方向的力。 大气、河流受此影响特别明显。 纬度和线速度不同，科氏力作用的方向也不同： N半球:水体向前运动，水体总是偏向前进方向的右侧。 S半球:水体向前运动，水体总是偏向前进方向的左侧。

◆ 水圈的作用(works of hydrosphere) a. 破坏岩石

：机械破坏(干寒带)、化学破坏（CO2）(温湿带)。
b. 搬运岩石；c. 堆积成矿。

3. 生物圈 (biosphere) ◆ 破坏岩石：机械破坏(根劈);化学破坏(生物有机酸分解矿物)。 ◆ 堆积成矿: 形成有机岩和石油、煤等能源与矿产。

4. 岩石圈 （lithosphere） ◆ 岩石圈=地壳+上地幔顶部的刚体部分。 ◆ 厚度: 60km (大洋地壳），150km（大陆地壳） ◆ 是矿物、岩石、能源矿产、生命之家，是地球科学 研究的主要对象。 5. 沉积环境 ◆ 海洋 ◆ 河流 ◆ 湖泊 ◆ 冰川 ◆ 地下水系 ◆ 沙漠

第二节

沉积岩的特征

Section 2 Features of Sedimentary Rock
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一、来源(source)、特性(character)、搬运(transport)与固结
◆ 沉积物来源：母岩风化物、生物、火山物质、宇宙物质。 ◆ 沉积岩主要特性：层理、含化石。 ◆ 沉积物的搬运:①底运（滚、跃):沿水流底部搬运:>2mm,砾岩;2～0.1 mm,砂岩; ②悬运(悬浮状):0.1～ 0.01 mm,粉砂岩; ③溶运（离子态）: <0.01mm,粘土岩、灰岩。 ◆ 固结作用 (consolidation) 压固; 胶结; 重结晶; 新矿物生长.

美国科罗拉多国家地质公园

舒良树摄

二、沉积岩中的矿物 ( Minerals in sedimentary rocks)
1. 沉积岩、岩浆岩与变质岩特有矿物成分比较
沉积岩：方解石、白云石、石膏、石盐、高岭石、蒙脱石 岩浆岩：橄榄石、辉石、角闪石、黑云母 变质岩：红柱石、堇青石、矽线石、硅灰石、十字石、蓝闪石

2. 石英、长石、云母是沉积岩、火成岩、变质岩中共有的矿物

三、沉积岩的结构 结构反映形成条件；构造反映形成环境。
◆ 大小( size):肉眼→放大镜→显微镜→电子显微镜
砾>2mm、砂2～0.1mm、粉砂0.1～ 0.01mm、泥<0.01mm 巨砾 >25.6cm、 6.4cm<中砾≤25.6cm 、小砾 ≤6.4cm（Mclane，1995）

◆ 碎屑结构 (clastic texture): 岩石中的颗粒是机械沉积的碎屑物。
碎屑岩: 砾岩→砂岩→细砂-粉砂岩；泥岩（页岩） 砾岩 = 碎屑+填隙物(比碎屑小1-2粒级)+胶结物

填隙物 (基质(matrix)): 砂、细砂、粉砂、生物及火山碎屑等。 胶结物 (cement) : Si, Fe, Ca, 泥 (肉眼分不出大小)。

砾岩的碎屑结构

◆ 沉积岩中的非碎屑结构 (non-clastic texture)
①岩石中的颗粒由化学沉积作用或生物化学沉积作用形成； ②无碎屑和填隙物及胶结物之分； ③为化学岩、生物化学岩所特有。 ④类型 晶质结构:全由近等大的沉积晶体组成；如灰岩的方解石。 生物结构:由丰富的生物化石碎屑组成。

◆ 分选性(sort)：碎屑大小 的均匀程度。 均匀者，反映搬运距离远。 ◆ 圆度 (roundness): 碎屑的 圆化程度。棱角(a)、次棱角 (b) 、次圆(c)、圆(d)。 滚圆者，反映搬运距离远。
碎屑的磨圆度 分选坏（a）好（b）

四. 沉积构造 （sedimentary structure）

◆ 定义：沉积岩在形成过程中产生的构造,是各组成部分的空

间分布与排列方式。 ◆ 层的厚度：巨厚>1m、厚层1～0.5m、中厚0.5～ 0.1m、 薄层0.1～ 0.01m、微层<0.01m 。 1. 层理（bedding）: 沉积岩的成层性。 沉积时，颗粒粗细不同、硬度不同、环境气候发生变化（颜 色），就会形成层理。
a.平行层理(parallel bedding)：不同沉积层顶底面平行。 沉积岩在安静的介质环境中形成。 b.交错层理(cross bedding)：不同沉积层顶底面不平行。 沉积岩形成于动荡的介质环境中。 根据“顶截底切”原理，可判断地层的顶底。

沉积岩的水平层理 (塔里木盆地北缘)

舒良树摄

砂岩中的单流向斜层理(新疆拜城)

舒良树摄

→ ← →

多流向斜层理(新疆黑英山)

→

→

舒良树摄

多流向斜层理

→ ← → →

2.递变层理(graded bedding)：同一层内，碎屑粒级由下而上逐 渐变小。
◆ 形成环境：水体运动可由强到弱或由弱到强.如水介质环境周期性 变化，在重力沉积下就形成了“韵律层”。 ◆ 用途：确定地层的顶底。

3.波痕(ripple mark)：波浪弯曲的层面.反映沉积环境动荡。
◆ 水介质定向运动形成不对称波痕: 可确定流向(从缓坡向陡坡), 但不能确定顶底。 ◆ 水介质往复运动形成对称波痕:可确定地层顶底(尖头朝顶) ,但 不能确定流向。

4.泥裂(mud crack)：层面上多边形，剖面上楔形。
◆ 成因：滨海、滨湖沉积物暴露出水面，失水→变干→收缩而成； 填充物与上复岩层相当。 ◆ 用途：①确定地层的顶底；②指示古气候（干燥）； ③确定沉积相（陆相、海岸相）。

湖相沉积粒序构造
（ K2n，广东南雄盆地）

舒良树摄

波痕(南京湖山C1g)

舒良树摄

暴露标志: 现代干裂

5.缝合线(stylolite) 岩层中的锯齿状曲线，与层面平行（但有例 外）。 与英文的“suture”区别很大。
◆ 分布：石灰岩、砂岩中（如五通石英砂岩）。 ◆ 成因：大型的缝合线示沉积作用的短暂停顿；小的示压溶作用，含 二氧化碳淤泥沿层面循环时，溶解二侧物质所致。 ◆ 用途：确定地层产状(须结合其他标志才能确定地层的正常或倒 转)。

缝合线 （stylolite）(湖南始兴)

舒良树摄

缝合线(stylolite)
(南京湖山,D3w 砂岩)

舒良树摄

6.结核(nodule, concretion)
◆ 定义：沉积时，一些不同物质绕质点滚动聚积而成的核状体。 ◆ 分布：石灰岩(栖霞组灰岩P1、高骊山组砂页岩C1)、 硅质页岩(孤峰组P1)。 ◆ 变化：结核脱水收缩，形成网状裂隙，称“龟背石”。 ◆ 用途：a.划分对比地层（结核体多定向排列）； b.推测地层形成环境 (CCD，碳酸盐岩沉积补偿线)。

7.冲刷痕、印模 (scour mark)、底模( sole mark)
◆ 定义：沉积岩层

的底面起伏状突起。 ◆ 分布：砂岩、页岩中。

◆ 成因：冲刷、荷重。

冲刷槽(scour mark) 槽 模 (flute cast) (江西井冈山， 舒良树摄)

8.雨痕、冰雹痕：陆地或浅水环境； 虫迹：浅海环境； 假晶：干旱环境； 同生褶皱、叠层岩等：浅水环境。 9.次生构造：沉积岩形成后产生的构造。

干旱标志: 食盐假晶

虫 迹

第三节 常见的沉积岩
Section 3 Common Sedimentary Rock http:///
一、三种常见碎屑岩 (clastic rock)
1. 砾岩 (cnglomerate) （碎屑+填隙物+胶结物）>2 mm ◆ 粒径：> 2 mm (>10mm为巨砾)。 ◆ 砾石成分：石英、砂岩、髓石、灰岩、火成岩、变质岩。 2. 砂岩 (sandstone) 2～ 0.1mm
◆ 粒径：粗砂2～ 0.5mm，中砂0.5～ 0.25mm，细砂0.25～ 0.1mm。 ◆ 成分：石英、长石居多。

3.粉砂岩 (siltstone) ◆ 粒径：0.1～ 0.01mm 。 ◆ 成分：石英、长石、云母。

具递变层理的碎屑岩
(新疆石河子)