沉積物的形成

1. 沉積物的來源

構成沉積巖的物質從成因上大致可分為兩類。

1) 他生 (allogenic) 物質: 一是存在于暴露在地表的既存巖石 (巖漿巖、變質巖、古老的沉積巖) 中的礦物，或礦物集合體 (即巖屑) ，脫離母巖 (provenance) 后作為固體顆粒被流動介質 (如水、空氣、冰川等) 搬運到沉積盆地中堆積而成的。二是既存巖石分解之后生成的新不溶性礦物 (如粘土物質) 。三是火山噴發形成的碎屑 (pyroclastic)物質，它們通過空氣或流水搬運到沉積盆地堆積而成。

2) 自生 (authigenic) 物質: 這是沉積盆地中被溶解的物質發生沉淀新生成的物質。其中有在沉積盆地由化學作用或生物作用生成的沉淀物質，沉積物沉積之后在埋藏成巖(石化) 階段沉積物與地下流體等相互作用而形成的化學沉淀物質，有些是濃度過大而發生結晶沉淀的物質。自生物質中最常見的有方解石 (CaCO3) 、白云石 (CaMg (CO3)2)等碳酸鹽礦物和蛋白石、玉髓、石英等 SiO2物質，及石膏、鉀鹽等。

沉積巖中，有主要以碎屑物質構成者，也有主要以自生礦物構成者。前者往往稱為碎屑巖 (clastic rocks) ，后者稱為化學 (chemical) 或生物沉積巖 (biogenetic sedimentary rocks) 。

構成沉積巖的物質從來源上來說，包括母巖風化的產物、生物物質、火山物質及宇宙物質。

沉積物中最主要的物質來源是母巖風化作用的產物。風化作用 (weathering) 是指引起地表巖石發生機械破碎和化學變化的地質作用，其中包括了地表大氣、流水、生物活動等各種自然因素。風化作用可以在地球表面形成各種各樣的風化地貌，圖2-1 就是一種非 常 特 別 的 風 化 地 貌———石 林。物 理(physical) 風化、化學 (chemical) 風化及生物 (biogenetic) 風化是地表三種最主要的風化作用。

圖2-1 風化地貌———石林

物理風化只引起巖石的機械破碎，而其本身的礦物組成及化學成分不會發生改變。它與地表溫度晝夜或季節的變化以及流水、冰川、風沙、礦物晶體生長等的機械破壞密切相關。

化學風化指在大氣、水、二氧化碳及其他有機酸的作用下，母巖發生化學反應，生成新礦物和可溶性物質，致使母巖的組成和結構遭到破壞。其中以氧化作用(oxidation)和水解作用(hydrolysis)最為顯著。氧化作用系由于大氣圈和水圈中自由氧(O2)的作用，使得巖石中的低價化合物向高價化合物轉變。例如，鐵橄欖石在水溶液中的氧化反應:

綜合地質學

水解作用指巖石中的礦物晶體與水發生相互作用，引起礦物分解，而水溶液變成了弱酸或弱堿的介質。例如，鎂橄欖石的水解反應:

綜合地質學

生物風化是指由于地表生命活動引起的巖石破壞過程，其中既有物理的又有化學的破壞方式。生物風化的物理方式主要是指因為植物生長、動物活動等過程導致的巖石機械破碎;化學方式主要指生物活動中或其死后的尸體在腐爛過程中釋放出大量的有機酸，致使巖石中的礦物發生化學分解。例如，鉀長石在有機酸中的分解反應:

綜合地質學

生物活動中產生的大量O2和CO2等氣體也同樣影響著巖石的化學風化過程。

風化作用的直接產物包括:①碎屑物質顆粒，由母巖或其中的礦物機械破碎形成，如石英碎屑、長石碎屑等礦物碎屑，以及石灰巖、火山巖、硅質巖等巖石碎屑(亦稱之為巖屑);②不溶性殘余物質，母巖化學風化過程中新生成的在地表溫壓下相對較穩定的新礦物，主要以粘土礦物為主，如高嶺石粘土、蒙脫石粘土等，其次還有少量的金屬氧化物礦物，如氧化硅礦物(玉髓、蛋白石等)、氧化鋁礦物(鋁土礦等)和氧化鐵礦物(赤鐵礦、褐鐵礦等);③可溶性物質，指溶解于地表下溶液中的金屬離子和陰離子團。根據溶液的性質可進一步分為真溶液和膠體溶液，前者如K+，Na+，Ca2+等以離子狀態出現于溶液之中，而后者如Al，Fe，Si，Mn等的氧化物以膠體的形式出現于地表水中。

生物物質是由生物的遺跡或遺體形成的有機質，在沉積巖中分布廣泛，這類有機質在沉積巖的形成過程中被埋藏，成為沉積巖的一個組成部分。生物物質在一定的溫度和壓力條件下，是形成煤、石油、天然氣的基礎。

火山物質是由火山噴發而形成的碎屑物質，可以在火山附近堆積形成火山碎屑巖，也可以分散到其他的沉積物中，與其他沉積物一起形成沉積巖。

宇宙物質為降落在地球上的天體物質，主要為隕石，宇宙物質在沉積巖中含量極少。

2.主要造巖礦物和巖石在風化過程的穩定性

造巖礦物在風化過程中的穩定性，系指礦物抵抗風化作用的能力。這首先決定于礦物的化學成分、內部結構和物理性質，其次是造巖礦物所處的風化條件。各種造巖礦物在風化時的穩定性有所不同，因此，風化習性和風化產物也不同。茲將主要造巖礦物的風化習性簡述如下。

長石類礦物 為K，Na，Ca的鋁硅酸鹽。在物理風化作用下，長石易沿解理面破碎;在化學風化作用下，易受各種酸(主要是碳酸)的作用分解，釋離出K+，Na+，Ca2+等陽離子，同時水化而逐漸變為水云母，此時晶體結構由架狀變成層狀。水云母在酸性介質條件下繼續分解，游離出部分SiO2而形成高嶺石;在堿性介質條件下則形成蒙脫石。高嶺石在濕熱的氣候條件下，經去硅作用游離出的SiO2生成蛋白石，剩下的Al2O3則形成含水的氧化鋁礦物。不同種類的長石，抵抗風化的能力有所不同，鉀長石比斜長石穩定，斜長石中的酸性斜長石又比基性斜長石穩定。因此，在沉積巖中常見的碎屑長石是鉀長石和酸性斜長石。

鐵鎂礦物 為Fe，Mg，Ca的鋁硅酸鹽礦物，如橄欖石、輝石、角閃石等。這類礦物穩定性比較低，其中以橄欖石最易風化，輝石次之，再次是角閃石。在化學風化作用下，尤其是在碳酸的作用下，這類礦物首先分解出Fe2+，Mg2+，Ca2+陽離子，形成重碳酸鹽，溶于水中被帶走;在氧化作用下，這類礦物中的低價鐵氧化為高價鐵，形成含水的氧化鐵礦物而殘積在風化地區，故其風化產物多呈紅色、褐色和棕色。

石英 為最穩定的造巖礦物，在風化過程中幾乎只發生機械破碎，不易發生溶解。因此，母巖風化越徹底，石英在風化產物中的相對含量越高。

云母類 白云母比黑云母穩定，因此，在沉積巖中白云母比黑云母常見。白云母在化學風化作用下可分解而轉變為水云母以至高嶺石;黑云母風化后形成含水的氧化鐵礦物及粘土礦物，其部分陽離子則被淋濾。

粘土礦物 為沉積巖的重要造巖礦物。由于此類礦物是在地表條件下形成的，故在一般風化作用下只發生機械破碎，而無化學分解現象。只有在較強的化學風化作用下才進行分解，如水云母在酸性介質條件下可風化為高嶺石，在堿性介質條件下則可風化成蒙脫石。

碳酸鹽礦物 主要為方解石和白云石，分別是石灰巖和白云巖的主要礦物成分。這類礦物在酸性水中極易溶解，而在極干燥的氣候條件下，可由物理風化作用破碎成碳酸鹽碎屑。

巖石在風化時的穩定程度取決于主要組成礦物的成分及巖石的結構構造。超基性巖和基性巖主要由鐵鎂礦物和基性斜長石組成，因此，這類巖石易受風化，而酸性巖的主要礦物為石英、鉀長石和酸性斜長石，以及少量黑云母等鐵鎂礦物，故此類巖石抗風化能力較強。中性巖的抗風化能力則介于上述二者之間。砂巖的主要成分為石英顆粒，不易遭受化學風化，一般只有機械破碎。粘土巖主要由粘土礦物組成，因此，在風化作用的影響下，一般僅發生機械破碎。但在氣候濕熱的地區，也可發生分解。硅質巖則較難風化。石灰巖在干燥寒冷地區以機械破碎為主，而在潮濕地區則以溶解為主。結構構造可以影響巖石的風化性質。粗粒結構的巖石，如花崗巖、閃長巖等風化時，易沿巖石中礦物顆粒接觸面破裂。而細粒結構的致密塊狀巖石，如各種火山巖等往往碎裂成細粒的巖石碎屑。具有板理、片理和薄層理的巖石及受構造斷裂破碎的巖石易風化碎裂。巖石風化中會產生大量的裂隙、溶孔及溶洞，提高了巖石的空隙度，但卻降低了其強度。