六、沉积物和沉积岩-3(沉积构造和环境）
8.沉积构造
沉积岩不仅仅是一种均匀的、无特征的岩体。相反，它包含分层以及迷人的纹理和形状，地质学家把这种特征称为沉积构造。
8.1层理和分层
如果你观察沉积岩的露头，你会看到一组平行面将岩石分成不同的层。沉积岩的单层称为层(bed)，两层之间的边界是层理面(bedding plane)。地质学家通常使用术语地层(strata)来表示几个层的连续，而层理(bedding)用于表示层的出现。
为什么层理形成？任意时间的沉积物反映了沉积物的组成和沉积条件(如水深和流速)。因此，沉积物来源或沉积条件的变化可以改变沉积类型。在沉积岩中，这种变化记录了成分或/和粒度的变化，并勾画出层理。以河流沉积的沉积物为例。在正常情况下，河水流速缓慢，输送的只是淤泥，所以淤泥会沿着河流堆积起来。一场暴雨过后，河水流速加快，把卵石冲走，于是一层砾石就在淤泥层上堆积起来。后来，当河水再次减速时，另一层淤泥掩埋了沙砾。沉积层在岩化后，变成粉砂岩和砾岩的交替层，沉积物由于重力而下沉，所以沉积时河床趋于接近水平。
8.2水流相关构造
在平静的水中或空气中，沉积物会像雪一样沉淀下来，当它沉淀下来时，形成的沉积物层表面光滑，质地均匀。与之相反，流水或流动空气所沉积的沉积层，在床面和床内都趋向于发育独特的沉积构造。这些构造提供了沉积物沉积环境的线索，区分了层的顶部和底部，并描述了沉积时水流的方向。让我们来看几个例子：
8.2.1波纹、沙丘和交叉层理
在流动的空气或水中沉积的沉积物层的顶部表面典型地显示出波峰和波谷。这些波痕往往相对较小(小于10cm)，并与水流垂直排列。波痕被另一层沉积物掩埋，保存了它们，所以你可以在古岩石的层理面上找到它们。
沙丘是由水流搬运的沉积物形成的相对较大的山脊。在溪流的河床上，沙丘可能有几十厘米高，而在多风的沙漠中，沙丘可能有几十米甚至100米高。
如果你将沙丘切开，你会发现明显的层叠(较厚的层中夹杂较薄的层)，这被称为交叉层，以一个角度倾斜到沉积层的顶部。为了了解交叉层是如何发展的，想象一股气流或水流均匀地向一个方向移动。水流从沙丘的上游迎风面带走沙子，并将其沉积在下游或背风面。沙子堆积，直到下游的斜坡变得过于陡峭，重力使沙子从背风面或滑动面滑落。当沙丘继续在下游堆积时，更多的沙土掩埋了每一个连续的滑动面，使之前的滑动面保持为交叉层。当新的沙丘层在原有的沙丘上沉积时，由主要层理面分隔的交错层序累积。交叉层方向是水流在沉积过程中流动的方向，交叉层形状(上凹)区分了层的顶部和底部。
8.2.2粒级层理
当未固结的沉积物滑入水下斜坡时，它与水混合，形成浑浊的、汹涌的悬浮物。这种悬浮沉积物比清水的密度大，以水下雪崩的形式向下流动，称为浊流。在斜坡的底部，浊流变慢，所携带的沉积物沉淀下来。较大的颗粒比较细的颗粒下沉得更快，所以最粗的沉积物先堆积，逐渐较细的颗粒在上面堆积，最细的沉积物(粘土)最后沉淀。这一过程形成了一个分级层，从底到顶，由粗变细。由浊流产生的一系列沉积物称为浊积岩。
8.3暴露在空气中的沉积物
在某些环境中，泥土(粘土和水的混合)在沉积后暴露在空气中。如果在泥土完全干燥之前下雨，雨滴撞击泥土表面的地方就会形成小的撞击坑。如果沉积物干了，泥层会收缩并碎裂成六角形的板块，这些板块的边缘会向上弯曲。在板块之间形成泥裂。泥层的埋藏和随后的岩化可以保存雨滴印记和泥裂。
9.识别沉积环境
通过观察地层，我们能否描绘出沉积环境的特征？为了确定沉积环境，地质学家，像犯罪现场调查员一样，寻找线索：侦探寻找指纹和血迹来确定罪犯，而地质学家则检查颗粒大小、成分、分类、沉积结构和化石(埋藏在沉积物中的生物的遗迹)来确定沉积环境。每一个环境都会在地层中留下不同的指纹：
9.1陆地沉积
我们在探索沉积环境时，首先考虑那些从海岸向内陆发展的环境，这样它们就不会受到海潮和海浪的影响。这些非海洋环境，或陆地沉积环境，包括旱地、湖泊、溪流和沼泽。通常，地表水或地下水中的氧与陆地沉积物中的铁发生反应，产生类似铁锈的氧化铁矿物，使沉积物整体呈红色。地质学家非正式地将这种色调的地层称为红层。
9.1.1冰川沉积
如果我们在高山上旅行，或者去极地地区，那里的天气非常寒冷，冬天聚集的雪比融化的雪多，我们会发现冰川在增长并缓慢地流动。冰川可以携带各种沉积物：从粘土大小到巨石大小，从邻近的悬崖掉落到冰川上，或者从底部或侧面的地面剥蚀。当冰川融化时，其中或上面的沉积物形成冰川碛物。由于冰不会按大小来分类沉积物，因此其中通常含有较大的碎屑，碎屑随机分布于泥岩或粉砂岩中。这种岩石叫做混杂陆源沉积岩。
9.1.2山涧沉积
越过冰川的尽头，我们进入了一个从山谷中奔流而下的湍急的河流领域。湍急的水流带着巨大的碎屑，这些碎屑被磨成圆形。当水流减缓时，鹅卵石和大石头会沉淀下来，而河流会把泥沙带到下游更远的地方。当岩化作用后，溪流砾石变成砾岩。
9.1.3冲积扇沉积
当我们到达一个山前时，湍急的溪流流进平原，水流变慢，导致沉积物堆积。在干旱地区，这种堆积会形成一个被称为冲积扇的楔形堆积，由砂砾组成。冲积扇的特砂中可能含有尚未风化成粘土的长石颗粒，因此冲积扇沉积物在岩化后变成长石砂岩和砾岩。
9.1.4沙丘沉积
在非常干燥的气候条件下，很少有植物生长，所以地面暴露在风中。流动的空气会形成沙丘，沙丘由分选良好的、圆形的沙子组成。如果被埋藏，这些沙丘变成厚的交错层状砂岩。
9.1.5河流沉积
河流输送砾石、沙子、淤泥和泥浆。较粗的沉积物沿着河床翻滚，聚集成交错层，而较细的沉积物则在水中漂移。这些细小的沉积物沿着河岸或在泛滥平原沉淀。河流沉积物形成砂岩、粉砂岩和页岩(或泥岩)。一般来说，较粗的沉积物聚集在河道中，周围是一层层细粒的泛滥平原沉积物。在横剖面上，河道沉积呈透镜状。这些沉积物中的页岩可能含有泥裂。地质学家通常将河流沉积物称为冲积物(源自拉丁语fluvius，意为河流)。
9.1.6湖泊沉积
宁静的湖泊近岸水不能搬运粗大的沉积物，所以只有细微的粘土到达湖心，在那里沉积在湖床上形成淤泥。因此，湖泊沉积物变为细层状页岩。在湖泊三角洲中，砾石通常聚集在靠近岸边的水平层上，沙子聚集在离岸倾斜床上，淤泥聚集在湖心水平层上。
9.2海洋沉积物
沿着海岸、浅海和深海有多种沉积环境出现。所有这些环境都是海洋沉积环境的类型。在特定的海洋环境中的沉积物取决于水深、波浪能和水温，以及是否存在石英和粘土的碎屑。
9.2.1海洋三角洲沉积
在河流入海的地方，可以形成一个巨大的海洋三角洲。这样的三角洲比我们之前提到的湖泊三角洲更复杂，因为海洋三角洲拥有多种沉积环境，包括沼泽、河道、泛滥平原和海底斜坡。随着时间的推移，海平面的变化会导致这些环境的位置发生变化。因此，海相三角洲产生多种类型的沉积岩。
9.2.2沿海碎屑沉积
洋流和海浪沿着海岸线运送沙子，沙子在海浪中来回冲刷，形成良好的分类性和圆滑度。海岸的坡度很平缓，形成了宽阔的潮滩，在那里积满了波纹状的淤泥床，在受海浪保护的泻湖里，淤泥会沉淀下来。在近海，海水很深，波浪能量对海底影响不大，淤泥和泥就会堆积起来。沉积物上或沉积物中可能有大量的生物，但因为水是静止的，所以表面没有波纹。所以，如果你发现了分选良好的砂岩，以及含有海相化石的粉砂岩和页岩，你看到的就是沿海和浅海的碎屑沉积物。
9.2.3沿海碳酸盐沉积
在相对没有沙子和粘土的浅海环境中，温暖、清澈、富含氮元素的水可以容纳大量产生碳酸盐贝壳的生物体。附近的海滩聚集由小贝壳碎片组成的沙子，泻湖积累碳酸盐泥，在暗礁上，生物，如珊瑚，建立固定的碳酸盐矿物丘。离暗礁越远，暗礁碎片就会形成一圈。浅水碳酸盐岩环境的产物被埋藏后会形成含化石的石灰岩和泥晶岩。
9.2.4深海中沉积
在远离陆地的深海平原上，只有细黏土和浮游生物提供沉积物的来源。粘土最终沉淀在海底深处，形成细粒的层压泥岩。浮游生物贝壳沉积并岩化形成燧石或白垩。因此，泥岩、白垩或层状燧石的沉积表明了一个深海沉积环境。
10.沉积盆地的起源和演化
地球表面的沉积层厚度变化很大。如果你站在加拿大中南部，你会发现自己身处形成在10亿年前的火成岩和变质岩基底上，而沉积岩将无处可寻。但如果你站在德克萨斯州的南部海岸，你必须钻透15公里的沉积层，才能到达火成岩和变质的基底。沉积物的累积只在某些地区形成，即地球表面下沉或经历下沉，形成沉积物收集的洼地。地质学家把充满沉积物的凹陷称为沉积盆地。沉积盆地是在什么样的地质条件下形成的?为什么沉积在盆地某一位置的沉积物的特征会随着时间而改变?我们必须考虑板块构造理论和海平面的变化来寻找答案。
10.1为何会形成沉积盆地？
地质学家在板块构造理论的背景下区分不同类型的沉积盆地：
10.1.1裂谷盆地
在大陆裂谷中，岩石圈在水平上伸展，在垂直上变薄的，地壳沿断层向下滑动，形成以狭窄山脊为边缘的低槽。这些充满沉积物的槽称为裂谷盆地。
10.1.2被动边缘盆地
被动大陆边缘，是大陆边缘而不是板块边界。它们是在大陆裂谷作用完成和一个新的洋中脊形成后形成的。在裂谷事件中拉伸和加热的大陆地壳慢慢冷却并下沉，形成了被动边缘盆地。这些盆地的范围从150km到400km宽，充满了各种类型的海洋沉积物。被动缘盆地的顶面为大陆架。
10.1.3陆内盆地
大陆内部碗状凹陷称为陆内盆地。它们可能是在前寒武纪晚期大陆经历了不成功的裂谷作用的地方形成的，因为当裂谷作用停止时，裂谷和周围大陆冷却和沉降。
10.1.4前陆盆地
在大陆碰撞中或板块聚合边界相互作用中沿着造山带边缘，大块的岩石将断层推上大陆表面。这些岩块的重量向下推到岩石圈的表面，在靠近山脉的地方形成一个楔形的凹地，其中充满了从山脉侵蚀而来的沉积物。前陆盆地中沉积着河流和三角洲地层。
10.2海进和海退
当相对海平面上升时，海岸线向内陆移动，这个过程称为海进;当相对海平面下降时，海岸线向海洋移动，这个过程称为海退。海进和海退影响一个地区的沉积环境。海进和海退过程可以形成一大片沉积物，这些沉积物不是同时沉积的。在地质历史上，陆地曾被广泛淹没，之后海平面下降，这些地区又变成了旱地。因此，我们在大陆内部地层中可以发现海进和海退的记录。
10.3地下的改变:成岩作用
我们讨论了岩化的过程，通过这种过程沉积物变硬成岩石。岩化是地质学家称为成岩作用的更广泛过程的一个方面。这个术语不仅包括将沉积物转变为沉积岩的所有物理、化学和生物过程，而且包括在沉积岩形成后改变其特征的过程。在沉积盆地中，地层可以埋藏得很深。因此，这些岩石承受高压和高温，并与温暖的地下水接触。在这种条件下的成岩作用会引起化学反应，在岩石中产生新的矿物，也会导致现有的胶结物的溶解和新胶结物的沉淀。
当地质学家使用成岩作用这个术语时，他们指的是发生在沉积岩中，并不会产生在变质岩中发现的结构和矿物的过程。从成岩作用到变质作用的渐变过程发生在温度200~300℃之间。下一部分，我们将进入真正变质的领域。
