工程地質(zhì)

沉積巖的基本構(gòu)造概述

  一、沉積巖構(gòu)造的分類  沉積巖的構(gòu)造是指沉積巖的各個(gè)組成部分的空間分布和排列方式,它常常由于成分、結(jié)構(gòu)、顏色的不均一性而顯現(xiàn)出來的巖石綜合特征。
 
  在沉積巖的形成過程中的沉積作用階段及沉積期后各個(gè)階段,由于物理作用、化學(xué)作用和生物作用的影響,在沉積巖層內(nèi)部或巖層面上了形成各種構(gòu)造。形成于沉積階段,并受沉積環(huán)境和沉積條件控制的成為原生沉積構(gòu)造,如交錯(cuò)層理;在沉積之后固結(jié)之前形成的構(gòu)造,如包卷構(gòu)造,也可看作原生沉積構(gòu)造;在沉積期后由壓實(shí)作用、成巖作用形成的構(gòu)造則稱為次生構(gòu)造,如縫合線等。研究原生構(gòu)造有助于確定沉積物搬運(yùn)和沉積的方式,確定沉積介質(zhì)的性質(zhì)和流體的動(dòng)力狀況,對(duì)于沉積環(huán)境分析具有重要意義。  沉積巖的構(gòu)造可采用成因進(jìn)行分類,也可根據(jù)其形態(tài)或產(chǎn)出位置進(jìn)行分類。目前多采用按成因分為若干大類,然后再根據(jù)形態(tài)標(biāo)志進(jìn)一步細(xì)分的方案。
 
  二、層理
 
  (一)層理的定義和基本術(shù)語  層理是沉積巖中最常見、最重要的一種構(gòu)造。層理是沉積物沉積時(shí)在層內(nèi)形成的成層構(gòu)造,常常是由沉積巖的顏色、結(jié)構(gòu)、成分或?qū)拥暮穸?、形狀等沿垂向的變化而顯示出來。通常說的層理,實(shí)際上都是指巖層的內(nèi)部構(gòu)造。組成層理的要素有細(xì)層、層系和層系組。細(xì)層常常又稱為紋層,是構(gòu)成層理的最小單位,其厚度常以毫米計(jì)。同一細(xì)層具有較為均一的成分和結(jié)構(gòu),有時(shí)也具有粒度的變化。細(xì)層是在相同水動(dòng)力條件下同時(shí)形成的。細(xì)層可與層面平行或斜交;細(xì)層的形態(tài)可以是平直的、波狀的或彎曲的;細(xì)層可以是連續(xù)的或斷續(xù)的;細(xì)層之間可以平行或不平行。
 
  層系是由一組在成分、結(jié)構(gòu)、厚度和產(chǎn)狀上都相似的同類細(xì)層所組成的。這些細(xì)層是在同一環(huán)境的相同水動(dòng)力條件下,以及不同時(shí)間內(nèi)形成的。由水平細(xì)層組成的層系,層系間缺乏明顯標(biāo)志,一般難以劃分層系;由傾斜細(xì)層組成的層系則易于識(shí)別,層系間有明顯的層系界面分隔。層系上下界面間的垂直距離稱為層系厚度,可從數(shù)毫米到數(shù)十米厚,一般為數(shù)厘米至數(shù)十米。層系界面可以是平直的或彎曲的。層系組是由若干個(gè)同類型的層系組成,形成于同一環(huán)境的相似水動(dòng)力調(diào)件下。
 
  (二)流態(tài)和層理的形成  水流在平整的河床上流動(dòng),當(dāng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí),在水流作用下沿河床床面運(yùn)動(dòng)的的推移載荷便在床面上形成各種幾何形體,稱為床沙形體。保存在巖層面上的床沙形體就是波痕,床沙形體在水流作用下遷移的結(jié)果被保存在層內(nèi)就形成各種規(guī)模和形態(tài)的水流層理。
 
  (三)主要的層理類型及其特征
 
  1水平層理和平行層理
 
  水平層理指由平直、彼此與層面平行的細(xì)層所組成的層理。這種層理主要出現(xiàn)在泥巖、粉砂巖、泥晶灰?guī)r中,細(xì)層可連續(xù)或不連續(xù),厚度多在0.1~1mm左右,可因成分、有機(jī)質(zhì)含量和顏色不同而顯現(xiàn),也可因云母片、碳屑、植物化石等沿層面排列而顯現(xiàn)。水平層理是在靜水或極弱的水動(dòng)力條件下,由懸浮載荷或溶解物質(zhì)緩慢沉積而成的,如在深湖、瀉湖、或深海環(huán)境中。
 
  平行層理外貌和水平層理相似,但細(xì)層較厚,可達(dá)幾厘米,主要見于砂巖中,甚至在砂礫和礫巖中也可出現(xiàn)。平行層理是在Fr>1的強(qiáng)水動(dòng)力條件下,由平坦砂床的遷移形成的,水流強(qiáng)度比形成大型交錯(cuò)層理還強(qiáng),平行層理常與大型交錯(cuò)層理共生。由于砂礫在平坦床沙上連續(xù)滾動(dòng),因而可產(chǎn)生粗細(xì)分離而顯出水平層理。層理側(cè)向延伸較差,沿層理面易剝開,在剝開面上??梢姷絼冸x線理構(gòu)造,這種構(gòu)造在層面上由微細(xì)的脊與溝平行交替排列組成,脊高只幾個(gè)顆粒的直徑,長一般為20~30cm,相距數(shù)毫米至1cm,線狀脊平行水流方向延伸。平行層理常在河道、海灘、濁流等環(huán)境中出現(xiàn)。
 
  2波狀層理
 
  巖層內(nèi)細(xì)層呈對(duì)稱或不對(duì)稱的波狀起伏,但其總的延伸方向平行層面,細(xì)層也可以是連續(xù)的或斷續(xù)的。形成波狀層理需要較多的懸浮物質(zhì)沉積,且沉積速率大于流水的侵蝕速率,前積層和后積層均保存了層理。細(xì)層波狀起伏的大小反映了沉積時(shí)水體震蕩的程度,波狀層理形成于水介質(zhì)較淺的海,湖淺水區(qū)及瀉湖,海灣環(huán)境中。
 
  3交錯(cuò)層理
 
  交錯(cuò)層理是最常見的層理類型之一,經(jīng)常出現(xiàn)在碎屑沉積物中,交錯(cuò)層理由一組傾斜的細(xì)層與層面或?qū)酉到缑嫦嘟欢M成,所以又稱為斜層理。根據(jù)交錯(cuò)層理中層系界面的形狀和相互關(guān)系,交錯(cuò)層理可以分為以下幾種形態(tài)類型:
 
  a板狀交錯(cuò)層理
 
  層系上下界面平直,層系呈板狀,厚度穩(wěn)定,可從幾厘米至幾十米,一般小于1m。傾斜層理的傾向與水流方向一致,傾角變化與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān),在淺海沉積物中常小于20°,河流環(huán)境中為20~30°,風(fēng)成的可達(dá)40°以上,大多數(shù)在15~30°之間。在平行流動(dòng)方向的剖面上,細(xì)層是傾斜的;在垂直流動(dòng)方向的剖面上,細(xì)層與層面大致是平行的。
 
  b楔狀交錯(cuò)層理
 
  層系的上下界面是不平行的平面,向一端收斂相交,使層系呈楔狀。細(xì)層的傾向和傾角是多變的。
 
  C槽狀交錯(cuò)層理
 
  層系的下界面呈向下彎曲的曲面層系呈槽形、互相相切。在垂直于流動(dòng)方向的剖面上,細(xì)層與層系下界面均表現(xiàn)為槽形,二者形狀大致相似,而且總與上界面相交;在平行流動(dòng)方向的剖面上,層系的上下界面均呈向下彎曲的平緩弧形,向一端或兩端收斂相交,細(xì)層與層系界面相交,傾向相同。槽的形態(tài)可以對(duì)稱或不對(duì)稱,槽的長軸傾向與水流方向是一致的,槽的寬度從幾厘米到30m以上,槽深從數(shù)厘米至十多米。
 
  d粒序?qū)永?/div>
 
  粒序?qū)永碛址Q遞變層理。從層的底部至頂部,粒度由粗逐漸變細(xì)者稱正粒序?qū)永?;若相反,則稱逆粒序?qū)永?。在層?nèi)除了粒度遞變之外,不具任何紋層,在粒度遞變層的底部,常具有沖刷面與下伏巖層呈突變接觸。粒度遞變層的厚度一般為數(shù)厘米至數(shù)十厘米。
 
  層序?qū)永碛袃煞N基本類型:一種是所有的巖石組分均顯粒度遞變特征,粒度遞變層的下部不含細(xì)粒物質(zhì);另一種是在粒度遞變的同時(shí),巖層中自下而上均含有細(xì)粒雜基。其中后一類型最普遍,常常在濁流沉積中出現(xiàn)。它主要由懸浮搬運(yùn)的沉積物在搬運(yùn)和沉積過程中,因流動(dòng)強(qiáng)度減小,流水?dāng)y帶能力減弱,沉積物按粒度大小依次沉降而形成。粒序?qū)永硎菨岱e巖的一種特征性層理;其他成因的粒序?qū)永硪话闶枪铝⒑土阈堑模穸榷己苄?。后者攜帶大量懸浮物的河流、海流和潮汐流沉積,他們橫向分布不穩(wěn)定,常被砂泥層中斷,且常與其他層理共生。
 
  5韻律層理
 
  在成分、結(jié)構(gòu)、顏色等方面不同的薄巖層做規(guī)律的重復(fù)出現(xiàn)而組成的層理,稱為韻律層理。薄層之間是平行或近于平行的,其厚度從數(shù)毫米至數(shù)十厘米,互相重復(fù)的薄層可等厚或不等厚,可以是兩種或多種不同的巖性層重復(fù)出現(xiàn)。如常見的砂質(zhì)層和泥質(zhì)層的韻律互層,被稱為砂泥互層層理。巖性層呈韻律性重復(fù)的原因,是物質(zhì)搬運(yùn)和供給方式有規(guī)律地發(fā)生交替造成的。如潮汐流的周期性強(qiáng)弱變化,氣候的季節(jié)性變化,濁流的多次活動(dòng)等。
 
  6塊狀層理
 
  層內(nèi)物質(zhì)均勻,組分和結(jié)構(gòu)上均無差異,且不顯細(xì)層構(gòu)造的層理,稱為塊狀層理。塊狀層理又稱均勻?qū)永?。原生塊狀層理是懸浮物的快速堆積形成的,沉積物來不及分異,因而不顯細(xì)層。在河流紅泛期的沉積,以及沉積物重力流的快速堆積中均可發(fā)育,在礫巖、砂巖、粉砂巖和泥巖中都可出現(xiàn)。當(dāng)原生層理受到徹底破壞之后,沉積巖也具塊狀層理。使原生層理發(fā)生破壞的因素有:生物的強(qiáng)烈擾動(dòng)可使沉積物完全均勻混合;重結(jié)晶作用或交代作用;壓實(shí)作用中水的排出或大量氣體的向上運(yùn)動(dòng),要注意這類情況與原生塊狀層理的區(qū)別。
 
  三層面構(gòu)造
 
  當(dāng)巖層沿著層面分開時(shí),在巖層頂面和底面上均可保存各種構(gòu)造或鑄模,總稱為層面構(gòu)造。從成因上說,層面構(gòu)造多為流動(dòng)成因構(gòu)造和變形構(gòu)造。
 
  四化學(xué)成因構(gòu)造
 
  化學(xué)成因的沉積構(gòu)造大多是在沉積期后階段由結(jié)晶、溶解、沉積等化學(xué)作用形成的。主要包括結(jié)核、縫合線、疊錐和晶體印痕等。  結(jié)核是指成分、結(jié)構(gòu)、顏色等方面與圍巖有明顯區(qū)別的團(tuán)塊狀自生礦物集合體。其大小從數(shù)毫米到數(shù)十厘米,甚至達(dá)數(shù)米;外形有球狀、橢圓狀、團(tuán)塊狀、瘤狀等;結(jié)核的內(nèi)部構(gòu)造可以是均一的,或呈同心狀、放射狀、方格狀等;結(jié)核可單體產(chǎn)出,也可呈串珠狀、似層狀成群出現(xiàn);其分布可以是不規(guī)則的,或者富集于某一個(gè)層位。在大多數(shù)情況下,結(jié)核中含有圍巖組分的數(shù)量在20~60%,但也可少至5%,多達(dá)80%。
 
  1)結(jié)核的成因類型
 
  按結(jié)核的形成階段可區(qū)分為同生結(jié)核、成巖結(jié)核或后生結(jié)核。
 
  同生結(jié)核是沉積階段由膠粒圍繞某些質(zhì)點(diǎn)凝聚、沉淀形成的(同心圓狀構(gòu)造);也可能是膠體物質(zhì)以凝塊形式析出形成。其中,前者可具同心圓構(gòu)造。同生結(jié)核與圍巖的界線一般很明顯,并且不切穿圍巖層理,而是層理繞結(jié)核彎曲,這類結(jié)核在全部結(jié)核中所占比例不大。
 
  成巖結(jié)核形成于成巖階段,這一階段中粒間水(含多種成分的溶液)仍處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并可與沉積物相互作用。在溶液活動(dòng)的范圍內(nèi),當(dāng)條件適宜時(shí)來源于沉積物內(nèi)的膠體物質(zhì)便會(huì)凝聚、沉積形成結(jié)核,所以它是成巖階段物質(zhì)重新分配的產(chǎn)物。在結(jié)核形成的過程中,膠體物質(zhì)有時(shí)也可與圍巖組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或交代。成巖結(jié)核與圍巖界線不甚明顯,??沙蔬^渡關(guān)系,部分切穿圍巖層理,結(jié)核上方的圍巖層理發(fā)生彎曲,這是由于結(jié)核的壓縮體積比圍巖小的緣故,也說明壓實(shí)是發(fā)生在結(jié)核形成之后。絕大部分結(jié)核都屬于此類。
 
  后生結(jié)核形成在沉積物固結(jié)之后,由外來溶液沿裂隙或?qū)用孢M(jìn)入巖石內(nèi)部沉淀或交代而生成。因此,后生結(jié)核多產(chǎn)于裂隙中或?qū)用娓浇?,并且明顯的切穿層理,圍巖層理無彎曲現(xiàn)象。
 
  此外,在次生產(chǎn)狀中,還常見與風(fēng)化作用有關(guān)的假結(jié)核。
 
  2)結(jié)核的成分類型  呈結(jié)核形式產(chǎn)于沉積巖中的自生礦物集合體很多,其成分常見是方解石、硅質(zhì)礦物和鐵質(zhì)礦物,其次為磷質(zhì)和錳質(zhì)的。
 
  鈣質(zhì)結(jié)核最常見,在砂巖中呈球狀、圓盤狀產(chǎn)出,有時(shí)見層理穿過結(jié)核,說明結(jié)核形成在砂眼沉積之后。在泥質(zhì)巖中和黃土中,都可含有鈣質(zhì)結(jié)核。
 
  硅質(zhì)結(jié)核常見于碳酸鹽巖中,其形狀變化多端,透鏡狀至極不規(guī)則的團(tuán)塊狀、瘤狀、條帶狀等,大小不一。他們大多沿一定的層位分布,其結(jié)核的扁平面大致與層面平行,常富集成層。這種結(jié)核的成因可能是由硅質(zhì)膠團(tuán)直接沉積形成;但有的也可由交代作用形成,生物化學(xué)作用使氧化硅與碳酸鹽沉積物一起沉積,在成巖過程中,分散的氧化硅溶解后重新沉淀并交代碳酸鹽沉積物而成為結(jié)核。
 
  在含煤沉積巖系中,經(jīng)常出現(xiàn)黃鐵礦和菱鐵礦結(jié)核,它們大多是成巖階段形成的。黃鐵礦、白鐵礦結(jié)核在碎屑巖和碳酸鹽巖中均可出現(xiàn),但主要見于深色、細(xì)粒富含有機(jī)質(zhì)的泥質(zhì)巖中,與閉塞滯水條件下的還原環(huán)境有關(guān)。例如,它們?cè)谡訚伞椿驗(yàn)a湖海灣等環(huán)境中出現(xiàn)。在沉積巖中,還可見到重晶石結(jié)核和石膏結(jié)核等。
 
  結(jié)核的地質(zhì)意義在于它可作為對(duì)比標(biāo)志,用于劃分對(duì)比地層;其次,結(jié)核多為成巖作用的自生產(chǎn)物,可作為地球化學(xué)相的標(biāo)志,用以判斷地球化學(xué)環(huán)境;此外,結(jié)核本身是礦石聚集的方式,可作為直接找礦標(biāo)志。
 
  2縫合線和疊錐
 
  縫合線是指在垂直層面的剖面上出現(xiàn)的呈頭蓋骨接合縫式的鋸齒狀縫隙。這種構(gòu)造最常見與碳酸鹽巖中,在砂巖硅質(zhì)巖及巖鹽中也可出現(xiàn)。它是許多參差不齊的小柱所組成的復(fù)雜曲面。小柱體的柱面上常有明顯的滑動(dòng)擦痕,縫合面上有薄膜狀褐黃色的黏土和鐵質(zhì)等??p合柱上的擦痕是受壓的證據(jù),一般認(rèn)為縫合線是由固結(jié)的巖石遭受壓力并產(chǎn)生差異溶解的壓溶成因而形成的。在縫合線和縫合面上聚集的黏土物質(zhì)和鐵質(zhì),則是壓溶后留下的不溶殘余物。
 
  疊錐與縫合線類似,也是由壓溶作用形成的。疊錐是一串漏斗狀錐體套疊在一起而成,常見于鈣質(zhì)巖石中,而且具疊錐構(gòu)造的巖石常呈夾層出現(xiàn)在泥質(zhì)巖系中。疊錐體一般垂直于層面分布,錐頂向下,錐底朝上。錐高1~10cm,少數(shù)可達(dá)20cm,錐頂角30~60°。疊錐由平行于錐軸的纖維狀方解石組成,疊層間以泥質(zhì)薄膜相隔。
 
  五生物成因構(gòu)造
 
  由生物活動(dòng)而遺留下來的各種痕跡,稱為生物成因的沉積巖構(gòu)造。它包括生物遺跡構(gòu)造和生物生長構(gòu)造。
 
  沉積巖的顏色
 
  沉積巖的顏色是沉積巖最醒目的標(biāo)志,常常是鑒別巖石、劃分和對(duì)比地層的重要依據(jù)。根據(jù)成因,沉積巖的顏色分為原生色和次生色兩類。
 
  原生色包括繼承色和自生色兩種。繼承色是由碎屑物質(zhì)引起的顏色,在碎屑巖中最明顯。例如,長石砂巖可呈紅色,是由長石碎屑的肉紅色造成的;純石英砂巖因石英的顏色而呈白色。自生色是由自生礦物或原生混入物引起。如含F(xiàn)e3+離子的泥巖呈紅色或黃褐色,含F(xiàn)e2+離子的泥巖可呈灰綠色,都屬于自生色。大部分泥巖、內(nèi)源沉積巖及部分隨屑巖可具有自生色。  次生色是在表生階段或風(fēng)化階段,原生色經(jīng)次生變化而形成的。如含F(xiàn)e2+離子的泥巖經(jīng)風(fēng)化后為紅色或褐色,就是次生色。  原生色在一定層位和范圍是穩(wěn)定的,在同一層內(nèi)常常是均勻的,而次生色往往呈斑點(diǎn)狀,其分布顯示出與裂隙破碎帶的聯(lián)系,或者明顯的受巖石物性、風(fēng)化情況的限制,常切穿層理。