第三十章 沉积作用的控制因素

第一节 地质历史中的沉积作用

一、地质历史中的沉积作用

地球的年龄约45亿年，已知地球上最老的岩石 (硅酸盐及其矿物) 的年龄约37亿年。显生宙寒武纪起始年代为5.7亿年，已沉积发育了具不同沉积特征的沉积序列，这些沉积序列反映了不同地质时期的沉积作用过程。

(一) 大气圈和水圈的演化与沉积作用

地质历史早期的大气圈和水圈 (主要是海洋) 与现在的有很大的不同。早期的大气圈主要是由地球内部排出的气体逐渐聚集而成的。来自地球内部的气体可从现代的火山气体以及火山岩的研究中判断。现在的火山气体主要是 H₂O、CO₂、CO、N₂等，没有游离的氧，因此，早期的大气圈可能也是不含氧的。它也可能几乎不含甲烷，因为在无氧的情况下，甲烷将分离并产生大量的碳，而在前寒武纪的沉积岩中，碳是很少的。大气圈中的氧可能有两个主要来源：(1) 水蒸气的光离作用； (2) 植物的光合作用。大气圈有氧或无氧，氧多或氧少，对沉积作用的影响很大。

地球早期海洋的性质，如它的含盐度偏低或含碱度偏高等，也和现在海洋的性质有所不同。

那么，从什么时候开始，大气圈和海洋才具有或接近现在的情况呢? 这需要对最古老的沉积岩进行研究后才能有所了解。年龄大于20亿年的休伦和维特瓦特斯兰德砾岩含有沥青铀矿和黄铁矿碎屑。在现在的大气圈中，这种易氧化的矿物是很难呈碎屑状态存在的。它们在古老的砾岩中呈碎屑出现，就成为当时的大气圈尚缺乏氧的标志。还有，最早红层的年龄不超过20亿年。假如该红层是在沉积作用过程中形成的，那还不需要这么高的氧分压，就可使铁变为高价的氧化物； 假如该红层是在渗滤带中通过成岩作用形成的，那就需要相当高的氧分压，才能使渗滤带具有充分的溶解氧，使岩层氧化为红层。因此，在地球年龄20亿年以后，大气圈中才有一定含量的氧。有人估计，在大约16亿年以前，大气圈中的氧已为现代大气圈的1%，这就足以使现代的动物的祖先开始形成和演化了。大气圈的氧接近现代大气圈的水平，可能是在前寒武纪末才达到，即大约在6亿年前时。在寒武纪早期，大量的、较高级的无脊椎动物三叶虫的出现，表明当时的大气圈已和现代的基本一样了。

在前寒武纪基本上没有蒸发岩，只是在个别的岩层中发现有石盐假晶，难道这表示当时海洋的含盐度很低吗? 或者表示当时的大地构造条件和气候条件不适于蒸发岩的形成? 或者是当时曾有蒸发岩形成只是在后来被溶解掉了? 从地球演化的历史来分析，在地球的早期阶段，海水中的钠含量并不怎么低，因为钠已从陆地岩石中风化出来并转移到海洋中了； 但氯含量可能相当低，因为氯主要是从火山喷发作用来的。这种具体情况或许就是前寒武纪沉积岩中缺乏蒸发盐类沉积的原因吧！

在前寒武纪的碳酸盐岩中，Ca与Mg 的质量比值最低，约为 4;随着时代的变新，这一比率就随之变高，在古生代中期小于 10;在白垩纪最高，为56，这是由于深海有孔虫的广泛繁殖而引起的(图30-1)。为什么会这样?这可以有许多解释。第一，它可能反映古老的碳酸盐岩的自云化机会多、第二，它可能反映产生镁方解石的生物随着时代的变老而增多，例如在古生代早期和前寒武纪晚期，钙质藻类是唯一的造礁生物，其中有的 Ca 与 Mg 的比率很低;这种高镁方解石是最易白云化的。第三，它可能反映当时的气候条件等适合于钙质藻类生长。现代的最能分泌镁的生物均分布于热带地区，那么以前的古老白云岩的产地也可能是这样吗? 但是由于时代太老，由于极移，现在已很难确定其当时的地理位置了。第四，即斯特拉霍夫(1958) 提出的，即在前寒武纪和古生代，大气圈中的CO₂分压比现代的略高，因而海水的pH值也将有所降低，即当时的海水是弱酸性的。这种物理化学条件是有利于原生白云石沉淀的。

还有，前寒武纪的硅—铁矿床是十分发育的，这一铁矿类型的储量远远大于其他铁矿类型的总和。为什么在前寒武纪的沉积岩中，铁这么富集呢? 这也有许多解释和推论，这些解释也涉及当时的大气圈和水圈的性质。有人认为，在前寒武纪早期，氧和水蒸气的大气层是很薄的，所以紫外线可以在地表直接合成臭氧； 臭氧是很强的氧化剂，所以当时的化学风化及剥蚀作用非常快，这就大大促进了硅—铁矿床的形成。

(二) 生物的演化与沉积作用

地质历史中生物的发生和演化对沉积作用有巨大的影响。

一般都这么假定，最早的生物一定是在无氧的大气条件下产生的，当时它们还不能进行光合作用或其他化学作用来产生养料，它们的养料一定来自外部，这种生物称为异养生物。这在生物史上是第一个大事件，这一事件大约发生在35亿年以前。

后来，能够自己生产养料的自养生物出现了。最早的自养生物可能是具有原始叶绿素的细菌，它们开始利用CO₂合成糖，并把氧作为副产品析出。这称为光合自养生物或者化学自养生物。自养生物的出现，在生物历史中又是一个大事件。它的出现改变了大气圈和水圈的成分和性质，从而极大地影响了沉积作用。这一事件大约发生在30亿年以前，即最古老的叠层石石灰岩生成前不久。CO₂从海水中排出，将使海水的pH值上升，这将有利于碳酸钙的沉淀。但这一最早期的叠层石石灰岩更可能主要是生物成因的。这一生物学上的大事件逐渐地导致了富氧的大气圈的建立，这对原始动物群的发生和演化是一个前提。

在寒武纪开始时，生物界发生了一个突然的爆发性的变动，即相当高级的无脊椎动物三叶虫突然地大量地出现了，这可以算作生物学发展史中的第三个大事件。这一事件突然出现的原因现在还未解决，但可以肯定，这一后生动物群的演化早就开始了，至于在前寒武纪末期，是否曾存在过“里帕里间断”这个假想的时代，就更难定论了。

在三叶虫突然爆出的时代，当时的海水似乎已经具备现代无脊椎动物生活的一切条件，只不过当时还没有分泌碳酸钙骨骼的生物罢了。但是没有多久，这种分泌碳酸钙骨骼 (主要是介壳) 的生物就出现了，这在生物史上可以算作第四个大事件，这一事件的出现对碳酸盐岩的广泛发育，是有极为密切关系的。

生物历史中的第五个大事件可以算作陆地植物的出现，这导致了煤的形成。这一事件在志留纪就开始了，到了石炭纪，到达全盛时期。这一造煤沉积作用一直延续到现在。

在白垩纪，在远洋中突然出现了大量的浮游生物，如球菌和深海有孔虫。这些生物是白垩的主要组分，它们的突然大量出现，使地质历史中碳酸盐岩的 Ca 与 Mg 的比率达到了最高峰(约为 56)，并且还改变了地球上碳酸盐的循环作用。其他的碳酸盐沉积大都是浅海的或陆表海的，它们很易于再旋回。但这一深海碳酸盐沉积，当它们沉入深海底以后，就很难再返回浅水了，也就很难再参与旋回作用，除非深海的补偿深度还可挽回一部分

(三)沉积作用速率

要明确现今和古代各个地质时代的平均沉积作用速率是相当困难的，但是，如果利用各个地质时期的最大沉积厚度除以该沉积地层所持续的地质时间，那么可以发现这么一个规律，即随着地质年龄变新，沉积作用速率在逐渐增加 (图30-2)。这个规律进一步证明了沉积作用速

率存在着长期变化的结论。

二、沉积记录特征与沉积旋回

(一) 古生代古地理和古气候

优地槽型沉积 (含岩浆岩的浅水沉积) 及发育其中的蛇绿岩套是再造早古生代大陆的重要标志。已知的早古生代蛇绿岩套发现于北美阿巴拉契亚褶皱带、西北欧加里东褶皱带、澳洲东部古生代褶皱带及中亚褶皱区。这表明早古生代初，全球范围内存在5个彼此分隔的巨大的古大陆，即冈瓦纳大陆、古北美大陆、古欧洲大陆、古西伯利亚大陆和古中国大陆。这些古大陆不同程度地遭受了海侵，形成一些陆表浅海。古地磁研究表明，北美、欧洲、西伯利亚等古大陆处于低纬度地区，西伯利亚、中国华北和巴基斯坦地区处于干旱带。

晚古生代初，古北美大陆和古欧洲大陆已连接起来，构成古欧美大陆。全球范围内4个巨型大陆块体边缘或内部不同程度地遭受了海侵，形成一些陆表和陆缘浅海。从泥盆纪后期开始，多次地壳运动使各大陆相互靠近，所有大陆联合成统一的“泛大陆”。晚石炭世冈瓦纳大陆巨大的冰川作用反映了高纬度气候带特征，石炭纪和二叠纪的北美、欧洲、中国华南、中国华北的热带植物群及含煤地层、生物礁反映了赤道及低纬度地区热带、亚热带气候； 石炭纪、二叠纪西伯利亚安加拉植物群、冈瓦纳大陆舌羊齿植物群表示了中高纬度的温带气候。

(二) 中新生代古地理和古气候

中生代是“泛大陆”解体、新海洋形成的历史阶段。大陆解体起始于晚三叠世，此时北美和非洲、欧洲相分离，出现原始的北大西洋，中生代的特提斯海西段也随着大陆的分离而产生。特提斯海大致处于赤道附近，南方大陆大部分处于南半球。三叠世气候一般是较为干燥的，特提斯海域广泛发育的三叠纪石灰岩及某些地区的生物礁指示了热带亚热带气候，西伯利亚等地区的含煤沉积代表了北方温湿气候。侏罗纪大陆进一步分裂漂移。古地磁资料表明，北美和欧亚大陆位于北半球并绝大部分处于中纬度，南非位于南半球中纬度，澳洲位于高纬度，非洲北部和特提海大部分位于赤道附近。侏罗纪气候比较潮湿，特别是早、中侏罗世几乎所有的大陆都有含煤沉积分布。白垩纪时，大西洋继续扩张，大陆分布已接近现今轮廓。白垩纪气候不断转向干燥，特提斯洋、北非等处于热带，北美、西伯利亚等地区的含煤沉积可能代表了温湿气候的北温带。

新生代时期，全球古地理发生了变化。特提斯海封闭、大西洋继续扩张、太平洋不断缩小、各大陆相对漂移逐渐形成现代七大洲、四大洋地理面貌。新生代大陆地区海水表现出退却趋势。古近--新近纪以炎热气候为主且分带现象明显，而第四纪气候较寒冷，冰川广布，出现多次冰期。

(三) 沉积旋回特征

关于沉积旋回分析可以追溯到19世纪，但在20世纪 70年代，Vail等人将沉积旋回的形成与海平面的相对变化联系起来，并且认为，较大规模的海平面变化旋回在世界范围内可以对比，也就是说海平面变化旋回并不是由局部构造事件引起的，而是全球性海平面变化的结果。Vail等人根据海平面相对变化区域旋回的对比，分别制作出了一张与地磁倒转和生物地层事件有关的新生代海平面变化图，一张较粗略的晚三叠世至全新世的海平面变化图以及一张整个显生宙海平面变化的综合性图件 (图30-3)。这些图件为人们提供了一把与板块构造同等重要的、了解世界范围地层事件的钥匙。Vail等人将地层记录中的层序发育划分成多个等级的旋回，这些旋回的等级与海平面变化经历的时间长短有关。一级旋回经历的地质时间超过亿年，包括显生宙两次最大的持久性海进期 (寒武纪至密西西比纪，白垩纪)和一次最大的海退期 (宾夕法尼亚纪至侏罗纪) (图30-3)。二级旋回在时间上大约延续1千万年至1亿年，它与地质年代中的纪同等重要。三级旋回的延续时间从不到1 百万年至1千万年，往往与地质年代的世或世的一部分相对应。四级旋回的时间跨度一般为几十万年。冰川的推进和退缩使海平面发生比较迅速的变化，由此产生了作为四级旋回的地层事件 (表30-1)。

表30-1 地层旋回及其原因 (据迈尔, 1984)

类别 (Vail等, 1977)	其 他 名 称	时间长度 Ma	可能原因
一级		200~400	由超大陆的形成和解体引起的主要的全球海面升降旋回
二级	超旋回 (Vail等, 1977) 层序 (Sliss, 1963)	10~100	由全球性洋中脊扩张脊体系的体积变化引起的全球海面升降旋回
三级	大旋回层 (Ramsbottom, 1979) 中旋回层 (Ramsbottom, 1979)	1~10	可能由洋中脊变化和 (或) 大陆冰的生长及消亡引起
四级	旋 回 层 (Wanless, Weller, 1932)	0.2~0.5	由大陆冰原的生长和消亡、三角洲的生长和废弃引起的全球性海面快速波动

第二节 沉积作用控制因素分析

一、沉积作用控制因素类型

地质历史阶段的沉积作用受多种因素的控制。总的来说，沉积作用控制因素主要是沉积物供给、气候、构造运动和构造沉降、海平面升降变化、米兰柯维奇旋回和轨道作用力、内在沉积过程、物理过程、生物活动、水化学性质、火山活动、生物活动等。下面就主要沉积作用控制因素进行分析讨论。

二、构造运动和沉降

大地构造作用是沉积作用最重要的外部控制因素。首先，风化剥蚀区和沉积区就是由大地构造作用决定的。假如没有构造上升作用和下降作用，就不会有上升地区陆地表面的风化作用和剥蚀作用，沉积岩最重要的原始物质不会形成，因此在下降的地区就不会有沉积作用，也就不会有沉积岩生成。此外，像沉积区类型的划分、不同沉积区的沉积作用及沉积岩的特征以及沉积物和沉积岩的演化等，也都与大地构造作用有极密切的关系。

较稳定的沉积区，如地块、陆块、地台、地盾、克拉通等，大地构造作用较稳定，以升降作用为主，升降的幅度也不大； 基本上没有褶皱作用、逆断层作用、变质作用和岩浆作用，或这些作用很弱;沉积速度较慢，积厚度不大;沉积旋回主要表现为海进和海退，在海退层段常有沉积间断，这种沉积间断可假整合常是地层划分和对比的重要标志;其沉积大都是浅海沉积。

较活动的沉积区的性质则是另一番!青况。它除了升降作用以外，还有较强烈的褶皱作用、变质作用和岩浆作用，沉积速度较快沉积厚度较大，常有深海沉积，这种沉积区，以.前称作地槽(图 30-4)

事实上，构造运动以不同的方式和不司的规模影响着沉积作用。在全球范围内，岩石板块的分布和运动导致了控制物源区规模和性质、沉积物搬运途径、沉积中心的洋、陆分布样式的变化。不同板块的不同演化阶段可有不同的沉积类型和沉积组合，同一板块的不同位置沉积组合类型可以不同。大陆碰撞带产主了大量的沉积物，许多造山带均有一个相邻的前陆盆地并接受沉积。走滑构造带以线性小盆地为特征，拉张裂谷也具有相对小规模的盆地单个断块可以提供重要的局部物源。相反被动大陆边缘以大规模不对称相分布为特征。在大陆内部，大型平缓的沉降盆地具有薄层进积和海侵层序。在较小规模上，几十米数量级的断块的运动、褶皱形成、差异沉降会对沉积相类型、厚度及分布产生控制(图 30-5)河流三角洲的迁移都可以受控制于差异构之告运动等。总的来说，不同规模的构造运动及盆地沉降历史控制了盆地沉积作用的沉积物分布。

三、全球海平面变化

全球海平面变化具有明显的旋回周期性 (图30-3)，这就会造成沉积作用发生变化。引起全球海平面变化的原因主要有岩石圈分异、沉积物对洋盆的充填、造山运动时期地壳的收缩、大洋扩张脊体积的变化、小型洋盆的蒸干、大陆冰原的生长和消亡、地球形体和水圈体积的变化、大洋温度和大气圈湿度变化以及垂直构造运动等。

海平面的变化对滨岸地区沉积的影响最为显著，例如在更新世时，海平面较低，北美密西西比河下游的坡度较陡，有大量的粗碎屑沉积物被搬入墨西哥湾中，从而形成了一个从大陆架底一直延伸到墨西哥湾深海平原的水下锥体。后来，海平面上升了，密西西比河下游的坡度随之变小，其水下嵌入谷被细粒沉积物充填起来。至于海平面的变化对滨岸地区沙嘴、沙坝、沙丘以及滨岸地形的影响更是明显。

海平面的变化不仅影响滨岸地区的沉积作用，其影响还可沿河流上溯很远。例如当海平面上升后，基准面变高了，河流的一些性质就会发生变化，如河流的深度变大，流速变慢等。这对河流的搬运及沉积作用当然会有很大的影响。同样，海平面的变化也会对深水沉积产生人们可觉察的影响。

当全世界范围的海平面上升时，陆表海广泛分布，这时陆地范围最小，气候也最温暖，这最利于碳酸盐岩生成。相反，当全世界范围的海平面下降时，陆棚减小到最小限度，陆地范围最大，表流最发育，于是陆源碎屑沉积就代替了碳酸盐沉积(图 30-6).

全球海平面变化可以不同规模发生。短期海平面变化包括波浪、多种潮汐作用引起的海平面变化。波浪和潮汐作用可以使局部海平面发生高达 20m 的变化。海平面也可由海水温度降低盐度增加而造成局部海平面下降等。这些短期的海平面变化持续的地质时间较短，影响沉积作用的范围也较小，但可造成较高沉积速率的沉积作用。长期相对海平面变化是由全球海平面变化与盆地沉降相互作用造成的。在区域范围内，长期海平面变化会对造山作用、沉积作用及沉积物压实、火山活动等产生重要影响。长期相对海平面变化持续的地质时间达千万年，海平面变化幅度为几十至几百米，在这种情况下，沉积作用表现出相对较慢的特征，沉积速率一般低于0.01mm/a。

四、沉积物供给

沉积物供给能力是控制沉积物分布的重要影响因素，它还可以控制沉积环境和水深。沉积物供给主要来源于盆地之外的陆源碎屑，也可来源于盆地内部的生物化学沉积物质。沉积物供给与海平面升降、构造沉降相互作用，可以造成沉积物类型和沉积序列的变化。当盆地沉降和海平面上升速度超过陆源沉积物补给量时，沉积物补给相对不足，海水加深，可容空间增加，盆地处于“欠补偿”状态，就形成了海侵沉积序列。当盆地沉降和海平面上升不超过陆源沉积物补给量时，可容空间减少，则会导致海退沉积序列和陆相沉积比例的增加。

由于气候、构造活动、基岩地质特征和盆地水化学性质的变化，会导致沉积物供给在体积、成分、粒径以及供给机制、供给速率等方面的变化，陆源沉积物供给丰富的地方，盆内主要充填硅质碎屑沉积物； 而在陆源碎屑供给缺少或缺失的地方，会发生较多的生物、化学、生物化学作用，形成碳酸盐岩、蒸发岩等。

不同的沉积体系具有不同的沉积物供源地点和供源方式。诸如浊积扇等深水沉积体系沉积物来源于相邻的陆棚或三角洲，陆棚沉积物主要来源于海岸地区，三角洲沉积物来源于河流，而河流沉积物直接受控于物源供给。沉积物供给速率变化很大，但它主要取决于在一个给定时间内可获得沉积物的体积。陆源碎屑沉积体系的规模和表面坡度与陆源供给物的粒径有关。粗粒的或富含砾石的冲积扇、三角洲和深水浊积体系面积范围一般较小 (1~100km²)、地形坡度较大 (大于5m/ km)。中粒或富砂的沉积体系多为中等规模和中等地形坡度, 例如, 三角洲平原面积100~25000km², 地形坡度0.1~5m/ km。深水扇半径10~100km、坡度6~18m/ km。沉积物粒级的变化意味着搬运和沉积过程的变化。虽然某些细粒或富泥沉积体系的规模是很小的，但大多数泥质沉积体规模是很大的、地形坡度是很低的。例如, 泥质三角洲平原的面积为 20000~460000km², 地形坡度为0.001~0.1m/ km,细粒或泥质海底扇半径为100~3000km, 地形坡度1~5m/ km。

沉积物供给到盆地中的搬运形式也是重要的影响因素。沉积物可是点物源，也可是多物源供源或线状物源供源； 可从盆地某一端供源，也可是盆地四周供源。现代沉积多为点物源供源，而古代沉积多物源供源是常见的。

五、气候

气候是控制沉积作用的重要因素之一。它主要表现在温度和降雨量两个方面，在局部地区，风的作用也是控制沉积作用的主要因素。不仅平均年温度和降雨量是重要的沉积作用控制因素，而且温度和降雨量的变化以及突发事件的变化幅度和变化频率也是重要的沉积作用控制因素。

首先，气候是控制风化作用及剥蚀作用的主要因素，对母岩风化产物的形成起着主导的作用。另外，气候对各种营力 (如流水、风、冰川等)、对母岩风化产物的搬运，也有极其重要的影响。

气候对化学、生物化学和生物沉积作用的影响甚为明显，如珊瑚礁石灰岩以及其他类型的石灰岩都是在热带或亚热带气候条件下形成的，各种蒸发岩都离不开干热的气候条件，磷酸盐岩生成于较温暖的海水中，煤生成于湿热气候下的沼泽环境中，红土及红土型铝土矿是湿热气候下的最终风化产物，凡此等等。因此，这些沉积岩类就是地质历史中的重要的气候标志。

气候对碎屑沉积作用的影响不如对化学沉积作用的影响明显，而且主要是间接的，即通过对各种营力的控制来实现的，如干旱气候有利于风的搬运和沉积作用，寒冷气候有利于冰川的沉积作用，潮湿多雨气候有利于流水的搬运和陆源岩石的生成。

气候变化的一个最重要的特征是它的周期性。季节性的变化是最明显的，这在冰水沉积的纹泥沉积中表现得最明显。含盐地层中的盐类沉积与非盐类沉积的互层，也反映气候周期性的变化。冰期与间冰期的周期更长一些，其地质表现也很明显。例如在最近的40万年中，已鉴别出至少有8个大的低温时期或冰期。而在澳大利亚的维多利亚，在石炭——二叠纪中，已经鉴别出至少有五十次冰进，因为在那里出露有五十层冰渍岩。在地质历史中，大的冰期只限于更新世、二叠一石炭纪、志留一奥陶纪以及前寒武纪时期。在其他时期，是否也存在大的冰盖，还是一个问题。

在地球不同地区，平均温度和降雨量以及突发事件变化的特征都是不同的。这种气候的分带变化影响了沉积物的分布(图30–7)。现今地球上存在8种具不同气候特征和沉积物沉积特征的气候带。极地冰川、干旱和潮湿热带气候带是相对简单的。在极地冰川气候带，冰冻风化作用是明显的，机械风化作用中等，化学风化微弱。在干旱沙漠带，风的作用和机械风化是明显的，化学风化是微弱的，砂和粉砂是主要的可移动的沉积物。在潮湿热带气候带，化学风化作用较为明显，发育富泥的细粒沉积物。在冰缘气候带，存在变化范围很宽的季节温度、风的作用和机械风化作用，化学风化和冰川剥蚀作用是较弱的，河流作用具有明显的季节性，春季可卸载大量砂砾沉积物。在干旱大陆气候带，气候变化范围也是很宽的，从而导致了频繁的季节洪水作用，机械和化学风化作用是中等偏低的。在热带半干旱气候带，沉积作用类似于干旱大陆气候带，机械和化学风化作用较弱，河流作用是幕式的、作用是明显的。热带潮湿——干旱气候带包含了多种气候类型。机械风化作用虽然较弱，但河流作用是明显的，化学风化作用显著。在潮湿温度中纬度地区，具有较发育的植被和土壤层，机械风化和化学风化作用中等 (图30–7)。