沉积岩的结构 沉积岩的结构和构造

沉积岩的结构是指岩石组分的大小、形态和排列方式。沉积岩的结构主要反映组分的几何性质及其相互关系。

沉积岩的结构大体可划分为机械作用形成的结构、化学结构、生物结构和次生结构4种类型(何起祥，1978)。

一、机械作用形成的结构

机械作用形成的结构是指结构组分的大小、形态和组合方式，它们都受介质的运动特征和机械作用规律控制。机械作用形成的结构包括陆源碎屑结构和粒屑结构。其主要特点是，岩石由颗粒与填隙物(胶结物或基质)两部分组成，结构的全貌取决于颗粒的结构和填隙物(胶结物或基质)的结构以及二者的量比和组合关系。

(一)陆源碎屑结构

陆源碎屑结构包括碎屑颗粒的结构、填隙物(胶结物和基质)的结构和二者之间的相互关系。陆源碎屑结构主要见于陆源碎屑岩中。

1.碎屑颗粒的结构

碎屑颗粒的结构主要通过颗粒的大小与分选、颗粒的形态和颗粒的表面特征3方面的定量或定性指标来描述。

图11－1 单个碎屑颗粒的最大视直径(d)

(1)粒度与分选

◎粒度和粒级:颗粒的大小称为粒度。单个碎屑的粒度通常指最大视直径(图11－1);为了便于研究需将粒度划分为若干个级别，这种粒度的等级称为粒级。

目前常用的粒级划分方案主要为等比级数粒级划分及其衍生的φ粒级。等比级数粒级划分亦称为Udden-Wentworth粒级，该粒级划分是以2n的毫米值作为粒级的界限，具体表达为以2(粒度＞1mm)或1/2(粒度＜1mm)为公比的等比级数(图11－2)。按照公式可以将Udden-Wentworth粒级转换为φ粒级:

岩石学

其中:d为颗粒直径，单位为mm。

Φ粒级划分的优点是便于利用数理统计方法处理粒度分析资料，也是国际通用的粒级划分方案。

图11－2 Udden-Wentworth粒级与φ粒级(Tucker，2008)

在沉积物研究中，砂级以下碎屑颗粒大小的确定一般通过筛析法和沉速法获取。其中，沉速法主要应用于粉砂级以下的碎屑颗粒大小的分析。在碎屑岩的研究中，砂级以上碎屑颗粒的大小主要通过薄片粒度分析法进行。

◎分选:是指碎屑颗粒大小的均匀程度，一般将其划分为极好、好、中等、差和极差5个级别(图11－3)。

图11－3 碎屑颗粒分选程度的目估分级(Tucker，2008)

(2)颗粒的形态颗粒的形态一般根据圆度和球度来描述。

◎圆度:是指颗粒棱角的磨圆程度，一般分为极棱角状、棱角状、次棱角状、次圆状、圆状和极圆状(图11－4;表11－3)。圆度的划分和识别可以根据颗粒的切面(薄片)或颗粒的投影定性(图11－5)或定量地获取。

圆度可用颗粒图像每个角的平均曲率半径与最大内接圆的半径(图11－4)之比(Pettijohn，1975)来表示，即:

岩石学

式中:P为颗粒的圆度值;r_i为角的曲率半径;R为最大内接圆的半径;N为角的数量。

◎球度:是指颗粒接近球体的程度。球度是根据与颗粒体积相同的球体横切面面积与该颗粒的最大投影面积的比值来确定的(Sneed＆Folk，1958)。球度的数学定义为:

岩石学

式中:A、B、C分别为颗粒的长、中和短轴;φ_P为球度。

图11－4碎屑颗粒圆度分级及圆度与球度的关系(Pettijohnetal.，1987)

表11－3圆度的定性划分标志

图11－5 颗粒最大投影面上的圆度测量(图中数字为半径)(Pettijohn，1975)

由以上公式可以看出，颗粒的3个轴越接近相等，球度越高。因此，片状矿物和柱状矿物颗粒都具有很低的球度。

球度与圆度是两个不同的概念，球度高的颗粒其圆度不一定好。

此外，由于颗粒的形状是由颗粒的A、B、C三个轴的相对大小来决定的，而球度的定义并不能表明其形状特征。因此，Zingg(1953)根据A、B、C三个轴的长度比，将颗粒分为四种形状:

圆球体:B/A＞2/3，C/B＞2/3

椭球体:B/A＜2/3，C/B＞2/3

扁球体:B/A＞2/3，C/B＜2/3

长扁球体:B/A＜2/3，C/B＜2/3

碎屑颗粒形状的度量主要用于砾石的研究。

(3)颗粒的表面特征

颗粒的表面特征包括颗粒表面的光滑程度和刻蚀痕迹。霜面为沙漠石英颗粒所特有，而冰川砾石的表面具有特征的擦痕。目前对于碎屑颗粒表面的研究主要集中于砾石和石英砂。砾石表面特征可以直接观察，这也是冰水沉积研究的常用方法之一。石英砂的表面特征研究主要通过扫描电镜进行，研究的目的主要是识别石英砂的沉积环境。

(4)颗粒组构

颗粒组构是指沉积岩中颗粒的排列方式、充填方式以及颗粒之间的接触关系(图11－6)，是沉积物结构中的一个重要方面。

沉积物的定向排列是一种重要的组构，反映沉积介质和沉积物相互作用的关系，具体表现为不同成因的砾石在空间上的排列方式不同。沉积物的充填方式将直接影响孔隙度和渗透率，充填方式又取决于颗粒的大小、形状和分选。孔隙度高时，倾向于立方体形充填，孔隙度低时，倾向于斜方六面体形充填。分选差的沉积物颗粒间接触更紧密，孔隙度更低。在压实和压溶作用下，碎屑颗粒不但排列越来越紧密，颗粒间的接触性质由点接触变为线接触，甚至接触界线弯曲呈缝合线状。

图11－6 颗粒的组构(Tucker，2008)

2.填隙物(胶结物与基质)的结构

碎屑岩中填隙物分为胶结物与基质两种类型。胶结物是指以化学或胶体化学方式沉淀的自生矿物，基质则由粒度小于0.03mm的碎屑黏土矿物和细粉砂构成。

(1)胶结物的结构

按照胶结物的结晶程度可将胶结物分为非晶质结构、隐晶质结构和显晶质结构。具有非晶质结构的胶结物通常为蛋白石、磷酸盐和铁质等;具有隐晶质结构的胶结物通常有玉髓、磷酸盐等;具有显晶质结构的胶结物在砂岩中最为常见，常见的胶结物包括碳酸盐矿物(方解石、白云石、菱铁矿等)、石英、长石和自生黏土矿物等。这些显晶质结构胶结物可根据晶体的排列方式或交生关系划分为粒状结构、栉状结构、嵌晶结构和次生加大结构等(图11－7)。

◎粒状结构:是指胶结物呈大小不一的粒状晶体，他形镶嵌，排列无一定方向性的结构(图11－7c)。该结构多见于碳酸盐胶结物。

◎栉状结构:亦称为丛生结构。胶结物呈纤维状或短柱状晶体垂直于碎屑颗粒表面生长，常见于石英和自生黏土矿物胶结物中(图11－7d)。

◎嵌晶结构:又称连生结构。以胶结物结晶成中晶或粗晶晶体，将一个或数个碎屑颗粒包裹在中间为特征(图11－7e)。在正交偏光镜下，可见多个毗邻孔隙内的胶结物同时消光的现象。该结构多见于碳酸盐矿物和石膏胶结物。

◎次生加大结构:主要特征为胶结物的矿物类型与碎屑颗粒相同，光性方位一致(次生加大石英)或近乎一致(次生加大长石)(图11－7f)。

图11－7 胶结物结构(何起祥，1978)

(2)基质的结构

基质是由粒度小于0.03mm的碎屑黏土矿物和细粉砂构成，是机械沉积的产物。这里指的基质的粒度界限主要适用于砂岩，而对较粗的碎屑岩中，基质的粒度也相应变粗。从成分上看，基质多为黏土矿物，有时可见碳酸盐灰泥以及一些细粉砂碎屑颗粒。基质的含量是反映水动力强度的重要标志，同时可指示搬运介质的流动特征和碎屑组分的分选性。

3.胶结类型和支撑类型

碎屑颗粒与胶结物之间的相互关系和结合方式定义为胶结类型，而碎屑颗粒与基质之间的相互关系和结合方式习惯称为支撑类型。

胶结类型包括基底式胶结、孔隙式胶结和接触式胶结以及充填胶结四种类型(图11－8)。支撑类型细分为基质支撑和颗粒支撑。

图11－8 胶结类型(何起祥，1978)

◎基底式胶结:胶结物含量较高，碎屑颗粒孤立地分布于胶结物中，互相不接触或只有少量颗粒彼此接触(图11－8a)。如果颗粒与基质分布不均，呈斑块状或凝块状，则称凝块式胶结(图11－8b)。在类似的情况下，如果岩石中分布的是基质而非胶结物，则称为基质支撑。

◎孔隙式胶结:是指碎屑颗粒紧密接触，胶结物充填在粒间孔隙中的胶结方式(图11－8c)。在类似的情况下，如果岩石中分布的是胶结物而非基质，则称为颗粒支撑。

◎接触式胶结:是孔隙式胶结的一种特殊类型，其胶结物极少，仅存于颗粒接触处的胶结方式，颗粒之间的胶结物往往是由于被淋滤或溶解而消失殆尽(图11－8d)。

◎充填式胶结:如果被淋滤的孔隙部分再次为胶结物充填则称为充填式胶结(图11－8e)。

(二)粒屑结构

粒屑结构主要见于内源沉积岩中，尤其是在碳酸盐岩中最为常见。虽然具有粒屑结构的岩石也是由颗粒和填隙物两部分组成，但其构成与陆源碎屑结构完全不同。内源碎屑岩中常见的粒屑为内碎屑、生物碎屑、鲕粒和豆粒、团粒、团块和核形石(图11－9)。填隙物可分为两类，一类为粒度为0.001～0.004mm(石化后的粒度为0.001～0.035mm)的泥晶方解石，另一类为粒度通常大于0.01mm、干净透明的亮晶方解石。

图11－9 粒屑结构类型(何起祥，1978)

1.颗粒的类型

◎内碎屑:由未固结的碳酸盐沉积物经冲刷破碎短距离搬运而形成，由于它形成于盆地内部，因而称为内碎屑。内碎屑可根据粒度进一步划分为砾屑、砂屑、粉屑和泥屑，其粒度与陆源碎屑结构的砾、砂、粉砂和黏土的划分一致。

◎生物碎屑:由盆地内部的生物骨骼原地或异地堆积而成。生物碎屑一般经过水流破碎、磨蚀或搬运，因而都具有磨圆和分选现象。

◎团粒:是由泥晶方解石组成的卵圆形或次卵圆形颗粒，无明显的内部构造，有时含有极细的生物碎屑，粒度一般为粉屑至砂屑。

◎团块:是一种外形不规则的复合颗粒，常常由泥晶方解石胶结几个鲕粒、团粒或粪粒构成。其成因主要有两种，一种为凝聚作用，另一种为未固结的碳酸盐沉积物的破碎再胶结作用。

◎鲕粒:是具有核心和同心层结构的球状颗粒，其粒度为2～0.25mm，常见的鲕粒为粗砂级(1～0.05mm)，大于2mm和小于0.25mm的鲕粒较少见。鲕粒的核心可以是内碎屑、生物碎屑、球粒、陆源碎屑颗粒等;同心层主要由泥晶方解石构成。现代海洋环境中的鲕粒由文石组成。有的鲕粒具有放射状结构。根据鲕粒的核心与同心层的大小及鲕粒的形态特征，鲕粒可细分为正常鲕、表皮鲕、负鲕、复鲕、放射鲕、单晶鲕和多晶鲕。

◎豆粒:直径大于2mm的由核心和同心层结构的球状颗粒称为豆粒。

◎核形石:形状不规则的颗粒，常由非同心状的藻类泥晶纹层围绕一个固体核心组成，常为厘米级大小。

2.胶结物的结构

粒屑的胶结物结构与陆源碎屑岩基本相同，主要差别是，粒屑的胶结物有时表现为悬挂式胶结。

◎悬挂式胶结:表现为栉状胶结物围绕粒屑的分布不对称，各个粒屑的栉状胶结物在粒屑的同一部位(下部)极为发育。其形成是由于松散沉积物处在地下潜水面以上时，大气降水可以通畅地向下渗透。其中部分渗透水可能悬挂在的下方，进而形成悬挂式胶结物(图11－10)。

图11－10 悬挂式胶结物(针状方解石)(路凤香等，2002)视域直径为2.5mm

(三)泥状结构

泥状结构是粒径小于0.004mm的颗粒组成的结构类型，几乎完全由黏土矿物组成。常见于泥质岩和细粒内源沉积岩中。纯泥状结构少见，通常都有数量不等的砂或粉砂混入，从而构成砂泥状结构或粉砂泥状结构等过渡类型。

二、化学结构

化学结构由化学结晶作用形成，最常见的类型为结晶结构。岩石的全貌取决于矿物的形态、大小和结合方式。化学结构主要见于内源沉积岩中。按照结晶程度可分为非晶质结构、隐晶质结构和显晶质结构:①非晶质结构见于一些化学或胶体化学成因的岩石类型中，如硅质岩、磷灰岩等;②隐晶质结构由微晶矿物集合体组成;③显晶质结构按照结晶颗粒的大小分为粗晶(＞2mm)、中晶(2～0.062mm)、细晶(0.062～0.004mm)和微晶(0.004～0.001mm)。按矿物自形程度，显晶质结构又分为半自形、自形、他形结构(图11－11)。

图11－11 化学结构(何起祥，1978)

三、生物结构

生物结构是原地生长的底栖固着生物通过生命活动，由生物骨架和伴生的生物化学组分构成的结构，也称生物骨架结构。生物结构主要指生物岩中的结构，其形成与生物的生命活动有关。结构的具体特征取决于生物的门类及其生活习性，如珊瑚礁结构、藻礁结构和硅藻结构等。常见于礁灰岩中。

生物结构一般由造礁生物骨骼、附生生物遗体、造礁生物碎屑和化学沉淀物质构成。主要造礁生物为珊瑚、藻类、层孔虫、软体动物及苔藓虫。附生生物为棘皮动物和有孔虫等。化学沉淀物质主要为纤维状方解石。

四、次生结构

次生结构形成于成岩或后生阶段，是沉积物质在成岩和后生阶段中重新分配的结果。常见的类型有交代结构、重结晶结构和残余结构等。

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