沉積岩（一）沉積物從哪裡來

這講在回答：沉積物從哪裡來？岩石怎麼被拆成碎屑和溶解的離子？碎屑的大小、形狀、分選告訴我們什麼？生物和化學作用又產生哪些沉積物？（羅立老師，對應課本 Ch11–12；投影片是英文，名詞中英都要會。）

考前 30 秒

1. 沉積物來源：火成、變質、沉積岩的風化。物理風化（沿裂隙破碎：冰凍融解、鹽晶成長、植物根）增加表面積，讓化學風化更快。
2. 雨水溶有 CO₂，pH ≈ 5.3，微酸 → 加速水合、碳酸化、水解（橄欖石碳酸化、鉀長石水解成高嶺石）；化學風化會移除大氣 CO₂。
3. Udden–Wentworth 粒徑：黏土 < 1/256 mm（0.004）< 粉砂 < 1/16 mm（0.0625）< 砂 < 2 mm < 礫；每級 ×2。
4. 分選（sorting）：粒徑分布集中程度；海灘、沙漠砂分選好，冰磧分選差。★ 2025 名詞解釋
5. 組構成熟度 = 圓度 + 分選：未成熟 → 次成熟 → 成熟 → 超成熟。風磨蝕比河流有效好幾個數量級（空氣黏度低、沒有緩衝），風砂表面有霧面撞擊痕。
6. 抗風化礦物：石英、石榴子石、磁鐵礦、鈦鐵礦、鋯石、電氣石 → 砂積礦床（金、鈦鐵礦、鑽石、錫石）。
7. 生物碳酸鹽：有孔蟲、顆石藻、珊瑚（霰石）→ 隨時間變成低鎂方解石；CCD 以下碳酸鹽溶光，只剩矽質軟泥（矽藻、放射蟲）。
8. 蒸發岩順序：碳酸鹽 → 石膏／硬石膏 → 岩鹽 → 鉀鹽；條帶狀鐵礦層（BIF）只在前寒武紀（3.8–1.8 Ga、0.8–0.6 Ga）。
9. 冰磧（till）沒有分選、礫石有擦痕；冰水沉積有分選（kame、esker、紋泥 varve）。

先認識的名詞

這一講的邏輯地圖

★ = 考試重點。

1. 風化

物理風化

岩石沿裂隙破開：

• 岩石尺度：節理（構造作用、火成岩冷卻、侵蝕抬升卸壓時釋放應力）。
• 礦物尺度：解理、顆粒邊界。
• 機制：水的冰凍與融解、裂隙中鹽晶成長、植物根生長。
• 意義：提供水（最主要的化學風化劑）進入的通道，並增加表面積讓化學風化更快。

化學風化

雨水溶有 O₂ 和 CO₂，呈微酸性：大氣 CO₂ 約 390 ppmv 時 pH ≈ 5.3，透過水合與碳酸化反應加速礦物風化：

• 橄欖石的碳酸化：Mg₂SiO₄ + 4CO₂ + 4H₂O → 2Mg²⁺ + 4HCO₃⁻ + H₄SiO₄
• 鉀長石的水解：2KAlSi₃O₈ + 2H⁺ + 9H₂O → Al₂Si₂O₅(OH)₄（高嶺石）+ 2K⁺ + 4H₄SiO₄

這些反應把大氣的 CO₂ 變成 HCO₃⁻ 帶進河流海洋，移除大氣 CO₂，是長時間尺度的氣候調節器。

2. 碎屑：粒徑、分選、圓度 ★

粒徑

碎屑的粒徑和源岩的粒徑有關，搬運時因破碎與磨蝕而變小。顆粒越細，越容易被水或風搬運。

這是 Udden–Wentworth 粒徑，每一級是上一級的 1/2（×2 或 ÷2）。量粒徑：用不同孔徑的篩子過篩，或用雷射／XRD 等方法。

分選與圓度

• 分選（sorting）：沉積物的粒徑分布；分選好 = 大小一致（多數海灘砂、沙漠砂），分選差 = 大小混雜（多數冰河沉積）。（2025 名詞解釋 Sorting）
• 圓度（roundness）：從來源搬到沉積地點的過程中，物理磨蝕和進一步化學風化使顆粒變小、變圓。用和已知圓度的顆粒比對來估計：角狀、次角狀、次圓、圓狀。

組構成熟度

影響成熟速率的因素：

• 搬運介質：水的黏度會緩衝顆粒間的碰撞；空氣黏度低、沒有緩衝，所以風的磨蝕比河流有效好幾個數量級，風吹的顆粒表面布滿細小撞擊痕，呈霧面（frosted）。
• 顆粒的抗磨蝕力：有好解理的礦物容易破、軟的礦物容易被磨、易溶的礦物容易溶掉。例外：金（硬度 2.5–3）非常有延展性，能吸收撞擊而不破。

抗風化礦物與砂積礦床

能撐到最後的礦物：主要造岩礦物中的石英（火成）、石榴子石（變質）；副礦物中的磁鐵礦、鈦鐵礦、鋯石、電氣石。比重大的抗風化礦物在河流和海灘中被集中，就是砂積礦床（placer deposit）：金、鈦鐵礦、鑽石、錫石（SnO₂）。

3. 生物產生的沉積物

碳酸鹽沉積物

• 演化：前寒武紀的碳酸鹽多為化學沉澱；寒武紀生物大爆發後轉為生物成因，顯生宙碳酸鹽岩變多。
• 生物碳酸鹽主要是 CaCO₃（石灰岩）：高鎂方解石（有孔蟲 Globigerina，含數 % Mg）、方解石（顆石藻）、霰石（珊瑚、耳石；霰石是高壓穩定相）。生物做的碳酸鹽會隨時間變成穩定的低鎂方解石（< 5 mol% Mg），所以大多數石灰岩是方解石。
• 碎裂方式：波浪水流搬運、其他生物攻擊 → 粒徑雙峰分布：礫到砂（破碎骨骼）和泥（骨骼磨碎，或鈣質綠藻如 Penicillus 崩解）。
• 糞粒（pellets、peloids）：許多生物排遺形成的砂粒大小顆粒。
• 珊瑚礁：下古生代起出現；藻類 + 造礁珊瑚共生；需要溫暖、清澈、水深 < 20 m（光合作用）；低潮時暴露在波浪中，生長與破壞動態平衡，對環境變化很敏感。
• 無機碳酸鹽：鮞粒（ooid）：次圓、砂粒大小，由霰石或方解石同心層包覆；出現在強水流攪動的地方，因為顆粒必須持續滾動，層才會完整包一圈而不是只長一邊。薄片下看得到層間的小不整合和霰石的放射狀生長。由鮞粒組成的叫鮞狀石灰岩。

深海：鈣質軟泥、矽質軟泥與 CCD

• 浮游生物沉到海底：有孔蟲、顆石藻 → 鈣質軟泥；矽藻、放射蟲（和海綿骨針）→ 矽質軟泥 → 燧石。
• CO₂ 在高壓、低溫下溶解度較大 → 深海冷而高壓，碳酸濃度高，溶解方解石。
• CCD（碳酸鹽補償深度）：碳酸鹽沉降量等於溶解量的深度；以下沒有碳酸鹽沉積。霰石的補償深度比方解石淺（霰石較易溶）。**溶躍面（lysocline）**是溶解開始明顯的深度，通常在方解石飽和面之下。
• 矽質軟泥沒有深度限制；侏羅紀以來，CCD 以下的最深海底都覆蓋矽質軟泥。

煤與油氣

• 煤：志留紀（約 420 Ma）第一批陸生植物出現後，植物碎屑才成為沉積物的一部分。形成條件：埋藏速度 > 氧化分解速度（例：河口三角洲）。腐爛的有機物消耗氧，Fe³⁺ 不能形成，沉積物呈灰到黑色。大量埋藏有機碳會降低大氣 CO₂（例：石炭紀）。
• 石油：沉積物中動植物殘骸埋藏後的油母質分解，油窗約 60–120 °C、2–4 km。
• 天然氣：更高溫（100–120 °C 以上）、更深（3–6 km）。再深 → 石墨。

4. 化學沉澱的沉積物

蒸發岩

岩石風化產物中約 20 % 以溶液移走（Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺、SO₄²⁻、Cl⁻、HCO₃⁻…），濃縮到飽和就沉澱。蒸發岩搬運很少、常成層（礦物、粒徑或雜質濃度的變化）。

• 海水：如果完全蒸乾，岩鹽最多；硬石膏在較高溫、高鹽度時比石膏有利。最易溶的鉀鹽最後才出現（投影片：鉀石鹽 KCl 在 90 % 以上海水蒸發、> 34 °C）。
• 乾燥氣候的鹽湖還會有硼酸鹽，例如硼砂 Na₂B₄O₅(OH)₄·8H₂O。
• 紋泥（varve）：一年一層的沉積。
• 例：美國新墨西哥州白沙國家公園（石膏砂丘）；地中海晚中新世（10–5 Ma）的大量岩鹽。岩鹽密度低，形成鹽丘、底辟。

條帶狀鐵礦層（BIF）

• 世界最主要的鐵礦來源。
• 只出現在前寒武紀：約 3.8–1.8 Ga，以及 0.8–0.6 Ga。
• 2.8–2.2 Ga 的典型 BIF：明顯的公分級條帶：富矽層（燧石或碧玉 = 含細赤鐵礦的燧石；石英）與富鐵層（磁鐵礦、赤鐵礦；菱鐵礦、鐵白雲石、含水鐵矽酸鹽）交替；在主要缺氧的海洋、浪基面以下形成，層可以連續數百公里。
• 2.2–1.8 Ga：條帶較不發達，常有鮞狀組織（燧石基質中的磁鐵礦–赤鐵礦鮞粒），形成於淺水台地。

5. 冰河沉積

• 移動的冰會磨光底下的岩石，留下擦痕。
• 冰磧（till）：從冰層末端或停滯冰塊融化釋出的沉積物，沒有分選，很多巨礫有刻面與擦痕。
  • 底積冰磧（lodgement till）：在冰層底部形成，極為緊密。
  • 消融冰磧（ablation till）：融水帶走細粒後留下的粗粒殘留物。
• 冰水沉積（stratified meltwater deposits），有分選、有層理：
  • 冰礫阜（kame）：沿冰河側邊流動的水沉積。
  • 蛇丘（esker）：冰下隧道中流動的水沉積。
  • 紋泥（varve）；外洗平原（outwash plain）。
• 岩石冰河（rock glacier）：岩屑和冰混合緩慢流動。

容易混淆

章末綜合題

1. 解釋 Sorting（2025 名詞解釋，3 分）。
2. 為什麼海灘砂和沙漠砂的組構成熟度高，冰磧和土石流的低？
3. 說明 CCD 的成因，以及為什麼深海底同時有鈣質和矽質軟泥的分布規律。
4. 依序寫出海水蒸發時的沉澱礦物。
5. BIF 為什麼只出現在前寒武紀？（提示：缺氧海洋中 Fe²⁺ 可溶，遇到氧才沉澱成 Fe³⁺。）