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沉積岩(三)岩化與分類沉積岩(三)岩化與分類
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這講在回答:鬆散的沉積物怎麼變成堅硬的岩石?沉積岩怎麼分類?看到一塊砂岩或石灰岩,可以從它的組成推回什麼樣的來源和沉積環境?
考前 30 秒
- 成岩作用(diagenesis):約 150 °C 以下;壓密 + 排出流體 + 膠結 = 岩化(lithification);再高溫就是變質作用。
- 孔隙率:等大圓石英球 ~33 %;隨機排列的海底黏土可達 60–80 %,壓密時黏土片轉成平行層面。分選越差,孔隙率越低。
- 膠結物:石英(次生加大、灰塵環)、方解石(最易溶的造岩礦物)、氧化鐵;壓溶在顆粒接觸點溶解、在孔隙沉澱;石灰岩中形成 ⊥ 最大壓應力的縫合線。
- 白雲石化:Mg²⁺ 取代 Ca²⁺,石灰岩 → 白雲岩;白雲石莫耳體積比方解石小 13 % → 孔隙率增加。
- 分類依據 ★:形成沉積岩的沉積物種類——矽質碎屑岩依粒徑(泥岩、砂岩、礫岩);生物岩與化學岩依成分(和沉積方式):碳酸鹽岩、燧石、煤、蒸發岩、磷灰岩、鐵礦層。★ 2024 C8、2025 C4
- 砂岩:基質 < 15 % 淨砂岩(石英砂岩、長石砂岩、岩屑砂岩 > 25 % 岩屑)/> 15 % 雜砂岩(graywacke,海相濁流)。
- Dunham 分類:泥岩、粒泥岩(灰泥支撐)、泥粒岩、顆粒岩(顆粒支撐)、黏結岩。
- 磷灰岩 > 18 wt% P₂O₅;鐵礦層 ≥ 15 wt% 總鐵。
先認識的名詞
| 名詞 | English | 一句話 |
|---|---|---|
| 成岩作用 | diagenesis | 沉積物埋藏後在低溫低壓下發生的物理化學變化 |
| 岩化 | lithification | 壓密與膠結使沉積物變成岩石 |
| 壓密 | compaction | 顆粒重新排列、孔隙水被擠出、體積變小 |
| 膠結 | cementation | 孔隙水沉澱礦物把顆粒黏在一起 |
| 壓溶 | pressure solution | 顆粒接觸點高壓溶解、在低壓孔隙沉澱 |
| 縫合線 | stylolite | 壓溶形成的鋸齒狀面,不溶物殘留其上 |
| 結核 | concretion | 膠結物在某處集中沉澱形成的硬塊 |
| 白雲石化 | dolomitization | 方解石、霰石被白雲石交代 |
| 基質 | matrix | 和顆粒同時沉積、填在顆粒間的細粒物質 |
| 膠結物 | cement | 沉積之後才在孔隙中沉澱的礦物 |
| 淨砂岩/雜砂岩 | arenite / wacke (graywacke) | 泥質基質 < 15 %/> 15 % |
| 長石砂岩 | arkose (feldspathic arenite) | 長石含量高、多來自花崗岩的未成熟砂岩 |
| 他化顆粒 | allochem | 碳酸鹽岩中的顆粒(化石碎片、鮞粒、糞粒),≥ 0.5 mm |
| 亮晶 | spar | 填在孔隙中的粗粒碳酸鹽膠結物 |
| 疊層石 | stromatolite | 藍綠菌黏住灰泥形成的細紋層圓頂構造 |
| 磷灰岩 | phosphorite | P₂O₅ > 18 wt% 的沉積岩,磷肥主要來源 |
| 前陸盆地 | foreland basin | 造山帶與克拉通之間、因逆衝負載撓曲形成的盆地 |
這一講的邏輯地圖
★ = 考試重點。
1. 成岩作用
溫度壓力增加時,沉積物經歷壓密 → 排出流體 → 膠結,變成沉積岩(岩化);約 150 °C 以上就進入變質作用。
壓密
- 等大的圓石英球隨機堆積,孔隙率約 33 %(體積);如果孔隙流體排得出去,壓密有限。
- 海洋黏土:片狀黏土隨機排列、吸附水,孔隙率可達 60–80 %;壓密(脫水)時黏土片轉成平行層面(→ 頁岩的頁理)。
- 分選越差,孔隙率越低(小顆粒填進大顆粒的空隙)。
膠結與壓溶
- 沉積:孔隙水很快就對接觸的礦物飽和(滲透率高)。
- 壓密 + 脫水:孔隙水往上流動,壓力降低使大多數礦物溶解度下降 → 沉澱成膠結物,把碎屑顆粒黏在一起,也會交代較不穩定的礦物。膠結物的成分主要取決於沉積物本身的成分。有時往外逃的流體反而溶掉膠結物、增加孔隙率。
- 壓溶:顆粒接觸點壓力高,固體溶入孔隙水,再沉澱到壓力低的相鄰孔隙。
石英膠結:常見於砂岩或含大量火山灰的沉積物。沉澱時在碎屑石英外面以相同的結晶(光學)方向長出來(次生加大),原本顆粒表面的黏土或氧化鐵留下一圈灰塵環(dust ring);壓溶時兩顆圓石英互相溶解壓平。
方解石膠結:碳酸鹽岩和富石英砂岩都常見;方解石是最易溶的造岩礦物,溶解度受壓力影響。壓溶發生在:(1) 顆粒邊界;(2) 垂直最大壓應力的面上,通常是近水平面 → 縫合線(stylolite):不溶的黏土、石英堆積在溶解面上成為殘留物;溶掉的方解石可在別處沉澱成脈。例:印第安納州密西西比紀 Salem 石灰岩。
結核(concretion):膠結物集中在某處(常以化石或顆粒為核)沉澱形成的硬塊,例:新墨西哥 Bisti Badlands 像裂開的蛋的岩石。
再結晶與白雲石化
- 再結晶(較高溫、固態):碳酸鹽沉積物(以雙晶改變形狀)✓、蒸發岩 ✓;石英 ✗(要到變質作用才會)。作用是降低孔隙率,讓沉積物變成堅硬塊狀的岩石。
- 白雲石化:白雲石很少是原生沉積;方解石和霰石被白雲石交代,Mg²⁺ 取代 Ca²⁺ 的位置:石灰岩 → 白雲岩。溶液同時溶解碳酸鈣、沉澱白雲石;白雲石的莫耳體積比方解石小約 13 %,所以孔隙率增加(好的油氣儲集岩)。
自我檢測 1
- 成岩作用和岩化的關係?溫度上限約多少?
- 為什麼海底黏土孔隙率可達 80 %?壓密後黏土怎麼排列?
- 石英膠結在顯微鏡下有什麼特徵?
- 縫合線怎麼形成?方向和應力有什麼關係?
- 白雲石化為什麼會增加孔隙率?
答案:(1) 成岩作用包含壓密、排出流體、膠結等,結果是岩化(沉積物變成岩石);約 150 °C,超過就是變質作用。(2) 片狀黏土隨機排列並吸附大量水;壓密脫水後轉成平行層面。(3) 在碎屑石英外以相同光學方向長出次生加大,中間有黏土或氧化鐵的灰塵環。(4) 壓溶在垂直最大壓應力的面(常近水平)上溶解方解石,不溶物殘留成鋸齒狀的面;垂直最大壓應力。(5) 白雲石的莫耳體積比方解石小約 13 %,交代後體積縮小、留下孔隙。
2. 沉積岩的分類 ★
分類依據:形成沉積岩的沉積物種類(2024 C8、2025 C4,8 分)
| 大類 | 分類依據 | 岩石類型 |
|---|---|---|
| 矽質碎屑沉積岩 siliciclastic | 粒徑 | 泥岩(< 1/16 mm:黏土岩、粉砂岩、頁岩)、砂岩(1/16–2 mm)、礫岩/角礫岩(> 2 mm) |
| 生物沉積岩 biogenic | 成分 | 碳酸鹽岩(石灰岩、白雲岩)、燧石、煤 |
| 化學沉積岩 chemical | 成分與沉積方式 | 蒸發岩、碳酸鹽岩、磷灰岩、條帶狀鐵礦層(BIF) |
- 有些岩石同時屬於兩類(例:碳酸鹽岩可以是生物也可以是化學成因)。
- 作答模板:先寫「依沉積物來源分三大類」,碎屑岩依粒徑再分三種並寫粒徑界線,生物與化學岩依成分列出四到五種,最後一句「有些岩石可同時屬於兩類」。
3. 矽質碎屑沉積岩
泥岩(mudrock)
- 最多的沉積岩,約 2/3 是頁岩(有頁理 fissility,來自黏土礦物平行排列)。
- 黏土岩:黏土 + 石英 ± 雲母;粉砂岩:> 1/3 石英 + 黏土。
- 顆粒小,以懸浮搬運,在浪基面以下沉積,近水平層理、紋層;生物擾動(bioturbation);黏土含水量高(~80 %)→ 易滑移形成滑移褶皺;成岩時發展頁理。
- 有機質:油母質,加熱 → 石油、天然氣 → 石墨;不透明、暗褐色、通常平行層面。還原環境產生 H₂S,加 Fe → 黃鐵礦 FeS₂;風化時氧化成褐鐵礦/赤鐵礦和硫酸。
- 顏色:紅(赤鐵礦 Fe₂O₃,淺水或強循環的氧化環境,常有泥裂)、褐(褐鐵礦 FeO(OH)·nH₂O)、綠、灰、黑(有機質,深水缺氧);紋泥 varve。
- 大地構造環境:聚合板塊邊界(弧前盆地、濁積岩、前陸盆地)、被動大陸邊緣(大陸棚、大陸斜坡、濁積岩、深海平原)。
砂岩 ★
砂岩約占沉積岩 25 %,由組構(成熟度)和成分(抗風化程度)分類。四個組成:顆粒、基質、膠結物、(有時)孔隙。基質是同時沉積的(syndepositional),膠結物是沉積後的(postdepositional)。
| 類型 | 組成 | 成熟度 | 環境與意義 |
|---|---|---|---|
| 石英砂岩 quartz arenite | 幾乎都是石英,少量抗風化重礦物(鋯石、磁鐵礦、電氣石) | 成熟 | 波浪/水流或風搬運很久;河流不夠(無法淘汰所有軟礦物);克拉通被動邊緣、沙漠;孔隙 0–20 %;膠結物:石英、方解石、白雲石、鐵白雲石、褐鐵礦、赤鐵礦、石膏、黏土 |
| 長石砂岩 arkose(feldspathic arenite) | 礦物組合像花崗岩、花崗閃長岩:長石(多為粉紅色微斜長石)、雲母(多為白雲母) | 未成熟(顆粒不圓) | 河流、沖積扇;交錯層理;和泥岩互層;源岩是花崗岩 |
| 岩屑砂岩 lithic arenite | > 25 % 岩屑、< 15 % 泥質基質;岩屑是沉積岩、火山岩、低度變質岩 | 未成熟 | 河流;來自年輕造山帶的侵蝕;多不含鉀長石;有機質使岩石呈灰色;膠結物石英或方解石 |
| 雜砂岩 wacke(graywacke) | > 15 % 泥質基質;顆粒:石英、斜長石(多已和海水反應成鈉長石)、細粒岩屑;通常沒有膠結物 | — | 深色、海相;濁流(粒級層理)、和深水黑色頁岩互層;層底有底痕(負荷鑄型、槽鑄型);常輕度變質出板劈理,黏土 → 綠泥石、絹雲母 |
礫岩與角礫岩
- 形成於高能或高地形起伏的環境:滯留沉積(河流滯留,例:火星 Pathfinder 著陸點 Ares Vallis 的洪氾平原)、不整合面上。角礫岩的礫石是角狀。
- 顆粒支撐礫岩(clast-supported)vs 基質支撐礫岩(matrix-supported,礫石被細粒沉積物帶著走:冰磧、土石流、火山泥流)。風稜石(dreikanter)是被風磨出稜面的礫石。
- 單成分礫岩(oligomict,礫石只有一種岩石)vs 複成分礫岩(polymict,兩種以上,較不成熟、較不圓)。
- 礦床:砂積礦床(金);孔隙、裂隙中的礦床:鈾(① 富集在泥岩 ② 被熱液溶解再分布 ③ 遇到有機質強烈還原而沉澱)、銅。
自我檢測 3
- 簡述沉積岩的基本分類依據以及岩石類型。
- 基質和膠結物的差別?
- 四種砂岩的組成、成熟度、環境?
- 為什麼河流搬運通常形不成石英砂岩?
- 顆粒支撐和基質支撐礫岩的差別?
答案:(1) 依形成它的沉積物種類:矽質碎屑岩依粒徑分泥岩、砂岩、礫岩;生物岩依成分分碳酸鹽岩、燧石、煤;化學岩依成分與沉積方式分蒸發岩、碳酸鹽岩、磷灰岩、條帶狀鐵礦層;有些可同屬兩類。(2) 基質是和顆粒同時沉積的細粒物質;膠結物是沉積後在孔隙中沉澱的礦物。(3) 石英砂岩:幾乎全石英、成熟、被動邊緣或沙漠;長石砂岩:長石多、未成熟、河流沖積扇、源自花崗岩;岩屑砂岩:> 25 % 岩屑、未成熟、河流、來自年輕造山帶;雜砂岩:> 15 % 泥質基質、深色海相濁流。(4) 河流的搬運不足以把所有較軟、易風化的礦物淘汰掉。(5) 顆粒支撐:礫石互相接觸撐起骨架;基質支撐:礫石浮在細粒基質中,被細粒沉積物帶著走(冰磧、土石流)。
4. 碳酸鹽岩
- 包括石灰岩與白雲岩,約占沉積岩 15 %(三大類中最少)。
- 含海相化石;形成於低緯度的淺海台地(溫暖氣候時可到北緯 40°),常和成熟的石英砂岩共生。
- 經濟價值:建材、石灰(混凝土中的水泥);部分溶解時成為含水層、油氣儲集層、觀光洞穴。
- 組成:(1) 他化顆粒(allochems,≥ 0.5 mm);(2) 細粒的碳酸鹽灰泥基質;(3) 孔隙,可能被粗粒碳酸鹽膠結物(亮晶 spar)填滿;少量矽質碎屑。
Dunham 分類
石灰岩
- 一般層理發達;和白雲岩、泥岩互層(黏土包圍的結核);較粗的他化顆粒石灰岩有交錯層理、河道構造、覆瓦狀構造。
- 顆粒岩(grainstone):高能環境,沒有泥級顆粒,分選程度不一;可有丘狀交錯層理(HCS)、窪狀交錯層理(SCS)。
- 泥岩到泥粒岩:較平靜的環境;灰泥來自他化顆粒的磨蝕、生物鑽孔、鈣質綠藻崩解。白堊(chalk)+ 燧石結核:燧石可能含矽質化石;白堊紀海水面高、陸緣海廣布。
- 黏結岩(boundstone):珊瑚礁(現代只在赤道 ±30° 內,可當古緯度指標);疊層石:藍綠菌(藍綠藻)的絲狀菌墊黏住碳酸鹽灰泥,形成十公分到公尺級圓頂的細紋層岩石,各時代都有,最早的化石(3.5 Ga)。
- 湖相石灰岩:泥灰岩(marl,淡水石灰岩比海相含更多黏土);和矽質碎屑岩、蒸發岩互層。
- 泉華(tufa)、石灰華(travertine)、鈣積層(caliche,硬盤 hardpan):陸上碳酸鹽沉澱。
白雲岩
- 由石灰岩白雲石化而成,通常在深埋時;介於兩者的中間成員很少。
- 野外辨認:風化面呈淺黃褐色(buff)(白雲石結構中含少量鐵)、對稀鹽酸反應很慢。
自我檢測 4
- 碳酸鹽岩的三種組成?
- Dunham 分類的五類與判斷標準?
- 顆粒岩代表什麼環境?泥岩呢?
- 疊層石是什麼?為什麼重要?
- 野外怎麼分辨白雲岩和石灰岩?
答案:(1) 他化顆粒(≥ 0.5 mm)、細粒碳酸鹽灰泥基質、孔隙(可被亮晶膠結物填滿)。(2) 沉積時被生物黏結 → 黏結岩;沒黏結:灰泥支撐且顆粒 < 10 % → 泥岩、> 10 % → 粒泥岩;顆粒支撐且有灰泥 → 泥粒岩、無灰泥 → 顆粒岩。(3) 顆粒岩:高能(灰泥被洗掉);泥岩:低能、平靜。(4) 藍綠菌菌墊黏住碳酸鹽灰泥形成的細紋層圓頂構造;各時代都有,是最早的化石(3.5 Ga)。(5) 白雲岩風化面淺黃褐色、遇稀鹽酸反應很慢;石灰岩遇冷稀鹽酸劇烈冒泡。
5. 煤、油氣、蒸發岩、磷灰岩、鐵礦層與盆地
煤
植物材料在氧化前被埋藏;有機質是不透明、非晶質、富碳的固體(原地或搬運而來)。
- 埋藏 → 低階褐煤(lignite/brown coal)→ 成岩作用 → 煙煤(bituminous,細紋層;燭煤 cannel coal)→ 低度變質 → 最高階無煙煤(anthracite:油脂光澤、金屬反光、貝殼狀斷口)。
油氣
- 源岩:黑色頁岩(油母質);遷移:經過高滲透率的岩層往上;儲集岩:高孔隙率(砂岩、白雲岩、溶蝕石灰岩),上面要有不透水的蓋層(背斜、斷層、鹽丘封閉)。
蒸發岩
- 岩鹽:密度低,形成底辟、鹽丘;地中海晚中新世(10–5 Ma)的大量岩鹽。
- 第 4 個沉澱的是鉀石鹽 sylvite(KCl):90 % 以上海水蒸發、> 34 °C。
磷灰岩
- > 18 wt% P₂O₅,磷肥的主要來源。
- 由**膠磷礦(collophane,非晶質磷灰石)**組成:小球粒(> 0.05 mm)到公分級結核;鮞粒(磷灰石 + 燧石 + 碳酸鹽礦物 ± 黏土基質)。
- 多為黑色、細粒、層理良好(mm 到 m 尺度)。
- 成因:可能來自主要堆積在淺海(偶爾在湖泊)的動物殘骸;碳酸鹽被磷灰石交代;常和海相石灰岩、矽質泥岩、含海綠石(自生黏土礦物)的綠色砂岩互層。
鐵礦層
- ≥ 15 wt% 總鐵、沉積成因的化學沉積岩;薄條帶或紋層狀;不一定含燧石層。
- 平均成分:SiO₂ 45–55 wt%、總 Fe 約 30 wt%(FeO ~25 %、Fe₂O₃ ~20 %)、CaO + MgO 3–8 wt%。
- 本身不一定是鐵礦(要再富集才有經濟價值)。
前陸盆地(沉積盆地與板塊)
DeCelles & Giles (1996):前陸盆地系統是在大陸地殼上、位於收縮造山帶與相鄰克拉通之間的狹長沉積空間,主要由隱沒與周緣或弧後褶皺逆衝帶的地球動力過程造成;分成四個沉積區:楔頂(wedge-top)、前淵(foredeep)、前隆(forebulge)、後隆(back-bulge)(沉積物屬於哪一區看的是沉積當時的位置);長度大約等於褶皺逆衝帶的長度。台灣西部麓山帶與海岸平原就是前陸盆地。
自我檢測 5
- 煤的煤階由低到高?
- 油氣系統需要哪三種岩石?
- 磷灰岩的定義與成因?
- 鐵礦層的定義?
- 前陸盆地的四個沉積區?
答案:(1) 泥炭 → 褐煤 → 煙煤 → 無煙煤(→ 石墨)。(2) 源岩(黑色頁岩)、遷移通道(高滲透率)、儲集岩(高孔隙率),加上蓋層封閉。(3) P₂O₅ > 18 wt% 的沉積岩,主要由膠磷礦組成;可能來自淺海動物殘骸堆積,碳酸鹽被磷灰石交代。(4) 總鐵 ≥ 15 wt% 的沉積成因化學沉積岩,薄條帶或紋層狀,不一定含燧石。(5) 楔頂、前淵、前隆、後隆。
容易混淆
| 這個 | 那個 | 差別 |
|---|---|---|
| 成岩作用 | 變質作用 | < 約 150 °C/更高溫 |
| 壓密 | 膠結 | 擠掉孔隙/孔隙中沉澱礦物黏住顆粒 |
| 基質 | 膠結物 | 同時沉積/沉積後沉澱 |
| 淨砂岩 | 雜砂岩 | 基質 < 15 %/> 15 % |
| 長石砂岩 | 岩屑砂岩 | 長石多、源自花崗岩/岩屑 > 25 %、源自年輕造山帶 |
| 礫岩 | 角礫岩 | 圓礫/角礫 |
| 顆粒支撐 | 基質支撐 | 礫石互相接觸/浮在基質中 |
| 單成分 | 複成分礫岩 | 一種岩石的礫/兩種以上、較不成熟 |
| 泥岩(Dunham) | 泥岩(碎屑) | 碳酸鹽灰泥、顆粒 < 10 %/矽質碎屑泥 |
| 石灰岩 | 白雲岩 | 冷鹽酸劇烈冒泡/反應慢、風化面淺黃褐 |
| 磷灰岩 | 鐵礦層 | P₂O₅ > 18 %/總鐵 ≥ 15 % |
章末綜合題
- 2024 C8/2025 C4:簡述沉積岩的基本分類依據以及岩石類型(8 分)。
- 說明壓溶如何形成縫合線,以及為什麼縫合線通常近水平。
- 一塊砂岩:60 % 石英、30 % 粉紅色鉀長石、角狀、分選差、夾在沖積扇礫岩中,是什麼砂岩?推測來源?
- 雜砂岩為什麼常有粒級層理和板劈理?
- 白雲石化對油氣儲集有什麼影響?