沉积岩地层构造特点

沉积岩是在地壳表层常温常压条件下，先前存在的岩石（岩浆岩、变质岩和早已形成的沉积岩）经搬运、沉积和成岩等一系列地质作用而形成的层状岩石。沉积岩是地壳表面分布最广的一种岩石，也是被应用得最广的一种建筑材料。

1.沉积岩的形成

沉积岩的形成是一个长期而复杂的地质作用过程。

（1）风化阶段。出露地表或接近地表的各种岩石，经长期的日晒雨淋，风化破坏，在原地逐渐地发生机械崩解或化学分解破碎，或成为松散的岩石碎屑，或成为细粒粘土矿物等新的矿物，或成为其他溶解物质，称为风化阶段。

（2）搬运阶段。这些先成岩石的风化产物，除一部分残留在原地外，大部分被流水、风、冰川、重力及生物等运动介质搬运到河、湖、海洋等低洼的地方沉积下来，成为松散的堆积物，即搬运阶段。搬运方式包括机械搬运和化学搬运两种。流水搬运使得碎屑物质颗粒逐渐变细，并从棱角状变成浑圆形。化学搬运可将溶解物质带到湖、河和海洋。

（3）沉积阶段。当搬运能力减弱或物理化学环境改变时，被搬运的物质逐渐沉积下来，即沉积阶段。一般分为机械沉积、化学沉积和生物化学沉积。机械沉积作用是受重力支配的，碎屑物质通常按颗粒大小顺序沉积，即沿搬运方向依次沉积砾粒、砂粒、粉粒和粘粒。化学沉积包括胶体溶液和真溶液的沉积，如氧化物、硅酸盐、碳酸盐等的沉积。生物化学沉积主要是由生物遗体沉积及生物活动所引起的，如藻类进行光合作用，吸收CO2，促进碳酸盐的沉积。

（4）固结成岩阶段。这些松散的堆积物经过压密、胶结、重结晶等作用，形成坚硬的沉积岩。固结成岩作用方式有三种：

1）压密。即上覆沉积物的重力压固，导致下伏沉积物孔隙减小，水分挤出，从而变得紧密坚硬。

2）胶结。其他沉积物充填到碎屑沉积物粒间孔隙中，使其胶结变硬。

3）重结晶作用。使新成长的矿物产生结晶质间联结。

2.沉积岩的物质组成

组成沉积岩的物质来自陆地上已生成的各类岩石，它们称为沉积岩的母岩（或源岩）。除以上母岩外，火山喷发物、生物物质、水体中的化学沉淀物等也是沉积岩的组成部分。沉积岩分为碎屑岩、粘土岩、生物化学岩、化学沉积岩等类型。

（1）碎屑矿物。碎屑矿物主要是来自原岩经物理风化作用产生的难溶于水的原生矿物碎屑，其中大部分是一些耐磨损而抗风化较强和化学性质比较稳定的矿物，如石英、长石、白云母等。一部分则是原先岩浆岩、沉积岩和变质岩的碎屑。此外还有其他方式生成的一些物质，如火山喷发产生的火山灰等。

（2）粘土矿物。粘土矿物是一些含硅酸盐类的矿石经风化分解后而生成的次生矿物，如高岭石、蒙脱石、水云母等。这类矿物的颗粒极细，具有很大的亲水性、可塑性及膨胀性。

（3）化学沉积矿物。化学沉积矿物是经化学作用或生物化学作用从溶液中沉淀结晶而形成的矿物，如方解石、白云石、石膏、石盐、铁和锰的氧化物或氢氧化物等。

（4）有机质及生物残骸。有机质及生物残骸是由生物残骸或经有机化学变化而形成的矿物，如贝壳、泥炭及其他有机质等。

在沉积岩的矿物组成中，粘土矿物、方解石、白云石、有机质等，是沉积岩所特有的，是物质组成上区别于岩浆岩的一个重要特征。在沉积岩的组成物质中还有胶结物，这些胶结物或是通过矿化水的运动带到沉积物中，或是来自原始沉积物矿物组分的溶解和再沉淀。碎屑岩类岩石物理力学性质的好坏，与其胶结物有密切关系。

3.沉积岩的分类

根据组成的物质成分和结构特征，沉积岩可以分为如下类型：

（1）碎屑岩类。主要由碎屑物质被压紧胶结而成的岩石，称为碎屑岩。可分为火山碎屑岩和沉积碎屑岩。

1）火山碎屑岩。在成因上具有火山喷发与沉积的双重性，是由火山喷发的碎屑物质，在地表经短距离搬运或就地沉积而成的，是介于喷出岩和沉积岩之间的过渡类型。火山碎屑岩类包含有火山集块岩、火山角砾石、凝灰岩等类型。

2）沉积碎屑岩。又称正常碎屑岩，是由先成岩石风化剥蚀的碎屑物质，又分为砾岩、砂岩和粉砂岩等不同类型。

由于碎屑岩是由各种砾石或砂粒经胶结而成的岩石，它的坚固性与胶结物的性质及胶结形式有密切的关系。碎屑岩的胶结物主要是指充填于碎屑颗粒孔隙中的化学沉淀物质和粘土物质，常见的有硅质（SiO2 ）、铁质、钙质和泥质。碎屑岩的胶结类型是指胶结物、基质与碎屑颗粒之间的接触关系，常见的有基底胶结、接触胶结和孔隙胶结三种（图3-5）。

①基底胶结。基底胶结的碎屑物质散布于胶结物中，碎屑颗粒互不接触。所以基底胶结的岩石孔隙度小，强度和稳定性完全取决于胶结物的成分。当胶结物和碎屑的成分相同时（如硅质），经重结晶作用可以转化为结晶联结，强度稳定性将会随之提高。

②孔隙胶结。孔隙胶结的碎屑颗粒相互间直接接触，胶结物充填于碎屑间的孔隙中，所以其强度与碎屑和胶结物的成分都有关系。

③接触胶结。接触胶结则仅在碎屑的相互接触处有胶结物联结，所以接触胶结的岩石，一般都是孔隙度大、容重小、吸水率高、强度低、易透水。

对具有同一类型的胶结物质，但具有不同胶结类型的岩石，一般情况下，基底胶结的强度最高，孔隙胶结的次之，接触胶结的最差。

（2）粘土岩类。主要成分由粘土质矿物组成的岩石称为粘土岩，是沉积岩中最常见的一类岩石，约占沉积岩总体积的50%～60%，它是介于碎屑岩与化学岩间的过渡类型。并具有独特的成分、结构、构造等。这类岩石由50%以上粒径小于0.005 mm的物质组成，其主要矿物成分为粘土矿物，粘土岩夹于坚硬岩层之间，形成软弱夹层，浸水后易于软化滑动。如泥岩、页岩等。

（3）化学沉积岩。化学沉积岩是岩石风化产物中的溶解物质经过化学作用沉积而成的岩石，又称化学岩。如石灰岩、白云岩等。

（4）生物化学岩类。生物化学岩是岩石风化产物中的溶解物质经过生物化学作用或由生物生理活动使某种物质经蒸发结晶或胶凝作用聚集而成的岩石。

4.沉积岩的结构和构造

（1）沉积岩的结构。

沉积岩的结构是指组成岩石的物质颗粒大小、形状及其组合关系，它是沉积岩分类命名的重要依据。按组成物质、颗粒大小及形状等方面的特点，一般分为碎屑结构、泥质结构、化学结构和生物结构四种。

1）碎屑结构。碎屑物质被胶结物胶结形成的结构，一般按碎屑颗粒的大小划分为三种：

①砾状结构。砾状结构的碎屑粒径大于2mm。

图3-5　碎屑岩的胶结类型
（a）孔隙胶结； （b）接触胶结；（c）基底胶结

②砂质结构。砂质结构的碎屑粒径0.05～2mm，它又可分为粗粒结构（粗粒结构的碎屑粒径0.5～2mm，如粗粒砂岩）、中粒结构（中粒结构的碎屑粒径0.25～0.5mm，如中粒砂岩）和细粒结构（细粒结构的碎屑粒径0.05～0.25 mm，如细粒砂岩）。

③粉砂状结构。粉砂质结构的碎屑粒径0.005～0.05 mm，如粉砂岩。

2）泥质结构（粘土结构）。它是由粒径小于0.005 mm的陆源碎屑和粘土矿物经过机械沉积而成，如泥岩、页岩。外观呈均匀致密的泥质状态，特点是手摸有滑感，用刀切呈平滑面，断口平坦。

3）结晶结构。化学结构是由化学沉淀或胶体重结晶所形成的结构，如石灰岩、白云岩等。沉积岩的结晶结构与岩浆岩的结晶结构类似，但其成因和物质组成两者截然不同。沉积岩的结晶结构可分为晶质结构，由结晶颗粒直径大于0.01 mm矿物集合体组成；隐晶质结构，由颗粒直径在0.01～0.001 mm之间的微晶矿物集合体组成。

4）生物结构。生物结构是由生物遗体或碎片所形成的结构，如珊瑚结构、贝壳结构等。

（2）沉积岩的构造。

沉积岩的构造是指其物质组分的空间分布及其相互间的排列关系。沉积岩最主要的构造是层理构造、层面构造、生物构造（图3-6）。

图3-6　层理类型
（a）水平层理； （b）单斜层理； （c）交错层理； （d）波状层理

1）层理构造。层理构造是沉积岩在形成过程，由于沉积环境的改变，使先后沉积的物质在颗粒大小、形状、颜色和成分上发生变化而显示出来的成层现象。不同类型的层理反映了沉积岩形成时的古地理环境的变化。沉积物在一个基本稳定的地质环境条件下，连续不断沉积形成的单元岩层简称层。相邻两个层之间的界面称层面，它是由于上下层之间产生较短的沉积间断而形成的。一个单元岩层上下层面之间的垂直距离称岩层厚度。岩层按厚度可分为巨厚层（＞1m）；厚层（0.5～1m）；中厚层（0.1～0.5m）；薄层（＜0.1m）。厚层中所夹的薄层称夹层。有些岩层一端较厚，另一端逐渐变薄以致消失，这种现象称为尖灭层，若在不大的距离内两端都尖灭，而中间较厚，则称为透镜体。根据层理的形态，可将层理分为下列几种类型：

①水平层理［图3-6 （a）］。水平层理是由平直且与层面平行的一系列细层组成的层理，主要见于细粒岩石（粘土岩、粉细砂岩、泥晶灰岩等）中。它是在比较稳定的水动力条件下（如河流的堤岸带、闭塞海湾、海和湖的深水带），从悬浮物或溶液中缓慢沉积而成的。

②单斜层理［图3-6 （b）］。上下主层面之间有许多细层与主层面呈一定交角，细层的层理向同一方向倾斜并相互平行，上下层面也互相平行。它是由单向水流所造成的，多见于河床或滨海三角洲沉积物中。

③交错层理［图3-6 （c）］。交错层理是由多组不同方向的斜层理互相交错重叠而成的，是由于水流的运动方向频繁变化所形成的，反映当时水流动荡的环境，多见于河流沉积层中。

④波状层理［图3-6 （d）］。层理面呈对称或不对称，规则或不规则的波状线，其总方向与层面大致平行，又可分为平行波状层理和斜交波状层理。波状层理是在流体发生波动情况下形成的，形成于波浪运动的浅水区。

2）层面构造。层面构造是指未固结的沉积物，由于搬运介质的机械原因或自然条件的变化及生物活动，在层面上留下痕迹并被保存下来，如波痕、泥裂、雨痕等。这些特征同样反映了沉积岩生成条件和形成环境的特殊性，同时也是我们研究古地理古地貌的标志。

①波痕。由于风力、流水或波浪的作用，在沉积层表面所形成的波状起伏现象。波痕是由无数波峰和波谷组成的，按其成因可以分为风成波痕、水流波痕和浪成波痕。

②泥裂。主要是由于沉积物在尚未固结时即露出水面，经暴晒后由于失水收缩而形成的多边形网状裂缝，断面呈V字形。刚形成时泥裂是空的，以后常被砂、粉砂或其他物质填充。

③雨痕。雨点滴落在湿润而柔软的泥质或砂质沉积物的表面上时，便形成圆形或椭圆形的凹穴，在适当条件下，在沉积岩层面上保存下来，这种凹穴称为雨痕，多半是保存当时干旱气候地区的泥质岩中。

3）生物构造。

①化石。经石化作用保存在沉积岩中的动植物遗骸和遗迹称为化石，如三叶虫、鳞木和蚌壳、树叶等，常沿层理面平行分布，根据化石可以确定岩石的形成环境和地质年代。

②结核。结核是成分、结构、构造及颜色等与周围沉积物（岩）不同的、规模不大的团块体。结核形态很多，有球状、椭球状、不规则团块状等。如石灰岩中常见的燧石结核，主要是SiO2在沉积物沉积的同时以胶体凝聚方式形成的。黄土中的钙质结核，是地下水从沉积物中溶解CaCO3后在适当地点再沉积形成的。

沉积岩的层理、层面构造和含有化石，是沉积岩在构造上区别于岩浆岩的重要特征。

5.沉积岩的鉴别方法

（1）沉积岩与岩浆岩的区别。

1）沉积岩的层理构造、层面特征和含有化石，是沉积岩在构造上区别于岩浆岩的重要特征。

2）在沉积岩的组成物质中，粘土矿物、方解石、白云石、有机质等，是沉积岩所特有的，是物质组成上区别于岩浆岩的一个重要特征。

（2）常见沉积岩的肉眼鉴定。鉴定时，先观察岩石的结构和构造，把松散沉积物（土）与固结的沉积岩区别开。若被鉴定的岩石是较硬的，泥质，具薄层理，就是页岩；泥质，但不具薄层理，则是泥岩。如果岩石是由被胶结的碎屑颗粒组成，手摸有砂粒的感觉，则为砂岩；若碎屑主要粒径大于2mm，则为砾岩。若被鉴定的岩石结构致密，颜色单一，非泥质和无砂感，就属于化学岩及生物化学岩。

6.常见的沉积岩

（1）常见沉积岩分类。沉积岩的具体分类见表3-4。

表3-4　沉积岩的分类简表

（2）常见沉积岩。

1）砾岩及角砾岩。砾状结构，由含量占50%以上，粒径大于2mm的粗大碎屑胶结而成，粘土含量大于25%。由浑圆状砾石胶结而成的称为砾岩；由棱角状的角砾胶结而成的称为角砾岩。角砾岩的岩性成分比较单一。砾岩的岩性成分一般比较复杂，由多种岩石的碎屑和矿物颗粒组成。胶结物的成分有钙质、泥质、铁质及硅质等。

2）砂岩。砂质结构，层状构造，层理明显。由含量占50%以上，粒径介于0.05～2mm的砂粒胶结而成，粘土含量小于25%。按砂粒的矿物组成，可分为石英砂岩、长石砂岩和岩屑砂岩。按砂粒粒径的大小，可分为粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩。胶结物的成分对砂岩的物理力学性质有重要影响。根据胶结物的成分，又可将砂岩分为硅质砂岩、铁质砂岩、钙质砂岩及泥质砂岩几个亚类。硅质砂岩的颜色浅，强度高，抵抗风化的能力强。泥质砂岩一般呈黄褐色，吸水性大，易软化，强度和稳定性差。铁质砂岩常呈紫红色或棕红色，钙质砂岩呈白色或灰白色，强度和稳定性介于硅质与泥质砂岩之间。砂岩分布很广，易于开采加工，是工程上广泛采用的建筑石料。

3）粉砂岩。粉砂质结构，薄层状构造，粉粒成分以石英为主，次为长石和白云母，胶结物以钙质、铁质为主。常有清晰的水平层理。粉粒的含量占50%以上，粉砂的粒径介于0.005～0.05 mm之间，粘土含量小于25%。结构较疏松，强度和稳定性不高。

4）页岩。是由松散粘土脱水胶结而成，为粘土岩。它具有能沿层理面分裂成薄片或页片的性质，常可见显微层理，称为页理，页岩因此得名，具有页理构造的粘土岩常含水云母等片状矿物，呈定向排列。页岩成分复杂，以粘土矿物为主，尚有少量石英、绢云母、绿泥石、长石等混入物，岩石颜色多种，一般呈灰色、棕色、红色、淡黄色、绿色和黑色。依混入物成分不同，可分为硅质页岩、铁质页岩、土质页岩、砂质页岩、钙质页岩及碳质页岩和油页岩等。除硅质页岩强度稍高外，其余均岩性软弱，易风化成碎片，强度低，与水作用易于软化而丧失稳定性。

5）泥岩。成分与页岩相似，常成厚层块状构造，但层理不发育。以高岭石为主要成分的泥岩，常呈灰白色或黄白色，吸水性强，遇水后易软化。以微晶高岭石为主要成分的泥岩，常呈白色、玫瑰色或浅绿色，表面有滑感，可塑性小，吸水性高，吸水后体积急剧膨胀。页岩和泥岩可夹于坚硬岩层之间，形成软弱夹层，浸水后易于软化滑动。

6）石灰岩。简称灰岩，矿物成分以结晶细小的方解石为主，其次含有少量的白云石、粘土、菱铁矿及石膏等混合矿物，纯质石灰岩呈白色、深灰、浅灰色。当含有杂质时为浅黄色、浅红色、灰黑色及黑色等。以加冷稀盐酸后会强烈起泡为其显著特征。按成因、物质成分和结构构造，又可分为普通灰岩、生物灰岩、碎屑灰岩等。由纯化学作用生成的石灰岩具有结晶结构，但晶粒极细，经重结晶作用即可形成晶粒比较明显的结晶灰岩。由生物化学作用生成的灰岩，常含有丰富的有机物残骸。石灰岩中一般都含有一些白云石和粘土矿物，当粘土矿物含量达25%～50%时，称为泥灰岩，泥灰岩通常为隐晶质或微粒结构，加冷稀盐酸后会起泡，且有黄色泥质沉淀物残留；白云石含量达25%～50%时，称为白云质灰岩。石灰岩分布相当广泛，岩性均一，易于开采加工，是烧制石灰和水泥的重要原材料，冶金工业的主要溶剂材料，是一种用途很广的建筑材料。但由于石灰溶于水，易形成裂隙和溶洞，对基础工程影响很大。

7）白云岩。主要矿物成分为细小的白云石，也含有少量的方解石、石膏、菱镁矿和粘土矿物。结晶结构。纯质白云岩为白色，随所含杂质的不同，可出现不同的颜色，性质与石灰岩相似，但强度和稳定性比石灰岩要高，是一种良好的建筑石料。白云岩的外观特征与石灰岩近似，在野外难于区别，可用盐酸起泡程度辨认。

8）火山集块岩。主要由粒径大于100mm的粗大火山碎屑物质组成，火山碎屑主要是岩屑，部分为火山弹。其胶结物主要为火山灰或熔岩，有时为碳酸钙、二氧化硅或泥质物。

9）火山角砾岩。火山碎屑物质占90%以上，粒径一般为2～100mm，多数为大小不等的熔岩角砾，亦有少数其他岩石的角砾。火山角砾多呈棱角状，分选性差，常为火山灰或硅质胶结。其颜色常呈暗灰、蓝灰或褐灰色、绿色及紫色。

10）凝灰岩。组成岩石的碎屑较细，一般由粒径小于2mm的火山灰及细碎屑组成。其碎屑主要是晶屑、玻屑及岩屑，胶结物为火山灰等。外表颇似砂岩或粉砂岩，但其表面粗糙。颜色多呈灰色、灰白色。凝灰岩孔隙度高，密度小，易风化。各地的凝灰岩工程地质性质差异很大，有些强度很低，遇水有软化现象，有些强度较好，可用作建筑石材。

11）泥灰岩。碳酸盐岩与粘土岩之间的过渡类型。其中粘土的含量在25%～50%之间，若粘土的含量为5%～25%。则称为泥质灰岩。泥灰岩通常为隐晶质或微粒结构，加冷稀盐酸起泡，且有黄色泥质沉淀物残留。其颜色有浅灰、浅黄、浅绿、天蓝、红棕等。

12）硅质岩。主要由蛋白石、石髓及石英组成，SiO2的含量在70%～90%之间，此外尚有粘土、碳酸盐、铁的氧化物等。这类岩石包括硅藻土、燧石岩、碧玉铁质岩和硅华等，其中燧石岩最常见。燧石岩致密坚硬，锤击后有火花，多呈结核状、透镜状产出，也有呈层状产于碳酸岩之中的，其颜色多为深灰色和黑色，也有浅红色、黄色、灰白色等，常具隐晶质结构，带状构造。

13）粘土岩。一般呈较松散的土状岩石，主要矿物成分为高龄石、蒙脱石及水云母，并含有少量极细小的石英、长石、云母、碳酸盐矿物等。粘土颗粒占50%以上，具有典型的泥质结构，质地均匀，有细腻感，可塑性和吸水性很强，岩石吸水后易膨胀。颜色多为黑色、褐红色、绿色等，但也有呈浅灰色、灰白色和白色等。粘土岩中，由于粘土颗粒与砂粒含量的不同，可分为亚粘土（粘土的含量为10%～30% ）、亚砂土（粘土的质量分数为3%～10%）、砂土（粘土的质量分数小于3%）等过渡类型。根据主要矿物成分的含量不同，又可分为高岭石粘土岩、蒙脱石粘土岩和水云母粘土岩。