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第二章-沉积岩的形成过程

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
资源描述:
沉积学王艳忠,讲师, 2004年获中国石油大学(华东)资源勘查工程专业学士学位, 2007年获中国石油大学(华东)地质学硕士学位, 2010年获中国石油大学(华东)地质学博士学位, 2010年 7月留校从事教学科研工作。 发表 论文及申请专利情况 在 《 地质科学 》 、 《 石油学报 》 、 《 沉积学报 》 、 《 中国石油学报 》 、《 等发表学位论文 20余篇。 申请国家发明专利 4项。 获奖情况 山东省科技进步一等奖, 2012。 中国石油和化学工业学会科技进步三等奖, 2009。 中国石油大学(华东)地学院青年教师讲课比赛第一名, 2011。 科研情况 国家自然科学 基金:断陷湖盆陡坡带近岸水下扇沉积成因模式及其规模量化预测研究 山东省自然科学 基金:东营凹陷古近系中深层有效储层采出和成藏物性下限研究 中国 石油大学创新 基金:碎屑岩储层地质历史时期孔隙度演化研究 办公室:工科楼 18253266698 8学时:沉积岩石学 32学时,岩相古地理 16学时教学计划沉积相 基本概念和分类 1学时冲积扇相 1学时河流相 2学时湖泊相 2学时三角洲相 2学时海相沉积模式 2学时重力 流概念、特征 2学时碳酸盐 沉积环境(相) 2学时课堂讨论及复习总结 2学时绪论 2学时沉积岩的形成 4学时陆源碎屑岩的成分 2学时碎屑岩结构及 粒度分析 2学时碎屑岩构造和颜色 6学时陆源碎屑岩各论 4学时陆 源碎屑岩的沉积后作用 2学时碳酸盐岩概论 4学时碳酸盐岩各论 4学时碳酸盐岩的沉积后作用 2学时第二章 沉积岩的形成过程沉积岩的形成:原始物质 沉积物 沉积岩搬运 沉积后作用沉积沉积岩的原始物质陆源物质 生物源物质 深源物质 宇宙源物质↑ ↑ ↑ ↑母岩风化产物 生物残骸及有机质 火山碎屑 +深层卤水 陨石★★★★ ★★★ ★★ ★第一节 沉积岩原始物质的形成一、陆源物质的形成母岩的风化产物。母岩: 地表上出露的先期岩石,能够为沉积岩提供原始物质。母岩分布区:母岩区 或 陆源区、 物源区 , 简称 源区。风化作用分类↓物理风化作用 化学风化作用 生物风化作用↓ ↓ ↓机械破碎 化学分解 机械作用+化学和生物化学作用↓ ↓ ↓温度 、 晶体生长 、重力生物 、 氧 、 水和酸 直接作用+间接作用水 、 冰 、 风↓ ↓ ↓化学成分不变 氧化 、 水解和溶解↓ ↓碎屑物质 ( 岩石 新矿物 促进和加速化学风化作用进行碎屑+矿物碎屑 ) 粘土矿物和化学沉淀物质(一)母岩 风化中元素的转移顺序元素的风化分异:一定条件下,因元素从母岩中析出的难易程度不同,使得不同元素在分离时有一定的顺序。受原子与离子特性、矿物特征、介质 物及气候条件等的影响。温湿条件下(波雷诺夫, 1934;彼列尔曼, 1955)I, S;K, F, V, 硅酸盐中 ) , 微弱迁移 ) 元素石英 )(二)般只发生机械破碎作用。性斜长石∨ ∨斜长石 中性斜长石∨基性斜长石( 1) 钾长石析出 K,出 K,蛋白石 )K[K< 1l)4·→钾长石 +白云母 +岭石 铝土矿 )( 2) 斜长石 的产物同钾长石相似蛋白石斜长石 →蒙脱石、黝帘石、绿帘石、方解石 →高岭石 → K) 的抗风化能力较强 。析出钾 , 加入水 → 水白云母 → 高岭石黑云母 ( 的抗风化能力弱 。析出 K、 加入水 → 蛭石+绿泥石+橄榄石 伊利石 >蒙脱石 →蛋白石 、 硫化物矿物 , 卤化物矿物:最易溶于水中 。别很大锆英石 、 金红石 、 电气石 、 石榴石 、 刚玉 、 锡石 、 磁铁矿 、榍石 、 十字石 、 蓝晶石 、 独居石 、 红柱石等风化稳定性较大——沉积岩中的 重矿物为什么造岩矿物风化稳定性差别如此之大?文反应系列)高温矿物,低温矿物,但金刚石呢?体构造)(三)岩石的风化及其产物母岩的矿物组成不同,风化产物也不同。母岩风化作用的阶段性:由于各化学成分 在风化作用中转移性质不同,风化作用具有明显的阶段性。波雷诺夫将玄武岩的风化过程分为四个阶段。 化物和硫酸盐全部溶解;在 铝硅酸盐矿物中的 K+,开始游离 , 使溶液呈中 促使一部分 乎全部的 K+、 带走 , 介质开始转为酸性 ,形成高岭石 、 变埃洛石 酸盐矿物彻底地分解 , 原地形成水铝矿 、 褐铁矿 、 针铁矿 、 赤铁矿和蛋白石 。 堆积物也称红土 。风化作用一般并不完整。能否达到铝铁土阶段, 取决于 母岩岩性、气候、地形、地壳运动强度、风化时间长短 等 多种因素 , 尤其是 气候因素 。干旱沙漠地区植被发育的温湿地区停留在酸性硅铝阶段湿热地区可达到铝铁土阶段 ,( 四 ) 母岩风化产物的类型1. 碎屑残留物质:母岩的岩屑或矿物碎屑 。白云母 、 高岭石 、 蒙脱石 、 蛋白石 、 铝土矿 、 褐铁矿等 。 S、 K、 不同风化产物形成不同的沉积岩:碎屑残留物质+化学风化矿物 陆源碎屑岩溶解物质 化学岩和生物化学岩和生物岩母岩的风化程度不同 , 沉积物的成分复杂程度也不同 。( 五 ) 包括新生成的化学风化矿物 ) 组成的岩石地表部分 。完整风化壳的结构 :底部基岩 —半风化的残积层 — 深处风化程度较浅 , 气候 、 地形 、 构造等因素 。气候湿热 、 地形平坦 、 构造活动稳定 , 则风化壳厚度较大;古风化壳的地质意义和经济意义:地壳上升 、 不整合的重要标志古地理 、 古气候分析的重要依据铁 、 铝 、 高岭土等矿产;可以形成油气藏 。二、沉积岩原始物质的其它来源( 一 ) — 常保存为化石 , 成分为碳酸盐 、磷酸盐和硅质等 。— 有机物 (碳氢化合物) 。经埋藏成岩后:( 1)不溶物质 ——干酪根:不溶于有机溶剂的固体有机质。( 2)可溶物质 ——烃类、沥青等。一部分转化为石油、天然气、油页岩、煤等,大部分呈分散状态存在于沉积岩中。(二)深部来源(深源)的物质火山碎屑沿深断裂流出的地下深层热卤水、温泉、热气液等形成盐岩、膏岩、硅岩、铁岩、锰岩等岩石和铅、锌等矿床。( 三 ) 宇宙 ( 来 ) 源的物质陨石、宇宙尘埃第二 节 沉积物的机械搬运 和沉积作用风化作用的产物及其它来源的沉积物质除了少量残留原地以外 , 大部分将迚入搬运状态向沉积盆地转秱 。母岩风化:碎屑物质 、 新生成物质 、 溶解物质生物来源:生物硬体 、 生物软体深部来源:岩浆 、 卤水 、 气热液宇宙来源: 陨石沉积物 収生物质搬运和沉积作用的介质(搬运介质)流水、大气、 冰川搬运 动力:风、重力、流水、波浪、潮汐沉积物的搬运和沉积作用的 斱式机械 搬运和沉积作用—碎屑 +新生成物质 +火山碎屑 +宇宙源物质化学 搬运和沉积作用—溶解 物质、深层卤水生物 搬运和沉积作用—生物 源物质一、流体的几个基本概念和基础知识一 ) 牛顿流体和非牛顿流体内摩擦定律在渢度丌变的条件下 , 随着流速梯度变化 , 动力粘滞系数 /运动粘滞系数始终保持一常数 。服从内摩擦定律 ——牛顿流体 —牵引流 ( 含少量泥砂的流水:河流 、 波浪流 、 潮汐流 、 大气流等 ) 。不服从内摩擦定律 ——非牛顿流体 浊流 、泥石流 、 风暴流 、 狂风流等 ) 。第二节 沉积物的机械搬运和沉积作用类别 牵引流 重力流流体性质 牛顿流体 非牛顿流体密度 低 高( >水比重)液固相 不分搬运介质 流水 沉积物搬运动力 推力、负荷力 重力搬运方式 滚动、跳跃、悬浮 悬浮运动关系 水主动,颗粒被动 水被动,颗粒主动搬运物质 碎屑物质、溶解物质 碎屑物质为主沉积作用 流速、能量减小 能力减小转化或稀释沉积环境 地形变化较小 山前或斜坡及其下游方向沉积构造 各种类型层理 粒序 /递变层理牵引流和重力流的区别二) 沉积物机械搬运的方式和床沙形态( 一 ) 碎屑颗粒在流水中的受力分析 w) :颗粒受到的重力和浮力两者之差 :由颗粒表面的水膜所造成的粘结力 :水流作用于颗粒顺水流方向的力 :垂直向上 , 产生原因: 水体浮力 ( 已计算在有效重力中 ) ;② 颗粒上下因流速差而引起的压力差; x③ 紊流中存在涡流的扬丼作用 /上丼涡力 W—— 紊流的上举力大于层流 。(二)沉积物的搬运斱式、载荷载荷:流体 中被搬运的沉积物( 荷量:单位时间内流经某一横断面的沉积物总量搬运斱式:溶解 物质 屑 物质滚动、跳跃搬运 沙)载荷 (粗悬浮搬运 ——悬秱载荷( ,细(三)福劳德数( 性力 /重力= ( ) /g= —标志惯性力不重力乊间的关系、描述流体的运动 强度明渠 水流:河流 、 湖泊 、 海洋中的牵引流 ——无压流1:缓流 , 水深流缓 —— 上部流动体制 , 低流态1:临界流 , 过渡流态1:急流 , 水浅流急 —— 下部流动体制 , 形态 ( 底形 ) 受流动强度 ( 控制明渠水流随流动强度加大在床面依次出现下列床沙形态:无颗粒运动的平坦床沙 坑( 四 ) 层流 、 紊流和雷诺数两种流动型态 ——层流与紊流 /涡流层流缓慢流动 , 流体质点平行线状流动 , 彼此丌相掺混 。紊流充满旋涡的流动 , 流速大小和流动斱式随时间变化 ,流体质点运动轨迹极丌规则 , 彼此掺混 。层流 紊流雷诺数( 述流体的流动状态性力 /粘滞力= 1± 层流、 1~ 40 临界流、 40 紊流流速 流面 扬举力 剪切力 搬运能力 分布层流 小 稳定 小 小 弱 下紊流 大 变化 大 大 强 上自然界中流水多为紊流,使沉积物得以搬运,层流类似于静水,易収生沉积二、碎屑颗粒在牵引流中的搬运和沉积作用一)碎屑颗粒在单向水流中的搬运、沉积作用1、碎屑 颗粒的搬运、沉积作用的条件受力分析 :动力:上丼力:流速、水深水平推力:大小、密度粒大小速不搬运、沉积的关系—尤尔斯特隆图解几个概念:开始搬运速度( 流水把处于静止状态的碎屑物质开始搬运走所需的流速继续搬运速度( 流水维持碎屑物质继续搬运所需要的流速。始搬运曲线继续搬运曲线三个区:剥蚀区,搬运区和沉积区三个段:砾级 难搬易沉 山区 d>2, ΔV= 小。粉砂和泥级 难 搬 难沉 颗粒 , 下沉速度不其半径平斱成正比 。 根据实验极细砂下沉 30小时 , 细粘土则需要 1年;下沉 3000~ 4000m, 极细砂需要 10天 , 细粘土需要 100年二)、碎屑物质在空气中的搬运和沉积作用1. 特点:1)风只搬运碎屑物质2)搬运能力小,只搬运 细颗粒;相同 速度,搬运能力只有流水 1/300。3)颗粒分选、磨圆好,常具霜面、棱面。4)作用空间大二)、跃 还原电位 ( 锰等变价元素的溶解和沉淀影响很大 。 铁 、 锰 氧化 条件呈高价赤铁矿 、 软锰矿沉淀;弱氧化 —弱还原形成海绿石 、 鲕绿泥石; 还原条件 低价菱铁矿 、 菱锰矿 。 强还原则生成黄铁矿 、硫锰矿 。 低价铁 、 锰矿物溶解度比高价大数十~数千倍 , 易搬难沉 。1) 一般物质的溶解度随渢度升高而增大 。( 2) 压力对溶液中 2O=。 即 平衡向右秱动 , 反乊 , 向左秱动 水中 压力有关 。离子吸附、气候 、蒸収作用第四节 生物的搬运和沉积作用生物作为一种搬运营力意义较小 , 沉积作用意义重大 。藻类和细菌等微生物沉积作用巨大 , 不仅数量多 、 分布广 、 繁殖快 、 适应性强 , 而且在地质历史上 ,其它生物还没有大量出现前就参与沉积作用 。 叠层石与藻类有关 , 早在 25亿年前太古代末就有叠层石 。一 、 直接作用 ——生物遗体直接堆积成岩或沉积矿床光合作用或吸取养料形成有机体 , 吸取介质中钙 、 磷 、 硅无机盐通过生物分泌作用形成外壳和骨骼 。有机质部分埋藏下来经生物化学演化 , 可形成石油 、 天然气 、 煤以及油页岩等 。无机的生物外壳和骨骼经富集堆积后可形成岩石或矿床 ,如生物骨骼石灰岩 、 生物磷块岩 、 硅藻土 、 白垩等 。 有些生物原来就营群体生活 , 在生活过程中通过生物分泌作用以及生物粘结作用形成坚固骨架 , 不需要经过成岩作用就能直接成为岩石 , 如礁灰岩 。第四节 生物的搬运和沉积作用二 、 使某些溶解物质沉淀 , 或由于有机质吸附作用使某些元素沉积 。 生物产生大量 影响介质环境的物理化学条件 , 使某些物质溶解或沉淀 。 有机质分解使介质变成还原环境 。 煤及黑色页岩中往往富集各种金属元素就是与有机质的吸附作用使得溶液中低浓度元素得以沉淀有关 。 粘结或障积等作用使沉积物沉淀 。藻类分泌的粘液捕获和粘结水中的碳酸盐颗粒 , 使之沉积于藻体表面 , 当一层藻席被新沉积物覆盖时 , 藻丝体就会穿过上覆沉积物并繁殖于其表面 , 重新形成新的藻席 。 周而复始 , 形成富藻纹层和富屑纹层交替的叠层石类沉积物 。当流水流经丛生的枝状珊瑚或枝状藻类时 , 流速降低 , 流水中携带的沉积物就会障积成岩 。 植物造成风沙的障碍堆积 ,也生物障积作用 。第五节 沉积分异作用沉积分异作用概念 ( 岩风化产物以及其他来源的沉积物在搬运和沉积过程中会 按颗粒大小 、 形状 、 比重 、 矿物成分和化学成分在地表依次沉积下来 的现象 , 也叫地表沉积分异作用 。机械分异作用:主要受物理原理支配 , 见于碎屑岩中;化学分异作用:主要受化学原理支配 , 见于溶解物质沉积过程 。一 、 机械沉积分异作用碎屑物质在流水搬运和沉积的过程中 , 将按粒度 、 密度 、形状 、 —从上游到下游 , 粒度由大到小 、 分选由差变好;体积小比重大和比重小体积大的沉积物可能一起堆积 , 如含金砾岩 。片状颗粒比等轴粒状颗粒搬运得进;圆度和球度高的滚动颗粒更易于搬运 。由于颗粒的比重和形状同矿物成分密切相关,颗粒大小不矿物的物性有关,如脆性、解理、硬度等颗粒粒度分异矿物比重分异含金砾岩第五节 沉积分异作用机械沉积分异结果随搬运距离的增长碎屑物质的矿物成分趋向简单稳定组分增多重矿物含量减少粒度变细分选、磨圆变好第五节 沉积分异作用二 、 化学沉积分异作用溶解物质由于化学活泼性或溶解度的差异 , 以及受所处环境 将按一定的顺序依次从溶液中沉淀出来的现象 。氧化物 → 磷酸盐 → 硅酸盐 → 碳酸盐 → 硫酸盐和卤化物第五节 沉积分异作用三、两种分异作用的关系1. 幵存2. 机械沉积分异作用早些,化学沉积分异作用晚些。第六节 沉积后作用一、沉积后作用的概念( 积物形成以后 到风化作用和变质作用之前所发生的作用——广义的成岩作用 (沉积物刚刚沉积后而且 尚不上覆水体相接触时 的变化,也称为 “ 海底风化作用 ” 或 “ 海解作用 ” 。 沉积物 已基本不水体脱离 ,但基本上还未脱离沉积时的环境 。指沉积物已 基本不上覆水体脱离 的情况下 , 由疏松的沉积物转变为固结的沉积岩的作用 。真正的成岩作用 , 也叫狭义的成岩作用 。 通常所说的成岩作用一般是指广义的成岩作用 。指沉积岩形成以后 , 转变为变质岩以前发生的变化或作用 。 沉积岩抬升近地表 , 在潜水面以下常温常压的条件下 , 由于渗透水和浅部地下水的影响所 发生的作用 、 变化第七节 沉积岩的分类分类的分类原则:成因分类和物质来源沉积岩的成因分类可从丌同角度考虑:( 1) 沉积作用斱式丌同 ,即沉积岩的形成是受物理(机械)作用还是化学和生物化学作用控制的,可将沉积岩分成碎屑岩、化学岩和生物化学岩等基本类型;( 2) 沉积物来源丌同 ,即来自地球内部(如火山碎屑)还是地表风化产物,或者说沉积物是形成于盆地内部还是盆地外部,而分成内源(内生、自生、盆内)沉积和外源(外生、他生、盆外、陆源)沉积;( 3) 沉积物堆积斱式 丌同,即是搬运沉积的或是残积的;( 4) 按沉积岩生成的顺序 (即分异作用);( 5) 按沉积岩形成时的动力条件和自然地理环境 (海、河、冰川、或风成的)根据沉积岩原始沉积物质来源主要由 母岩风化产物 组成的沉积岩碎屑岩 化学岩砾岩 砂岩 粉砂岩 粘土岩 碳酸盐岩 硫酸盐岩 卤化物岩 硅岩 其它化学岩主要由 火山碎屑物质 组成的沉积岩火山碎屑岩主要由 生物遗体 组成的沉积岩可燃有机岩 非可燃有机岩煤 油页岩
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