经典地质图集，彻底搞明白碎屑岩！

碎屑岩是母岩

机械破碎的产物

经搬运、沉积、压实、

胶结而成的岩石。

（图源@frenchmen77 / Getty Images）

在沉积区外的陆地上

搬运来的碎屑称

陆源碎屑或外碎屑，

陆源碎屑岩是沉积岩的

重要组成部分。

（图源@Michael C. Rygel / Wikimedia Commons）

（图源@destillat / Getty Images）

（图源@Alberto C. Vázque / Wikimedia Commons）

它们是如何形成的？

又具有什么特征？

（图源@MooMooMath and Science）

01

碎屑岩由碎屑成分和

填隙物成分组成，

其中碎屑成分占50%以上。

因此，碎屑组分的性质决定了

碎屑岩的主要性质。

碎屑岩的碎屑成分包括

各种陆源矿物碎屑和

岩石碎屑。

目前已经发现的碎屑矿物

约有160种，

最常见的约20种。

但在一种碎屑岩中，

其主要碎屑矿物

通常不超过3~5种。

碎屑矿物按相对密度

可分为轻矿物和重矿物两类。

前者相对密度小于2.86，

主要为石英、长石。

辉石（图源@Rob Lavinsky）

后者相对密度大于2.86，

主要为岩浆岩中的

副矿物(如锆石)、

部分铁镁矿物

(如辉石、角闪石),

以及变质岩中的变质矿物

(如石榴石、红柱石)。

红柱石（图源@Didier Descouens）

石英抗风化能力强，

抗磨且难分解。

大部分岩浆岩和变质岩中

石英含量较高,

因此石英是碎屑岩中

分布最广的一种碎屑矿物。

石英（图源@Index Open）

它主要出现在

砂岩及粉砂岩中

(平均含量达66.8%)，

在砾岩中含量较少，

在粘土岩中则更少。

不同来源的石英

往往具有不同特点。

石英（图源@mclanahan.com）

据统计，砂岩中

长石的平均含量

为10%~15%，

而在岩浆岩中

长石的平均含量

则为石英的几倍。

这种截然相反的变化，

是由于长石的风化稳定度

远比石英小。

长石（图源@Dave Dyet）

从化学性质看，长石易水解；

从物理性质看，其解理和双晶

均很发育，易破碎。

因此在风化搬运的过程中，

长石逐渐被淘汰。

长石（图源@Rob Lavinsky）

地壳运动比较剧烈、

地形高差大、气候干燥、

物理风化作用为主、

搬运距离近以及

堆积迅速等条件，

是长石大量出现的有利因素。

正长石（图源@Didier Descouens）

长石主要来源于

花岗岩和花岗片麻岩。

一般认为，在碎屑岩中

钾长石多于斜长石，

在钾长石中正长石

略多于微斜长石，

在斜长石中钠长石

远远超过钙长石。

微斜长石（图源@Rob Lavinsky）

碎屑岩中的重矿物含量很少，

一般不超过1%，

其分布的粒度受

重矿物的晶形大小、

相对密度及硬度的控制。

石榴石（图源@Teravolt）

如石榴石晶粒较粗、

多分布于0.1mm

粒级以上的碎屑中；

锆石较细，主要分布于

粒级小于0.1mm的碎屑中。

总的来说，在0.05~0.25mm

的粒级范围内，

重矿物含量相对最高。

锆石（红色）（图源@Rob Lavinsky）

岩屑是保持着

母岩结构的矿物集合体。

但由于各类岩石的

成分、结构、

风化稳定度等存在差异，

因此在风化搬运过程中，

各类岩屑含量变化极大。

砂岩风化（图源@Not home）

研究表明，岩屑含量

明显地取决于粒级，

即岩屑的含量随

碎屑粒级的增大而增加。

砾岩中岩屑含量最多，

砂岩中只存在有细粒结构及

隐晶结构的岩屑。

显微隐晶结构（图源@baike.baidu.com）

此外，各类岩屑丰度

还取决于母岩性质。

细粒或隐晶结构的岩石，

如燧石岩、中酸性喷出岩等

岩石的岩屑分布最广。

燧石岩(黑带)（图源@Jstuby）

而易受化学分解的石灰岩，

除非在母岩区附近有

快速堆积和埋藏的条件,

否则很难形成岩屑。

石灰岩（图源@Ngb）

在碎屑岩中，

杂基和胶结物都可作为

碎屑颗粒间的填隙物，

但它们在性质、成因以及

对岩石所起的作用等方面

都有所不同。

杂基是碎屑岩中

充填碎屑颗粒之间的、

细小的机械成因组分。

其粒级以泥为主，

可包括一些细粉砂。

粘土矿物(SEM图像，×1340放大)（图源@wikipedia.org）

最常见的杂基成分是

高岭石、水云母、

蒙皂石等粘土矿物。

各种细粉砂级碎屑，

如绢云母、绿泥石及

隐晶结构的岩石碎屑等，

也属于杂基范围。

高岭石（图源@James St. John）

碎屑岩中保留大量杂基，

表明沉积环境中

分选作用不强，

沉积物没有经过充分地

分异再改造作用，

从而不同粒度的泥和

砂混杂堆积。

绿泥石（图源@EISCO）

胶结物是碎屑岩中

以化学沉淀方式形成于

粒间孔隙中的自生矿物。

它们有的形成于

沉积—同生期，

但大多数是成岩—后生期

的沉淀产物。

蛋白石（图源@Stannatsw）

碎屑岩中主要胶结物是

硅质(石英、玉髓和蛋白石)、

碳酸盐(方解石、白云石)

及一部分铁质

(赤铁矿、褐铁矿)。

白云石(白色)（图源@Didier Descouens）

02

碎屑颗粒粒度是碎屑颗粒

最主要的结构特征。

碎屑颗粒的大小直接决定了

岩石的类型和性质，

因此它是碎屑岩

分类命名的重要依据。

（图源@文献[1]）

粒度和颗粒的分选性

是搬运营力的能力和

效率的度量标志之一。

砾岩

砾岩是指由粒径大于2mm、

含量大于30%、粗大的

碎屑颗粒组成的粗碎屑岩。

砾岩（图源@Jstuby at en.）

砾岩中的碎屑颗粒

绝大部分都是岩屑,

所以砾岩的颗粒成分

可以很好地反映母岩类型。

砾岩（图源@Brocken Inaglory）

与砂岩相比,

砾岩的砾间填隙物质较粗,

即杂基粒度上限有所增高,

通常为砂、粉砂和粘土物质,

这些杂基与粗粒碎屑同时或

大致同时沉积下来。

砾岩（图源@Wilson44691）

砾岩中的胶结物常是

从真溶液或胶体溶液中

沉淀出的一些化学物质，

如方解石、绿泥石、

二氧化硅、氢氧化铁等。

砾岩剖面（图源@Jstub）

砾石排列常有较强的规律性，

扁形砾石尤为明显，

其最大扁平面常向源倾斜，

彼此叠覆，呈叠瓦构造。

砾岩（图源@Death Valley National Park）

砂岩

砂岩的分布远较砾岩广泛，

在沉积岩中仅次于

粘土岩而居第二位,

占沉积岩的1/3左右,

它是最主要的

储集油气的岩石之一。

砂岩（图源@Qfl247）

砂岩是指主要由

含量大于50%、

粒径0.1~2mm的

陆源碎屑颗粒组成的碎屑岩。

砂岩（图源@Etan J. Tal）

砂岩的碎屑成分较为复杂，

通常砂级碎屑组分

以石英为主，其次是长石及

各种岩屑，有时含云母和

绿泥石等碎屑矿物。

石英砂岩（图源@Jstub）

从结构上看，砂岩由

砂粒碎屑、基质和

胶结物三部分组成。

基质和胶结物对

砂岩都起胶结作用，

但成因不同。

砂岩（图源@mineralseducationcoalition.org）

不同砂岩的化学成分不同，

这取决于碎屑组分和

胶结物的成分。

与岩浆岩的平均

化学成分相比较，

砂岩中的二氧化硅含量很高。

砂岩（图源@文献[2] ）

这是因为砂岩是

机械沉积作用的产物，

不稳定组分

(如长石和岩屑)

已被大量破坏、淘汰，

而稳定组分石英

却相对富集所致。

岩屑砂岩显微照片（图源@Matt Affolter）

粘土岩

粘土岩是指以粘土矿物为主

(含量大于50%)的沉积岩。

疏松或未固结成岩者称为粘土。

粘土岩分布海滩（图源@wikipedia.org）

粘土岩粒度组分大都细小。

当岩石组分中

小于0.005mm或

小于0.0039mm的组分

含量大于50%时，

这类岩石才被称为粘土岩。

粘土岩电镜照片（放大23500倍）（图源@McKee, E.D）

构成粘士岩

主要组分的粘土矿物

大多来自母岩风化产物，

并以悬浮方式搬运至汇水盆地，

以机械方式沉积而成。

因此就形成机理而言，

粘土岩类应归属

陆源碎屑沉积岩。

粘土岩是沉积岩中

分布最广的一类，

约占沉积岩总量的60%。

它不仅是重要的生油岩，

还是良好的盖层，

甚至还可作为油气的储层。

粘士岩（图源@noguchi.org）

03

碎屑岩成岩作用主要包括

压实和压溶作用、

胶结作用、交代作用、

重结晶作用等。

压实作用或物理成岩作用

是指沉积物沉积后

在其上覆水体或

沉积层的重荷下,

或在构造形变应力的作用下，

发生水分排出、孔隙度降低、

体积缩小的作用。

压实作用在沉积物

埋藏早期表现较为明显。

沉积物内部可发生颗粒的

滑动、转动、

位移、变形、破裂，

从而导致颗粒的重新排列和

某些结构的改变。

压溶作用是一种

物理化学成岩作用。

随埋深增加，

沉积物碎颗粒接触点

所承受的上覆层压力或

构造作用的侧向应力，

超过正常孔隙流体压力时，

颗粒接触处溶解度增高，

发生晶格变形和溶解作用。

压溶作用（图源@Mikenorton）

随着颗粒所受应力的

不断增加和地质时间的推移，

颗粒受压处的形态将依次

由点接触演化到线接触、

凹凸接触和缝合接触。

颗粒接触类型（图源@文献[1]）

在砾岩中，常见砾石呈

凹凸状接触，

形成压入坑构造；

而砂岩中，

常见相邻石英颗粒

呈缝合状接触，

这均为压溶作用结果。

压溶作用形成的劈理（图源@cleavage）

胶结作用是指从空隙溶液中

沉淀出的矿物质将松散

沉积物固结成岩的作用。

胶结作用（图源@google.com）

胶结作用可以发生在

成岩作用的各个时期。

是沉积物形成

沉积岩的重要作用,

也是使沉积层中空隙度和

渗透率降低的主要原因之一。

方解石胶结在石灰岩中（图源@Mark A. Wilson）

交代作用可以发生于

成岩作用的各个阶段

乃至表生期，

是一种矿物代替

另一种矿物的现象。

交代作用（图源@Mark A. Wilson）

交代矿物可以

交代颗粒的边缘，

将颗粒溶蚀交代成

锯齿状等不规则边缘，

也可以完全交代碎屑颗粒，

从而成为它的假象。

交代作用（图源@Rolinator）

重结晶现象和矿物的

多形转变主要发生在

碎屑岩的胶结物中。

碳酸盐胶结物的重结晶作用，

可使砂岩的胶结物形成

特征的连晶或嵌晶结构。

重结晶作用（图源@google.com）

而碳酸盐矿物受

应力影响发生重结晶时，

多出现晶格弯曲和

波状消光及弱的二轴晶性质。

方解石重结晶（图源@google.com）