地球科學(xué)學(xué)院第二章相標(biāo)志與相模式主要內(nèi)容2.1概念與定律2.2生物標(biāo)志2.3物理標(biāo)志2.4巖石礦物、地球化學(xué)標(biāo)志2.4相標(biāo)志組合與相模式沉積環(huán)境沉積相相變和相分析瓦爾特相律均變論與現(xiàn)實(shí)類比2.1概念與定律沉積環(huán)境(sedimentaryenvironment)—

一個(gè)具有獨(dú)特的物理、化學(xué)和生物特征的自然地理單元(沉積)相(facies)——反映沉積環(huán)境的巖石特征和生物特征的綜合。即沉積環(huán)境的物質(zhì)表現(xiàn)。巖相(lithofacies,petrofacies)——反映沉積環(huán)境和沉積作用的巖石特征生物相(biofacies)——反映沉積環(huán)境和沉積作用的生物特征

沉積相這個(gè)概念最早由丹麥學(xué)者N.Steno(1669)提出，用來表示地層的形成時(shí)期或階段。最早賦予相沉積學(xué)含義的是瑞士學(xué)者A.Gressly(1838),用來表示瑞士西北部侏羅紀(jì)地層在巖性和古生物方面存在的巨大差異。目前對相的理解和使用有多種，如交錯(cuò)層砂巖相、筆石頁巖相，濁積巖相，河流相，復(fù)理石相等。

巖相描述性的生物相沉積相環(huán)境相解釋性的作用相大地構(gòu)造相環(huán)境相——反映沉積環(huán)境的巖石特征和生物特征的綜合。即沉積環(huán)境的物質(zhì)表現(xiàn).作用相——反映沉積作用的巖石特征和生物特征的綜合。即沉積作用的物質(zhì)表現(xiàn).大地構(gòu)造相——反映大地構(gòu)造環(huán)境和性質(zhì)的巖石特征和生物特征的綜合。但三者的時(shí)空尺度不同CarbonatefaciesShalefaciesSandstonefaciesShale&coalfacies——地層的巖石特征和生物特征及其所反映的沉積環(huán)境和沉積作用在空間上的變化。相變相分析:綜合地層的巖石特征和生物特征，推斷其成因（沉積環(huán)境和沉積作用）AndHOW?HOW?生物物理化學(xué)綜合地層的巖石特征和生物特征，推斷其成因（沉積環(huán)境和沉積作用）相分析途徑沉積環(huán)境沉積相相變和相分析瓦爾特相律均變論與現(xiàn)實(shí)類比2.1概念與定律亦稱相對比原理(JWalther，1894)只有那些目前可以觀察到是相互毗鄰的相和相區(qū)，才能原生地重疊在一起;即在垂向上整合疊置的相是在側(cè)向上相鄰的沉積環(huán)境中形成的。瓦爾特相（定）律lawofcorrelationoffacies

(JohannesWalther(German)，1894)Onlythosefaciesandfacies-areascanbesuperimposedprimarilywhichcanbeobservedbesideeachotheratthepresenttime(translatedbyMiddleton,1973);inotherwords,

faciesoccurringinaconformableverticalsequenceofstratawereformedinlaterallyadjacentenvironments.

Walther’slaw(rule)FigureSketchshowingWalther’slaw●Stratigraphicalcomformities●Gradualtransgression海進(jìn)深海相陸相●Stratigraphicalcomformities

2.1概念與定律沉積環(huán)境沉積相相變和相分析瓦爾特相律均變論與現(xiàn)實(shí)類比均變論（Uniformitarianism）:現(xiàn)在或地史中，地質(zhì)營力、過程和產(chǎn)物之間的相互關(guān)系在原則上和質(zhì)的方面都是不變的（JHutton，1795，TheoryoftheEarth）

現(xiàn)實(shí)主義原理（Actualism）或“將今論古”——現(xiàn)代可見的地質(zhì)作用和產(chǎn)物，完全可用以說明和研究地質(zhì)時(shí)期的地質(zhì)作用及其物質(zhì)紀(jì)錄（CLyell，1830，PrinciplesofGeology）均變論Uniformitarianism“Thepasthistoryofourglobemustbeexplainedbywhatcanbeseentobehappeningnow”(JamesHutton)ItwasnamedUniformitarianismbyCharlesLyellUniformitarianism類比分析將今論古將古論古以古示今第二章相標(biāo)志與相模式2.1概念與定律2.2生物標(biāo)志2.3物理標(biāo)志2.4巖石礦物、地球化學(xué)標(biāo)志2.5相標(biāo)志組合與相模式1.巖性標(biāo)志顏色：原生色與次生色層厚：塊-厚(100~50cm)-中-薄(10~1cm)-紋層成分：陸源，內(nèi)源，火山源和混源結(jié)構(gòu)：粒度，分選，圓度，球度，形貌，雜基含量沉積物顏色原生色：繼承色：取決于碎屑物質(zhì)的顏色，如純石英砂巖——白色；長石砂巖——肉紅色。自生色：取決于原生礦物或成巖礦物或色素，如海綠石砂巖。原生色往往側(cè)向穩(wěn)定次生色：在后生作用或風(fēng)化作用中形成，如當(dāng)Fe2+被風(fēng)化為Fe3+時(shí)，巖石成紅色。常呈斑點(diǎn)狀分布，或沿裂隙、孔洞分布，可以切割層理原生色、次生色（三好礫巖周口店，C3）繼承色次生色原生色同噴發(fā)火山風(fēng)暴巖，下泥盆統(tǒng)，北塔山，新疆原生色（自生色）：火山灰水解→綠泥石次生色層厚塊-厚(200~50cm)；中-薄(10~1cm)；紋層結(jié)構(gòu)—成分成熟度、結(jié)構(gòu)成熟度（三好礫巖，C）現(xiàn)代海灘沉積（礫灘），Bornholm,Danmak,Baltic分選不好，成分復(fù)雜結(jié)構(gòu)—粒度統(tǒng)計(jì)分析鄭浚茂,1982.陸源碎屑沉積環(huán)境的粒度標(biāo)志.武漢地質(zhì)學(xué)院北京研究生部.教材:陳建強(qiáng)等,1998,66-72巖性、結(jié)構(gòu)（鮞狀灰?guī)r，滇西，P）亮晶膠結(jié)Sydneybasin,PSydneyBasin,P云南保山，丁家寨組2礦物標(biāo)志Ikaite(CaCO36H2O)(glendonite)Ikaite(SydneyBasin,P)3地球化學(xué)標(biāo)志1溶解、結(jié)晶、充填標(biāo)志：如，鳥眼構(gòu)造，石鹽假晶，晶洞構(gòu)造等2化學(xué)元素的含量和比值3碳、氧、氮、鍶、硫、氫等穩(wěn)定同位素石膏石鹽假晶古鹽度如何確定？目前仍然缺乏直接的或者不具多解性的間接測試手段。常用間接手段包括：

1）Mg/Ca比值

2）粘土礦物中B含量(海相>100ppm，陸相<70ppm)

3）

Sr/Ca比值(有些微量元素在化石殼體中的含量與海水的含量成正比)。Sr的分配系數(shù)=(Sr/Ca)殼/(Sr/Ca)海水=0.16±0.023.穩(wěn)定氧碳同位素地球化學(xué)方法在自然界，同位素分餾變化極其微弱，也難以測定其絕對值的變化，需將變化后的比值與某種標(biāo)準(zhǔn)比較，確定兩者偏差的千分率‰=(測定樣品的比值-標(biāo)準(zhǔn)樣品的比值)×1000/標(biāo)準(zhǔn)樣品的比值18O=[（18O/16O樣品-（18O/16O標(biāo)準(zhǔn)）]×1000/（18O/16O）標(biāo)準(zhǔn)13C=[(13C/12C)樣品-(13C/12C)標(biāo)準(zhǔn)]×1000/（13C/12C）標(biāo)準(zhǔn)最早用美國白堊紀(jì)PeeDee組的小箭石(PDB)作標(biāo)準(zhǔn)，將其轉(zhuǎn)換成CO2去測定18O值?，F(xiàn)在采用德國Solenhofen

Plattkalk作標(biāo)準(zhǔn)，然后換算成PDB值。水樣一般采用標(biāo)準(zhǔn)平均大洋水(SMOW)標(biāo)準(zhǔn)。氧同位素用途：研究古溫度、古氣候、古鹽度。一般溫度1oC變化可引起18O值0.2‰左右變化。碳同位素用途：指示其碳源和演化，因?yàn)闅んw碳同位素變化受復(fù)雜的生命效應(yīng)所控制，物理因素占次要地位。問題：如何保證所測的碳酸鹽沒有受后期改造？確定碳酸鹽巖受后期改造程度的指標(biāo)3種：化石結(jié)構(gòu)識(shí)別法、陰極發(fā)光法和微量元素識(shí)別法。當(dāng)化石殼體沒有明顯溶蝕，顯微鏡下巖石無次生礦物、重結(jié)晶出現(xiàn)，陰極射線下發(fā)光弱、發(fā)光特征簡單，比較低的Fe、Mn含量和較高的Sr、Na含量，且Sr/Mn>2.0、Mn<30010-6及Rb/Sr<0.001時(shí)，反映灰?guī)r樣品沒有受后期改造或污染的影響。單個(gè)識(shí)別方法有其各自缺陷，需要綜合考慮。實(shí)際操作中，在巖石變形弱（弱變形域）處采新鮮巖樣，用干凈塑料袋和包裝紙包裝；室內(nèi)檢查巖石有無重結(jié)晶、次生礦物、化石殼體溶蝕和變形現(xiàn)象等；當(dāng)確定未發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象時(shí)，再用陰極發(fā)光檢驗(yàn)；最后取少量巖塊和化石殼體、膠結(jié)物分別測量其微量元素來證實(shí)，當(dāng)87Sr/86Sr比值在膠結(jié)物、化石殼體（牙形石）和在粗顆?；?guī)r中的測試數(shù)值一致或非常相近時(shí)，說明灰?guī)r未受后期改造或污染影響。如果遭受了后期成巖改造，灰?guī)r的不同部位的87Sr/86Sr比值應(yīng)該出現(xiàn)明顯差異。氧同位素二氧化碳-水-碳酸鹽系統(tǒng)的氧同位素分餾與水溫之間存在相關(guān)關(guān)系，當(dāng)碳酸鈣從水溶液中沉淀出來進(jìn)入生物殼體時(shí)：1/3CaCO316+H2O18≒1/3CaCO318+H2O16當(dāng)反應(yīng)平衡時(shí)，其平衡常數(shù)與溫度間有確定關(guān)系，即碳酸鈣的氧同位素組成是溫度的函數(shù)。當(dāng)溫度升高時(shí)，相對較輕的16O由于活性高易于遷移，被優(yōu)先吸收進(jìn)生物殼體，致使其18O含量相對減少，因而殼體中18O值隨溫度的上升而下降。常用中生代的箭石，新生代的軟體動(dòng)物、顆石藻及有孔蟲。但不是所有生物殼體均能進(jìn)行這種測定，如棘皮類、珊瑚類及介形蟲等，因?yàn)槠淝疤崾窃撋餁んw能隨溫度變化始終與海水溶液保持同位素的平衡狀態(tài)，也就是說，碳酸鹽物質(zhì)只有在與海水呈同位素平衡狀態(tài)下沉淀時(shí)，碳酸鹽與海水的18O/16O比值的差值才會(huì)嚴(yán)格地是溫度的函數(shù)。T=16.9-4.4(s-w)+0.10(s-w)2T古海水溫度，s殼體中的氧同位素值，w水體中氧同位素值。一般氧穩(wěn)定同位素測溫只限于中、新生代范圍。碳同位素碳同位素沉積地質(zhì)學(xué)中碳同位素的意義1示蹤大氣CO2濃度的變化2示蹤生物圈的興衰和更替3示蹤環(huán)境的變遷沉積地質(zhì)學(xué)中碳同位素的載體生物體（樹木的年輪、葉、骨骼等）冰雪、黃土、泥炭其他沉積物和沉積巖碳同位素碳硫鍶同位素演化絕滅成煤物源分析重礦物在物源分析中的應(yīng)用沉積物地球化學(xué)分析在物源分析中的應(yīng)用同位素測年技術(shù)在物源分析中的應(yīng)用

含鈾微相(鋯石、獨(dú)居石)的U/Pb法、碎屑沉積巖的Rb/Sr法及Sm/Nd法等。離子探針質(zhì)譜法(SHRIMP)和激光探針等離子質(zhì)譜法(LP-ICP2MS)

RoserBP,KorschRJ，1986Bhatia,1983BhatiaMR,1983BhatiaMR,CrookKAW，1986Roser

,Korsch，1988

Dickinson，1979，1980，1983硅質(zhì)巖地球化學(xué)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展實(shí)例：北祁連寒武系-奧陶系硅質(zhì)巖1、北祁連的地質(zhì)背景2、寒武系-奧陶系硅質(zhì)巖野外產(chǎn)狀和特征3、寒武系-奧陶紀(jì)硅質(zhì)巖的地球化學(xué)特征4、討論和結(jié)論硅質(zhì)巖沉積地球化學(xué)

沉積巖的地球化學(xué)特征可以幫助恢復(fù)其形成環(huán)境及其各種背景。近年來，硅質(zhì)巖的常量、微量和稀土元素分析已成為古海洋分析的重要手段。Murray等收集了世界各地已發(fā)表的有代表性的硅質(zhì)巖地球化學(xué)資料，樣品時(shí)代為早古生代至晚第三紀(jì)，包括陸源和DSDP、ODP樣品，總結(jié)出一廣泛適用于各種沉積環(huán)境的地球化學(xué)判別標(biāo)志。

硅質(zhì)巖中的SiO2主要來自生物和海底火山作用，由于大多數(shù)硅質(zhì)巖都含有硅質(zhì)微生物體，因此生物來源可能更為重要。硅質(zhì)巖地球化學(xué)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

常量元素Fe、Mn、Al的含量對于區(qū)分熱液成因硅質(zhì)巖與生物成因硅質(zhì)巖具有重要意義。硅質(zhì)巖中Fe、Mn的富集主要與熱液的參與有關(guān)，而Al的富集則與陸源物質(zhì)的介入有關(guān)。Al/(Al+Fe+Mn)比值是判斷硅質(zhì)巖成因的重要參數(shù)，該比值隨著遠(yuǎn)離擴(kuò)張中心距離的增大而增高，并與熱液系統(tǒng)的影響有關(guān)。Bostrom等提出，海相沉積中Al/（Al+Fe+Mn）值以0.4為界，小于0.4為熱液成因，大于0.4反映碎屑來源。Adachi和Yamamoto指出該比值在0.01（純熱液成因）到0.60（純生物成因）之間變化。

常量元素

Murrary等研究證明，Mn是硅質(zhì)巖形成過程中分離出來的，Mn

和Al的比值不能反映沉積物的沉積環(huán)境，建議用Al/Al+Fe比值判斷沉積環(huán)境。洋中脊Al/Al+Fe值平均為0.12，北太平洋硅質(zhì)巖的Al/Al+Fe比值0.32。日本中部的三疊紀(jì)大陸邊緣的層狀硅質(zhì)巖Al/Al+Fe為0.6，DSDP62的白堊紀(jì)硅質(zhì)巖Al/Al+Fe值為0.62。Bostrom和Yamamoto還擬定了Al—Fe—Mn三角圖解進(jìn)行判別，發(fā)現(xiàn)所有熱液成因硅質(zhì)巖比值均落于圖解富Fe端，生物成因硅質(zhì)巖比值均落于圖解富Al端。常量元素常量元素構(gòu)造環(huán)境Al/（Al+Fe+Mn）Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）MnO/TiO2背景值Bostrom,1969Gromet,1984Murray,1994；王安東，1995大陸邊緣＞0.4（0.619）0.5—0.9（0.6）＜0.5洋盆（＜0.4）0.4—0.7（0.32）0.5—3.5洋中脊（0.01）＜0.4（0.12）常量元素圖3-1硅質(zhì)巖Al—Fe—Mg三角圖（據(jù)W.Adachi，1986）A—非熱液成因硅質(zhì)巖區(qū)

B—熱水沉積硅質(zhì)巖區(qū)常量元素現(xiàn)代海洋沉積物Fe/Ti-Al/（Al+Fe+Mn）A-生物成因硅質(zhì)巖,B-平均遠(yuǎn)洋粘土,C-海淵熱水沉積物,D、E-熱水粘土,F-西太平洋沉積物,EPR-熱液單元沉積物,TM-陸緣物質(zhì)單元沉積物,BM-生物物質(zhì)單元沉積物常量元素硅質(zhì)巖的稀土元素總量（ω（REE））規(guī)律不明顯，在受陸源影響的環(huán)境中含量較高（如大陸邊緣盆地），但在遠(yuǎn)離陸源的遠(yuǎn)洋和深海盆地中，沉積速率越低，硅質(zhì)巖在海水中吸附的稀土元素越多。稀土元素鑭/鐿比（Lan/Ybn）可以衡量輕/重稀土配分。在受陸源影響的環(huán)境中，輕稀土富集比較明顯（ω（Lan）/ω（Ybn）=1.49-1.74）。而在遠(yuǎn)洋和深海盆地中，輕稀土明顯虧損（ω（Lan）/ω（Ybn）為0.70左右）。大陸邊緣地區(qū)受陸源、沉積速率、火山熱液等因素影響，輕稀土虧損程度介于前二者之間。硅質(zhì)巖中的（ω（Lan）/ω（Cen）與之相反，大陸邊緣的（ω（Lan）/ω（Cen）為0.5-1.5，大洋盆地為1.0-2.5，洋中脊為3.5。稀土元素硅質(zhì)巖中的Ce異常（ω（Ce））受介質(zhì)性質(zhì)、陸源供給、沉積速率影響?，F(xiàn)代環(huán)境研究表明，河水中Ce與其它輕稀土元素沒有發(fā)生分餾，Elderfield等報(bào)道了40條河流中ω（Ce）介于0.7-1.2之間，ω（Ce）平均值為1.0。海灣與河流具有相似的Ce異常特征，近岸海水的REE含量與主要河流的流量、注入淡水的體積以及沿岸海水與開放洋盆間的水循環(huán)狀況有關(guān)，沿岸海水中ω（Ce）與海灣水相似,在頁巖標(biāo)準(zhǔn)化模式圖上沒有明顯的Ce異常，ω（Ce）=0.8-1.2。開放洋盆中海水具有極低的ω（Ce）值介于0.2-0.3之間。稀土元素沉積物中Ce異常與沉積介質(zhì)中的Ce異常相關(guān)。大陸邊緣水體中Ce異常虧損不明顯，Murray等統(tǒng)計(jì)大陸邊緣的硅質(zhì)巖的ω（Ce）平均為0.67-1.35,受陸源物質(zhì)影響，局限海盆或洋盆（如地中海、紅海）也沒有明顯的Ce負(fù)異常顯示。但典型開放洋盆中海水的Ce極度虧損。深海沉積物表面Ce異常明顯虧損，ω（Ce）=0.25左右，如東太平洋洋隆2000-3000m深處的海水ω（Ce）為0.04。由此可以看出，Ce的明顯負(fù)異常特征可指示遠(yuǎn)洋環(huán)境。稀土元素北祁連的地質(zhì)背景據(jù)馮益民,1996修改

寒武系-奧陶系地層和硅質(zhì)巖產(chǎn)狀和特征北祁連寒武系-奧陶系硅質(zhì)巖發(fā)育，主要夾于基性火山巖或火山碎屑巖中。其中奧陶系硅質(zhì)巖多位于枕狀熔巖之上。硅質(zhì)巖以薄層、灰黑色為主。上述硅質(zhì)巖風(fēng)化后顯紅色，反映巖石中鐵質(zhì)較高，與深海硅質(zhì)巖類似。北祁連寒武系—奧陶系劃分簡表南石門子組奧陶系上統(tǒng)

中堡群中統(tǒng)下統(tǒng)陰溝組

車輪溝群寒武系中統(tǒng)香毛山組大黃山組黑茨溝組下統(tǒng)天祝組扣門子組

斜壕組

南石門子組斯家溝組妖魔山組

常量元素

構(gòu)造環(huán)境產(chǎn)地樣品數(shù)（個(gè)）Al/（Al+Fe+Mn）Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）MnO/TiO2中心式火山裂谷石青硐甘露池130.55—0.91（0.80）0.44—0.88（0.74）0.05—0.38（0.20）裂隙式火山裂谷向前山30.50—0.62（0.57）0.39—0.51（0.47）0.25—0.50（0.33）被動(dòng)大陸邊緣崔家墩40.29—0.79（0.56）0.22—0.71（0.47）0.08—0.12（0.10）洋中脊大克岔90.63—0.90（0.82）0.53—0.86（0.75）0.13—0.36（0.36）島弧石灰溝110.43—0.84（0.67）0.35—0.80（0.45）0.04—3.25（0.66）弧后盆地毛毛山黑茨溝老虎山1320.55—0.78（0.63）0.39—0.70（0.50）0.15—1.70（0.49）背景值Bostrom,1969Gromet,1984Murray,1994；王安東，1995大陸邊緣＞0.4（0.619）0.5—0.9（0.6）＜0.5洋盆（0.4）0.4—0.7（0.32）0.5—3.5洋中脊（0.01）＜0.4（0.12）常量元素

常量元素

常量元素

常量元素

常量元素

稀土元素北祁連寒武紀(jì)硅質(zhì)巖的ω（Ce）反映的Ce副異常不明顯。ω（Ce）值4個(gè)樣品介于0.7—1之間，其它樣品均大于1，不具備Ce副異常，明顯不同于大洋盆地的明顯的Ce負(fù)異常，接近于大陸邊緣盆地的Ce異常特征。甘露池、石青洞兩地平坦?fàn)?，即不同于大陸邊緣的明顯輕稀土元素富集的配分模式，也不同于開放洋盆的重稀土富集的配分模式。天祝