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沉積岩(一)沉積物從哪裡來沉積岩(一)沉積物從哪裡來
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這講在回答:沉積物從哪裡來?岩石怎麼被拆成碎屑和溶解的離子?碎屑的大小、形狀、分選告訴我們什麼?生物和化學作用又產生哪些沉積物?(羅立老師,對應課本 Ch11–12;投影片是英文,名詞中英都要會。)
考前 30 秒
- 沉積物來源:火成、變質、沉積岩的風化。物理風化(沿裂隙破碎:冰凍融解、鹽晶成長、植物根)增加表面積,讓化學風化更快。
- 雨水溶有 CO₂,pH ≈ 5.3,微酸 → 加速水合、碳酸化、水解(橄欖石碳酸化、鉀長石水解成高嶺石);化學風化會移除大氣 CO₂。
- Udden–Wentworth 粒徑:黏土 < 1/256 mm(0.004)< 粉砂 < 1/16 mm(0.0625)< 砂 < 2 mm < 礫;每級 ×2。
- 分選(sorting):粒徑分布集中程度;海灘、沙漠砂分選好,冰磧分選差。★ 2025 名詞解釋
- 組構成熟度 = 圓度 + 分選:未成熟 → 次成熟 → 成熟 → 超成熟。風磨蝕比河流有效好幾個數量級(空氣黏度低、沒有緩衝),風砂表面有霧面撞擊痕。
- 抗風化礦物:石英、石榴子石、磁鐵礦、鈦鐵礦、鋯石、電氣石 → 砂積礦床(金、鈦鐵礦、鑽石、錫石)。
- 生物碳酸鹽:有孔蟲、顆石藻、珊瑚(霰石)→ 隨時間變成低鎂方解石;CCD 以下碳酸鹽溶光,只剩矽質軟泥(矽藻、放射蟲)。
- 蒸發岩順序:碳酸鹽 → 石膏/硬石膏 → 岩鹽 → 鉀鹽;條帶狀鐵礦層(BIF)只在前寒武紀(3.8–1.8 Ga、0.8–0.6 Ga)。
- 冰磧(till)沒有分選、礫石有擦痕;冰水沉積有分選(kame、esker、紋泥 varve)。
先認識的名詞
| 名詞 | English | 一句話 |
|---|---|---|
| 物理風化 | physical weathering | 岩石沿裂隙(節理、解理、顆粒邊界)破碎 |
| 化學風化 | chemical weathering | 礦物和水、O₂、CO₂ 反應,溶解或變成新礦物 |
| 水解 | hydrolysis | 礦物和水反應,H⁺ 取代陽離子(長石 → 黏土) |
| 碎屑 | detritus | 風化破碎後被搬運的岩石與礦物顆粒 |
| 分選 | sorting | 沉積物粒徑分布的集中程度 |
| 圓度 | roundness | 顆粒稜角被磨圓的程度 |
| 組構成熟度 | textural maturity | 顆粒的圓度加上分選程度 |
| 砂積礦床 | placer deposit | 比重大、抗風化的礦物在河流海灘中集中形成的礦床 |
| 鮞粒 | ooid (oolith) | 砂粒大小、碳酸鹽同心層包覆的球粒 |
| 糞粒 | pellet (peloid) | 生物排遺形成的砂粒大小顆粒 |
| 碳酸鹽補償深度 | carbonate compensation depth (CCD) | 碳酸鹽沉降量等於溶解量的深度 |
| 溶躍面 | lysocline | 碳酸鹽溶解開始明顯的深度 |
| 油母質 | kerogen | 沉積物中埋藏的生物有機質,加熱生成油氣 |
| 蒸發岩 | evaporite | 鹽水蒸發沉澱形成的岩石 |
| 條帶狀鐵礦層 | banded iron formation (BIF) | 富鐵層與燧石層交替的前寒武紀化學沉積 |
| 冰磧 | till | 冰河直接堆積、沒有分選的沉積物 |
| 紋泥 | varve | 一年一對(夏粗冬細)的湖相紋層 |
這一講的邏輯地圖
★ = 考試重點。
1. 風化
物理風化
岩石沿裂隙破開:
- 岩石尺度:節理(構造作用、火成岩冷卻、侵蝕抬升卸壓時釋放應力)。
- 礦物尺度:解理、顆粒邊界。
- 機制:水的冰凍與融解、裂隙中鹽晶成長、植物根生長。
- 意義:提供水(最主要的化學風化劑)進入的通道,並增加表面積讓化學風化更快。
化學風化
雨水溶有 O₂ 和 CO₂,呈微酸性:大氣 CO₂ 約 390 ppmv 時 pH ≈ 5.3,透過水合與碳酸化反應加速礦物風化:
- 橄欖石的碳酸化:Mg₂SiO₄ + 4CO₂ + 4H₂O → 2Mg²⁺ + 4HCO₃⁻ + H₄SiO₄
- 鉀長石的水解:2KAlSi₃O₈ + 2H⁺ + 9H₂O → Al₂Si₂O₅(OH)₄(高嶺石)+ 2K⁺ + 4H₄SiO₄
這些反應把大氣的 CO₂ 變成 HCO₃⁻ 帶進河流海洋,移除大氣 CO₂,是長時間尺度的氣候調節器。
自我檢測 1
- 物理風化有哪些機制?為什麼它會加速化學風化?
- 雨水為什麼是酸性?pH 約多少?
- 寫出鉀長石水解成高嶺石的反應。
- 化學風化和大氣 CO₂ 有什麼關係?
答案:(1) 冰凍融解、鹽晶成長、植物根生長,沿節理、解理、顆粒邊界破碎;它提供水進入的通道、增加表面積。(2) 溶有大氣 CO₂ 形成碳酸,pH 約 5.3。(3) 2KAlSi₃O₈ + 2H⁺ + 9H₂O → Al₂Si₂O₅(OH)₄ + 2K⁺ + 4H₄SiO₄。(4) 碳酸化與水解反應消耗 CO₂,變成 HCO₃⁻ 帶走,移除大氣 CO₂。
2. 碎屑:粒徑、分選、圓度 ★
粒徑
碎屑的粒徑和源岩的粒徑有關,搬運時因破碎與磨蝕而變小。顆粒越細,越容易被水或風搬運。
| 名稱 | 粒徑(mm) | 對應的岩石 |
|---|---|---|
| 巨礫 boulder | > 256 | 礫岩 |
| 中礫 cobble | 64–256 | 礫岩 |
| 細礫 pebble | 4–64 | 礫岩 |
| 粒 granule | 2–4 | 礫岩 |
| 砂 sand | 1/16–2 | 砂岩 |
| 粉砂 silt | 1/256–1/16 | 粉砂岩 |
| 黏土 clay | < 1/256 | 黏土岩、頁岩 |
這是 Udden–Wentworth 粒徑,每一級是上一級的 1/2(×2 或 ÷2)。量粒徑:用不同孔徑的篩子過篩,或用雷射/XRD 等方法。
沉 1 公尺要 18.6 分鐘
分選與圓度
- 分選(sorting):沉積物的粒徑分布;分選好 = 大小一致(多數海灘砂、沙漠砂),分選差 = 大小混雜(多數冰河沉積)。(2025 名詞解釋 Sorting)
- 圓度(roundness):從來源搬到沉積地點的過程中,物理磨蝕和進一步化學風化使顆粒變小、變圓。用和已知圓度的顆粒比對來估計:角狀、次角狀、次圓、圓狀。
組構成熟度
| 成熟度 | 特徵 | 意義 |
|---|---|---|
| 未成熟 immature | 角狀、分選差,大量泥和砂混在一起 | 幾乎沒有搬運 |
| 次成熟 submature | 泥被洗掉,但顆粒仍角狀、分選差 | |
| 成熟 mature | 分選好、次角狀 | 搬運很久,或高能環境強烈攪動 |
| 超成熟 supermature | 分選好、圓 |
影響成熟速率的因素:
- 搬運介質:水的黏度會緩衝顆粒間的碰撞;空氣黏度低、沒有緩衝,所以風的磨蝕比河流有效好幾個數量級,風吹的顆粒表面布滿細小撞擊痕,呈霧面(frosted)。
- 顆粒的抗磨蝕力:有好解理的礦物容易破、軟的礦物容易被磨、易溶的礦物容易溶掉。例外:金(硬度 2.5–3)非常有延展性,能吸收撞擊而不破。
抗風化礦物與砂積礦床
能撐到最後的礦物:主要造岩礦物中的石英(火成)、石榴子石(變質);副礦物中的磁鐵礦、鈦鐵礦、鋯石、電氣石。比重大的抗風化礦物在河流和海灘中被集中,就是砂積礦床(placer deposit):金、鈦鐵礦、鑽石、錫石(SnO₂)。
自我檢測 2
- 寫出黏土、粉砂、砂、礫的粒徑界線。
- 解釋 sorting,舉分選好與分選差的例子。
- 組構成熟度有哪四級?
- 為什麼風的磨蝕比河流有效?
- 哪些礦物抗風化?什麼是砂積礦床?
答案:(1) 黏土 < 1/256 mm;粉砂 1/256–1/16 mm;砂 1/16–2 mm;礫 > 2 mm。(2) 分選是沉積物粒徑分布的集中程度;海灘砂、沙漠砂分選好,冰磧、土石流分選差。(3) 未成熟、次成熟、成熟、超成熟。(4) 水的黏度會緩衝顆粒碰撞,空氣黏度低沒有緩衝,碰撞更劇烈,風砂表面呈霧面。(5) 石英、石榴子石、磁鐵礦、鈦鐵礦、鋯石、電氣石;比重大的抗風化礦物在河流、海灘中被集中形成的礦床,例如金、鑽石、錫石。
3. 生物產生的沉積物
碳酸鹽沉積物
- 演化:前寒武紀的碳酸鹽多為化學沉澱;寒武紀生物大爆發後轉為生物成因,顯生宙碳酸鹽岩變多。
- 生物碳酸鹽主要是 CaCO₃(石灰岩):高鎂方解石(有孔蟲 Globigerina,含數 % Mg)、方解石(顆石藻)、霰石(珊瑚、耳石;霰石是高壓穩定相)。生物做的碳酸鹽會隨時間變成穩定的低鎂方解石(< 5 mol% Mg),所以大多數石灰岩是方解石。
- 碎裂方式:波浪水流搬運、其他生物攻擊 → 粒徑雙峰分布:礫到砂(破碎骨骼)和泥(骨骼磨碎,或鈣質綠藻如 Penicillus 崩解)。
- 糞粒(pellets、peloids):許多生物排遺形成的砂粒大小顆粒。
- 珊瑚礁:下古生代起出現;藻類 + 造礁珊瑚共生;需要溫暖、清澈、水深 < 20 m(光合作用);低潮時暴露在波浪中,生長與破壞動態平衡,對環境變化很敏感。
- 無機碳酸鹽:鮞粒(ooid):次圓、砂粒大小,由霰石或方解石同心層包覆;出現在強水流攪動的地方,因為顆粒必須持續滾動,層才會完整包一圈而不是只長一邊。薄片下看得到層間的小不整合和霰石的放射狀生長。由鮞粒組成的叫鮞狀石灰岩。
深海:鈣質軟泥、矽質軟泥與 CCD
- 浮游生物沉到海底:有孔蟲、顆石藻 → 鈣質軟泥;矽藻、放射蟲(和海綿骨針)→ 矽質軟泥 → 燧石。
- CO₂ 在高壓、低溫下溶解度較大 → 深海冷而高壓,碳酸濃度高,溶解方解石。
- CCD(碳酸鹽補償深度):碳酸鹽沉降量等於溶解量的深度;以下沒有碳酸鹽沉積。霰石的補償深度比方解石淺(霰石較易溶)。**溶躍面(lysocline)**是溶解開始明顯的深度,通常在方解石飽和面之下。
- 矽質軟泥沒有深度限制;侏羅紀以來,CCD 以下的最深海底都覆蓋矽質軟泥。
煤與油氣
- 煤:志留紀(約 420 Ma)第一批陸生植物出現後,植物碎屑才成為沉積物的一部分。形成條件:埋藏速度 > 氧化分解速度(例:河口三角洲)。腐爛的有機物消耗氧,Fe³⁺ 不能形成,沉積物呈灰到黑色。大量埋藏有機碳會降低大氣 CO₂(例:石炭紀)。
- 石油:沉積物中動植物殘骸埋藏後的油母質分解,油窗約 60–120 °C、2–4 km。
- 天然氣:更高溫(100–120 °C 以上)、更深(3–6 km)。再深 → 石墨。
自我檢測 3
- 生物碳酸鹽主要由哪些生物產生?為什麼大多數石灰岩是方解石?
- 鮞粒怎麼形成?為什麼代表強水流?
- 珊瑚礁需要什麼環境?
- 什麼是 CCD?為什麼深海會溶解方解石?
- 為什麼 CCD 以下仍有矽質軟泥?
- 油窗的溫度與深度?
答案:(1) 有孔蟲(高鎂方解石)、顆石藻(方解石)、珊瑚(霰石)等;生物做的高鎂方解石與霰石會隨時間轉變成穩定的低鎂方解石。(2) 碳酸鹽在砂粒外一層一層同心沉澱;顆粒必須被強水流持續滾動,每一層才會完整包覆一圈。(3) 溫暖、清澈、水深 < 20 m(光合作用)、低潮時接受波浪作用。(4) 碳酸鹽沉降量等於溶解量的深度;深海低溫高壓,CO₂ 溶解度大,碳酸濃度高,溶解方解石。(5) 矽質殼(矽藻、放射蟲)的溶解不受這個機制控制,沒有深度限制。(6) 約 60–120 °C、2–4 km。
4. 化學沉澱的沉積物
蒸發岩
岩石風化產物中約 20 % 以溶液移走(Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺、SO₄²⁻、Cl⁻、HCO₃⁻…),濃縮到飽和就沉澱。蒸發岩搬運很少、常成層(礦物、粒徑或雜質濃度的變化)。
- 海水:如果完全蒸乾,岩鹽最多;硬石膏在較高溫、高鹽度時比石膏有利。最易溶的鉀鹽最後才出現(投影片:鉀石鹽 KCl 在 90 % 以上海水蒸發、> 34 °C)。
- 乾燥氣候的鹽湖還會有硼酸鹽,例如硼砂 Na₂B₄O₅(OH)₄·8H₂O。
- 紋泥(varve):一年一層的沉積。
- 例:美國新墨西哥州白沙國家公園(石膏砂丘);地中海晚中新世(10–5 Ma)的大量岩鹽。岩鹽密度低,形成鹽丘、底辟。
條帶狀鐵礦層(BIF)
- 世界最主要的鐵礦來源。
- 只出現在前寒武紀:約 3.8–1.8 Ga,以及 0.8–0.6 Ga。
- 2.8–2.2 Ga 的典型 BIF:明顯的公分級條帶:富矽層(燧石或碧玉 = 含細赤鐵礦的燧石;石英)與富鐵層(磁鐵礦、赤鐵礦;菱鐵礦、鐵白雲石、含水鐵矽酸鹽)交替;在主要缺氧的海洋、浪基面以下形成,層可以連續數百公里。
- 2.2–1.8 Ga:條帶較不發達,常有鮞狀組織(燧石基質中的磁鐵礦–赤鐵礦鮞粒),形成於淺水台地。
自我檢測 4
- 海水蒸發時礦物沉澱的順序?完全蒸乾時哪一種最多?
- 什麼條件下硬石膏比石膏有利?
- BIF 的組成、時代與形成環境?
答案:(1) 碳酸鹽(方解石/霰石、白雲石)→ 石膏/硬石膏 → 岩鹽 → 鉀鹽;岩鹽最多。(2) 較高的溫度與鹽度。(3) 富矽層(燧石、碧玉)與富鐵層(磁鐵礦、赤鐵礦)公分級交替;只出現在前寒武紀(約 3.8–1.8 Ga 與 0.8–0.6 Ga);典型 BIF 形成於缺氧海洋的浪基面以下。
5. 冰河沉積
- 移動的冰會磨光底下的岩石,留下擦痕。
- 冰磧(till):從冰層末端或停滯冰塊融化釋出的沉積物,沒有分選,很多巨礫有刻面與擦痕。
- 底積冰磧(lodgement till):在冰層底部形成,極為緊密。
- 消融冰磧(ablation till):融水帶走細粒後留下的粗粒殘留物。
- 冰水沉積(stratified meltwater deposits),有分選、有層理:
- 冰礫阜(kame):沿冰河側邊流動的水沉積。
- 蛇丘(esker):冰下隧道中流動的水沉積。
- 紋泥(varve);外洗平原(outwash plain)。
- 岩石冰河(rock glacier):岩屑和冰混合緩慢流動。
自我檢測 5
- 冰磧和冰水沉積最大的差別?
- lodgement till 和 ablation till 的差別?
- kame 和 esker 各在哪裡沉積?
答案:(1) 冰磧由冰直接堆積,沒有分選、礫石有刻面與擦痕;冰水沉積由融水搬運,有分選和層理。(2) 底積冰磧在冰層底部形成、非常緊密;消融冰磧是融水帶走細粒後剩下的粗粒殘留物。(3) Kame 沿冰河側邊的水流沉積;esker 在冰下隧道中的水流沉積。
容易混淆
| 這個 | 那個 | 差別 |
|---|---|---|
| 物理風化 | 化學風化 | 破碎、成分不變/和水 O₂ CO₂ 反應、成分改變 |
| 分選 | 圓度 | 粒徑是否一致/稜角是否磨圓 |
| 成熟 | 超成熟 | 分選好、次角狀/分選好、圓 |
| 水的磨蝕 | 風的磨蝕 | 黏度高、有緩衝/黏度低、霧面撞擊痕、有效很多 |
| 高鎂方解石、霰石 | 低鎂方解石 | 生物原生/隨時間轉變、大多數石灰岩 |
| 溶躍面 | CCD | 溶解開始明顯/沉降 = 溶解,以下沒有碳酸鹽 |
| 鈣質軟泥 | 矽質軟泥 | 有孔蟲、顆石藻,受 CCD 限制/矽藻、放射蟲,沒有深度限制 |
| 石膏 | 硬石膏 | CaSO₄·2H₂O/CaSO₄,較高溫高鹽 |
| 冰磧 | 冰水沉積 | 無分選/有分選、成層 |
| kame | esker | 冰河側邊/冰下隧道 |
章末綜合題
- 解釋 Sorting(2025 名詞解釋,3 分)。
- 為什麼海灘砂和沙漠砂的組構成熟度高,冰磧和土石流的低?
- 說明 CCD 的成因,以及為什麼深海底同時有鈣質和矽質軟泥的分布規律。
- 依序寫出海水蒸發時的沉澱礦物。
- BIF 為什麼只出現在前寒武紀?(提示:缺氧海洋中 Fe²⁺ 可溶,遇到氧才沉澱成 Fe³⁺。)