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沉積岩（三）岩化與分類沉積岩（三）岩化與分類
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這講在回答：鬆散的沉積物怎麼變成堅硬的岩石？沉積岩怎麼分類？看到一塊砂岩或石灰岩，可以從它的組成推回什麼樣的來源和沉積環境？
考前 30 秒
- 成岩作用（diagenesis）：約 150 °C 以下；壓密 + 排出流體 + 膠結 = 岩化（lithification）；再高溫就是變質作用。
- 孔隙率：等大圓石英球 ~33 %；隨機排列的海底黏土可達 60–80 %，壓密時黏土片轉成平行層面。分選越差，孔隙率越低。
- 膠結物：石英（次生加大、灰塵環）、方解石（最易溶的造岩礦物）、氧化鐵；壓溶在顆粒接觸點溶解、在孔隙沉澱；石灰岩中形成 ⊥ 最大壓應力的縫合線。
- 白雲石化：Mg²⁺ 取代 Ca²⁺，石灰岩 → 白雲岩；白雲石莫耳體積比方解石小 13 % → 孔隙率增加。
- 分類依據 ★：形成沉積岩的沉積物種類——矽質碎屑岩依粒徑（泥岩、砂岩、礫岩）；生物岩與化學岩依成分（和沉積方式）：碳酸鹽岩、燧石、煤、蒸發岩、磷灰岩、鐵礦層。★ 2024 C8、2025 C4
- 砂岩：基質 < 15 % 淨砂岩（石英砂岩、長石砂岩、岩屑砂岩 > 25 % 岩屑）／> 15 % 雜砂岩（graywacke，海相濁流）。
- Dunham 分類：泥岩、粒泥岩（灰泥支撐）、泥粒岩、顆粒岩（顆粒支撐）、黏結岩。
- 磷灰岩 > 18 wt% P₂O₅；鐵礦層 ≥ 15 wt% 總鐵。
先認識的名詞
| 名詞 | English | 一句話 |
|---|---|---|
| 成岩作用 | diagenesis | 沉積物埋藏後在低溫低壓下發生的物理化學變化 |
| 岩化 | lithification | 壓密與膠結使沉積物變成岩石 |
| 壓密 | compaction | 顆粒重新排列、孔隙水被擠出、體積變小 |
| 膠結 | cementation | 孔隙水沉澱礦物把顆粒黏在一起 |
| 壓溶 | pressure solution | 顆粒接觸點高壓溶解、在低壓孔隙沉澱 |
| 縫合線 | stylolite | 壓溶形成的鋸齒狀面，不溶物殘留其上 |
| 結核 | concretion | 膠結物在某處集中沉澱形成的硬塊 |
| 白雲石化 | dolomitization | 方解石、霰石被白雲石交代 |
| 基質 | matrix | 和顆粒同時沉積、填在顆粒間的細粒物質 |
| 膠結物 | cement | 沉積之後才在孔隙中沉澱的礦物 |
| 淨砂岩／雜砂岩 | arenite / wacke (graywacke) | 泥質基質 < 15 %／> 15 % |
| 長石砂岩 | arkose (feldspathic arenite) | 長石含量高、多來自花崗岩的未成熟砂岩 |
| 他化顆粒 | allochem | 碳酸鹽岩中的顆粒（化石碎片、鮞粒、糞粒），≥ 0.5 mm |
| 亮晶 | spar | 填在孔隙中的粗粒碳酸鹽膠結物 |
| 疊層石 | stromatolite | 藍綠菌黏住灰泥形成的細紋層圓頂構造 |
| 磷灰岩 | phosphorite | P₂O₅ > 18 wt% 的沉積岩，磷肥主要來源 |
| 前陸盆地 | foreland basin | 造山帶與克拉通之間、因逆衝負載撓曲形成的盆地 |
這一講的邏輯地圖
★ = 考試重點。
1. 成岩作用
溫度壓力增加時，沉積物經歷壓密 → 排出流體 → 膠結，變成沉積岩（岩化）；約 150 °C 以上就進入變質作用。
壓密
- 等大的圓石英球隨機堆積，孔隙率約 33 %（體積）；如果孔隙流體排得出去，壓密有限。
- 海洋黏土：片狀黏土隨機排列、吸附水，孔隙率可達 60–80 %；壓密（脫水）時黏土片轉成平行層面（→ 頁岩的頁理）。
- 分選越差，孔隙率越低（小顆粒填進大顆粒的空隙）。
膠結與壓溶
- 沉積：孔隙水很快就對接觸的礦物飽和（滲透率高）。
- 壓密 + 脫水：孔隙水往上流動，壓力降低使大多數礦物溶解度下降 → 沉澱成膠結物，把碎屑顆粒黏在一起，也會交代較不穩定的礦物。膠結物的成分主要取決於沉積物本身的成分。有時往外逃的流體反而溶掉膠結物、增加孔隙率。
- 壓溶：顆粒接觸點壓力高，固體溶入孔隙水，再沉澱到壓力低的相鄰孔隙。
石英膠結：常見於砂岩或含大量火山灰的沉積物。沉澱時在碎屑石英外面以相同的結晶（光學）方向長出來（次生加大），原本顆粒表面的黏土或氧化鐵留下一圈灰塵環（dust ring）；壓溶時兩顆圓石英互相溶解壓平。
方解石膠結：碳酸鹽岩和富石英砂岩都常見；方解石是最易溶的造岩礦物，溶解度受壓力影響。壓溶發生在：(1) 顆粒邊界；(2) 垂直最大壓應力的面上，通常是近水平面 → 縫合線（stylolite）：不溶的黏土、石英堆積在溶解面上成為殘留物；溶掉的方解石可在別處沉澱成脈。例：印第安納州密西西比紀 Salem 石灰岩。
結核（concretion）：膠結物集中在某處（常以化石或顆粒為核）沉澱形成的硬塊，例：新墨西哥 Bisti Badlands 像裂開的蛋的岩石。
再結晶與白雲石化
- 再結晶（較高溫、固態）：碳酸鹽沉積物（以雙晶改變形狀）✓、蒸發岩 ✓；石英 ✗（要到變質作用才會）。作用是降低孔隙率，讓沉積物變成堅硬塊狀的岩石。
- 白雲石化：白雲石很少是原生沉積；方解石和霰石被白雲石交代，Mg²⁺ 取代 Ca²⁺ 的位置：石灰岩 → 白雲岩。溶液同時溶解碳酸鈣、沉澱白雲石；白雲石的莫耳體積比方解石小約 13 %，所以孔隙率增加（好的油氣儲集岩）。
自我檢測 1
- 成岩作用和岩化的關係？溫度上限約多少？
- 為什麼海底黏土孔隙率可達 80 %？壓密後黏土怎麼排列？
- 石英膠結在顯微鏡下有什麼特徵？
- 縫合線怎麼形成？方向和應力有什麼關係？
- 白雲石化為什麼會增加孔隙率？
答案：(1) 成岩作用包含壓密、排出流體、膠結等，結果是岩化（沉積物變成岩石）；約 150 °C，超過就是變質作用。(2) 片狀黏土隨機排列並吸附大量水；壓密脫水後轉成平行層面。(3) 在碎屑石英外以相同光學方向長出次生加大，中間有黏土或氧化鐵的灰塵環。(4) 壓溶在垂直最大壓應力的面（常近水平）上溶解方解石，不溶物殘留成鋸齒狀的面；垂直最大壓應力。(5) 白雲石的莫耳體積比方解石小約 13 %，交代後體積縮小、留下孔隙。
2. 沉積岩的分類 ★
分類依據：形成沉積岩的沉積物種類（2024 C8、2025 C4，8 分）
| 大類 | 分類依據 | 岩石類型 |
|---|---|---|
| 矽質碎屑沉積岩 siliciclastic | 粒徑 | 泥岩（< 1/16 mm：黏土岩、粉砂岩、頁岩）、砂岩（1/16–2 mm）、礫岩／角礫岩（> 2 mm） |
| 生物沉積岩 biogenic | 成分 | 碳酸鹽岩（石灰岩、白雲岩）、燧石、煤 |
| 化學沉積岩 chemical | 成分與沉積方式 | 蒸發岩、碳酸鹽岩、磷灰岩、條帶狀鐵礦層（BIF） |
- 有些岩石同時屬於兩類（例：碳酸鹽岩可以是生物也可以是化學成因）。
- 作答模板：先寫「依沉積物來源分三大類」，碎屑岩依粒徑再分三種並寫粒徑界線，生物與化學岩依成分列出四到五種，最後一句「有些岩石可同時屬於兩類」。
3. 矽質碎屑沉積岩
泥岩（mudrock）
- 最多的沉積岩，約 2/3 是頁岩（有頁理 fissility，來自黏土礦物平行排列）。
- 黏土岩：黏土 + 石英 ± 雲母；粉砂岩：> 1/3 石英 + 黏土。
- 顆粒小，以懸浮搬運，在浪基面以下沉積，近水平層理、紋層；生物擾動（bioturbation）；黏土含水量高（~80 %）→ 易滑移形成滑移褶皺；成岩時發展頁理。
- 有機質：油母質，加熱 → 石油、天然氣 → 石墨；不透明、暗褐色、通常平行層面。還原環境產生 H₂S，加 Fe → 黃鐵礦 FeS₂；風化時氧化成褐鐵礦／赤鐵礦和硫酸。
- 顏色：紅（赤鐵礦 Fe₂O₃，淺水或強循環的氧化環境，常有泥裂）、褐（褐鐵礦 FeO(OH)·nH₂O）、綠、灰、黑（有機質，深水缺氧）；紋泥 varve。
- 大地構造環境：聚合板塊邊界（弧前盆地、濁積岩、前陸盆地）、被動大陸邊緣（大陸棚、大陸斜坡、濁積岩、深海平原）。
砂岩 ★
砂岩約占沉積岩 25 %，由組構（成熟度）和成分（抗風化程度）分類。四個組成：顆粒、基質、膠結物、（有時）孔隙。基質是同時沉積的（syndepositional），膠結物是沉積後的（postdepositional）。
| 類型 | 組成 | 成熟度 | 環境與意義 |
|---|---|---|---|
| 石英砂岩 quartz arenite | 幾乎都是石英，少量抗風化重礦物（鋯石、磁鐵礦、電氣石） | 成熟 | 波浪／水流或風搬運很久；河流不夠（無法淘汰所有軟礦物）；克拉通被動邊緣、沙漠；孔隙 0–20 %；膠結物：石英、方解石、白雲石、鐵白雲石、褐鐵礦、赤鐵礦、石膏、黏土 |
| 長石砂岩 arkose（feldspathic arenite） | 礦物組合像花崗岩、花崗閃長岩：長石（多為粉紅色微斜長石）、雲母（多為白雲母） | 未成熟（顆粒不圓） | 河流、沖積扇；交錯層理；和泥岩互層；源岩是花崗岩 |
| 岩屑砂岩 lithic arenite | > 25 % 岩屑、< 15 % 泥質基質；岩屑是沉積岩、火山岩、低度變質岩 | 未成熟 | 河流；來自年輕造山帶的侵蝕；多不含鉀長石；有機質使岩石呈灰色；膠結物石英或方解石 |
| 雜砂岩 wacke（graywacke） | > 15 % 泥質基質；顆粒：石英、斜長石（多已和海水反應成鈉長石）、細粒岩屑；通常沒有膠結物 | — | 深色、海相；濁流（粒級層理）、和深水黑色頁岩互層；層底有底痕（負荷鑄型、槽鑄型）；常輕度變質出板劈理，黏土 → 綠泥石、絹雲母 |
礫岩與角礫岩
- 形成於高能或高地形起伏的環境：滯留沉積（河流滯留，例：火星 Pathfinder 著陸點 Ares Vallis 的洪氾平原）、不整合面上。角礫岩的礫石是角狀。
- 顆粒支撐礫岩（clast-supported）vs 基質支撐礫岩（matrix-supported，礫石被細粒沉積物帶著走：冰磧、土石流、火山泥流）。風稜石（dreikanter）是被風磨出稜面的礫石。
- 單成分礫岩（oligomict，礫石只有一種岩石）vs 複成分礫岩（polymict，兩種以上，較不成熟、較不圓）。
- 礦床：砂積礦床（金）；孔隙、裂隙中的礦床：鈾（① 富集在泥岩 ② 被熱液溶解再分布 ③ 遇到有機質強烈還原而沉澱）、銅。
自我檢測 3
- 簡述沉積岩的基本分類依據以及岩石類型。
- 基質和膠結物的差別？
- 四種砂岩的組成、成熟度、環境？
- 為什麼河流搬運通常形不成石英砂岩？
- 顆粒支撐和基質支撐礫岩的差別？
答案：(1) 依形成它的沉積物種類：矽質碎屑岩依粒徑分泥岩、砂岩、礫岩；生物岩依成分分碳酸鹽岩、燧石、煤；化學岩依成分與沉積方式分蒸發岩、碳酸鹽岩、磷灰岩、條帶狀鐵礦層；有些可同屬兩類。(2) 基質是和顆粒同時沉積的細粒物質；膠結物是沉積後在孔隙中沉澱的礦物。(3) 石英砂岩：幾乎全石英、成熟、被動邊緣或沙漠；長石砂岩：長石多、未成熟、河流沖積扇、源自花崗岩；岩屑砂岩：> 25 % 岩屑、未成熟、河流、來自年輕造山帶；雜砂岩：> 15 % 泥質基質、深色海相濁流。(4) 河流的搬運不足以把所有較軟、易風化的礦物淘汰掉。(5) 顆粒支撐：礫石互相接觸撐起骨架；基質支撐：礫石浮在細粒基質中，被細粒沉積物帶著走（冰磧、土石流）。
4. 碳酸鹽岩
- 包括石灰岩與白雲岩，約占沉積岩 15 %（三大類中最少）。
- 含海相化石；形成於低緯度的淺海台地（溫暖氣候時可到北緯 40°），常和成熟的石英砂岩共生。
- 經濟價值：建材、石灰（混凝土中的水泥）；部分溶解時成為含水層、油氣儲集層、觀光洞穴。
- 組成：(1) 他化顆粒（allochems，≥ 0.5 mm）；(2) 細粒的碳酸鹽灰泥基質；(3) 孔隙，可能被粗粒碳酸鹽膠結物（亮晶 spar）填滿；少量矽質碎屑。
Dunham 分類
石灰岩
- 一般層理發達；和白雲岩、泥岩互層（黏土包圍的結核）；較粗的他化顆粒石灰岩有交錯層理、河道構造、覆瓦狀構造。
- 顆粒岩（grainstone）：高能環境，沒有泥級顆粒，分選程度不一；可有丘狀交錯層理（HCS）、窪狀交錯層理（SCS）。
- 泥岩到泥粒岩：較平靜的環境；灰泥來自他化顆粒的磨蝕、生物鑽孔、鈣質綠藻崩解。白堊（chalk）+ 燧石結核：燧石可能含矽質化石；白堊紀海水面高、陸緣海廣布。
- 黏結岩（boundstone）：珊瑚礁（現代只在赤道 ±30° 內，可當古緯度指標）；疊層石：藍綠菌（藍綠藻）的絲狀菌墊黏住碳酸鹽灰泥，形成十公分到公尺級圓頂的細紋層岩石，各時代都有，最早的化石（3.5 Ga）。
- 湖相石灰岩：泥灰岩（marl，淡水石灰岩比海相含更多黏土）；和矽質碎屑岩、蒸發岩互層。
- 泉華（tufa）、石灰華（travertine）、鈣積層（caliche，硬盤 hardpan）：陸上碳酸鹽沉澱。
白雲岩
- 由石灰岩白雲石化而成，通常在深埋時；介於兩者的中間成員很少。
- 野外辨認：風化面呈淺黃褐色（buff）（白雲石結構中含少量鐵）、對稀鹽酸反應很慢。
自我檢測 4
- 碳酸鹽岩的三種組成？
- Dunham 分類的五類與判斷標準？
- 顆粒岩代表什麼環境？泥岩呢？
- 疊層石是什麼？為什麼重要？
- 野外怎麼分辨白雲岩和石灰岩？
答案：(1) 他化顆粒（≥ 0.5 mm）、細粒碳酸鹽灰泥基質、孔隙（可被亮晶膠結物填滿）。(2) 沉積時被生物黏結 → 黏結岩；沒黏結：灰泥支撐且顆粒 < 10 % → 泥岩、> 10 % → 粒泥岩；顆粒支撐且有灰泥 → 泥粒岩、無灰泥 → 顆粒岩。(3) 顆粒岩：高能（灰泥被洗掉）；泥岩：低能、平靜。(4) 藍綠菌菌墊黏住碳酸鹽灰泥形成的細紋層圓頂構造；各時代都有，是最早的化石（3.5 Ga）。(5) 白雲岩風化面淺黃褐色、遇稀鹽酸反應很慢；石灰岩遇冷稀鹽酸劇烈冒泡。
5. 煤、油氣、蒸發岩、磷灰岩、鐵礦層與盆地
煤
植物材料在氧化前被埋藏；有機質是不透明、非晶質、富碳的固體（原地或搬運而來）。
- 埋藏 → 低階褐煤（lignite／brown coal）→ 成岩作用 → 煙煤（bituminous，細紋層；燭煤 cannel coal）→ 低度變質 → 最高階無煙煤（anthracite：油脂光澤、金屬反光、貝殼狀斷口）。
油氣
- 源岩：黑色頁岩（油母質）；遷移：經過高滲透率的岩層往上；儲集岩：高孔隙率（砂岩、白雲岩、溶蝕石灰岩），上面要有不透水的蓋層（背斜、斷層、鹽丘封閉）。
蒸發岩
- 岩鹽：密度低，形成底辟、鹽丘；地中海晚中新世（10–5 Ma）的大量岩鹽。
- 第 4 個沉澱的是鉀石鹽 sylvite（KCl）：90 % 以上海水蒸發、> 34 °C。
磷灰岩
- > 18 wt% P₂O₅，磷肥的主要來源。
- 由**膠磷礦（collophane，非晶質磷灰石）**組成：小球粒（> 0.05 mm）到公分級結核；鮞粒（磷灰石 + 燧石 + 碳酸鹽礦物 ± 黏土基質）。
- 多為黑色、細粒、層理良好（mm 到 m 尺度）。
- 成因：可能來自主要堆積在淺海（偶爾在湖泊）的動物殘骸；碳酸鹽被磷灰石交代；常和海相石灰岩、矽質泥岩、含海綠石（自生黏土礦物）的綠色砂岩互層。
鐵礦層
- ≥ 15 wt% 總鐵、沉積成因的化學沉積岩；薄條帶或紋層狀；不一定含燧石層。
- 平均成分：SiO₂ 45–55 wt%、總 Fe 約 30 wt%（FeO ~25 %、Fe₂O₃ ~20 %）、CaO + MgO 3–8 wt%。
- 本身不一定是鐵礦（要再富集才有經濟價值）。
前陸盆地（沉積盆地與板塊）
DeCelles & Giles (1996)：前陸盆地系統是在大陸地殼上、位於收縮造山帶與相鄰克拉通之間的狹長沉積空間，主要由隱沒與周緣或弧後褶皺逆衝帶的地球動力過程造成；分成四個沉積區：楔頂（wedge-top）、前淵（foredeep）、前隆（forebulge）、後隆（back-bulge）（沉積物屬於哪一區看的是沉積當時的位置）；長度大約等於褶皺逆衝帶的長度。台灣西部麓山帶與海岸平原就是前陸盆地。
自我檢測 5
- 煤的煤階由低到高？
- 油氣系統需要哪三種岩石？
- 磷灰岩的定義與成因？
- 鐵礦層的定義？
- 前陸盆地的四個沉積區？
答案：(1) 泥炭 → 褐煤 → 煙煤 → 無煙煤（→ 石墨）。(2) 源岩（黑色頁岩）、遷移通道（高滲透率）、儲集岩（高孔隙率），加上蓋層封閉。(3) P₂O₅ > 18 wt% 的沉積岩，主要由膠磷礦組成；可能來自淺海動物殘骸堆積，碳酸鹽被磷灰石交代。(4) 總鐵 ≥ 15 wt% 的沉積成因化學沉積岩，薄條帶或紋層狀，不一定含燧石。(5) 楔頂、前淵、前隆、後隆。
容易混淆
| 這個 | 那個 | 差別 |
|---|---|---|
| 成岩作用 | 變質作用 | < 約 150 °C／更高溫 |
| 壓密 | 膠結 | 擠掉孔隙／孔隙中沉澱礦物黏住顆粒 |
| 基質 | 膠結物 | 同時沉積／沉積後沉澱 |
| 淨砂岩 | 雜砂岩 | 基質 < 15 %／> 15 % |
| 長石砂岩 | 岩屑砂岩 | 長石多、源自花崗岩／岩屑 > 25 %、源自年輕造山帶 |
| 礫岩 | 角礫岩 | 圓礫／角礫 |
| 顆粒支撐 | 基質支撐 | 礫石互相接觸／浮在基質中 |
| 單成分 | 複成分礫岩 | 一種岩石的礫／兩種以上、較不成熟 |
| 泥岩（Dunham） | 泥岩（碎屑） | 碳酸鹽灰泥、顆粒 < 10 %／矽質碎屑泥 |
| 石灰岩 | 白雲岩 | 冷鹽酸劇烈冒泡／反應慢、風化面淺黃褐 |
| 磷灰岩 | 鐵礦層 | P₂O₅ > 18 %／總鐵 ≥ 15 % |
章末綜合題
- 2024 C8／2025 C4：簡述沉積岩的基本分類依據以及岩石類型（8 分）。
- 說明壓溶如何形成縫合線，以及為什麼縫合線通常近水平。
- 一塊砂岩：60 % 石英、30 % 粉紅色鉀長石、角狀、分選差、夾在沖積扇礫岩中，是什麼砂岩？推測來源？
- 雜砂岩為什麼常有粒級層理和板劈理？
- 白雲石化對油氣儲集有什麼影響？