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1、地层系统和地质年代11地层的层序1地层的概念地壳发展第一章 地层系统和地质年代1.1 地层的层序1. 地层的概念 地壳发展过程中所形成的层状岩石总称。具有一定时间和空间涵义的层状岩石自然组合。包括沉积岩、火成岩和变质岩。2. 地层层序的建立层状岩石的原始形成序列总是新岩层叠覆在老岩层之上，即“下老上新”。出露地表的岩层常常遭受过构造的变动,发生了倾斜、褶皱、甚至倒转。判断标志1)地层的接触关系相邻地层之间由于沉积环境的变迁，或经历不同的岩浆构造活动过程而造成它们之间不同的接触关系。整合接触 (contormity) 没有明显侵蚀间断的两套岩层间的接触关系不整合接触 (unconformity)

2、 存在明显侵蚀间断的两套岩层间的接触关系。由于地壳运动，原来的沉积区抬升成陆，先形成的沉积物遭受剥蚀作用，而后被年轻的沉积岩层所覆盖。-海侵超覆 平行不整合 (parallel unconformity)不整合面上下两套地层产状大体一致 角度不整合接触 (angular unconformity)不整合面上下两套地层产状不一致侵入接触 断层接触地层的沉积旋回： 海平面上升时期，海水向大陆方向侵进过程中所形成的沉积序列-海进（或海侵）序列 (transgression success)随着海平面不断上升，A点的沉积由相对近岸型逐渐变为远岸型。 在垂向上，而呈现沉积物“上细下粗”的特点。 在横向上

3、，晚期沉积物分布范围大于早期沉积物-超覆(onlap) 海平面下降时期，海水从大陆方向后退过程中所形成的沉积序列-海退序列 (regression success)对A点来说，随着时间的推移，沉积由相对远岸型变为近岸型。 在垂向上，沉积物“下细上粗” 在横向上，晚期沉积物分布范围小于早期沉积物-退覆 (offlap)沉积旋回：当一个海进序列紧接一个海退序列时，就形成了地层中沉积物成分、粒度、化石等特征有规律的镜像对称分布的现象-沉积旋回 (cycle of sedimentation) 非整合接触 (nonconformity)火成岩或变质岩与沉积岩之间的不整合接触关系。 侵入接触 由于岩浆活

4、动，岩浆岩侵入到早已形成的岩层之中所形成的接触关系。可通过烘烤、冷凝现象及捕虏体等特征来识别。 断层接触 断层切割地层所形成的地层之间的接触关系。2)岩石的原生结构和构造沉积岩：层理（交错层理和粒序层理）、波痕、泥裂、重力模等。火山岩：鸟眼构造（气孔杏仁）、枕状熔岩、烘烤边、氧化顶、风化壳、玻璃壳和熔渣壳、岩性的差别、沉积夹层、火山碎屑夹层等变质岩：变余构造，粒序变化等3)化石标志贝壳的优势定向、植物的根迹及生物的活动痕迹等基于上述标志，我们就基本可以确立任何一个露头剖面所代表的一段地层中的岩层及各种地质事件（如岩浆侵入、断层、侵蚀作用等）形成或发生的相对先后顺序。1.2 地层划分和对比1.

5、地层划分和对比的概念 根据地层的各种属性（如岩性、化石、不整合面等），按照它们原来的形成顺序进行有机的分割，并将各分割段分别命名，这一过程称为地层划分。 将不同地点（横向）划分的地层进行比较，把含有相同或相近地层内容的地层划归为同一时代或统一沉积相的产物，这一过程称为地层对比。2地层划分对比方法 地层划分：构造面，岩性变化和化石的变化等 对比的方式：可以直接追溯对比和间接比较对比。 按地层对比时采用的属性特征或对比标志的性质可分为：岩石地层学和生物地层学岩石地层学：根据岩石的成分，结构构造、物理化学性质的不同进行地层划分对比的方法。 岩性法：一定的沉积环境中形成一定的沉积体（岩性），且有一定的

6、时空展布，根据岩性的时空变化进行地层划分对比的方法称为岩性法。 标志层法：某些特殊环境中形成厚度不大的特殊沉积体，且具有一定的时空展布，被称为标志层，利用这些特殊岩体（标志层）进行地层划分对比的方法称为标志层法 如：冰碛层、火山灰层等。 沉积旋回法：由于环境变化造成沉积物由粗到细或由细到粗的规律组合，这一现象称为沉积旋回，利用沉积旋回进行地层划分对比的方法为沉积旋回法。 在地层对比中，岩石学方法（无论是岩性法还是沉积旋回法）只能在具有相同地质发育历史的地区，即同一大地构造背景控制的沉积盆地内使用。 岩性法优点是直观和方便，缺点是适用范围有限。只能在局部地区（同一沉积盆地中的相同沉积相）使用。

7、沉积旋回法可适用于整个盆地范围。在同一个沉积盆地范围内，尽管不同地点某一时段内形成的岩石有所差异（沉积相不同），但它们的沉积旋回变化是同步的。生物层序律 时代相同的岩层含有相同或相似的化石生物群； 时代不同的岩层中含有不同的化石生物群； 时代愈老的化石生物群与现代生物群面貌差别愈大； 时代愈年轻的化石生物群与现代生物群的面貌差别愈小建立在生物层序律基础之上，根据地层中生物化石的异同进行地层划分对比的地层学研究方法。 生物层序律的理论基础是生物进化的不可逆性： 愈古老地层中生物化石愈原始、愈低级；愈新的地层中生物化石愈先进、愈高级。 相同时代的地层含有相同（或相似）的化石或化石组合。实际工作中有

8、两种对比方法： 标准化石法：分布时限短，地理分布广，特征明显的化石 化石组合分析法：对地层中所有的化石进行系统的分析研究，根据生物化石各门类、各属种组合的不同进行地层的划分和对比的方法标准化石法的优缺点： 简便易行，适合野外调查和初步的大致对比； 有时会由于先驱或孑遗的情况造成对比的不精确； 对比适用范围相对局限。单一生物分布的局限性化石组合法的优缺点： 提高对比的精确度。避免了单一生物先驱和孑遗产生的误差； 对比适用范围相对广泛 不便于野外工作3）地球物理学方法： a. 利用与岩性有关的物理、化学性质，如电导率、放射性、声波等参数进行地层对比的方法。实际是岩石学方法的外延。如电测井对比，地震

9、剖面对比 b. 古地磁极性对比地球磁场的磁极在地质历史中曾多次发生反转，这种变化记录在岩石之中。每一次极性反转事件都是全球性的等时事件，因此这种方法实际上时间对比。通过测定岩石的地磁强度变化确定古地磁的极性变化。历史时间可以根据极性变化分为极性正向期和极性反向期这种方法目前只适用于5 Ma以来的沉积连续的地层。4）同位素年龄对比：利用放射性同位素的衰变现象测定岩石、矿物的年龄进行地层对比。5）地球化学方法：一些特殊的地质事件如火山喷发、陨石撞击等会对沉积环境地球化学特征产生明显的影响，而在地质记录中表现为一些元素和同位素的异常；周期性的气候变化则会使一些元素或同位素在沉积物中的丰度发生波动。地

10、质记录中这些元素和/或同位素的异常波动在特定的情况下可以用于地层对比。O、C、Sr等同位素，Ni、Ir、Ce、La等元素。6）层序地层学方法： 以海平面升降旋回的不同阶段的把地层划分成若干个体系域进行地层划分对比低水位体系域（F1-R） ：最大海平面下降及其后缓慢上升时期形成的沉积。海侵体系域（R-H） ：从低水位体系域之上的最初海泛面开始到出现最大海侵面期间形成的沉积。高水位体系域（H-F） ：从最大海侵面到开始海退时期形成的沉积。凝缩断（H） ：时间上介于海侵体系域和高水位体系域之间，在陆棚中下部至盆地等地形成的特殊沉积。1.3 地层系统和地层单位地层系统的组成有两个要素：a. 地层单位；

11、 b. 地层单位的级别关系地层单位的类型：a. 物质性地层单位：反映地层的物质属性特征，如岩性，生物化石等。b. 非物质性地层单位：反映地层的非物质属性特征-时间。 岩石地层单位(rock-time unit) 生物地层单位(biostratigraphic unit) 年代地层单位 1 岩石地层单位 以地层中的岩石内容和特征所划分的地层单位。群：由明显一致的相同岩性或成因相同的两个或两个以上的岩性组构成地质体，称为群，群与群之间有明显的沉积间断或不整合。组：一种岩性或成因一致的一组岩性组成的地质体称为组。是岩石地层单位的基本单位。段：一种岩性或一类岩性明显区别于同组的其它岩性的地质体可以命名

12、为段。是组的一部分。但组不一定都要分为段。层： 是一种岩性明显与其它岩性不同的地质体可以命名为层。是岩石地层的最小单位。 岩石地层单位的特点-穿时性和地方性： 岩性界面不一定是等时面。 自然界中，沉积岩层的沉积作用方式是随沉积环境及沉积作用的不同而变化。地层的沉积作用方式分为垂向加积和侧向加积。在大洋和大型湖泊的中心地区，沉积作用是通过垂向加积进行的，其岩性界面具有等时性在河流和三角洲等环境中，沉积作用是通过侧向加积进行的，其岩性界面是穿时的。在海侵或海退过程中，滨浅海环境中的沉积作用也是通过侧向加积进行的。2. 生物地层单位 以地层中的化石内容和特征所划分出的地层单位。 生物地层单位的基本单

13、位是生物带 (biogenic zone)或化石带。常用的生物带 (biogenic zone)有3种类型：a. 组合带 (assemblage zone)：几类生物或某类生物的几个属种在地层的特殊自然组合。b. 延限带 (range zone)：某一种生物的延续范围。c. 顶峰带 (acme zone)：某类生物的繁盛。 以地层中的化石内容和特征所划分出的地层单位。 生物地层单位的基本单位是生物带 (biogenic zone)或化石带。常用的生物带 (biogenic zone)有3种类型：a. 组合带 (assemblage zone)：几类生物或某类生物的几个属种在地层的特殊自然组合。

14、b. 延限带 (range zone)：某一种生物的延续范围。c. 顶峰带 (acme zone)：某类生物的繁盛。生物地层单位之间不含化石的层段称为间隔带 (interval zone)。生物地层单位的特点： 生物带无等级和从属关系 不是普遍建立的地层单位。 为年代地层单位服务3. 年代地层单位 （time-strata unit）、地质年代单位 (time unit)和地质年代系统（1）年代地层单位反映地层时间属性的地层单位，而不是地层的物质属性。 依据地层层序律，以及地层的接触和穿插关系我们可以确定一个地区地层形成的相对顺序，但并不能说明地层的时代。时间的类型和时间的划分：物理时间和历史

15、时间物理事件和历史事件 生物进化是不可逆的历史性事件，每种生物在地质历史中只出现一次，不会重复出现。每种生物在地质历史中都具有特定的时限含义。因此，每种生物的出现和消失都是历史事件。只有依据分布广泛的浮游、游泳生物（如笔石、牙形石、菊石等）建立的阶才具有全球等时性的意义。（3）地质年代系统：在全球地层划分和对比基础上，依据生物的演化阶段建立起来的、用地质年代单位表示的全球通用划分地球地质历史的时间格架地质年代表（3）界限层型(stratotype)和层型剖面(stratotype section) 界限层型是划分年代地层单位界限和地质年代单位界限的全球统一标准；层型剖面是界限层型确立所依托的剖

16、面。界限层型和界限层型剖面的确定： 沉积连续，岩相类型相同，具有某类生物连续演化谱系的剖面。 界限层型剖面和辅助层型剖面： 一个界限只能有一个界限层型剖面和若干个辅助层型剖面。4. 岩石地层单位与年代地层单位的关系1) 岩石地层单位的穿时性和年代地层单位的非穿时性2）地层单位上下界线与时间面的关系3）展布范围不同4）年代地层单位没有固定具体的岩石内容 年代地层单位反映了全球统一的地质发展阶段性； 岩石地层单位反映了一个地区的地质发展阶段性。粒序层理Graded bedding受地球重力影响，一次沉积事件中的碎屑物质会以颗粒的粗细和比重的大小依次沉积下来，形成下粗上细的韵律变化波痕ripple

17、mark 对称波痕可以指示岩层的层序 不对称波痕不能指示岩层的层序，但可以指示流水的方向泥裂mud crack泥裂在垂向上呈“V”字型，开口向上第二章 沉积相和古地理恢复对地层进行划分、对比，给我们提供了一个研究地球演化历史的时间标尺。这只是地史学研究的第一步。地质历史时期的古地理面貌和自然环境变化是地史学研究中一个十分重要的内容。地层作为地质历史的物质记录，不但记录了地质历史发展的时间属性，也同时记录了地质历史时期自然环境演变的各种信息。地质学家通常是通过对保存在地层中的沉积岩的原生沉积结构、构造等特征和生物化石特征来推论这些岩层的生成环境条件。这种方法称为沉积相分析或岩相分析。2.1现代沉

18、积环境类型及其特征沉积环境是指具有特定物理、化学、生物条件的，并有沉积作用发生的自然地理单元。沉积环境中的物理、化学、生物条件及其自然地理和气候条件决定了其内各种沉积的性质。有些沉积物是完全在沉积环境中形成的，如水体中化学沉淀形成的沉积物，组成它们的矿物是在同一个地点形成；而有些沉积物是源自其他地方，通过流体介质被搬运到沉积的地点。因此沉积物的类型和特征对认识沉积环境来说十分重要。1. 现代沉积环境类型及其环境和沉积特征1）海洋环境（marine environment）i. 浅海（shallow marine）：与大陆架（continental shelves）对应的海域ii. 大陆斜坡（c

19、ontinental slope）iii. 深海（deep marine）i. 浅海环境（shallow marine）：a. 环境特征： 波浪、潮汐和水流作用强烈，沉积物分选作用明显。 各种类型的生物丰富。阳光可以穿透水体到达海底，因此藻类和其他类型的植物繁盛，成为游泳和底栖动物的重要食物来源。b.影响沉积物类型的因素： 邻近陆地源岩的性质 物源区的海拔高度和距海岸的距离 能分泌碳酸盐的生物存在情况等。c. 沉积物特征： 分选、磨圆好，与海洋较深部分相比，沉积物相对较粗。常见的沉积物有砂、粉砂和粘土。 在陆源碎屑物质供应很少而又相对比较温暖情况下，生物化学成因的碳酸盐灰泥（lime mud）

20、成为重要的沉积物类型。 珊瑚礁也是温暖浅海的特征沉积。c. 沉积物特征： 分选、磨圆好，与海洋较深部分相比，沉积物相对较粗。常见的沉积物有砂、粉砂和粘土。 在陆源碎屑物质供应很少而又相对比较温暖情况下，生物化学成因的碳酸盐灰泥（lime mud）成为重要的沉积物类型。 珊瑚礁也是温暖浅海的特征沉积。ii. 大陆斜坡（continental slope）和iii. 深海（deep marine）a. 环境特征： 无明显的波浪和流水作用； 远离海岸，沉积物供应微弱。b. 沉积物特征：大陆斜坡：多为细砂、粉砂和粘土。通常是通过浊流（turbidity current）被搬运到沉积的地点。大陆斜坡的沉

21、积物还包括从水体之外而来的细粒粘土物质和在重力作用下发生的滑塌堆积。 深海：沉积速率缓慢，沉积物组成主要是非常细的粘土，火山灰和钙质或硅质微生物的遗骸，它们构成了海底的软泥。还可能有铁、锰结核等沉积。2）陆地环境 与海洋环境相比，沉积环境类型更具复杂性和多样性。沉积环境条件变化剧烈，影响沉积作用的因素复杂多变，特别是气候和地形。i. 山麓和山间盆地ii. 河流冲积平原（flood plain）iii. 湖泊（lake）iv. 风成环境（eolian）v. 冰川（glacier）i. 山麓和山间盆地： 山区地势起伏悬殊，高差和坡度较大，沉积作用以快速堆积为特征。往往形成巨厚的冲积扇（alluvi

22、al fan）。 沉积物以粗砾为主，多棱角状，兼有泥、砂；分选和磨圆较差。ii.河流冲积平原（flood plain）地势较为平坦，河曲发育。河道沉积和洪泛平原沉积交替出现。 河道底部的滞留沉积一般以砾和粗砂为主，并明显定向排列； 边滩沉积一般以砂-粉砂为主，分选和磨圆较好，但矿物成熟度较低，具有板状、槽状交错层理和平行层理； 天然堤和河漫滩沉积以粉砂和粘土为主，发育小型波状、水平层理。iii. 湖泊（lake）： 以粉砂和粘土为主；沉积物分布呈环带状。 湖泊生物繁盛。 干旱地区有时会出现季节性湖泊-干盐湖（playa lake）蒸发盐类沉积iv. 风成环境（eolian）：沙漠：风是唯一的沉

23、积介质。砂和粉砂，分选和磨圆很好v. 冰川（glacier）：冰碛物（till）： 无分选、磨圆极差；砾、砂、泥混杂堆积。冰川纹泥（varved clay）：明暗相间的水平纹层。 3）海陆过渡环境i. 潮坪（tidal flat）：海岸线附近非常平坦的地区，受潮汐作用影响，时而被海水浸漫，时而暴露。ii. 泻湖（lagoon）：海岸线附近与广海隔离的浅水区域 水动力条件复杂，同时受河流沉积作用和海洋波浪、潮汐作用改造。2.2 沉积相和古地理环境的恢复1沉积相（facies）和相变（facies change）1）沉积相（facies）定义：形成于特定古沉积环境条件的一套有规律的岩石特征和生物化

24、石特征的组合。能够反映沉积环境特点的物质特征，包括岩石特征和生物化石特征。 相不是沉积环境本身，而是沉积环境条件的一种“物质表现”。特定的环境有其特定的“物质表现”。2）相变（facies change） 自然界的沉积环境内部各种沉积条件在不同部位是不均一的，但是连续过渡的。这种沉积条件的不均一性和连续过渡的特点自然会体现在其内沉积物和生物的特征上，即沉积相特征。我们把这种沉积相在空间上的横向变化现象称为相变（facies change）。相变实际反映了沉积环境条件在空间上的差异和过渡。查明某一时代地层的岩相变化，就能相应获得该时代地理景观的一般面貌。 沉积相和相变的研究是再造古地理的基本手段

25、。沉积相 对于地史时期的沉积相研究，往往从地层剖面入手，从地层的垂向顺序上分析沉积相的更叠。 对于连续的沉积来说，沉积相在垂向（时间）顺序上的更叠反映了沉积环境条件随时间而发生的变化，与其在横向（空间）上的相变存在密切的联系，有规律可循。相对比定律（瓦尔特定律）：“只有那些现在可以观察到的彼此相邻的相和相区才能原生地重叠在一起”。即相邻沉积相在垂向上的依次变化与其在横向上的变化是一致的。相分析 通过地质时期的岩石和古生物的“物质表现”与环境联系起来分析和恢复古沉积环境的方法相分析的基本方法 主要是“将今论古”的现实主义方法。2 沉积环境识别标志 沉积岩的形成是风化、搬运及沉积作用的综合产物，这

26、一过程在地质时期往复进行 原始碎屑和粘土的搬运、沉积，遵循沉积介质（水、冰、风等）中的机械分选的力学定律；而溶解物质则遵循化学定律，以化学沉积作用方式形成沉积物；此外某些物质（化学物质）在生物作用下形成有机沉积物。1）沉积岩颜色的环境意义 反映沉积作用发生时沉积环境的氧化还原状态。i. 黑色和深灰色： 特别是对页岩和泥岩来说，表明有大量有机质未被分解。还可能与黄铁矿（pyrite）有关。反映静水环境：海洋，湖泊，泻湖，沼泽等。ii. 红色： 沉积岩呈现红、褐、绿等颜色与沉积物中的铁（Fe）有密切关系。铁一般以二价铁或三价铁化合物的形式存在于沉积物中。 三价铁化合物，如赤铁矿（hematite）

27、，使沉积物呈现红色、褐色、紫色； 二价铁化合物使沉积物呈现灰色和绿色； 含水的三价铁氧化物-褐铁矿（limonite）通常是黄色。红层：冲积平原、冲积扇、三角洲。红层和蒸发盐在一起时，往往指示温暖干旱的气候条件。2）沉积岩组成和结构的环境意义i. 碎屑成分： 反映物源区的性质和搬运距离远近。 岩屑可以解释母岩的性质，追溯源区。矿物成熟度低的沉积物多属于短距离搬运。 石英含量高、分选性好的沉积物多属于远源沉积。 纯净的石英砂则是海滩反复冲洗的标志。 长石一般在干旱和寒冷气候带或地形高差大的近源地区才能大量保存。ii. 颗粒粒度和分选性 粒度反映了搬运介质的能量。能量大所搬运的颗粒也大。水环境中体

28、现了流速。 分选性反映搬运介质的性质和沉积方式。风成环境、滨海环境常形成分选性好的沉积；山麓沉积和冰川沉积，以及浊流沉积分选性差。iii. 颗粒形态和磨圆度： 反映搬运方式和搬运距离。 冰碛物中的颗粒基本无磨圆，多呈棱角状。 风成、湖泊、海洋环境的沉积物多具有较好的磨圆度。 河流沉积物的磨圆度与其搬运距离有关，如冲积扇中的沉积物磨圆度较差，而冲积平原地区的沉积物磨圆度较好。 iv. 颗粒的定向排列： 指示水流的方向。 河流沉积的砾石和砂粒的长轴方向一般与水流方向平行，并沿水流方向略下倾，形成叠瓦状构造。 滨岸地带的砾石长轴方向多与海岸线平行，叠瓦状构造方向垂直砾石长轴。3）原生沉积构造i. 泥

29、裂和雨痕： 指示暴露或半暴露的环境。泥裂同时还可能说明气候比较干燥。ii. 波痕： 只出现在风成、有水体运动的（如海洋和湖泊的浅水区域以及河流）沉积环境。可以指示沉积介质的运动方向。iii. 层理：交错层理：是最常见的层理类型之一。反映介质能量较强的沉积环境。多见于碎屑岩中。常见于滨岸浅水、河流、三角洲和沙漠等环境。但在不同的环境中常具有不同的形态。 河流环境常出现单向板状或槽状交错层理； 滨岸带由于潮汐作用，常出现特征的鱼骨状交错层理； 海滩环境的冲洗层理则以低倾角（30），多向性，砂粒分选好，磨圆度高。水平层理：沉积作用缓慢的低能和静水环境。一般出现在海洋湖泊相对较深水区域，泻湖，冰川湖等

30、环境。平行层理：多见于河流边滩和海滩等环境。反映急流条件。粒序层理：由重力流形成4）自生矿物 沉积时形成的矿物与沉积环境中的特定的物理、化学条件有关。 海绿石和鲕绿泥石：海洋环境的标志。 鲕状赤铁矿：水深数十米的动荡浅海环境。 磷块岩：水深30-300米左右的海洋环境。 蒸发盐类矿物（如石膏、硬石膏、岩盐、白云石等）一般是干旱气候条件下滨海泻湖、潮坪和内陆咸水湖环境的产物。 在滨浅海环境，大量碳酸盐的形成与温暖的气候有关。5）生物化石的种类和生态组合许多生物对环境的物理、化学条件（如温度、盐度、水深、基底性质等）十分敏感，它们只生活在适合它们生存的环境之中。因此，每种沉积环境中都会有一些特征的生物。我们可以从生物化石的种类、结构、生活方式、活动痕迹等方面都可以获得一些与环境和气候相关的信息。 能够指示特定环境特征的化石-指相化石。 种类：多数生物是生活在特定的环境之中。狭温生物和广温生物；狭盐生物和广盐生物； 结构：植物的年轮和叶形；贝壳的厚度；特殊的结构构造等。 生活方式：底栖、游泳、浮游；底栖固着 活动痕迹（遗迹化石）：海洋环境中的遗迹化石可以指示水体的深度变化。2古地理环境的恢复和古地理图地理学：