第5章 地壳演化历史.doc

第5章 地壳演化简史 第1节 概述 地壳的发展历史简称地史。地球表面有广阔的大洋、起伏的大陆、复杂多样的自然环境、千差万别的动植物群落，如此丰富多彩的自然环境都是地球发展演变的结果。为了了解地壳的发展过程和演化规律，就必需研究地史。长期以来，地质调查主要局限于大陆部分，自20世纪50年代开始，对海底的探测和地壳深部及上地幔的研究逐步开展，航天技术与遥感技术的发展应用，为认识地球提供了新线索和新领域，但这仅仅是开端，目前资料最多的仍旧是大陆壳的历史。不过，在地球科学领域，向地球内部、向广深海洋进军的时代已经开始。 地球经历了46亿年的历史。研究人类历史有文字文物可考，研究地球历史却无任何文字和文物可鉴。但地球本身在特殊的“书页”中记录了自己的发展历程，这些“书页”就是地层。地层留下了历史事件的痕迹，保存了不同时代的生物遗体和遗迹，遗留下环境变化的物质凭证。恢复地球的历史，主要是靠“阅读”这些不是文字、却胜似文字的记录，通过地层层序、构造顺序和古地理环境的分析来实现。全球统一的、客观的时间标尺，更是重建地球历史的基础。 一、地层学理论的建立 地层即地壳上部成带状展布的层状岩石或堆积物，是地壳演化历史的物质记录。 人类对于地层的感性观察与认识可以追溯到古代希腊、中国和阿拉伯世界，其共同的特征是把陆地高山上岩层中所含的化石，作为“沧海桑田”海陆变化的证据。古希腊的色诺芬尼提出，化石是海生动物被大水挟带泥沙一起冲到陆地上堆积而形成。亚里士多德认为“陆地和海洋的分布不是永恒的”，海陆变迁是“按一定规律在一定时期发生的”。阿拉伯学者阿维森纳和比鲁尼认识到岩层中的化石是海陆变迁的证据，化石的形成要经历很长时间。中国晋代葛洪所著神仙传中载有“东海三为桑田”的故事。唐代颜真卿，宋代沈括都把山崖中的螺蚌壳视为沧海桑田变化的见证。宋代朱熹明确指出，岩石“即旧日之土”，化石螺蚌壳“即水中之物”，他认为由于地壳变动“下者变而为高，柔者变而为刚”，对地层和化石形成给予了科学的解释。 欧洲人对化石和地层的细致观察始于文艺复兴时期。意大利著名美术家、科学家达芬奇将贝类化石和现代贝类进行比较，得出化石是过去生物的遗体的正确结论。在其笔记一书“地球和海”一章中，反复论述了是地壳运动把含有生物化石的岩层抬升到高处。F 科隆纳区分了化石的保存类型，并将化石分为陆生、海生两大类。在持化石生物成因观点的学者中，不少人将化石与诺亚洪水联系起来。英国的J伍德沃德在地球自然历史初探（1695）中提出全球性洪水造成大部分生物死亡，化石就是它们的遗体。这种“洪积说”观点曾为人们普遍接受。 对地层的科学研究做出重要贡献的是丹麦学者N 斯泰诺。他在天然固体中的坚质体（1669）一文中，论述了地层、山脉的形成过程，并提出了地层学的重要基础原理地层层序律，具体包括①叠置律，地层未经变动时则上新下老；②原始连续律，地层未经变动时则呈横向连续延伸并逐渐尖灭；③原始水平律，地层未经变动时则呈水平产状。 根据不同岩层所含化石的出现顺序确定地层相对顺序的原理称为化石顺序律。这一原理是法国J L吉罗－苏拉威1777年首先发现的并在南法兰西自然史（1780－1784）一书中作了介绍。由于欧洲当时正处于水成论有火成论的激烈争论年代，这一原理没有引起应有的重视。1796年，英国的W 史密斯在不了解吉罗－苏拉威的工作和理论的情况下，独立提出“每一岩层都含有其特殊的化石，根据化石可以鉴定地层顺序”的论断，并成为这一原理的实践者，在英格兰、威尔士和部分苏格兰地层图（1815）的编制中予以应用。此后，史密斯发表了两部著作用生物化石鉴定地层（1816）和生物化石的地层系统（1817－1819），系统地阐述了化石顺序律的原理及其应用，并指出相同的层总是发现有相同的叠覆次序并且包含相同的特有化石。这说明化石顺序律与地层层序律是一致的。但是，吉罗－苏拉威和史密斯所确立的化石顺序律还只是经验性的，直到1859年C R 达尔文发表物种起源确立了生物进化论，才赋予化石顺序律以科学性。生物进化不可逆性和阶段性的规律与化石顺序律的结合，奠定了生物地层学的理论基础。 19世纪末，人们发现同时期形成的地层在不同地点具有不同的岩性，这种变化导出了岩相横向变化的概念。1894年，德国学者J 瓦尔特于在历史性科学地质学导论一书中把岩相横向变化与海侵作用联系起来，说明了沉积环境随时间的推移在空间上的变化，解释了时间界面同岩相界面的关系，提出了著名的岩相对比定律，称为瓦尔特定律。 19世纪40年代，从寒武系到第四系的地层层序已经初步建立。此后，随着古生物、地层研究新成果的大量涌现，地质学家们应用地层层序律、化石顺序律、岩相对比定律等原理和方法，不断完善各地区乃至全球的地层系统。20世纪30年代以来，陆续制定了许多地区性和国际性的地层规范。地层学也形成了包括岩石地层学、生物地层学、年代地层学、磁性地层学、事件地层学、地震地层学、层序地层学等传统领域与新兴分支的学科体系，从而为重建地球演化历史奠定了基础。 二、时间标尺的建立 追溯地球历史，是地质学主要研究任务之一。但是，判定地球的年龄，建立地层和各种地质事件的时间标尺，是19世纪40－50年代以前地质学界急需解决的“时间难题（time dilemma）”。 它的解决，主要靠地质学三大基础理论的建立，才得以实现的。首先，1669年丹麦地质学家N斯泰诺（Steno）提出了著名的“地层三定律”（即地层的叠置律、原始水平律和原始连续律），指出了未受变动的地层的上下顺序关系、产状和分布特征等规律。事隔100多年后，J赫顿（Hutton）1788年在地球的理论中提出“大地质旋回”的理论。他认为地球是个运动体，地球表面永远处于连续不断变化的状态；它的历史可从成层岩石的研究中得到答案；这些成层岩石是从古老沉积物变来的，古老沉积物是在相当于现代沉积形成条件下形成的。最后他认为自地球表面形成后，这种旋回过程就始终不断地重复出现着。可见，他虽未指出地球的具体年龄，却提出到成层的岩石中去找答案的研究方向，还明确了地球历史是极其漫长的，远比“允许的”、“标准的”旧约全书规定地球只有6 000年的历史长得多。1796年，英国地质学家W 史密斯（Smith）提出根据生物化石鉴定地层时间顺序的想法，并亲自在1815年出版的英格兰和威尔士地质图里予以实践。到1859年达尔文（Darwin）生物进化论发表，才知道史密斯的想法与达尔文关于生物进化阶段性和不可逆性的规律完全符合，从而使史密斯的想法与实践真正成为地层学中的“化石顺序定律”，成为生物地层学的理论基础。1830－1833年莱伊尔（Lyell）发表的“地质学原理”中论述了利用沉积地层建立地质相对时间年表的依据。若从史密斯1815年的实践起算，到1874年W P森姆珀（Schimper）提出古新统为止，以欧洲地质调查资料为基础的地质相对时间年表经过59年的努力才初步建立起来，使地质学进入了有相对时间标尺的时代。 追求地质绝对年代的努力，通过纯地质学本身的方法，例如冰缘区季候泥计年法，只能解决极其短暂的时间段落，对地质时间尺度讲，它完全可以略而不计。定量测量矿物、岩石及某些地质事件表现物的准确时间，是放射性物质被发现之后。1903居里（M Curie）等首先提出利用天然放射性物质测量地质年代的可能性。B B波特伍德（Boltwood）等利用铀－铅法测出第一批沥青铀矿的年代数据，标志着由于放射性化学的进步，使地质学进入同位素地质年代研究的崭新阶段。到20世纪50－60年代，不仅地质相对时间表得到绝对年代的填充，而且测出地球的年龄为45.6亿年～46.7亿年之间。人类登月成功，并测得月球静海基底月壤的年代为46.7亿年，丰富海伟布（Webb）环形山以西100km处的月尘年代为46.5亿年。随着测试技术的发展，目前的同位素测年手段，已有20多种，测年时限各不相同，综合应用不同的方法，可使测年范围达到10～1011a。 地质年表（或称地质年代表、地质时代表）的编制标志着地球演化时间标尺的建立。在相对地质年代的基础上，应用同位素地质年代进行准确的测年，二者相辅相成，所得到的地质年表不仅可以反映地球历史发展的顺序、过程和阶段，而且能够确立地质时代无机界和生物界的演化速度。第一个带有同位素年龄数据的地质年表是英国地质学家A 霍姆斯于1913年提出的，以后又陆续出现不同时间、不同国家、不同学者提出的地质年表。目前比较通用的地质年表见表5–1。 此地质年表为一简表，按照生物演化阶段及地层形成的时代顺序，表中列出宙、代和纪，即地质时代从古至今共划分为冥古宙、太古宙、元古宙和显生宙。其中元古宙又划分为古元古代、中元古代和新元古代；显生宙划分为古生代、中生代和新生代。其中新元古代的晚期，划分出一个震旦纪，目前只适用于中国；古生代划分为寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪和二叠纪；中生代划分为三叠纪、侏罗纪和白垩纪；新生代划分为古近纪、新近纪和第四纪。纪以下还可以再划分为世，除去震旦纪、二叠纪、白垩纪等是二分外，其余均按三分法，如寒武纪分为早寒武世、中寒武世、晚寒武世，奥陶纪分为早奥陶世、中奥陶世、晚奥陶世，；但石炭纪原来也是按三分法分为早、中、晚石炭世，近来顷向于按二分法分为早、晚石炭世；至于古近纪、新近纪和第四纪所划分的世则另有专称，如古新世、始新世更新世、全新世等，所有关于世的划分，此表一概从略。所有与地质时代单位（宙、代、纪、世）相对应的地层单位（宇、界、系、统），如太古宙形成的地层称太古宇，古生代形成的地层称为古生界，寒武纪形成的地层称为寒武系，早、中、晚寒武世形成的地层分别称为下、中、上寒武统，凡此本表也都从略。各个地质时代单位都标有英文字母代号，宙（宇）的符号采用两个大写字母，如太古宙（宇）的代号为AR；代（界）的代号也是两个字母，但第一个字母大写，第二个字母小写，如古生代（界）的代号为Pt；纪（系）的代号都是采用一个大写字母，如奥陶纪为O，志留纪为S，等等，这些代号都是各自英文名称的缩写。地质年表的各有关地质时代都列出“距今年龄值”，表的右侧列出与地质时代相应的生物演化阶段。关于地质历史演化的具体情况，将在本书地壳演化简史部分予以介绍。 表5–1 地质年代简表 地 质 时 代 距今年龄值/Ma 生物演化 宙 代 纪 显 生 宙 PH 新生代Kz 第四纪Q 2.60 23.3 65 137 205 250 295 354 410 438 490 543 680 1000 1800 2500 2800 3200 3600 4600 人类出现 新近纪N 近代哺乳动物出现 古近纪E 中生代Mz 白垩纪K 被子植物出现 侏罗纪J 鸟类、哺乳动物出现 三叠纪T 古 生 代 Pz 晚古 生代 Pz2 二叠纪P 裸子植物、爬行动物出现 石炭纪C 两栖动物出现 泥盆纪D 节蕨植物、鱼类出现 早古 生代 Pz1 志留纪S 裸蕨植物出现 奥陶纪O 无颌类出现 寒武纪є 硬壳动物出现 元 古 宙 PT 新元古代Pt3 震旦纪Z 裸露动物出现 中元古代Pt2 真核细胞生物出现 古元古代Pt1 太 古 宙 AR 新太古宙Ar3 晚期生命出现，叠层石出现 中太古宙Ar2 古太古宙Ar1 冥古宙HD 据全国地层委员会，中国区域年代地层（地质年代）表说明书（2002）简化 第2节 地壳历史的研究方法 一、地层的划分和对比 （一）地层划分的依据 所谓地层是在地壳发展过程中形成的各种成层岩石的总称，包括变质的和火山成因的成层岩石在内。从时代上讲，地层有老有新，具有时间的概念。地层和岩层这2个名词相似，但岩层一般是泛指各种成层岩石，而不必具有时代的概念。 地层既然具有时代的概念，所以地层就有所谓上下或新老关系，这叫做地层层序，也就是相当于一本书的页次。如果地层没有受过扰动，愈处于下部的地层时代愈老，愈处于上部的地层时代愈新，叫做正常层位。这种上新下老的关系叫地层层序律。但是，组成地壳的地层是错综复杂的，或者由于地壳运动造成地层缺失，或者由于构造变动弄得层序颠倒，或者由于岩浆活动和变质作用改变了地层的产状和面貌。这就如同一本年代久远并保存不好的古书一样，已经变成残篇断简，字迹模糊，必须进行一番校订考证工作，分章划段，才能读懂其内容。地层也是如此，既要把地层整理出上下顺序，又要划分出不同等级的阶段和确定其时代，这就是地层的划分。划分地层的主要根据如下 1．沉积旋回和岩性变化 对于一个地区的地层进行划分时，一般是先建立一个标准剖面。凡是地层出露完全、顺序正常、接触关系清楚、化石保存良好的剖面就可以做为标准剖面。如果是海相地层，往往表现出岩相由粗到细又由细到粗的重复变化，这样一次变化称一个沉积旋回，也就是每一套海侵层位和海退层位构成一个完整的沉积旋回。例如，在剖面中共包括3个大的沉积旋回，那么就可以据此把地层划分为3个单位。根据沉积旋回划分地层应当注意这样几点第一， 因为地壳升降运动是波动性的，所以沉积旋回的级别有大有小，即一个大旋回中可以有几个小旋回，而一个小旋回中又可以包括几个更小的旋回，根据具体情况，划分的地层单位也有大有小；第二，每一旋回中的海侵层位容易保存，而海退层位则不易全部保存或者根本不保存，因此一个沉积旋回不一定是完整的。第三，每一沉积旋回一般总是由粗碎屑岩（通常是砾岩）开始，称底砾岩，因此，底砾岩的下部层面往往是2个地层单位的分界面。 地层中的沉积旋回特别是陆相地层，不一定都是很清楚的。这时，就可以根据岩性来划分地层。岩性变化在一定程度上反映了沉积环境的变化，而沉积环境的变化又往往与地壳运动密切相关。因此，根据岩性把地层划分成许多单位，基本上可以代表地方性的地史发展阶段。例如，在一个剖面中，下部是砂页岩含煤层，上都是火山碎屑岩，它们代表2个不同的环境和时代，一个是还原环境和成煤时代，一个是地壳运动强烈和火山活动时代。这样，就可以根据岩性把地层划分成2个单位，代表2个发展阶段。 2．岩层接触关系 岩层之间的不整合面是划分地层的重要标志。任何类型的不整合（平行不整合和角度不整合）都代表岩层的不连续现象，反映了地理环境的重大变化。其实，2大沉积旋回之间往往存在一个不整合面，所以，根据不整合面和沉积旋回所划分出来的地层界限在一定范围内常是一致的。 地层划分的对象一般是沉积岩，但对于火成岩也必须确定它的新老顺序。对于喷出岩来说，如果喷出岩夹于沉积岩层之间，只要把喷出岩上下沉积岩的时代确定出来，喷出岩的时代就知道了（图5-1）。 对于侵入岩来说，则必须根据侵入岩和围岩的接触关系确定时代。一种关系是侵入接触，即岩浆体侵入围岩之中，其特点是围岩接触部分有变质现象，火成岩中还往往有捕虏体存在。这种情况，可以确定侵入岩的时代晚于围岩（图5-2）。另一种关系是沉积接触，即侵入岩上升地表遭受侵蚀之后，又为新的沉积岩层所覆盖。其特点是上覆沉积岩层不可能有接触变质现象，而侵入岩中也不会有上覆岩层的捕虏体存在。这种情况可以确定侵入岩的时代早于上覆岩层的时代（图5-3）。 图5-2 侵入接触 侵入时代在K后 图5-1 喷出岩时代的确定 喷出时代在P1后，P2前 图5-3 沉积接触 侵入时代在J后，K前 如果有多次侵入现象，则侵入体往往互相穿插，在这种情况下，被穿过的岩体时代较老，穿越其它岩体者时代较新（如图5-4）。 图5-4 岩体穿插 Ⅰ早于Ⅱ，Ⅱ早于Ⅲ 3．古生物（化石） 上述方法只能确定各组地层之间的界限和相对新老关系。若要确定各地层的时代则可以根据地层中所含的生物化石。凡是保存在地层中的地质时期的生物遗体（如动物骨骼、硬壳等）和遗迹（如动物足印、虫穴、蛋、粪便、人类石器等）都叫化石。但是，并不是所有古生物都能保存下来成为化石。首先，生物本身具有硬壳、骨骼等不易毁坏的硬体部分容易形成化石。只有在特殊条件下，硬体和软体才一齐被保存下来，例如保存在琥珀①琥珀C6H16O，黄褐色，松脂光泽，透明，硬度2～2.5，比重1.096，易燃，并发白色浓烟及松香气味。琥珀主要产于第三纪煤层中，由松柏科树脂凝聚而成。 中的昆虫化石，栩栩如生；1710年在西伯利亚发现的保存在冻土内的第四纪猛犸象，皮毛血肉具存。以后又在西伯利亚、阿拉斯加多次发现。但这种化石毕竟是少见的。第二，生物死后必须尽快地被沉积物所掩埋，这样才能避免氧化腐烂或者被其它动物所吞食。第三，埋藏下来的生物遗体必须在较长时间内经历一定的填充（如疏松多孔的贝壳、骨骼等被水溶液中的CaCO3、SiO2等所填充）、置换（如有机体分子被SiO2、CaCO3等分子所代换）或升馏（如植物叶子、昆虫的几丁质外壳②植物纤维的成分为C6H10O5n。几丁质又称角质，成分为C15H26N2O10。 中的氢、氧等成分挥发逸出，最后保留下来碳质薄膜）等作用才能形成化石。 生物是从简单向复杂，从低级向高级发展的，生物演化既具有不可逆性，又具有阶段性。所以一定种类的生物或生物群总是埋藏在一定时代的地层里，而相同地质年代的地层里必定保存着相同或近似种属的化石或化石群。这种关系就叫生物层序律。这样就有可能根据化石确定地层的地质年代。但并非所有化石都具有相等的价值，只有那些演化最快（地层中垂直分布距离短）、水平分布最广的化石，才是鉴定地质年代最有价值的化石，这样的化石叫标准化石。例如，在地层中找到一种节肢动物莱氏三叶虫，就可以据此断定地层时代是早寒武世。因此，化石是鉴定地层时代的重要依据。 总之，地层的划分既要根据地层本身的发展规律，又要根据古生物的发展规律。其实，地壳上的无机界和有机界的发展都服从于一个普遍的规律，那就是事物发展的不可逆性和阶段性，所以它们之间存在着辩证统一的关系。例如，地层的旋回，表示环境的变化，而这种环境的变化也必然会引起相应的古生物的变化。所以根据沉积旋回、岩性、岩层接触关系和古生物划分地层的结果，常常具有一致性。 （二）地层的对比 地层划分是指对一个地区的地层进行时代的划分，而地层对比是指不同地区的地层进行时代的比较。在地层对比的基础上才能了解广大地区地史发展过程的共性和异性，才能具体认识地层区域性特征，了解地层空间分异的情况。但是各地区的地层层序及特征，千差万别，各不相同。因此地层对比必须有一个客观标准，这个标准就是时间或地质年代。换言之，在地层划分和层序建立的基础上，必须对同一时代在各地区形成的地层进行比较研究。例如，河北、山西、山东、河南、陕西等地区都各发育了一套地层，弄清哪些是同时代的，哪些不是同时代的，然后才能了解整个华北地区什么时候有海侵，范围有多大，哪里最深或最浅，什么时候有海退，哪里变成了陆地，生物是怎样演化的，各地区之间有什么共性和差异等。以此类推，重塑全国和全世界的地壳历史，也必须进行地层的对比工作。 地层对比既然首先是地质时代的对比，而地质时代的划分和确立，则首先必须以古生物化石为根据。前已说明，生物演化是不可逆的，又是阶段性的，每一个生物的种属在地球上只能出现一次，不可能有任何重复；因此，每一个生物种属只能出现在一定地质时代的地层里。假如在不同地区的地层剖面中含有相同的标准化石和化石群，它们就必然属于同一地质年代（图5-5）。 在甲、乙、丙3个地点均含有相同的化石，把含相同化石的地层用点线连接起来，说明它们属于同一时代的地层。有的剖面未见底部出露，有的剖面未见顶部地层，但把甲、乙、丙3地的地层综合在一起，就可以知道一个地区的全部地层顺序、岩性、厚度、含化石情况等（如图5-5右侧综合柱状图），同时对此进行分析，这一地区的古地理发展情况也就一目了然了。 图5-5 地层对比及综合柱状图 柱状图右侧标出的符号代表不同的化石及其组合，不同的层位有不同的 化石组合，图中同一年代的地层用虚线相连 以上所述地层划分和对比的原则与方法，主要是根据生物地层学和岩性地层学的原理，也是传统地层学的普遍性原理，不过这只是对沉积地层纵向堆积作用的划分原则。但实际上还存在着侧向堆积作用，绝大部分沉积地层是侧向进积和纵向加积两方面作用的结果。因此上述原则对局部或单个地层剖面是适宜的，而对较大范围的区域就不一定完全适宜了。 特别是近年同位素地层学、磁性地层学、事件地层学、地震地层学等有了较大的进展，其成果逐渐用于地层的划分和对比方面，起到了积极的促进和完善作用。例如太古宙和元古宙地层，岩石往往深度变质，生物化石极度缺乏或稀少，过去对其地层划分十分困难。但近年积累了大量岩石同位素年龄数据，成为岩层划分的重要依据，如国际上太古宇和元古宇的分界即规定以同位素年龄25亿年为依据。应用古地磁学的理论和方法研究地层的学科，称为磁性地层学，或称古地磁地层学。其主要内容之一，即是根据地层的岩石磁性来进行地层划分，并已建立了118MaBP（距今百万年）以来的“地磁极性时间表”，其中布容（Brunhes）正极性世为现代～0.780MaBP；松山（Matuyama）反极性世0.780～2.581MaBP；高斯（Gauss）正极性世2.581～3.580MaBP；吉尔伯（Gilbert）反极性世3.580～5.894MaBP。同时，利用天然剩磁来确定地层形成时古磁极的位置和正反方向，作为全球性对比和古大陆位置再造的依据。 近年还利用地质事件进行地层对比和确定地层界线，这样的学科称事件地层学。事件地层学认为，地层构架是由一系列缓慢的渐变过程和短暂的突变或灾变事件所组成，而后者在地层研究中具有特殊意义。所谓地质事件包括地内事件（如地壳运动、海平面升降、生物绝灭、地磁极性倒转等）和地外事件（如太阳辐射强度变化、超新星爆炸、陨石和彗星撞击地球等）。无论是哪种事件都会在事件发生时形成的地层中留下烙印，并以之作为地层划分的依据。例如，在一些地方白垩系和古近系（实际上也是中生界和新生界）的分界以其岩性近似不易划分，一直是使人困惑的难题，但有人发现在地层剖面中有一层含铱量特别高的黏土层，认为是天体撞击地球事件的产物（因陨石中常含有较多的铱），因此建议以该黏土层作为2个时代地层的分界线，并以此事件作为恐龙灭亡的原因。 最后介绍一下“层型”。前面谈到对于一个地区的地层进行划分时，一般是先建立一个标准剖面。所谓层型，实际上也是指一定的标准剖面，但却是专指地层单位（如震旦系、泥盆系等）或地层界线（如震旦系与寒武系界线、白垩系与古近系界线等）所依据的典型剖面，换言之，层型是地层单位或地层界线所依据的地层模式。例如，震旦系还未得到世界的公认，问题是必须在世界上选定若干层型剖面，并通过一定的程序才能建立（包括名称问题）。层型可分为单位层型和界线层型，对其剖面选定有严格的要求，首先必须具有全球性；剖面地层要连续；剖面出露要清晰；构造要简单；剖面要容易接近，等等。例如，地层间的不整合面，常常作为一个地区地层划分和对比的依据，但作为层型，这样有间断的剖面是绝对不行的。 二、岩相古地理分析 在完成地层时代划分与对比的基础上，进一步对各时代的地层进行岩相分析，就可以基本恢复古地理环境。 （一）沉积相的分类 各种沉积物和沉积环境之间都有密切的内在联系。因此根据沉积环境可以把沉积地层分为海相、过渡相和陆相3大类。 1．海相沉积 海洋是接受沉积的最主要、最广阔的场所，古代沉积岩层很大一部分属于海相沉积。根据现代海洋来看，由于海水深浅不同，物理化学环境（温度、压力、波浪作用力、化学成分等）不同，生物环境不同，沉积物也不相同。据此又分为滨海相，浅海相，半深海相和深海相（图5-6）。此外还有非正常海相。 图5-6 海洋各沉积区 据A Holmes （1）滨海相发育于低潮线和高潮线之间及其临近地带的狭长滨海区，潮汐作用和波浪作用占主要地位。滨海区可以分为高潮面以上的潮上带、高潮面与低潮面之间的潮间带和低潮面以下的潮下带，然后过渡到开阔的浅海区。在陆源碎屑物供应较多的情况下，沉积物以碎屑物如砾石、砂等为主；由于海水时进时退，波浪作用强且反复进行，所以磨圆度和分选度较好，常具交错层、波痕、干裂等，含海生动物贝壳，但多破碎。实际上在滨海区沉积环境和沉积物十分复杂。当有适量陆源碎屑供应时，在滨海区常形成大体与海岸平行的倾斜非常平缓的地区，通称潮坪。在此地区，一方面陆源物质从陆向海运移，另一方面浅海及潮下物质又从海向陆运移，形成复杂的沉积分异方式。例如在潮上带，主要沉积以泥质为主的细粒物质；而在潮间带，则以泥砂混合物沉积为主；到了潮下带，则以砂质沉积为主。这种沉积分异序列，恰与正常浅海沉积分异序列相反。 近年认识到在滨海区还可以形成碳酸盐岩沉积。在潮上带碳酸盐岩中常夹膏盐岩层，具碎裂纹理及泥裂，缺乏生物。在潮间带，常有介壳滩、鲕状及生物碎屑灰岩，间有白云岩及石膏层，有时在潮上带被冲碎的岩块又冲到潮间带，胶结形成竹叶状灰岩，常具有泥裂及生物钻孔潜穴。潮下带水动力条件平稳，常形成水平层理灰岩，化石完整丰富。 （2）浅海相存在于海面到海面下200m左右的浅海地区，约相当于大陆架上的海洋部分。这一带的特点是波浪作用力减小，阳光充足，底栖生物繁盛，所以沉积物以陆源细碎屑物质及化学和生物化学沉积物质为主，富含生物遗体，但也常含有海盆中形成的内碎屑。地质时代的海相地层绝大部分属于浅海相，一般是从砂岩、页岩过渡到泥灰岩和石灰岩，并常夹有Al、Fe、Mn等胶体沉积，以及磷块岩等生物化学沉积而成的矿产，有时含特有的鲕状结构和含有典型的海相沉积矿物海绿石，生物化石种类多而且丰富。 有些古老地层不是在陆架海中沉积的，而是在广阔的陆表海中沉积的。陆表海又称内陆海，深度小于200m，大部分为30～50m，一般小于波浪及底流的有效深度，所以沉积分异明显，如有海侵海退，沉积旋回也比较清楚。 （3）半深海相和深海相存在于半深海（海面下约200～2500m）和深海（约2500m以下）地区，即相当于大陆坡及大洋盆地地带。深海沉积物中有一种特殊沉积物，少含或基本不含有陆源碎屑物质，主要是由具有灰质和硅质硬体的微小浮游生物遗体堆积而成，称为生物软泥①半深海及深海区除表层外已处于完全黑暗状态，生物种类单调，但漂浮海面的浮游生物十分活跃，据估计每km2海水（从0～200m深处）中，浮游生物硬壳总体达6000kg，其中以抱球虫、放射虫（皆属原生动物）、硅藻等为主，死亡沉积后形成生物软泥。有时含有细泥、黏土和火山灰等。 ，古代地层中很少这类沉积物。在大陆坡及部分深海地区，还有一种带陆源碎屑的具有沉积韵律的沉积物，即浊流沉积物，在古老地层中也发现同类沉积物。近年来，广泛分布于深海底的铁锰结核，引起极大重视。其中含有锰、铁、镍、钴、铜、铅等40种以上的元素。只以结核中锰储量而言，即相当于陆地锰储量的182倍。此外，近年还在2 000～4 000m海底发现有含金属硫化物的“重金属泥”，其中含Au、Ag、Pt、Cu、Sn、Fe、Mo、Pb等多种元素。这种物质来源可能与海底火山喷发以及海底地下含矿热水喷出有关。 （4）非正常海相包括淡化海和咸化海。前者如现代的黑海，水域较深，最深处达2 400m，大部为陆地所包围，有大量淡水注入，使海水淡化。表层水密度小，水的垂直循环不畅甚至停止，因此形成海底缺氧和滞流的还原环境。水面浮游及漂流生活的生物死亡下沉，形成富含有机质的黑色泥质沉积。古代地层中有含笔石黑色页岩相，大致代表此种沉积。与此相反，在干燥气候条件下的内海，蒸发量大于淡水补给量，内海海面降低，使外海海水不断溢入。由于不断蒸发和海水溢入的结果，含盐量增高，形成咸化海。这种海一般规模较小，海水较浅，不易形成还原环境，常形成缺少生物化石的膏盐或白云岩沉积。 2．过渡相沉积（海陆混合相沉积） 发育于滨海地区。其中主要包括三角洲相和潟湖相 （1）三角洲相在河流入海处，特别是在河流含砂量大、海底较浅而且比较稳定的地区，常常形成三角洲。三角洲相的特点是具有向海洋方向倾斜的斜层理，以砂质沉积为主，陆生植物、淡水动物和海生动物化石混杂一起。三角洲底部，沉积物质变细，以粉砂及黏土为主，层理水平，富含海生动物化石。 （2）潟湖相形成于水体与海洋的联系为砂堤部分隔绝的滨海地区。在湿润气候条件下，常堆积成砂页岩和泥炭层，具有薄而水平的层理；在干燥炎热气候条件下则往往产生白云岩、石膏、石盐等化学沉积。 3．陆相沉积 大陆是遭受剥蚀的地区，但在相对低洼部位可以接受沉积。和海相沉积相比，陆相沉积类型多种多样，横向变化显著，地层对比也比较困难。沉积物中以碎屑（砾、砂、泥）成分为主，有时含陆生动植物化石。陆相沉积对于气候和地形的反映十分敏锐，在不同气候、地形和外营力的条件下便有不同类型的沉积，主要有残积、坡积、洪积、冲积、湖泊和沼泽沉积、风积、冰川和冰水沉积、洞穴堆积等。 （二）岩相分析的主要根据 在不同环境下形成具有不同生物化石、岩性特征和结构以及特殊矿物成分的沉积物；反过来说，沉积物中不同的生物化石、岩性特征和结构以及特殊矿物成分往往指示不同的形成环境。 1．生物化石 化石可以用来指示古地理环境。例如现代珊瑚生活要求水温20℃左右，水中没有混杂的泥沙，水深不超过50～70m，因此珊瑚化石指示清澈温暖的浅海环境；破碎的贝壳指示滨海环境；植物化石往往指示陆相环境，而不同的植物又反映不同的气候，如苏铁表明气候湿热，而银杏表明气候温和等。凡是代表特殊的地理环境，而且指示特殊岩相的化石或化石群，称指相化石或指相化石群。标准化石和指相化石结合起来，是确定地层时代、岩相和重塑古地理环境的重要依据。 2．岩性特征和结构 岩性、结构和构造等特征是一定环境下沉积物的表现形式，因此可以作为岩相分析的重要根据。例如，红色岩层指示氧化环境；黑色页岩并含黄铁矿指示还原环境；交错层、不对称波痕等反映流动浅水地区；干裂反映滨海、滨湖等环境；鲕状赤铁矿和石灰岩代表温暖气候条件下的动荡浅海环境；竹叶状灰岩代表波浪作用所及的潮上带、潮间带和波底线以上的浅海环境，有的还可表示风暴环境；盐假象表示气候干燥环境等等。 3．特殊矿物 有些矿物是在一定环境下形成的，可以起指相作用。例如海绿石代表较深浅海环境；石膏、石盐等代表干燥环境；白云岩（指形成于古生代以后者）并少含化石往往代表咸化海或潟湖环境，等等。 （三）岩相分析的原则现实类比方法 了解岩相的分类及其分析根据，目的是利用这些知识从已知探求未知，从现在推求过去，以便认识地质时期自然环境的变化。这就是莱伊尔所提出的“以今证古”的所谓“现实主义原理”。但是，在应用这一原理时，必须注意以下事实。 1．自然界演化的不可逆性 在地壳历史中，大气圈、水圈和岩石圈以及生物界总是不断发展的。以大气圈而论，过去和现在并不一样。地史初期，由于当时火山活动强烈，大气中CO2含量比现在多；到石炭二叠纪，由于大规模森林的出现，增加了光合作用，大气成分有了变化，CO2含量减少，而O2的含量增加。由此看来，大气的成分在变化，大气的地质作用也必然在改变。再以生物界为例，如地质时期的海百合（一种固定于海底生活的棘皮动物）生活于亚浅海地区，而现代的海百合却生活于深浅海地区。又如白云岩是在咸化海或潟湖中沉积的，但在寒武纪以前却广泛地形成于正常海里。 2．时间因素 有些地质作用，即使环境古今相同，但短期作用和长期作用的结果往往有很大的差异。例如，地质时代海相沉积物的机械分异规律是很普遍的，但在现代海洋沉积中，这种分异规律由于时间短促并不明显，这就表明长期反复的地质作用和短期地质作用的结果并不相同。 3．沉积物的后生变化 古老的沉积岩层都经历了长期的后生作用，已经改变了沉积当时的面貌；而现代沉积还不能看到后生变化，所以尽管环境相似，但地质作用的结果也不一定完全相同。 莱伊尔的现实主义原理在地质学发展历史上曾起过进步作用。但是他没有考虑到上述各种因素，而认为各种地质现象是永恒的，古今是一致的（所谓一致论或均变论），他也没有考虑到地质作用过程中的突变因素。因此，在具体运用以今证古的方法进行岩相分析时，必须充分考虑历史条件、时间和环境，必须考虑到事物发展的渐变与突变，大气圈、水圈、岩石圈、生物圈本身都在不断演变，它们相互作用的规模和程度也在不断变化。这种现实主义与历史分析相结合，用历史发展的辩证观点研究地史的方法，叫现实类比法。现以海相沉积铁矿为例加以说明。根据化学沉积分异规律来看，铁是在化学沉积系列中较早分异出来的一种元素，因此，铁矿沉积必然是在近海岸地区，而且成带状分布，如华北长城系鲕状赤铁矿（宣龙式铁矿）大致反映了这一规律。但是，时间更老的太古界鞍山式铁矿，分布十分广泛（在世界上相同时代的地层里都有类似铁矿），这就不符合现在的化学沉积分异规律了。这种现象可能因为当时的大气成分、生物条件、水介质状态都和以后不同，从而铁元素的搬运形式和沉积规律也和以后不同的缘故。由此可见，研究地史不能机械地采用以今证古的方法，必须用历史发展的观点，才能得出正确的结论。 （四）古地理图 对于一定地区一定时代的地层进行岩相分析之后，把当时的海陆分布、地形、气候等情况综合起来绘成图件，就是古地理图。有时候利用岩性及古生物资料划分出更详细的单位，如滨海碎屑岩相、潟湖黑色页岩相、浅海灰岩相、山麓角砾岩相等，借以表明古自然环境和岩相空间分布的变化规律，这种图件称岩相－古地理图，它是岩相分析的总结。 三、构造历史分析 构造历史分析在于进一步研究地壳构造运动的历史及发展规律。可以根据岩相的垂直变化、岩层厚度、岩层接触关系等重塑地壳构造运动。 地壳运动是长期性和阶段性发展的，所以地壳构造的发展也具有旋回性。地壳的发展都是从一个旋回向另一个旋回发展的过程。每一个旋回所形成的全部地层，称一个构造层。2个构造层之间总是被广泛的区域性不整合所分开。例如，地台的褶皱基底和盖层就代表不同阶段的旋回和构造层，其间呈显著的不整合接触。根据地槽发育构造旋回，结合海陆分布、生物演化和岩浆活动的阶段性变化，对地壳的发展过程，可以划分为若干个旋回，或称构造阶段，如早古生代构造阶段、晚古生代构造阶段、中生代构造阶段和新生代构造阶段。 全面地恢复地壳构造发展史，不是容易的事。各种构造学说也各有不同的看法。但自板块构造学说问世以来，它把大陆和大洋联系起来，把地壳与地下深部联系起来，把板块活动和地槽理论联系起来，这对阐明地壳发展和海陆形成这些基本问题，提供了新的根据。但是，如何利用板块理论来恢复大陆壳地质历史过程，目前仍在探索之中。 四、地层系统 由于地层划分的目的、根据和适用范围不同，地层划分系统可有2类一是区域性或地方性的，以岩性变化为主的地层划分，称为岩性地层分类系统，地层单位为群、组、段等；一是国际性的、全国性或大区域性的，以时代为准的地层划分，称为年代地层分类系统，地层单位为宇、界、系、统、阶等，与其相对应的地质时代为宙、代、纪、世、期等。 （一）岩性地层单位 为了了解一个地区的地层层序及沉积环境的演变，为了便于按一定的地层单位填绘地质图，野外地质工作首先应该把一个地方的分散的不连续地层剖面，进行野外分层，把它们连缀起来成为一个完整的综合剖面，然后再进行地层划分。地层划分的根据主要是岩性变化及岩性组合差异、沉积韵律（岩层节奏）、沉积间断（平行不整合、角度不整合等）等。 组是地方性的最基本的地层单位。凡是岩相、岩性和变质程度大体一致的，与上下地层之间有明确界限的，在一定地理范围内比较稳定的地层，都可以划分为一个组。组采用最初建组的地名（山名、村名等）命名，如华北中寒武统的徐庄组和张夏组等。 比组大的地方性地层单位叫群。凡是厚度巨