地球行星/6i. 地球表面过程：沉积岩和沉积环境

地球行星
6i. 地球表面过程：沉积岩和沉积环境

詹姆斯·赫顿，地质学之父

与其他行星相比，是什么使地球如此充满活力？这可以在侵蚀的沉积物穿过其表面的复杂方式中找到答案。地球的表面不断变化，侵蚀的沉积物从大陆上高耸的岩石地形中被侵蚀，并被河流和风带到低洼盆地和浅海边缘。这就像血液一样，是沉积物从地球的一个地方到另一个地方的循环系统。

詹姆斯·赫顿的手沾满了人类血液，他于 1749 年在巴黎大学解剖尸体，他的论文研究深入到人类循环系统，如何从心脏通过动脉泵入肺部，然后通过静脉流回心脏，再次被氧气化。他正在接受训练成为一名医生，一名医生，并曾前往法国从他的苏格兰家乡学习该行业。赫顿对观察到的所有事物都感到好奇，他经常以长篇几乎是意识流的写作方式来描述它们，这些写作既详细又冗长。他计划返回伦敦，继续他的医生工作，但利用他科学兴趣来制造和加工染料。他对朋友的了解以及与英国朋友的合作，使他在出售染料和化学品的过程中获得了一些资金，这些染料和化学品他已学会从烟尘和植物中提取，并且在伦敦待不到一年就决定返回苏格兰。他从未认识过他的父亲，不幸的是，他的父亲在他 3 岁时去世了，但他父亲在他长大的爱丁堡市东南部的乡村留给他一些农田。这片农田一直处于休耕状态，他在 1751 年参观了他家乡的农田，这激发了他对农业的兴趣。凭借其雄心勃勃的洞察力，詹姆斯·赫顿开始了清理土地的过程，就像一位科学家在一本他打算写名为《农业要素》的书中记录他的观察结果一样。农场生活是田园诗般的，他在给朋友的信件中记录了他对研究地球表面的喜爱。好奇心使他思考在他们挖的每个坑或土层中潜藏着什么，以及河流和溪流是如何在穿越景观时雕刻沉积物的，就像他曾在巴黎研究的人体中的动脉和静脉中的血液一样。在长达 25 年的时间里，詹姆斯·赫顿写下了这些过程，岩石地形的隆起，风和雨的侵蚀，至关重要的沉积物穿过表面进入低洼地和海洋海岸，关于沉积物运输的无休止的循环。最值得注意的是，他指出“没有开始的痕迹，也没有结束的希望。”他的书终于在 1788 年出版，名为地球理论；或对地球上陆地的组成、溶解和恢复中可观察到的规律的调查。詹姆斯·赫顿的书详细讨论了地球表面发生的地球过程，以及如何在漫长的时期内，这些过程导致沉积物沉积和固结成岩石。詹姆斯·赫顿的想法在当时是激进的，在历史上，科学家将地球的历史视为短暂而灾难性的，以全球性灾难为主。对詹姆斯·赫顿来说，时间是无限的，地球的历史如此漫长。地球的形成是由于沉积物的不断侵蚀、运动和沉积，这些沉积物将被抬升成山脉，从而重新开始这一过程。赫顿的想法激发了人们对地球表面过程的兴趣，为地质学的新领域打开了大门，例如地貌学（研究地球景观），土壤科学和沉积地质学。在美国，国家科学院在 2001 年创造了新词临界带科学，以描述研究地球表面过程以及这些过程如何影响景观上的农业、城市和工业发展。这门科学的一个方面是识别和研究沉积环境。沉积环境是沉积物在被运输后沉积和堆积在地球表面的区域。这些沉积物后来可能会被埋藏，并且通过固结，在压实和热的作用下转变为沉积岩。

地球大陆沉积环境

冲积扇

冲积扇形成于高地势区域，通常位于山脉的底部，那里由于靠近隆起的地形，沉积物供应丰富。这些沉积物通过山谷被溪流和河流运送，但也包括泥石流、泥流和滑坡（或其他类型的滑坡，如岩石坠落）。由于携带这些沉积物进一步的重力能降低，因此这些沉积物会在高地形和低地形的交汇处堆积。冲积扇高度依赖于不频繁的季节性事件，例如春季由于融雪而发生的周期性洪水，以及暴雨后的泥石流。由于这些地区靠近山区，它们非常容易受到侵蚀，与其他沉积环境相比，它们很少保存在古代岩石记录中。冲积扇的特点是缺乏化石、叶状地形、结构不成熟的沉积岩、颗粒分选性差且棱角分明、交错层理和径向切割的河流通道图案。由于沉积物很少低于地下水位，因此沉积物通常呈氧化红色。

辫状河系统

辫状河形成于高地势区域，通常范围有限，因为它们从冰川谷或隆起的平原冲刷出来。辫状河的特点是其交织的河道和从上面看呈辫状的外观。这种辫状形态是由于运输沉积物负荷量大以及水流沿河流的间歇性流动造成的。在河流高流量时期，沉积物被携带并阻塞在沙洲和河道周围，这些沙洲和河道反复被冲破并变得短暂。辫状河系统可能是地球历史上早期河流流动的原始模式，当时地球表面缺乏植物。缺乏根系和植被导致沉积物充盈的河系统，呈现出辫状外观，许多沙嘴和沙洲交织在一起，使流动的水难以遵循最直接的路线。辫状河系统具有高度的季节性，通常位于地球的温带或寒冷地区，植被稀少。辫状河系统在沙漠和高原中很常见，并且经常可以在山区和冲积扇附近找到。辫状河系统以砾石和砂粒碎屑占主导地位为特征，槽状层理、水平层理或交错层理出现在砂岩中，岩层中颗粒大小或岩性变化很小，每个层理中只有轻微的向上变细趋势。这些环境中很少保存化石。水槽研究，即用砂子填充并倾斜的槽罐被一个作为单一水源的龙头冲洗，并允许水流过砂子，将模拟自然界中的辫状河系统，这是由于水流的物理特性及其与砂子的相互作用。如果砂子松散且未固结，该模式将始终导致辫状流。然而，如果砂子固结、胶结在一起或受植被和根系的束缚，则会产生不同的模式。

蜿蜒河流系统

河流被限制在一条主要的河道内，其特征是具有粘性的河岸，不易侵蚀，这将导致蜿蜒的流向模式。蜿蜒河流系统是自陆生植物出现以来占主导地位的河流系统。它们也存在于深峡谷中，因为峡谷两侧抵抗侵蚀。水流穿过抗蚀基底会导致该物质随着时间的推移而形成河道。由于流动的水在横截面上的速度差异，河曲变得突出。一侧流动的水往往流动得略快，压入河岸，侵蚀河岸，形成河道沿线的切岸，而在对侧，流速略慢，导致沉积物从河流的沉积物负荷中沉积出来，形成沙嘴。随着时间的推移，河流将弯曲成蜿蜒的模式，因为它在下游摆动到相反侧的切岸和沙嘴。这种蜿蜒的模式导致沿沙嘴不断沉积滞留沉积物，其中包含粗砂大小的沉积物。蜿蜒河流将形成天然堤沉积物，这些沉积物将平行于河流的任一侧。这些天然堤沉积物是在周期性洪水期间沉积的，但它们可能被沿河流的大洪水淹没，导致沉积物在河流附近的大区域内覆盖这些河道，沉积厚厚的沉积物，称为洪泛区或泛滥平原沉积物。更大的洪水将导致裂缝喷溢沉积物，当蜿蜒河流被洪水淹没到一定程度，水流出洪泛平原很远的距离时，会带来大量的泥土和粘土沉积物。蜿蜒河流系统几乎总是表现出向上变细，最粗大和最大的沉积物形成一系列层理的底部，其中河流滞留沉积物首先沉积，而上层代表洪泛平原沉积物，并以泥岩和粉砂岩为主。蜿蜒河流系统是由从切岸到沙嘴的循环沉积物形成的，导致交错层理和层间交错层理横向穿过洪泛平原。河道可能会切割，并留下蜿蜒的模式。一旦被沙子填满，这些河道砂子可以缓慢地固结成砂岩，并且水流在犹他州东部的沙漠和荒地的岩石层中得以保存，因为这些砂岩抵抗风化。古代河道的方向和流向可以从这些石化的河流中研究，这些石化的河流在沙漠中像化石河流一样被侵蚀，尽管其他河流可能隐藏在植被之下。蜿蜒河流系统和洪泛平原沉积物是寻找化石（尤其是陆生动植物，包括恐龙）的极佳沉积环境。

风成沙漠系统

风成沉积物可以在降水量少（雨雪）、暴露在强风中且强风可以携带沙子的区域找到。在这些区域，沙子和较小的沉积物颗粒可以被吹来的风运输。这些风吹来的沙子可以在地球表面甚至跨越海洋进行长途旅行，但最常堆积在地形陷坑中，那里山脉或山脊的海拔较高。这些地形山脊阻止沙子越过它们，砂粒大小的颗粒从空中掉落并在这些山脊的边缘沉积下来。沿着这些地形陷坑，可以形成巨大的沙丘，这些沙丘可能非常厚。在像北非这样的沙漠地区，风吹来的沙子可以覆盖大陆内部的广阔区域，尤其是在降雨量少、气温高的地区。横向沙丘是垂直于吹来风向的极其长的沙丘，这会导致沙子迁移，因为沙子不断沉积在沙丘的后侧（背风侧）。这些薄薄的风吹来的沙子沉积物可以形成宽阔的交错层理条纹，这些条纹比河流沉积环境中发现的交错层理更大、更平滑。横向沙丘可以被吹走，形成新月形沙丘，形成一个宽阔的月牙形，背风侧陡峭，正面宽阔。沙丘可以在沙漠景观中迁移，但受气候和植被覆盖程度的影响很大。沙粒的来源也很重要，这些来源通常来自侵蚀暴露的砂岩。在犹他州东部和南部发现了风成沉积环境的古代记录。锡安国家公园的温盖特砂岩和纳瓦霍砂岩的经典砂岩是大约 2 亿年前三叠纪晚期和侏罗纪早期犹他州存在的广阔风成沙漠的遗迹。这些红色和黄色的艺术性广泛形成的交错层理是史前沙漠中风吹沙丘的遗迹，这些砂岩的特点是分选良好，以橙色圆形石英为主的颗粒。

湖泊系统

湖泊系统是湖泊系统的沉积沉积环境，是沉积物沉积的重要来源。湖泊可以是开放的，有水流出，稳定的海岸线以碎屑沉积物进入系统为主，也可以是封闭的，几乎没有水流出，导致化学沉积，例如碳酸盐沉积物，或者如果水受到蒸发和干涸，则为蒸发岩沉积物。湖泊往往表现出层状泥层，这是由于与快速流动的河流相比，运输沉积物的能量较低。这导致厚厚的泥质沉积物，可以在湖底堆积厚厚的粘土、泥土和粉砂沉积物。这种泥土可能是周期性的，在春季洪水期间沉积物增加，因为水和沉积物的流入量可能会逐年增加。这种年度循环可以在薄薄的泥层中看到，被称为纹层。纹层是不同颜色和纹理的薄薄的粘土、泥土和粉砂层，代表湖底一年中的沉积物。它们可以用作研究湖底沉积物数千年历史的年代学历史。湖泊系统可以通过其均匀的层状泥层来识别，这些泥层固结成页岩。暴露在美国犹他州东北部、怀俄明州西南部和科罗拉多州西部的绿河页岩是一个古代湖泊系统的例子，代表了该地区在美国的内陆盆地中曾经存在过的湖泊，大约在 5000 万年前的始新世时期。

三角洲系统

三角洲是河流注入海洋、半封闭海、湖泊或泻湖时形成的离散海岸突起，其沉积物供应速度快于盆地沉降速度。三角洲沉积环境将沉积物输送至盆地，这些河流携带的沙子、淤泥、泥土和粘土颗粒在海岸线附近堆积，使海岸线向海洋或海盆移动，导致海岸线向海洋外退。三角洲因其三角形形状而得名，这是河流在试图找到通往海洋最直接的斜坡路径时，由于在陆地与海洋之间的过渡带沉积了沉积物而形成的。第一个被认可的三角洲是埃及亚历山大附近的尼罗河三角洲，但其他三角洲还包括路易斯安那州的密西西比河三角洲，以及印度孟加拉和孟加拉国地区的恒河三角洲。由于沉积物堆积，河流在三角洲上的支流网络的路径一直在变化，水流沿着这些沉积物流向下坡，形成复杂的河道。这些地表过程的结果是主要河流与海洋交汇处形成的复杂的三角形区域。它们表现出颗粒尺寸向上变粗，交错层理，由潮汐造成的波痕，以及通过较粗的覆盖颗粒向上扩散的粘土和泥土。三角洲中也存在相当多的生物扰动。生物扰动是指生物（如蛤蜊和甲壳类动物）在沉积物中挖掘或钻洞留下的痕迹，以及由于地面生物活动留下的这些洞穴的痕迹和沉积物的混合。

海滩与障壁岛

海滩是沿海岸线平行延伸的狭长沙子堆积，靠近海岸，而障壁岛则是与大陆隔着浅潟湖、河口或沼泽的沙子堆积。海滩和障壁岛以沿海岸线的波浪作用为主，导致沙粒经过充分抛光，在这个高能量系统中不断被搅动。海洋潮汐和风也对这些沿海环境的沉积物搬运起作用。海滩沉积环境可以根据其距离和位置从海岸线划分为不同的区域，海岸线会随着潮汐和海浪的冲击而不断变化。后滨是海滩或障壁岛高于高潮的区域。后滨仅在高风暴期间被海洋淹没，并且受到海滩上形成的堤岸的保护，堤岸可以抵御更频繁的每月和每日潮汐。堤岸保护着后滨内的海滩，但在风暴潮期间会受到侵蚀，届时海洋会淹没这些海滩区域。后滨的海滩或障壁岛的沉积物沉积主要受风吹沙控制，形成沙丘和风成沉积结构。它们也可能随着时间的推移被植物和植被覆盖，并受到海滩侵蚀的影响。在海浪拍打区域，你的脚在海滩上行走时会变湿，这就是前滨。前滨可以分为冲刷带和冲浪带，其中被水淹没的海滩部分称为冲刷带，而冲浪带则是海浪从岸边更远处拍打的地方。更远的海面是近岸（也称为海岸面）。该区域是海水足够浅以至于与海底相互作用的地方，导致海浪破碎，延伸它们的波峰，并产生冲浪。该区域的定义是比局部波基浅的区域。波基是表面波通过海洋表面的最大深度，可以在水柱中引起更深处的运动。当这个深度与海底的沉积物相互作用时，会导致海浪开始波峰和破碎，形成在近岸观察到的冲浪带。冲浪是海浪与海底动态相互作用的结果，在该区域内，冲浪者可以乘坐这些破碎的海浪被带到岸边。波基是通过找到波峰之间距离的一半来计算的。例如，当间隔为 3 米的海浪向海滩靠近时，它们会将下面的水向上移动到 1.5 米的深度。当海浪到达海岸线深度小于 1.5 米的部分时，海浪会开始波峰，因为它们也与海底的沉积物相互作用，导致沙子大小的颗粒被搬运。当海浪以一定角度接近海岸线时，会产生沿岸流，这会导致沉积物沿着海滩或障壁岛的长度方向搬运。沿岸流可以显著地将沉积物沿着海岸线上下移动，因为它们由接近海浪产生的运动携带。海滩和障壁岛容易受到海平面变化、潮汐、风，尤其是风暴波的影响，这些因素会冲刷沉积物并将它们重新沉积到更远的海面。海滩和障壁岛沉积物的特点是主要由沙粒大小的颗粒组成，而且这些颗粒非常成熟，圆润，分选良好。双壳类（蛤蜊）和腕足类生物的贝壳在这些沉积物中很常见。双向对称剖面的波痕很常见，还有平面层理和槽状交错层理，以及生物扰动。

河口和潟湖系统

河口是淹没的河流谷系统向海的部分，它接收来自下游河流流动和上游海洋潮汐来源的沉积物输入，并受潮汐、波浪和河流过程的影响。而潟湖则是靠近或与海洋相连的浅水区，但与之隔着狭窄的低矮陆地。这些沉积环境对海洋生物特别重要，因为它们经常拥有咸水水域（淡水和盐水混合的水域）。河口和潟湖系统是在海侵事件期间形成的，此时海平面很高。沉积物输入可能是河流和海洋运动进入这些系统的结果，导致沉积物来源的混合。这受间歇性风暴的影响。这两种类型的区域都容易受到蒸发的影響，导致盐类蒸发沉积物的积累或分层。

潮汐滩系统

潮汐滩是沼泽地和泥泞的到沙质区域，这些区域部分暴露在潮汐的涨落中，通常受到地理屏障的保护，防止波浪的作用。潮汐滩的沉积物搬运是由潮汐驱动，而不是河流。当潮汐进出这些区域时，它们将沉积物沉积到狭窄的潮汐水道中，这些水道不断地被每日到每月的洪水重新改造。需要有阻挡波浪的作用，这通常是由于盐沼植被或红树林有助于减弱波浪的作用，否则会导致这些潮汐滩的侵蚀。潮汐滩的特点是泥土是主要的沉积物，还有植物碎屑、生物扰动，以及由于水流的进出运动而形成的奇怪的鱼骨状交错层理。潮汐滩沉积物在埋藏和固结后通常会形成页岩，这些页岩可以分层或夹杂在蒸发岩盐沉积物之间。

海洋深水沉积系统

地球上存在着广阔的区域，它们位于大陆隆起带、更深的大陆坡，直至深海沟和黑暗的深海平原。所有这些区域都会积累从侵蚀大陆上运来的沉积物。大陆隆起带是靠近大陆海岸线的较浅的海洋区域，它被大陆坡包围，而大陆坡则被更深、更开阔的海洋包围。当沉积物从大陆运往更深的海域时，这些沉积物可能会使大陆坡变得更陡峭，导致水下碎屑流，即浊流。这些细粒沉积物羽流可以将细粒物质沿着海底输送很远很深。这些细粒沉积物羽流可以在海底将大量微小沉积颗粒输送很远。海底还会收到来自火山灰、风吹沉积物以及冰川和浮冰带出的较大碎屑的沉积物。最大的沉积物来源可能是来自海洋水体中生物产生的有机颗粒的“海洋雨”，这些有机颗粒会沉降到海底。温盐环流的变化、酸性海水和俯冲会减慢或停止沉积物进入这些系统，因为这些系统通常是相当连续的，很少发生侵蚀，因为它们位于海底。这些沉积物通常保存着非常完整的记录，几乎没有或根本没有沉积间断。因此，许多科学家，例如参加 JOIDES 研究船的科学家，研究这些沉积体系中的沉积岩芯，以了解地球过去的气候和海洋学。

碳酸盐沉积体系

碳酸盐沉积物主要沉积在浅海陆架平台上，但也存在于边缘海环境中，更少见的是湖泊系统中。它们形成了所谓的碳酸盐台地，例如珊瑚礁和环礁。与其他沉积体系不同，碳酸盐沉积是一个化学和生物化学过程，其中生物体从碳酸钙中形成骨骼，并在这些浅海和湖水中以生物活动框架的形式沉积下来。这些碳酸盐物质的改造和运输可能存在物理过程，但它们的来源是化学和生物化学过程，而不是来自大陆的侵蚀。当存在大量从碳酸钙中形成骨骼的生物体时，碳酸盐体系是活跃的，但当海水变得更碱性（碳酸根阴离子增加）时，碳酸盐也会沉积，以及来自大陆风化的溶解钙阳离子增加。碳酸盐体系局限于浅水区，位于碳酸盐补偿深度 (CCD) 以上，通常在光合作用带内的温暖热带海水中最为活跃。这使得碳酸盐沉积极易受到海平面变化的影响，因为海平面下降会导致碳酸盐被酸雨侵蚀或喀斯特化。碳酸盐体系也受海水 pH 值的影响，因为它们需要更碱性的海水 pH 值（8 或更高）。如果海水变得更加酸性，碳酸盐将不会以固体形式沉淀，而是会溶解。这也可能导致有壳海洋生物的保护性骨骼和外壳溶解。碳酸盐沉积体系导致了厚厚的石灰岩沉积物，这些沉积物在地球表面大部分地区都很常见，特别是在 5.45 亿年前的岩石中含量丰富，当时有壳的多细胞生物首次出现在地球上。

不整合面

在这些沉积环境中，您可以看到地球表面沉积物输送和沉积持续过程的日常证据。詹姆斯·赫顿对这些过程的本质以及它们如何能够持续很长时间而保持不变、永不停止地输送沉积物并积累成地球地下发现的观察到的岩层非常感兴趣。但他对这些间断（称为不整合面）也很感兴趣，因为这些固结的沉积物会上升并被再次侵蚀，继续循环。

锡卡角和时间的深渊

1788 年，他与朋友约翰·普莱费尔和詹姆斯·霍尔一起在苏格兰海岸乘船旅行，寻找这些间断，这些间断位于伯威克郡崎岖的岩石海岸，他们发现了一个名为锡卡角的岩石点。较低的岩层垂直突出，覆盖着水平的岩石。早期科学家当时不知道这些岩石的年龄，但对于这种沉积结构、抬升、褶皱和再沉积形成所需的时间之长令他们感到震惊。这是一个通往地球古老时期的窗口。约翰·普莱费尔写道：“他们的头脑在回顾时间的深渊时感到眩晕。”这个位于苏格兰海岸线的岩石点是地球存在时间之长的第一个证据。这些观察结果发展成为均变论的理论；即地球表面的变化和沉积物的沉积是持续和均匀过程的结果，这种过程即使在今天也一直在进行。后来，地质学家查尔斯·莱伊尔总结了这些过程，即现在是过去的钥匙。观察到的沉积物输送和沉积在整个地球漫长的历史中都是连续的，其记录保存在覆盖地球大部分大陆的固结沉积物层中。

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