地球行星/6i. 地球表面过程：沉积岩与沉积环境
与其他行星相比，是什么让地球如此充满活力？答案在于被侵蚀的沉积物在其表面上的复杂运输方式。地球的表面不断变化，沉积物从大陆上地形高耸的岩石地带被侵蚀，然后被河流和风带走，沉积到低洼盆地和浅海边缘。这就像血液一样，是地球上从一个地方到另一个地方的沉积物循环系统。
詹姆斯·赫顿 的手沾满了人类的血液，他在 1749 年于 巴黎大学 解剖尸体，他的论文研究深入探讨了人类循环系统，血液如何从心脏通过动脉泵入肺部，然后通过静脉流回心脏，再次被氧化。他正在接受培训成为一名医生，一个医师，他从他的家乡苏格兰旅行到法国学习这一行当。赫顿对所有他观察到的事物都感到好奇，经常用长篇幅、几乎是意识流式的写作来描述它，这些写作既详细又冗长。他计划回到伦敦，继续他的医生工作，但他利用他对科学的兴趣来制造和加工染料。他与朋友们在英格兰的知识和合作让他在销售染料和化学品方面赚了一些钱，这些染料和化学品是他从烟尘和植物中提取出来的。他在伦敦工作不到一年，就决定回到苏格兰。他从未认识过自己的父亲，他的父亲不幸在他 3 岁时去世了，但他的父亲留给了他一些位于 爱丁堡 城市东南郊外的乡村的农田，他在那里长大。这片农田一直处于休耕状态，他在 1751 年访问了他的故乡的农田，这激发了他对农业和农业的兴趣。怀着雄心勃勃的洞察力，詹姆斯·赫顿 开始了清理土地的过程，就像一位科学家在写他的观察结果一样，他打算写一本名为《农业要素》的书。在农场上的生活是田园诗般的，他在给朋友的信件中记录了他对研究地球表面的热爱。他好奇的是，他们在挖的每个坑或土层中，以及河流和小溪是如何在穿过景观时雕刻沉积物的，就像他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，即岩石地形的隆起，风和雨的侵蚀，生命沉积物横跨地表进入低地和海洋海岸，以及无休止的沉积物运输循环。最值得注意的是，他指出“没有开始的痕迹，也没有结束的迹象。”他的书最终在 1788 年出版，名为《地球理论；或对全球土地的构成、溶解和恢复中可观察到的规律的调查。詹姆斯·赫顿 的书是对地球表面上运作的地质过程的冗长讨论，以及这些过程如何在漫长的时间内导致沉积物沉积并固结成岩石。詹姆斯·赫顿 的想法在当时是激进的，当时的历史学家认为地球的历史是短暂的、灾难性的，以全球性灾难为主。对詹姆斯·赫顿 来说，时间是无止境的，地球的历史是如此漫长。地球是由不断的侵蚀、运动和沉积物沉积形成的，这些沉积物会被抬升成山脉，重新开始这一过程。赫顿的想法引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（地球景观研究）、土壤科学和沉积地质学。在美国，国家科学院在 2001 年创造并命名了新的术语 临界带科学，来描述研究地球表面过程及其对景观上的农业、城市和工业发展的影响的科学。这项科学的一个方面是识别和研究沉积环境。沉积环境是指地球表面上运输的沉积物沉积和积累的区域。这些沉积物后来可能被埋藏，并通过固结，通过压实和热量转化为沉积岩。
冲积扇形成于高地貌地区，通常位于山脉的底部，那里有来自抬升地形附近丰富的沉积物供应。这些沉积物通过山谷中的溪流和河流被运输，但也通过泥石流、滑坡和山体滑坡（或其他类型的块体运动，如落石）被运输。由于搬运这些沉积物到更远处的重力能降低，这些沉积物在高地貌与低地貌交汇处堆积。冲积扇高度依赖于不频繁的季节性事件，例如春季融雪造成的周期性洪水，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，它们在古代岩石记录中保存的可能性更小。冲积扇的特征是缺乏化石、叶状地形、结构不成熟的沉积岩、粒度极差且呈角状的颗粒、交错层理和径向切割的河流通道模式。沉积物通常呈氧化红色，因为沉积物很少低于地下水位。
辫状河形成于高地势地区，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。 这种辫状模式是由于大量运输的沉积物和河流中不稳定的水流造成的。 在河流高流量期间，沉积物被携带并堵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流系统，这些系统表现出辫状外观，许多沙洲和沙洲交织在一起，使流动的水无法遵循最直接的路线。 辫状河系统高度季节性，通常位于地球的温带或寒冷地区，植被很少。 辫状河系统在沙漠和高原上很常见，并且经常可以在山区和冲积扇附近找到。 辫状河系统的特点是砾石和砂粒大小的碎屑占主导地位，槽状、平面或交错层理在砂岩中，岩石中几乎没有垂直的粒度递变或变化，每个层中仅有轻微的变细向上趋势。 这些环境中很少保存化石。水槽研究，即用沙子填充的倾斜水箱，用一个水龙头冲洗，水龙头作为单一水源，并允许流过沙子，将模拟自然界中的辫状河系统，因为水的流动物理特性及其与沙子的相互作用。 如果沙子未固结且松散，模式将始终导致辫状的流动模式。 但是，如果沙子是固结的、胶结在一起的或被植被和根系束缚在一起，则会产生不同的模式。
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河流被限制在单个主要河道内，其特点是具有凝聚力的河岸，这些河岸难以侵蚀，这将导致蜿蜒的流动模式。 蜿蜒河系统是自陆地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，那里峡谷的侧壁具有抗蚀性。 水流穿过抗蚀性基底将随着时间的推移导致该材料的河道化。 河曲变得明显是因为流动的水流的横截面差异。 一侧流动的水往往会流动得稍快，压入河岸，侵蚀边缘形成沿河道的切岸，而在另一侧，水流稍慢，导致沉积物从河流的沉积物负载中沉积下来，形成沙洲。 随着时间的推移，河流将弯曲成蜿蜒的模式，因为它向下游摆动到切岸和沙洲的相反侧。 这种蜿蜒模式导致沿沙洲持续沉积滞留沉积物，其中包含粗砂粒沉积物。 蜿蜒河流将形成天然堤防沉积物，这些沉积物将平行于河流的任一侧。 这些天然堤防沉积物是由周期性洪水期间沉积的沉积物形成的，但是它们可以被沿河流的更大洪水所淹没，导致细粒沉积物的沉积，这些细粒沉积物覆盖这些河道并在大片靠近河流的区域沉积厚厚的沉积物，称为洪泛区或洪泛平原沉积物。 更大的洪水将在蜿蜒河流被水淹没到一定程度时导致决口扇沉积物，水流出洪泛平原，将厚厚的泥浆和粘土沉积物带到流动的洪水中。 蜿蜒河系统几乎总是表现出变细向上，最粗和最大的沉积物形成一系列层中的底部，河流滞留沉积物是最先沉积的，而上层将代表洪泛平原沉积物，并以泥岩和粉砂岩为主。 蜿蜒河系统是由从切岸到沙洲的循环沉积物形成的，导致交错层理和交错层理横向漂移穿过洪泛平原。 河道可以切割，并留下蜿蜒的模式。 一旦被沙子填充，这些河道砂可以缓慢地石化成砂岩，并且流动被保存在犹他州东部沙漠和荒地的岩石层中，因为这些砂岩耐风化。 古代河道的方向和流动可以从这些石化的河流中研究，这些河流像沙漠中的化石河流一样被侵蚀，尽管其他河流可能隐藏在植被之下。 蜿蜒河系统和洪泛平原沉积物是寻找化石的极佳沉积环境，尤其是陆地动物和植物，包括恐龙。
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风成沉积物可以在降水量少（雨雪）且暴露在强风中的地区找到，强风可以携带沙子。 在这些地区，沙子和较小的沉积物颗粒可以被吹风携带。 这种风沙可以在地球表面甚至跨越海洋传播很远，但最常堆积在地形陷阱中，那里山脉或山脊上升。 这些地形山脊阻止沙子被吹过，并且砂粒从空中落下并在这些山脊的边缘沉积。 沿着这些地形陷阱，巨大的沙丘可以形成，这些沙丘可以非常厚。 在沙漠地区，如北非，风沙可以覆盖大陆内部的广阔区域，尤其是在降雨量少且气温高的地区。 横向沙丘是与吹风垂直的极其长的沙丘，这些沙丘可以进一步导致沙子迁移，因为沙子不断沉积在沙丘的背面（背风坡）。 这些薄薄的风沙沉积物可以形成广泛的交错层理，这些交错层理比河流沉积环境中的交错层理大得多，也更宽阔。 横向沙丘可以被吹出，形成新月形沙丘，形成宽阔的新月形，具有陡峭的背风坡和宽阔的正面。 沙丘可以在沙漠景观中迁移，但受到气候和植被覆盖量的影响很大。 沙粒来源也很重要，这些来源通常来自侵蚀暴露的砂岩。 风成沉积环境的古代记录遍布犹他州东部和南部。 锡安国家公园的温盖特砂岩和纳瓦霍砂岩的经典砂岩是存在于犹他州大约 2 亿年前的三叠纪晚期和侏罗纪早期的巨大风成沙漠的遗迹。 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风沙的遗迹，这些砂岩的特点是分选良好，以橙色圆形石英为主的颗粒。
湖泊系统是湖泊沉积物的沉积环境，是重要的沉积物沉积源。 湖泊可以是开放的，具有水流出和稳定的海岸线，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燥，则为蒸发岩沉积物。 与快速流动的河流相比，湖泊往往表现出层状的泥土层，因为运输沉积物的能量较低。 这导致厚厚的泥质沉积物，这些沉积物可以在湖底积累厚厚的粘土、泥浆和粉砂沉积物。 这种泥土可以是循环的，在春季洪水期间沉积物增加，因为水和沉积物流入可能会增加。 这种年度循环可以在薄薄的泥土层中看到，被称为纹泥。 纹理是颜色和纹理不同的薄薄的粘土、泥浆和粉砂层，代表湖底一年中的沉积物。 它们可以被用作研究湖底沉积物数千年的年代学历史。 湖泊系统可以通过其均匀的层状泥土层来识别，这些泥土层石化成页岩。 绿河页岩暴露在美国东北部犹他州、西南部怀俄明州和西部科罗拉多州，是一个古代湖泊系统的例子，代表了始新世时期（约 5000 万年前）美国该地区山间盆地中曾经存在的湖泊。
三角洲是河流进入海洋、半封闭海域、湖泊或泻湖处形成的离散海岸线突起，其沉积速率快于盆地沉降速率。三角洲沉积环境将沉积物带入盆地，这些由河流携带的沙子、淤泥、泥土和粘土颗粒在海岸线上堆积，将海岸线推移到海洋或海盆中，导致海岸线向外退缩到海洋中。三角洲得名于河流流经该地区时形成的三角形形状，因为河流试图找到通往海洋的最直接下坡路径，但被陆地和海洋之间的过渡区沉积的沉积物阻挡。第一个被识别的三角洲是埃及亚历山大附近的尼罗河三角洲，但其他三角洲包括美国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的恒河三角洲。河流支流在三角洲上形成的迷宫路径由于沉积物堆积和水流经这些沉积物流入复杂的河道而不断变化。这些地表过程的结果是，在主要河流与海洋的交汇处形成一个复杂的三角形区域。它们表现出颗粒尺寸向上变粗、交错层理、潮汐形成的波痕，以及通过较粗的覆盖颗粒向上扩展的粘土和泥土。三角洲中也存在相当数量的生物扰动。生物扰动是生物体（如蛤蜊和甲壳类动物）在沉积物中挖掘或钻洞的痕迹，留下了这些洞穴的痕迹以及由于地下生物活动而产生的混合沉积物。
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海滩是沿海岸线平行排列的狭长沙滩堆积，靠近海岸，而障壁岛是与大陆隔开的沙滩堆积，两者之间由浅泻湖、河口或沼泽隔开。海滩和障壁岛以沿海岸线的波浪作用为主，导致沙粒被抛光，在高能系统中不断受到扰动。洋流和风也在这些沿海环境中的沉积物运输中发挥作用。海滩沉积环境可以根据其距离和位置从海岸线划分成区域，海岸线随着潮汐和拍打的海浪而不断变化。后滨是海滩或障壁岛高于高潮线的区域。后滨只有在暴风雨期间才会被海洋淹没，并受到堤岸的保护，堤岸可以保护其免受更循环的月度和每日潮汐的影响。堤岸是沿着海滩形成的轻微隆起，由沿海岸线的每日至每周潮汐的最高水位形成。堤岸保护着后滨内的海滩，但在风暴潮期间可能会被侵蚀，届时海洋会淹没这些海滩区域。海滩或障壁岛后滨的沉积物沉积主要由风吹沙控制，这些风吹沙可以形成沙丘和风成沉积构造。随着时间的推移，它们也可能被植物和植被覆盖，并受到海滩侵蚀的影响。在拍打的海浪区域，您的双脚走在海滩上会湿的地方是前滨。前滨可以分为冲刷带和冲浪带，海滩被水淹没的部分称为冲刷带，而冲浪带是海浪从海岸线向外更远处拍打的地方。再往海洋深处是近岸（也称为岸面）。这个区域是海水足够浅，与洋底相互作用，形成碎浪，碎浪会延伸其浪峰，并产生冲浪。这个区域的定义是深度小于当地波基的区域。波基是海面波浪通过海面顶部时，其能够在水柱中引起运动的最大深度。当这个深度与洋底沉积物相互作用时，会导致波浪开始起浪并拍打，从而形成在近岸观察到的冲浪区。冲浪是海浪与洋底动态相互作用的结果，冲浪者可以在这个区域内被这些拍打的海浪带入岸边。波基的计算方法是找到波峰之间的距离的一半。例如，当波峰间隔 3 米的波浪靠近海滩时，它们会将下面的水向上移动到 1.5 米的深度。当波浪到达海岸线深度小于 1.5 米的部分时，波浪开始起浪，同时它们也与洋底沉积物相互作用，从而导致沙粒大小的颗粒的运输。沿岸流是当波浪以一定角度靠近海岸线时产生的，这会导致沉积物沿着海滩或障壁岛的长度进行运输。沿岸流可以显著地将沉积物沿海岸线上下移动，因为它们被靠近的波浪产生的运动所携带。海滩和障壁岛容易受到侵蚀，原因是海平面、潮汐、风和风暴浪的变化，风暴浪会冲刷沉积物并将它们重新沉积到更远的海域。海滩和障壁岛沉积物的特点是，以沙粒尺寸为主，而且这些沙粒非常成熟、圆润且分选良好。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，以及平面和槽状交错层理以及生物扰动。
河口是淹没的河谷系统的向海部分，接收来自下游河流流和上游海洋潮汐源的沉积物输入，并受潮汐、波浪和河流过程的影响。而泻湖是靠近或与海洋相通的浅水区，但被狭窄的低地带隔开。这些沉积环境对海洋生物特别重要，因为它们通常栖息着咸水（淡水和盐水的混合水）。河口和泻湖系统在海侵事件中形成，此时海平面较高。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。这受偶发性风暴的影响。两种类型的区域都容易受到蒸发的影响，导致盐分蒸发沉积物的积累或分层。
潮间带是沼泽地、泥泞地和沙质地，这些地区部分暴露在潮涨潮落之下，通常受到地理屏障的保护，免受海浪的作用。潮间带的沉积物运输是由潮汐驱动的，而不是河流。当潮汐流进流出这些区域时，它们将沉积物沉积到狭窄的潮汐通道中，这些通道不断受到这些区域的每日至每月洪水的改造。海浪作用的屏障是必需的，最常见的原因是盐沼植被或红树林，它们有助于减弱海浪作用，否则会导致这些潮间带的侵蚀。潮间带的特点是泥土占主导地位的沉积物，以及植物碎屑、生物扰动以及由于流动水进出而产生的奇怪的鱼骨状交错层理。潮间带沉积物通常会产生页岩，随着埋藏和岩石化，这些页岩可以分层或夹在蒸发盐沉积物之间。
地球上存在着广阔的区域，这些区域超出了大陆隆起占据的浅海环境，包括更深的大陆坡，一直延伸到深海沟和黑暗的深海海底。所有这些区域都可以积累从侵蚀的大陆运来的沉积物。大陆隆起是海洋中靠近大陆海岸线的较浅区域，它被大陆坡包围，大陆坡被开阔海洋的更深的海水所包围。当沉积物从大陆运输到更深的海水中时，这些沉积物会使大陆坡过陡，导致水下碎屑流，称为浊流。这些细粒沉积物羽流可以将细粒物质运输到海底深远的地方。这些细粒沉积物羽流可以将大量微小的沉积物颗粒运输到海底很远的地方。海底也接收来自火山灰和风吹沉积物的沉积物输入，以及冰山和漂浮冰块带入海中的较大碎屑。最大的沉积物输入可能是来自海洋生物产生的有机颗粒的浮游雨，这些生物生活在海洋的水柱中，并沉入海底。热盐环流、酸性海水和俯冲的变化会导致沉积物输入这些系统的速度减慢或停止，这些系统通常是相当连续的，而且很少受到侵蚀，因为它们位于海底。这些沉积物通常保存着非凡的完整记录，沉积很少有间断。因此，许多科学家，例如 JOIDES 研究船上的科学家，研究这些沉积系统的沉积岩芯，以了解地球过去的气候和海洋学。
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，更罕见的是在湖泊系统中。它们形成了被称为碳酸盐台地的地貌，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，并在这些浅海和湖泊水域中作为生物活动框架沉积下来。这些碳酸盐物质的再加工和运输可能存在物理过程，但它们源于化学和生物化学过程，而不是来自大陆的侵蚀。当有大量生物体从碳酸钙中形成骨骼时，碳酸盐体系就会活跃，但当海水变得更加碱性（碳酸根阴离子增加），以及来自大陆风化作用的溶解钙阳离子增加时，碳酸盐也会沉积。碳酸盐体系局限于浅水区，位于碳酸盐组成深度（CCD）以上，并且通常在光合作用带内的温暖热带海水域最为活跃。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一旦暴露于酸性雨水，就会发生化学侵蚀或岩溶作用。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贝壳溶解的风险。碳酸盐沉积体系导致了遍布地球表面大部分地区的厚厚的石灰岩沉积，特别是在5.45亿年前的岩石中更为丰富，当时有壳多细胞生物首次出现在地球上。
在这些沉积环境中，你可以看到地球表面沉积物持续迁移和沉积的日常证据。詹姆斯·赫顿对这些过程的本质以及它们如何能够在很长一段时间内发生，并且在持续不断的沉积物运输中坚定不移、不断流动，最终积累成地球地下发现的观察到的岩层，有着深刻的兴趣。但他也对这些间隙（称为不整合面）感兴趣，当这些固化的沉积物上升并再次被磨损时，就会继续循环。
1788年，他和他的朋友约翰·普莱费尔和詹姆斯·霍尔一起乘船沿着苏格兰海岸航行，在伯威克郡崎岖的岩石海岸寻找这些间隙，他们发现了一块叫做锡卡角的岩石。较低的岩层垂直突出，被水平岩层覆盖。当时，早期科学家还不知道这些岩石的年代，但他们对这种沉积构型形成所需要的时间之长、抬升、褶皱和再沉积感到惊讶。它是一扇通往地球古老历史的窗口。约翰·普莱费尔写道：“他们的思想在回溯到时间的深渊时感到眩晕。”这个位于苏格兰海岸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了均变论的理论；即地球表面的变化和沉积物的沉积是持续而统一的过程的结果，这种过程即使在今天仍在运作。后来，地质学家查尔斯·莱伊尔将它们总结为“现在是过去的钥匙”。观察到的沉积物迁移和沉积在整个地球漫长的历史中都是连续的，它的记录保存在覆盖地球大部分大陆的固化沉积物层中。
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