沉積岩:記錄地質歷史的古老書頁,背斜成谷向斜成山的始作俑者

在美國亞利桑那州西北部的凱巴布高原上,穿流其中的科羅拉多河在高原上切割出19條峽谷,其中最深、最寬、最長的科羅拉多大峽谷,總長達到了驚人的446公里,平均深度也高達1200米。而成就這世界上最大、最壯觀侵蝕地貌的秘密就在於凱巴布高原層層堆砌的沉積岩。大峽谷的沉積岩是頁岩、砂岩和黏土在近20億年來的地質時期形成的,質地疏鬆,而且內部軟硬不勻,再經過長期的烈日曝曬和科羅拉多河流域洪流的切割,較脆弱的岩層被風雨剝去,便形成這一自然奇觀。

沉積岩:記錄地質歷史的古老書頁,背斜成谷向斜成山的始作俑者

科羅拉多大峽谷是科羅拉多河層層切割沉積岩的自然傑作

沉積岩作為組成地殼岩石圈的三大巖類(即岩漿岩、沉積岩和變質岩)之一,相對岩漿岩的火成岩之名,沉積岩又被稱為“水成岩”,從字面理解,沉積岩就是水中成層堆積的鬆散的沉積物,積少成多“壓”出來的岩石。作為裸露在地表的岩石種類,沉積岩在岩石表層佔到了75%之多,而岩漿岩和變質岩卻只有25%,但如果從地球表面到16公里深的整個岩石圈算,沉積岩就只佔 5%了。

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有砂岩、頁岩組成的沉積岩地貌,覆蓋了地表絕大多數地區

組成沉積岩的種類很多,其中最常見的是頁岩、砂岩和石灰岩,它們佔沉積岩總數的95%。這三種岩石的分配比例隨沉積區的地質構造和古地理位置不同而異。總的說,頁岩最多,其次是砂岩,石灰岩數量最少,當然還有諸如礫石、粘土、灰泥和生物殘骸等物質。雖然沉積岩基本聚集在地表層,但沉積岩中所含有的礦產,卻佔全部世界礦產蘊藏量的80%,如能源、非金屬、金屬和稀有元素礦產。還有化石群。

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沉積岩層的顏色與地質沉積時期的氣候環境有直接關係

相比地幔岩漿噴出形成的岩漿岩,沉積岩需要大自然“慢工出細活”,花費漫長的時間才能形成,所以沉積岩保存了地層變化的重要信息。不同的歷史時期,地質條件不同,沉積物的成分也有所差異,影響著岩層的色彩,所以地質學家可以根據沉積岩層的顏色,便可大致推斷出岩層當時的氣候環境。如紫紅的岩層是粉砂岩、泥岩,代表了乾旱炎熱的強氧化氣候環境;黃綠色岩層是泥岩、頁岩,代表了冷涼還原的氣候環境;深灰色的岩層是頁岩和油頁岩,富含有機質和大量動植物化石,代表了溫暖溼潤的氣候環境;而沉積物顏色較淺的岩層,代表了乾旱環境下,流水中鹽分含量較高。

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地殼岩石圈物質循環示意圖:即岩漿岩、沉積岩、變質岩之間的轉換

當然沉積岩的形成也需要水、火、風以及各種化學反應共同協作發揮作用,故而沉積岩也可以分為碎屑岩、化學沉積岩、生物沉積岩(比如煤炭)等幾大類。如像一本古老書頁的頁岩,原本緊密貼合在一起的“書頁”僅需敲打便可輕鬆分離開來,隱藏在其中的遠古動物化石像極了夾在巨型書頁中的標本。此外常發現有生物化石的還有屬於碎屑岩的泥岩,因為組成它的顆粒直徑小於0.004毫米,細小的顆粒沉積更有利於完整地保存化石。

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頁岩中保存完好的翼手龍化石

但在動態發展自然界裡,沉積岩的展現方式並沒有那麼整齊劃一。由於風吹日曬、雨水侵蝕,一點點剝落下來的岩石礦物和死去的生物殘骸,被自然力量搬運到平坦低窪的地方逐漸沉積,與其他雜質一起被層層“擠壓”,最後固結成具有水平層級的沉積岩後,地質造山運動也在同時進行,或抬升隆起或斷裂下陷或擠壓褶皺,水平層級的沉積岩像切蛋糕一樣被分成很多塊,各自之間速率和運動方向的不同,便造就了高高低低的階梯地貌格局。

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沉積岩的褶皺:凸出部分變成了谷,凹陷的部分變成山,即背斜成谷,向斜成山

沉積岩層也由此變得彎曲變形,像花捲一般,其實也就是地質學上說的“褶皺”。不過也正因為有了地層的褶皺變化,形成了層層峰巒,地球上的地貌才如此多樣。地理學上便給沉積岩褶皺的各個部分取了專有的名字。簡單來講,凸起的波峰部分叫“背斜”,凹陷的波谷部分叫“向斜”。潛意識裡我們可能會覺得凸起的成山、凹處成谷,事實上截然相反,絕大多數沉積岩形成的山峰,往往是凸出部分變成了谷,凹陷的部分變成山。其根源在於沉積岩層的受力不同造成的,即背斜的受力向四周分散,凸出部分岩石疏鬆,難以抵擋雨蝕風化,頂部被侵蝕成了谷地,而向斜的受力集中,岩層擠壓變得緻密,不易被侵蝕,反而在漫長的時間作用下變成了山峰。

沉積岩:記錄地質歷史的古老書頁,背斜成谷向斜成山的始作俑者

歷經侵蝕、搬運和沉積而成的沉積岩,此後滄海桑田,各種沉積逐次累加,最終形成了地表豐富多彩的形態。

於是風在繼續在吹,水在依舊在流,沉積岩覆蓋的地殼表面也因此活色生香。

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