地球行星/6i. 地球表面過程：沉積岩和沉積環境

地球行星
6i. 地球表面過程：沉積岩和沉積環境

詹姆斯·赫頓，地質學之父

與其他行星相比，是什麼使地球如此充滿活力？這可以在侵蝕的沉積物穿過其表面的複雜方式中找到答案。地球的表面不斷變化，侵蝕的沉積物從大陸上高聳的岩石地形中被侵蝕，並被河流和風帶到低窪盆地和淺海邊緣。這就像血液一樣，是沉積物從地球的一個地方到另一個地方的迴圈系統。

詹姆斯·赫頓的手沾滿了人類血液，他於 1749 年在巴黎大學解剖屍體，他的論文研究深入到人類迴圈系統，如何從心臟透過動脈泵入肺部，然後透過靜脈流回心臟，再次被氧氣化。他正在接受訓練成為一名醫生，一名醫生，並曾前往法國從他的蘇格蘭家鄉學習該行業。赫頓對觀察到的所有事物都感到好奇，他經常以長篇幾乎是意識流的寫作方式來描述它們，這些寫作既詳細又冗長。他計劃返回倫敦，繼續他的醫生工作，但利用他科學興趣來製造和加工染料。他對朋友的瞭解以及與英國朋友的合作，使他在出售染料和化學品的過程中獲得了一些資金，這些染料和化學品他已學會從煙塵和植物中提取，並且在倫敦待不到一年就決定返回蘇格蘭。他從未認識過他的父親，不幸的是，他的父親在他 3 歲時去世了，但他父親在他長大的愛丁堡市東南部的鄉村留給他一些農田。這片農田一直處於休耕狀態，他在 1751 年參觀了他家鄉的農田，這激發了他對農業的興趣。憑藉其雄心勃勃的洞察力，詹姆斯·赫頓開始了清理土地的過程，就像一位科學家在一本他打算寫名為《農業要素》的書中記錄他的觀察結果一樣。農場生活是田園詩般的，他在給朋友的信件中記錄了他對研究地球表面的喜愛。好奇心使他思考在他們挖的每個坑或土層中潛藏著什麼，以及河流和溪流是如何在穿越景觀時雕刻沉積物的，就像他曾在巴黎研究的人體中的動脈和靜脈中的血液一樣。在長達 25 年的時間裡，詹姆斯·赫頓寫下了這些過程，岩石地形的隆起，風和雨的侵蝕，至關重要的沉積物穿過表面進入低窪地和海洋海岸，關於沉積物運輸的無休止的迴圈。最值得注意的是，他指出“沒有開始的痕跡，也沒有結束的希望。”他的書終於在 1788 年出版，名為地球理論；或對地球上陸地的組成、溶解和恢復中可觀察到的規律的調查。詹姆斯·赫頓的書詳細討論了地球表面發生的地球過程，以及如何在漫長的時期內，這些過程導致沉積物沉積和固結成岩石。詹姆斯·赫頓的想法在當時是激進的，在歷史上，科學家將地球的歷史視為短暫而災難性的，以全球性災難為主。對詹姆斯·赫頓來說，時間是無限的，地球的歷史如此漫長。地球的形成是由於沉積物的不斷侵蝕、運動和沉積，這些沉積物將被抬升成山脈，從而重新開始這一過程。赫頓的想法激發了人們對地球表面過程的興趣，為地質學的新領域打開了大門，例如地貌學（研究地球景觀），土壤科學和沉積地質學。在美國，國家科學院在 2001 年創造了新詞臨界帶科學，以描述研究地球表面過程以及這些過程如何影響景觀上的農業、城市和工業發展。這門科學的一個方面是識別和研究沉積環境。沉積環境是沉積物在被運輸後沉積和堆積在地球表面的區域。這些沉積物後來可能會被埋藏，並且透過固結，在壓實和熱的作用下轉變為沉積岩。

地球大陸沉積環境

沖積扇

沖積扇形成於高地勢區域，通常位於山脈的底部，那裡由於靠近隆起的地形，沉積物供應豐富。這些沉積物透過山谷被溪流和河流運送，但也包括泥石流、泥流和滑坡（或其他型別的滑坡，如岩石墜落）。由於攜帶這些沉積物進一步的重力能降低，因此這些沉積物會在高地形和低地形的交匯處堆積。沖積扇高度依賴於不頻繁的季節性事件，例如春季由於融雪而發生的週期性洪水，以及暴雨後的泥石流。由於這些地區靠近山區，它們非常容易受到侵蝕，與其他沉積環境相比，它們很少儲存在古代岩石記錄中。沖積扇的特點是缺乏化石、葉狀地形、結構不成熟的沉積岩、顆粒分選性差且稜角分明、交錯層理和徑向切割的河流通道圖案。由於沉積物很少低於地下水位，因此沉積物通常呈氧化紅色。

辮狀河系統

辮狀河形成於高地勢區域，通常範圍有限，因為它們從冰川穀或隆起的平原沖刷出來。辮狀河的特點是其交織的河道和從上面看呈辮狀的外觀。這種辮狀形態是由於運輸沉積物負荷量大以及水流沿河流的間歇性流動造成的。在河流高流量時期，沉積物被攜帶並阻塞在沙洲和河道周圍，這些沙洲和河道反覆被衝破並變得短暫。辮狀河系統可能是地球歷史上早期河流流動的原始模式，當時地球表面缺乏植物。缺乏根系和植被導致沉積物充盈的河系統，呈現出辮狀外觀，許多沙嘴和沙洲交織在一起，使流動的水難以遵循最直接的路線。辮狀河系統具有高度的季節性，通常位於地球的溫帶或寒冷地區，植被稀少。辮狀河系統在沙漠和高原中很常見，並且經常可以在山區和沖積扇附近找到。辮狀河系統以礫石和砂粒碎屑占主導地位為特徵，槽狀層理、水平層理或交錯層理出現在砂岩中，岩層中顆粒大小或巖性變化很小，每個層理中只有輕微的向上變細趨勢。這些環境中很少儲存化石。水槽研究，即用砂子填充並傾斜的槽罐被一個作為單一水源的龍頭沖洗，並允許水流過砂子，將模擬自然界中的辮狀河系統，這是由於水流的物理特性及其與砂子的相互作用。如果砂子鬆散且未固結，該模式將始終導致辮狀流。然而，如果砂子固結、膠結在一起或受植被和根系的束縛，則會產生不同的模式。

蜿蜒河流系統

河流被限制在一條主要的河道內，其特徵是具有粘性的河岸，不易侵蝕，這將導致蜿蜒的流向模式。蜿蜒河流系統是自陸生植物出現以來占主導地位的河流系統。它們也存在於深峽谷中，因為峽谷兩側抵抗侵蝕。水流穿過抗蝕基底會導致該物質隨著時間的推移而形成河道。由於流動的水在橫截面上的速度差異，河曲變得突出。一側流動的水往往流動得略快，壓入河岸，侵蝕河岸，形成河道沿線的切岸，而在對側，流速略慢，導致沉積物從河流的沉積物負荷中沉積出來，形成沙嘴。隨著時間的推移，河流將彎曲成蜿蜒的模式，因為它在下游擺動到相反側的切岸和沙嘴。這種蜿蜒的模式導致沿沙嘴不斷沉積滯留沉積物，其中包含粗砂大小的沉積物。蜿蜒河流將形成天然堤沉積物，這些沉積物將平行於河流的任一側。這些天然堤沉積物是在週期性洪水期間沉積的，但它們可能被沿河流的大洪水淹沒，導致沉積物在河流附近的大區域內覆蓋這些河道，沉積厚厚的沉積物，稱為洪泛區或氾濫平原沉積物。更大的洪水將導致裂縫噴溢沉積物，當蜿蜒河流被洪水淹沒到一定程度，水流出洪泛平原很遠的距離時，會帶來大量的泥土和粘土沉積物。蜿蜒河流系統幾乎總是表現出向上變細，最粗大和最大的沉積物形成一系列層理的底部，其中河流滯留沉積物首先沉積，而上層代表洪泛平原沉積物，並以泥岩和粉砂岩為主。蜿蜒河流系統是由從切岸到沙嘴的迴圈沉積物形成的，導致交錯層理和層間交錯層理橫向穿過洪泛平原。河道可能會切割，並留下蜿蜒的模式。一旦被沙子填滿，這些河道砂子可以緩慢地固結成砂岩，並且水流在猶他州東部的沙漠和荒地的岩石層中得以儲存，因為這些砂岩抵抗風化。古代河道的方向和流向可以從這些石化的河流中研究，這些石化的河流在沙漠中像化石河流一樣被侵蝕，儘管其他河流可能隱藏在植被之下。蜿蜒河流系統和洪泛平原沉積物是尋找化石（尤其是陸生動植物，包括恐龍）的極佳沉積環境。

風成沙漠系統

風成沉積物可以在降水量少（雨雪）、暴露在強風中且強風可以攜帶沙子的區域找到。在這些區域，沙子和較小的沉積物顆粒可以被吹來的風運輸。這些風吹來的沙子可以在地球表面甚至跨越海洋進行長途旅行，但最常堆積在地形陷坑中，那裡山脈或山脊的海拔較高。這些地形山脊阻止沙子越過它們，砂粒大小的顆粒從空中掉落並在這些山脊的邊緣沉積下來。沿著這些地形陷坑，可以形成巨大的沙丘，這些沙丘可能非常厚。在像北非這樣的沙漠地區，風吹來的沙子可以覆蓋大陸內部的廣闊區域，尤其是在降雨量少、氣溫高的地區。橫向沙丘是垂直於吹來風向的極其長的沙丘，這會導致沙子遷移，因為沙子不斷沉積在沙丘的後側（背風側）。這些薄薄的風吹來的沙子沉積物可以形成寬闊的交錯層理條紋，這些條紋比河流沉積環境中發現的交錯層理更大、更平滑。橫向沙丘可以被吹走，形成新月形沙丘，形成一個寬闊的月牙形，背風側陡峭，正面寬闊。沙丘可以在沙漠景觀中遷移，但受氣候和植被覆蓋程度的影響很大。沙粒的來源也很重要，這些來源通常來自侵蝕暴露的砂岩。在猶他州東部和南部發現了風成沉積環境的古代記錄。錫安國家公園的溫蓋特砂岩和納瓦霍砂岩的經典砂岩是大約 2 億年前三疊紀晚期和侏羅紀早期猶他州存在的廣闊風成沙漠的遺蹟。這些紅色和黃色的藝術性廣泛形成的交錯層理是史前沙漠中風吹沙丘的遺蹟，這些砂岩的特點是分選良好，以橙色圓形石英為主的顆粒。

湖泊系統

湖泊系統是湖泊系統的沉積沉積環境，是沉積物沉積的重要來源。湖泊可以是開放的，有水流出，穩定的海岸線以碎屑沉積物進入系統為主，也可以是封閉的，幾乎沒有水流出，導致化學沉積，例如碳酸鹽沉積物，或者如果水受到蒸發和乾涸，則為蒸發巖沉積物。湖泊往往表現出層狀泥層，這是由於與快速流動的河流相比，運輸沉積物的能量較低。這導致厚厚的泥質沉積物，可以在湖底堆積厚厚的粘土、泥土和粉砂沉積物。這種泥土可能是週期性的，在春季洪水期間沉積物增加，因為水和沉積物的流入量可能會逐年增加。這種年度迴圈可以在薄薄的泥層中看到，被稱為紋層。紋層是不同顏色和紋理的薄薄的粘土、泥土和粉砂層，代表湖底一年中的沉積物。它們可以用作研究湖底沉積物數千年曆史的年代學歷史。湖泊系統可以透過其均勻的層狀泥層來識別，這些泥層固結成頁岩。暴露在美國猶他州東北部、懷俄明州西南部和科羅拉多州西部的綠河頁岩是一個古代湖泊系統的例子，代表了該地區在美國的內陸盆地中曾經存在過的湖泊，大約在 5000 萬年前的始新世時期。

三角洲系統

三角洲是河流注入海洋、半封閉海、湖泊或瀉湖時形成的離散海岸突起，其沉積物供應速度快於盆地沉降速度。三角洲沉積環境將沉積物輸送至盆地，這些河流攜帶的沙子、淤泥、泥土和粘土顆粒在海岸線附近堆積，使海岸線向海洋或海盆移動，導致海岸線向海洋外退。三角洲因其三角形形狀而得名，這是河流在試圖找到通往海洋最直接的斜坡路徑時，由於在陸地與海洋之間的過渡帶沉積了沉積物而形成的。第一個被認可的三角洲是埃及亞歷山大附近的尼羅河三角洲，但其他三角洲還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國地區的恆河三角洲。由於沉積物堆積，河流在三角洲上的支流網路的路徑一直在變化，水流沿著這些沉積物流向下坡，形成複雜的河道。這些地表過程的結果是主要河流與海洋交匯處形成的複雜的三角形區域。它們表現出顆粒尺寸向上變粗，交錯層理，由潮汐造成的波痕，以及透過較粗的覆蓋顆粒向上擴散的粘土和泥土。三角洲中也存在相當多的生物擾動。生物擾動是指生物（如蛤蜊和甲殼類動物）在沉積物中挖掘或鑽洞留下的痕跡，以及由於地面生物活動留下的這些洞穴的痕跡和沉積物的混合。

海灘與障壁島

海灘是沿海岸線平行延伸的狹長沙子堆積，靠近海岸，而障壁島則是與大陸隔著淺潟湖、河口或沼澤的沙子堆積。海灘和障壁島以沿海岸線的波浪作用為主，導致沙粒經過充分拋光，在這個高能量系統中不斷被攪動。海洋潮汐和風也對這些沿海環境的沉積物搬運起作用。海灘沉積環境可以根據其距離和位置從海岸線劃分為不同的區域，海岸線會隨著潮汐和海浪的衝擊而不斷變化。後濱是海灘或障壁島高於高潮的區域。後濱僅在高風暴期間被海洋淹沒，並且受到海灘上形成的堤岸的保護，堤岸可以抵禦更頻繁的每月和每日潮汐。堤岸保護著後濱內的海灘，但在風暴潮期間會受到侵蝕，屆時海洋會淹沒這些海灘區域。後濱的海灘或障壁島的沉積物沉積主要受風吹沙控制，形成沙丘和風成沉積結構。它們也可能隨著時間的推移被植物和植被覆蓋，並受到海灘侵蝕的影響。在海浪拍打區域，你的腳在海灘上行走時會變溼，這就是前濱。前濱可以分為沖刷帶和衝浪帶，其中被水淹沒的海灘部分稱為沖刷帶，而衝浪帶則是海浪從岸邊更遠處拍打的地方。更遠的海面是近岸（也稱為海岸面）。該區域是海水足夠淺以至於與海底相互作用的地方，導致海浪破碎，延伸它們的波峰，併產生衝浪。該區域的定義是比區域性波基淺的區域。波基是表面波透過海洋表面的最大深度，可以在水柱中引起更深處的運動。當這個深度與海底的沉積物相互作用時，會導致海浪開始波峰和破碎，形成在近岸觀察到的衝浪帶。衝浪是海浪與海底動態相互作用的結果，在該區域內，衝浪者可以乘坐這些破碎的海浪被帶到岸邊。波基是透過找到波峰之間距離的一半來計算的。例如，當間隔為 3 米的海浪向海灘靠近時，它們會將下面的水向上移動到 1.5 米的深度。當海浪到達海岸線深度小於 1.5 米的部分時，海浪會開始波峰，因為它們也與海底的沉積物相互作用，導致沙子大小的顆粒被搬運。當海浪以一定角度接近海岸線時，會產生沿岸流，這會導致沉積物沿著海灘或障壁島的長度方向搬運。沿岸流可以顯著地將沉積物沿著海岸線上下移動，因為它們由接近海浪產生的運動攜帶。海灘和障壁島容易受到海平面變化、潮汐、風，尤其是風暴波的影響，這些因素會沖刷沉積物並將它們重新沉積到更遠的海面。海灘和障壁島沉積物的特點是主要由沙粒大小的顆粒組成，而且這些顆粒非常成熟，圓潤，分選良好。雙殼類（蛤蜊）和腕足類生物的貝殼在這些沉積物中很常見。雙向對稱剖面的波痕很常見，還有平面層理和槽狀交錯層理，以及生物擾動。

河口和潟湖系統

河口是淹沒的河流谷系統向海的部分，它接收來自下游河流流動和上游海洋潮汐來源的沉積物輸入，並受潮汐、波浪和河流過程的影響。而潟湖則是靠近或與海洋相連的淺水區，但與之隔著狹窄的低矮陸地。這些沉積環境對海洋生物特別重要，因為它們經常擁有鹹水水域（淡水和鹽水混合的水域）。河口和潟湖系統是在海侵事件期間形成的，此時海平面很高。沉積物輸入可能是河流和海洋運動進入這些系統的結果，導致沉積物來源的混合。這受間歇性風暴的影響。這兩種型別的區域都容易受到蒸發的影響，導致鹽類蒸發沉積物的積累或分層。

潮汐灘系統

潮汐灘是沼澤地和泥濘的到沙質區域，這些區域部分暴露在潮汐的漲落中，通常受到地理屏障的保護，防止波浪的作用。潮汐灘的沉積物搬運是由潮汐驅動，而不是河流。當潮汐進出這些區域時，它們將沉積物沉積到狹窄的潮汐水道中，這些水道不斷地被每日到每月的洪水重新改造。需要有阻擋波浪的作用，這通常是由於鹽沼植被或紅樹林有助於減弱波浪的作用，否則會導致這些潮汐灘的侵蝕。潮汐灘的特點是泥土是主要的沉積物，還有植物碎屑、生物擾動，以及由於水流的進出運動而形成的奇怪的魚骨狀交錯層理。潮汐灘沉積物在埋藏和固結後通常會形成頁岩，這些頁岩可以分層或夾雜在蒸發岩鹽沉積物之間。

海洋深水沉積系統

地球上存在著廣闊的區域，它們位於大陸隆起帶、更深的大陸坡，直至深海溝和黑暗的深海平原。所有這些區域都會積累從侵蝕大陸上運來的沉積物。大陸隆起帶是靠近大陸海岸線的較淺的海洋區域，它被大陸坡包圍，而大陸坡則被更深、更開闊的海洋包圍。當沉積物從大陸運往更深的海域時，這些沉積物可能會使大陸坡變得更陡峭，導致水下碎屑流，即濁流。這些細粒沉積物羽流可以將細粒物質沿著海底輸送很遠很深。這些細粒沉積物羽流可以在海底將大量微小沉積顆粒輸送很遠。海底還會收到來自火山灰、風吹沉積物以及冰川和浮冰帶出的較大碎屑的沉積物。最大的沉積物來源可能是來自海洋水體中生物產生的有機顆粒的“海洋雨”，這些有機顆粒會沉降到海底。溫鹽環流的變化、酸性海水和俯衝會減慢或停止沉積物進入這些系統，因為這些系統通常是相當連續的，很少發生侵蝕，因為它們位於海底。這些沉積物通常儲存著非常完整的記錄，幾乎沒有或根本沒有沉積間斷。因此，許多科學家，例如參加 JOIDES 研究船的科學家，研究這些沉積體系中的沉積岩芯，以瞭解地球過去的氣候和海洋學。

碳酸鹽沉積體系

碳酸鹽沉積物主要沉積在淺海陸架平臺上，但也存在於邊緣海環境中，更少見的是湖泊系統中。它們形成了所謂的碳酸鹽臺地，例如珊瑚礁和環礁。與其他沉積體系不同，碳酸鹽沉積是一個化學和生物化學過程，其中生物體從碳酸鈣中形成骨骼，並在這些淺海和湖水中以生物活動框架的形式沉積下來。這些碳酸鹽物質的改造和運輸可能存在物理過程，但它們的來源是化學和生物化學過程，而不是來自大陸的侵蝕。當存在大量從碳酸鈣中形成骨骼的生物體時，碳酸鹽體系是活躍的，但當海水變得更鹼性（碳酸根陰離子增加）時，碳酸鹽也會沉積，以及來自大陸風化的溶解鈣陽離子增加。碳酸鹽體系侷限於淺水區，位於碳酸鹽補償深度 (CCD) 以上，通常在光合作用帶內的溫暖熱帶海水中最為活躍。這使得碳酸鹽沉積極易受到海平面變化的影響，因為海平面下降會導致碳酸鹽被酸雨侵蝕或喀斯特化。碳酸鹽體系也受海水 pH 值的影響，因為它們需要更鹼性的海水 pH 值（8 或更高）。如果海水變得更加酸性，碳酸鹽將不會以固體形式沉澱，而是會溶解。這也可能導致有殼海洋生物的保護性骨骼和外殼溶解。碳酸鹽沉積體系導致了厚厚的石灰岩沉積物，這些沉積物在地球表面大部分地區都很常見，特別是在 5.45 億年前的岩石中含量豐富，當時有殼的多細胞生物首次出現在地球上。

不整合面

在這些沉積環境中，您可以看到地球表面沉積物輸送和沉積持續過程的日常證據。詹姆斯·赫頓對這些過程的本質以及它們如何能夠持續很長時間而保持不變、永不停止地輸送沉積物並積累成地球地下發現的觀察到的岩層非常感興趣。但他對這些間斷（稱為不整合面）也很感興趣，因為這些固結的沉積物會上升並被再次侵蝕，繼續迴圈。

錫卡角和時間的深淵

1788 年，他與朋友約翰·普萊費爾和詹姆斯·霍爾一起在蘇格蘭海岸乘船旅行，尋找這些間斷，這些間斷位於伯威克郡崎嶇的岩石海岸，他們發現了一個名為錫卡角的岩石點。較低的岩層垂直突出，覆蓋著水平的岩石。早期科學家當時不知道這些岩石的年齡，但對於這種沉積結構、抬升、褶皺和再沉積形成所需的時間之長令他們感到震驚。這是一個通往地球古老時期的視窗。約翰·普萊費爾寫道：“他們的頭腦在回顧時間的深淵時感到眩暈。”這個位於蘇格蘭海岸線的岩石點是地球存在時間之長的第一個證據。這些觀察結果發展成為均變論的理論；即地球表面的變化和沉積物的沉積是持續和均勻過程的結果，這種過程即使在今天也一直在進行。後來，地質學家查爾斯·萊伊爾總結了這些過程，即現在是過去的鑰匙。觀察到的沉積物輸送和沉積在整個地球漫長的歷史中都是連續的，其記錄儲存在覆蓋地球大部分大陸的固結沉積物層中。

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