地球行星/6i. 地球表面過程：沉積岩與沉積環境
與其他行星相比，是什麼讓地球如此充滿活力？答案在於被侵蝕的沉積物在其表面上的複雜運輸方式。地球的表面不斷變化，沉積物從大陸上地形高聳的岩石地帶被侵蝕，然後被河流和風帶走，沉積到低窪盆地和淺海邊緣。這就像血液一樣，是地球上從一個地方到另一個地方的沉積物迴圈系統。
詹姆斯·赫頓 的手沾滿了人類的血液，他在 1749 年於 巴黎大學 解剖屍體，他的論文研究深入探討了人類迴圈系統，血液如何從心臟透過動脈泵入肺部，然後透過靜脈流回心臟，再次被氧化。他正在接受培訓成為一名醫生，一個醫師，他從他的家鄉蘇格蘭旅行到法國學習這一行當。赫頓對所有他觀察到的事物都感到好奇，經常用長篇幅、幾乎是意識流式的寫作來描述它，這些寫作既詳細又冗長。他計劃回到倫敦，繼續他的醫生工作，但他利用他對科學的興趣來製造和加工染料。他與朋友們在英格蘭的知識和合作讓他在銷售染料和化學品方面賺了一些錢，這些染料和化學品是他從煙塵和植物中提取出來的。他在倫敦工作不到一年，就決定回到蘇格蘭。他從未認識過自己的父親，他的父親不幸在他 3 歲時去世了，但他的父親留給了他一些位於 愛丁堡 城市東南郊外的鄉村的農田，他在那裡長大。這片農田一直處於休耕狀態，他在 1751 年訪問了他的故鄉的農田，這激發了他對農業和農業的興趣。懷著雄心勃勃的洞察力，詹姆斯·赫頓 開始了清理土地的過程，就像一位科學家在寫他的觀察結果一樣，他打算寫一本名為《農業要素》的書。在農場上的生活是田園詩般的，他在給朋友的信件中記錄了他對研究地球表面的熱愛。他好奇的是，他們在挖的每個坑或土層中，以及河流和小溪是如何在穿過景觀時雕刻沉積物的，就像他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，即岩石地形的隆起，風和雨的侵蝕，生命沉積物橫跨地表進入低地和海洋海岸，以及無休止的沉積物運輸迴圈。最值得注意的是，他指出“沒有開始的痕跡，也沒有結束的跡象。”他的書最終在 1788 年出版，名為《地球理論；或對全球土地的構成、溶解和恢復中可觀察到的規律的調查。詹姆斯·赫頓 的書是對地球表面上運作的地質過程的冗長討論，以及這些過程如何在漫長的時間內導致沉積物沉積並固結成岩石。詹姆斯·赫頓 的想法在當時是激進的，當時的歷史學家認為地球的歷史是短暫的、災難性的，以全球性災難為主。對詹姆斯·赫頓 來說，時間是無止境的，地球的歷史是如此漫長。地球是由不斷的侵蝕、運動和沉積物沉積形成的，這些沉積物會被抬升成山脈，重新開始這一過程。赫頓的想法引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（地球景觀研究）、土壤科學和沉積地質學。在美國，國家科學院在 2001 年創造並命名了新的術語 臨界帶科學，來描述研究地球表面過程及其對景觀上的農業、城市和工業發展的影響的科學。這項科學的一個方面是識別和研究沉積環境。沉積環境是指地球表面上運輸的沉積物沉積和積累的區域。這些沉積物後來可能被埋藏，並透過固結，透過壓實和熱量轉化為沉積岩。
沖積扇形成於高地貌地區，通常位於山脈的底部，那裡有來自抬升地形附近豐富的沉積物供應。這些沉積物透過山谷中的溪流和河流被運輸，但也透過泥石流、滑坡和山體滑坡（或其他型別的塊體運動，如落石）被運輸。由於搬運這些沉積物到更遠處的重力能降低，這些沉積物在高地貌與低地貌交匯處堆積。沖積扇高度依賴於不頻繁的季節性事件，例如春季融雪造成的週期性洪水，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，它們在古代岩石記錄中儲存的可能性更小。沖積扇的特徵是缺乏化石、葉狀地形、結構不成熟的沉積岩、粒度極差且呈角狀的顆粒、交錯層理和徑向切割的河流通道模式。沉積物通常呈氧化紅色，因為沉積物很少低於地下水位。
辮狀河形成於高地勢地區，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。 這種辮狀模式是由於大量運輸的沉積物和河流中不穩定的水流造成的。 在河流高流量期間，沉積物被攜帶並堵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流系統，這些系統表現出辮狀外觀，許多沙洲和沙洲交織在一起，使流動的水無法遵循最直接的路線。 辮狀河系統高度季節性，通常位於地球的溫帶或寒冷地區，植被很少。 辮狀河系統在沙漠和高原上很常見，並且經常可以在山區和沖積扇附近找到。 辮狀河系統的特點是礫石和砂粒大小的碎屑占主導地位，槽狀、平面或交錯層理在砂岩中，岩石中幾乎沒有垂直的粒度遞變或變化，每個層中僅有輕微的變細向上趨勢。 這些環境中很少儲存化石。水槽研究，即用沙子填充的傾斜水箱，用一個水龍頭沖洗，水龍頭作為單一水源，並允許流過沙子，將模擬自然界中的辮狀河系統，因為水的流動物理特性及其與沙子的相互作用。 如果沙子未固結且鬆散，模式將始終導致辮狀的流動模式。 但是，如果沙子是固結的、膠結在一起的或被植被和根系束縛在一起，則會產生不同的模式。
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河流被限制在單個主要河道內，其特點是具有凝聚力的河岸，這些河岸難以侵蝕，這將導致蜿蜒的流動模式。 蜿蜒河系統是自陸地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，那裡峽谷的側壁具有抗蝕性。 水流穿過抗蝕性基底將隨著時間的推移導致該材料的河道化。 河曲變得明顯是因為流動的水流的橫截面差異。 一側流動的水往往會流動得稍快，壓入河岸，侵蝕邊緣形成沿河道的切岸，而在另一側，水流稍慢，導致沉積物從河流的沉積物負載中沉積下來，形成沙洲。 隨著時間的推移，河流將彎曲成蜿蜒的模式，因為它向下遊擺動到切岸和沙洲的相反側。 這種蜿蜒模式導致沿沙洲持續沉積滯留沉積物，其中包含粗砂粒沉積物。 蜿蜒河流將形成天然堤防沉積物，這些沉積物將平行於河流的任一側。 這些天然堤防沉積物是由週期性洪水期間沉積的沉積物形成的，但是它們可以被沿河流的更大洪水所淹沒，導致細粒沉積物的沉積，這些細粒沉積物覆蓋這些河道並在大片靠近河流的區域沉積厚厚的沉積物，稱為洪泛區或洪泛平原沉積物。 更大的洪水將在蜿蜒河流被水淹沒到一定程度時導致決口扇沉積物，水流出洪泛平原，將厚厚的泥漿和粘土沉積物帶到流動的洪水中。 蜿蜒河系統幾乎總是表現出變細向上，最粗和最大的沉積物形成一系列層中的底部，河流滯留沉積物是最先沉積的，而上層將代表洪泛平原沉積物，並以泥岩和粉砂岩為主。 蜿蜒河系統是由從切岸到沙洲的迴圈沉積物形成的，導致交錯層理和交錯層理橫向漂移穿過洪泛平原。 河道可以切割，並留下蜿蜒的模式。 一旦被沙子填充，這些河道砂可以緩慢地石化成砂岩，並且流動被儲存在猶他州東部沙漠和荒地的岩石層中，因為這些砂岩耐風化。 古代河道的方向和流動可以從這些石化的河流中研究，這些河流像沙漠中的化石河流一樣被侵蝕，儘管其他河流可能隱藏在植被之下。 蜿蜒河系統和洪泛平原沉積物是尋找化石的極佳沉積環境，尤其是陸地動物和植物，包括恐龍。
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風成沉積物可以在降水量少（雨雪）且暴露在強風中的地區找到，強風可以攜帶沙子。 在這些地區，沙子和較小的沉積物顆粒可以被吹風攜帶。 這種風沙可以在地球表面甚至跨越海洋傳播很遠，但最常堆積在地形陷阱中，那裡山脈或山脊上升。 這些地形山脊阻止沙子被吹過，並且砂粒從空中落下並在這些山脊的邊緣沉積。 沿著這些地形陷阱，巨大的沙丘可以形成，這些沙丘可以非常厚。 在沙漠地區，如北非，風沙可以覆蓋大陸內部的廣闊區域，尤其是在降雨量少且氣溫高的地區。 橫向沙丘是與吹風垂直的極其長的沙丘，這些沙丘可以進一步導致沙子遷移，因為沙子不斷沉積在沙丘的背面（背風坡）。 這些薄薄的風沙沉積物可以形成廣泛的交錯層理，這些交錯層理比河流沉積環境中的交錯層理大得多，也更寬闊。 橫向沙丘可以被吹出，形成新月形沙丘，形成寬闊的新月形，具有陡峭的背風坡和寬闊的正面。 沙丘可以在沙漠景觀中遷移，但受到氣候和植被覆蓋量的影響很大。 沙粒來源也很重要，這些來源通常來自侵蝕暴露的砂岩。 風成沉積環境的古代記錄遍佈猶他州東部和南部。 錫安國家公園的溫蓋特砂岩和納瓦霍砂岩的經典砂岩是存在於猶他州大約 2 億年前的三疊紀晚期和侏羅紀早期的巨大風成沙漠的遺蹟。 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風沙的遺蹟，這些砂岩的特點是分選良好，以橙色圓形石英為主的顆粒。
湖泊系統是湖泊沉積物的沉積環境，是重要的沉積物沉積源。 湖泊可以是開放的，具有水流出和穩定的海岸線，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燥，則為蒸發巖沉積物。 與快速流動的河流相比，湖泊往往表現出層狀的泥土層，因為運輸沉積物的能量較低。 這導致厚厚的泥質沉積物，這些沉積物可以在湖底積累厚厚的粘土、泥漿和粉砂沉積物。 這種泥土可以是迴圈的，在春季洪水期間沉積物增加，因為水和沉積物流入可能會增加。 這種年度迴圈可以在薄薄的泥土層中看到，被稱為紋泥。 紋理是顏色和紋理不同的薄薄的粘土、泥漿和粉砂層，代表湖底一年中的沉積物。 它們可以被用作研究湖底沉積物數千年的年代學歷史。 湖泊系統可以透過其均勻的層狀泥土層來識別，這些泥土層石化成頁岩。 綠河頁岩暴露在美國東北部猶他州、西南部懷俄明州和西部科羅拉多州，是一個古代湖泊系統的例子，代表了始新世時期（約 5000 萬年前）美國該地區山間盆地中曾經存在的湖泊。
三角洲是河流進入海洋、半封閉海域、湖泊或瀉湖處形成的離散海岸線突起，其沉積速率快於盆地沉降速率。三角洲沉積環境將沉積物帶入盆地，這些由河流攜帶的沙子、淤泥、泥土和粘土顆粒在海岸線上堆積，將海岸線推移到海洋或海盆中，導致海岸線向外退縮到海洋中。三角洲得名於河流流經該地區時形成的三角形形狀，因為河流試圖找到通往海洋的最直接下坡路徑，但被陸地和海洋之間的過渡區沉積的沉積物阻擋。第一個被識別的三角洲是埃及亞歷山大附近的尼羅河三角洲，但其他三角洲包括美國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的恆河三角洲。河流支流在三角洲上形成的迷宮路徑由於沉積物堆積和水流經這些沉積物流入複雜的河道而不斷變化。這些地表過程的結果是，在主要河流與海洋的交匯處形成一個複雜的三角形區域。它們表現出顆粒尺寸向上變粗、交錯層理、潮汐形成的波痕，以及透過較粗的覆蓋顆粒向上擴充套件的粘土和泥土。三角洲中也存在相當數量的生物擾動。生物擾動是生物體（如蛤蜊和甲殼類動物）在沉積物中挖掘或鑽洞的痕跡，留下了這些洞穴的痕跡以及由於地下生物活動而產生的混合沉積物。
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海灘是沿海岸線平行排列的狹長沙灘堆積，靠近海岸，而障壁島是與大陸隔開的沙灘堆積，兩者之間由淺瀉湖、河口或沼澤隔開。海灘和障壁島以沿海岸線的波浪作用為主，導致沙粒被拋光，在高能系統中不斷受到擾動。洋流和風也在這些沿海環境中的沉積物運輸中發揮作用。海灘沉積環境可以根據其距離和位置從海岸線劃分成區域，海岸線隨著潮汐和拍打的海浪而不斷變化。後濱是海灘或障壁島高於高潮線的區域。後濱只有在暴風雨期間才會被海洋淹沒，並受到堤岸的保護，堤岸可以保護其免受更迴圈的月度和每日潮汐的影響。堤岸是沿著海灘形成的輕微隆起，由沿海岸線的每日至每週潮汐的最高水位形成。堤岸保護著後濱內的海灘，但在風暴潮期間可能會被侵蝕，屆時海洋會淹沒這些海灘區域。海灘或障壁島後濱的沉積物沉積主要由風吹沙控制，這些風吹沙可以形成沙丘和風成沉積構造。隨著時間的推移，它們也可能被植物和植被覆蓋，並受到海灘侵蝕的影響。在拍打的海浪區域，您的雙腳走在海灘上會溼的地方是前濱。前濱可以分為沖刷帶和衝浪帶，海灘被水淹沒的部分稱為沖刷帶，而衝浪帶是海浪從海岸線向外更遠處拍打的地方。再往海洋深處是近岸（也稱為岸面）。這個區域是海水足夠淺，與洋底相互作用，形成碎浪，碎浪會延伸其浪峰，併產生衝浪。這個區域的定義是深度小於當地波基的區域。波基是海面波浪透過海面頂部時，其能夠在水柱中引起運動的最大深度。當這個深度與洋底沉積物相互作用時，會導致波浪開始起浪並拍打，從而形成在近岸觀察到的衝浪區。衝浪是海浪與洋底動態相互作用的結果，衝浪者可以在這個區域內被這些拍打的海浪帶入岸邊。波基的計算方法是找到波峰之間的距離的一半。例如，當波峰間隔 3 米的波浪靠近海灘時，它們會將下面的水向上移動到 1.5 米的深度。當波浪到達海岸線深度小於 1.5 米的部分時，波浪開始起浪，同時它們也與洋底沉積物相互作用，從而導致沙粒大小的顆粒的運輸。沿岸流是當波浪以一定角度靠近海岸線時產生的，這會導致沉積物沿著海灘或障壁島的長度進行運輸。沿岸流可以顯著地將沉積物沿海岸線上下移動，因為它們被靠近的波浪產生的運動所攜帶。海灘和障壁島容易受到侵蝕，原因是海平面、潮汐、風和風暴浪的變化，風暴浪會沖刷沉積物並將它們重新沉積到更遠的海域。海灘和障壁島沉積物的特點是，以沙粒尺寸為主，而且這些沙粒非常成熟、圓潤且分選良好。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，以及平面和槽狀交錯層理以及生物擾動。
河口是淹沒的河谷系統的向海部分，接收來自下游河流流和上游海洋潮汐源的沉積物輸入，並受潮汐、波浪和河流過程的影響。而瀉湖是靠近或與海洋相通的淺水區，但被狹窄的低地帶隔開。這些沉積環境對海洋生物特別重要，因為它們通常棲息著鹹水（淡水和鹽水的混合水）。河口和瀉湖系統在海侵事件中形成，此時海平面較高。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。這受偶發性風暴的影響。兩種型別的區域都容易受到蒸發的影響，導致鹽分蒸發沉積物的積累或分層。
潮間帶是沼澤地、泥濘地和沙質地，這些地區部分暴露在潮漲潮落之下，通常受到地理屏障的保護，免受海浪的作用。潮間帶的沉積物運輸是由潮汐驅動的，而不是河流。當潮汐流進流出這些區域時，它們將沉積物沉積到狹窄的潮汐通道中，這些通道不斷受到這些區域的每日至每月洪水的改造。海浪作用的屏障是必需的，最常見的原因是鹽沼植被或紅樹林，它們有助於減弱海浪作用，否則會導致這些潮間帶的侵蝕。潮間帶的特點是泥土占主導地位的沉積物，以及植物碎屑、生物擾動以及由於流動水進出而產生的奇怪的魚骨狀交錯層理。潮間帶沉積物通常會產生頁岩，隨著埋藏和岩石化，這些頁岩可以分層或夾在蒸發鹽沉積物之間。
地球上存在著廣闊的區域，這些區域超出了大陸隆起佔據的淺海環境，包括更深的大陸坡，一直延伸到深海溝和黑暗的深海海底。所有這些區域都可以積累從侵蝕的大陸運來的沉積物。大陸隆起是海洋中靠近大陸海岸線的較淺區域，它被大陸坡包圍，大陸坡被開闊海洋的更深的海水所包圍。當沉積物從大陸運輸到更深的海水中時，這些沉積物會使大陸坡過陡，導致水下碎屑流，稱為濁流。這些細粒沉積物羽流可以將細粒物質運輸到海底深遠的地方。這些細粒沉積物羽流可以將大量微小的沉積物顆粒運輸到海底很遠的地方。海底也接收來自火山灰和風吹沉積物的沉積物輸入，以及冰山和漂浮冰塊帶入海中的較大碎屑。最大的沉積物輸入可能是來自海洋生物產生的有機顆粒的浮游雨，這些生物生活在海洋的水柱中，並沉入海底。熱鹽環流、酸性海水和俯衝的變化會導致沉積物輸入這些系統的速度減慢或停止，這些系統通常是相當連續的，而且很少受到侵蝕，因為它們位於海底。這些沉積物通常儲存著非凡的完整記錄，沉積很少有間斷。因此，許多科學家，例如 JOIDES 研究船上的科學家，研究這些沉積系統的沉積岩芯，以瞭解地球過去的氣候和海洋學。
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，更罕見的是在湖泊系統中。它們形成了被稱為碳酸鹽臺地的地貌，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，並在這些淺海和湖泊水域中作為生物活動框架沉積下來。這些碳酸鹽物質的再加工和運輸可能存在物理過程，但它們源於化學和生物化學過程，而不是來自大陸的侵蝕。當有大量生物體從碳酸鈣中形成骨骼時，碳酸鹽體系就會活躍，但當海水變得更加鹼性（碳酸根陰離子增加），以及來自大陸風化作用的溶解鈣陽離子增加時，碳酸鹽也會沉積。碳酸鹽體系侷限於淺水區，位於碳酸鹽組成深度（CCD）以上，並且通常在光合作用帶內的溫暖熱帶海水域最為活躍。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一旦暴露於酸性雨水，就會發生化學侵蝕或岩溶作用。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貝殼溶解的風險。碳酸鹽沉積體系導致了遍佈地球表面大部分地區的厚厚的石灰岩沉積，特別是在5.45億年前的岩石中更為豐富，當時有殼多細胞生物首次出現在地球上。
在這些沉積環境中，你可以看到地球表面沉積物持續遷移和沉積的日常證據。詹姆斯·赫頓對這些過程的本質以及它們如何能夠在很長一段時間內發生，並且在持續不斷的沉積物運輸中堅定不移、不斷流動，最終積累成地球地下發現的觀察到的岩層，有著深刻的興趣。但他也對這些間隙（稱為不整合面）感興趣，當這些固化的沉積物上升並再次被磨損時，就會繼續迴圈。
1788年，他和他的朋友約翰·普萊費爾和詹姆斯·霍爾一起乘船沿著蘇格蘭海岸航行，在伯威克郡崎嶇的岩石海岸尋找這些間隙，他們發現了一塊叫做錫卡角的岩石。較低的岩層垂直突出，被水平岩層覆蓋。當時，早期科學家還不知道這些岩石的年代，但他們對這種沉積構型形成所需要的時間之長、抬升、褶皺和再沉積感到驚訝。它是一扇通往地球古老歷史的視窗。約翰·普萊費爾寫道：“他們的思想在回溯到時間的深淵時感到眩暈。”這個位於蘇格蘭海岸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了均變論的理論；即地球表面的變化和沉積物的沉積是持續而統一的過程的結果，這種過程即使在今天仍在運作。後來，地質學家查爾斯·萊伊爾將它們總結為“現在是過去的鑰匙”。觀察到的沉積物遷移和沉積在整個地球漫長的歷史中都是連續的，它的記錄儲存在覆蓋地球大部分大陸的固化沉積物層中。
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