1.3　沉积岩

沉积岩是在地壳表层常温常压条件下，由风化产物、有机物质和某些火山作用产生的物质，经搬运、沉积和成岩等一系列地质作用而形成的层状岩石。因为沉积岩广泛分布于地表，所以许多工程都选在沉积岩地区建设。沉积岩也是被应用得最广的一种建筑材料。

1.3.1　沉积岩的形成

沉积岩的形成是一个长期而复杂的地质作用过程，一般可分为四个阶段。

1.先成岩石的破坏阶段

地表或接近地表的岩石受温度变化、水、大气和生物等因素作用，在原地发生机械崩解或化学分解，形成松散碎屑物质、新的矿物或溶解物质的作用，称为风化作用（详见本章第1.5节）。风化产物是沉积岩的重要物质来源之一。风、地面流水、地下水、冰川、湖泊、海洋等各种外力在运动状态下对地面岩石及风化产物的破坏作用称为剥蚀作用。可分为机械剥蚀作用和化学剥蚀作用（溶蚀作用）两种方式。

2.搬运阶段

搬运作用是指风化作用和剥蚀作用的产物，被水流、风、冰川、重力及生物等搬运到其他地方。搬运方式包括机械搬运和化学搬运两种。流水的搬运使得碎屑物质颗粒逐渐变细，并从棱角状变成浑圆形。化学搬运是将胶体和溶解物质带到湖泊、海洋中。

3.沉积阶段

当搬运能力减弱或物理化学环境改变时，被搬运的物质脱离搬运介质而停止运移，这种作用称为沉积作用。沉积作用包括海洋沉积和大陆沉积，前者又分为滨海、浅海、半深海和深海沉积，后者又分为河流、湖泊、沼泽、冰川、风力等沉积。沉积作用一般可分为机械沉积、化学沉积和生物化学沉积。机械沉积作用是受重力支配的，碎屑物质通常按颗粒大小顺序沉积，即沿搬运方向依次沉积砾粒、砂粒、粉粒和黏粒，这种现象称为机械沉积分异作用。例如在同一条河流上，上游沉积物质颗粒较粗，往中、下游逐渐变细。化学沉积包括胶体溶液和真溶液的沉积，如氧化物、卤素盐、硫酸盐、碳酸盐等的沉积。生物化学沉积主要是由生物遗体沉积及生物活动所引起的，如藻类进行光合作用吸收CO2，促进碳酸盐的沉淀。

4.成岩阶段

即松散沉积物转变成坚硬沉积岩的阶段。成岩作用主要有三种。

（1）压固作用。上覆沉积物的重力作用，导致下伏沉积物孔隙减小，水分挤出，从而变得紧密坚硬。

（2）胶结作用。其他物质充填到碎屑沉积物粒间孔隙中，从而将分散的颗粒黏结在一起。

（3）重结晶作用。沉积物在压力和温度逐渐增大情况下，可以溶解或局部溶解，导致物质质点重新排列，使非晶物质变成结晶物质，这种作用称为重结晶作用。

1.3.2　沉积岩的矿物组成

组成沉积岩的常见矿物仅有20多种，按成因类型可分为以下几种。

1.碎屑矿物

碎屑矿物也称原生矿物，是原岩风化破碎后残存下来的矿物，如石英、长石、白云母等一些耐磨损而抗风化性较强和较稳定的矿物。

2.黏土矿物

黏土矿物是原岩经风化分解后生成的次生矿物，如高岭石、蒙脱石、伊利石等。

3.化学沉积矿物

化学沉积矿物是从真溶液或胶体溶液中沉淀出来的或是由生物化学沉积作用形成的矿物，如方解石、白云石、石膏、石盐、铝、铁和锰的氧化物或氢氧化物等。

4.有机质

有机质是由生物残骸经有机化学变化而形成的矿物，如贝壳、硅藻土、泥炭、石油等。

在以上矿物中，石英、长石及白云母也是岩浆岩中常见的矿物，其他矿物则是在地表条件下形成的特有矿物。岩浆岩中的橄榄石、辉石、角闪石、黑云母等暗色矿物，由于易于化学风化，因而在沉积岩中极少见到。

1.3.3　沉积岩的结构

沉积岩的结构是指沉积岩组成物质的形状、大小和结晶程度等特征，主要有下列三种。

1.碎屑结构

碎屑结构是碎屑物质被胶结物黏结起来而形成的一种结构，其特征有以下三点。

（1）颗粒大小。按碎屑粒径d大小，可将碎屑结构分为三类：①砾状结构（d＞2mm）；②砂状结构[a.粗砂结构（d＝2.0～0.5mm），b.中砂结构（d＝0.50～0.25mm），c.细砂结构（d＝0.25～0.05mm）]；③粉砂质结构（d＝0.05～0.005mm）。

（2）颗粒形态。据碎屑颗粒的磨圆程度，可分为棱角状、次棱角状、次圆状和圆状四种形态，见图1.9所示。颗粒磨圆程度受颗粒硬度、相对密度的大小及搬运历程等因素的影响。

（3）胶结物及胶结方式。胶结物的性质及胶结类型对碎屑岩类的物理力学性质有显著的影响。

常见的胶结物有以下几种。

硅质——玉髓、蛋白石、石英等。颜色浅，岩性坚固，强度高，抗水性及抗风化性强。

铁质——赤铁矿、褐铁矿等。常呈红色或棕色，岩石强度次于硅质胶结的。

钙质——方解石、白云石等。呈白灰、青灰等色。岩石较坚固，强度较大，但性脆，具可溶性，遇盐酸起泡。

泥质——黏土矿物。多呈黄褐色，性质松软、易破碎，遇水后易泡软、松散。

其他——石膏、海绿石等。

胶结方式指胶结物与碎屑颗粒之间的相对含量和颗粒之间的相互关系。常见的有三种胶结类型（图1.10）。

基底胶结——胶结物含量多，碎屑颗粒孤立地散布于胶结物中，彼此互不接触。这种胶结方式的坚固程度视胶结物性质而定。

孔隙胶结——碎屑颗粒紧密接触，胶结物充填于粒间孔隙中。这种胶结方式通常不很坚固。

接触胶结——胶结物含量极少，碎屑颗粒互相接触，胶结物仅存在于颗粒的接触处。这种胶结方式最不牢固。

2.泥质结构

泥质结构是几乎全部由小于0.005mm的黏土颗粒组成的，比较致密均一且质地较软。常具滑感和贝壳状断口。这种结构是黏土岩的主要特征，主要由黏土矿物组成，此外还有石英等。

3.化学结构

化学结构是由岩石中的颗粒在水溶液中结晶（如方解石、白云石等）或呈胶体形态凝结、沉淀（如蛋白石、玉髓等）而成的。可分为鲕状、竹叶状、结核状、纤维状、致密状和结晶粒状结构等。

4.生物结构

生物结构几乎全部是由生物遗体或生物碎片所组成的，如生物碎屑结构、贝壳结构等。

1.3.4　沉积岩的构造

沉积岩的构造是指沉积岩中各种物质成分形成的特有的空间分布和排列方式。

1.3.4.1　层理构造

层理是沉积岩在形成过程中，由于沉积环境的改变所引起的沉积物质的成分、颗粒大小、形状或颜色在垂直方向发生变化而显示成层的现象。层理是沉积岩最重要的一种构造特征，是沉积岩区别于岩浆岩和变质岩的最主要标志。

层或岩层是在较大区域内生成条件基本一致的情况下沉积的一个单元，其成分、结构、内部构造和颜色基本均一。层与层之间的分界面，叫做层面。从顶面到底面的垂直距离称为岩层的厚度，层的厚度是沉积岩的重要描述标志。根据单层厚度h，层可分为巨厚层（h＞1m）、厚层（h＝1～0.5m）、中厚层（h＝0.5～0.2m）、薄层（h＝0.2～0.05m）、极薄层（h＜0.05m）。

根据层理的形态，可将层理分为下列几种类型（图1.11）。

1.水平层理

水平层理是由平直且与层面平行的一系列细层组成的[图1.11（a）]。主要见于细粒岩石（黏土岩、粉细砂岩、泥晶灰岩等）中。它是在比较稳定的水动力条件下（如河流的堤岸带、闭塞海湾、海和湖的深水带），从悬浮物或溶液中缓慢沉积而成的。

2.单斜层理

单斜层理是由一系列与层面斜交的细层组成的，细层向同一方向倾斜并大致相互平行[图1.11（b）]。它与上下层面斜交，上下层面互相平行。它是由单向水流所造成的，多见于河床或滨海三角洲沉积物中。

3.交错层理

交错层理是由多组不同方向的斜层理互相交错重叠而成的[图1.11（c）]，是由于水流的运动方向频繁变化所造成的，多见于湖滨、滨海、浅海地带或风成堆积层中。

此外，还有粒序层理（递变层理）等。粒序层理的特征是：从层的底部到顶部，岩石的粒度呈现有规律的变化。

有些岩层一端较厚，另一端逐渐变薄以至消失，这种现象称为尖灭层，若在不大的距离内两端都尖灭，而中间较厚，则称为透镜体[图1.11（d）]。

1.3.4.2　层面构造

层面构造指岩层层面上由于水流、风、生物活动等作用留下的痕迹，如波痕、泥裂、雨痕等。波痕是由于风力、流水、波浪和潮汐的作用，在沉积层表面所形成的波状起伏现象。泥裂主要是由于沉积物在尚未固结时即露出水面，经曝晒后形成的张开的裂缝。泥裂刚形成时是空的，以后常被砂、粉砂或其他物质填充。

1.3.4.3　结核

结核是成分、结构、构造及颜色等与围岩成分有明显区别的某些矿物团块。结核形态很多，有球状、椭球状、不规则状等。如石灰岩中常见的燧石结核，主要是SiO2在沉积物沉积的同时以胶体凝聚方式形成的。黄土中的钙质结核，是地下水从沉积物中溶解CaCO3后在适当地点再结晶凝聚形成的（图1.12）。

1.3.4.4　生物成因构造

由于生物的生命活动和生态特征，而在沉积物中形成的构造称为生物成因构造。如生物礁体、叠层构造、虫迹、虫孔等。

在沉积过程中，若有各种生物遗骸或痕迹（如动物的骨骼、甲壳、蛋卵、足迹及植物的根、茎、叶等）埋藏于沉积物中，后经石化保存于岩石中，则称为化石。根据化石种类可以确定岩石形成的环境和地质年代。

此外，碳酸盐类岩石中，在垂直层面的切面上的锯齿状裂缝叫做缝合线，它是岩石在受压条件下，产生不均匀溶解而形成的。

1.3.5　沉积岩的分类及主要沉积岩的特征

根据沉积岩的组成成分、结构、构造和形成条件，可分为碎屑岩、黏土岩、化学岩及生物化学岩类，见表1.4。

1.3.5.1　碎屑岩类

碎屑岩类具有碎屑结构，即岩石由粗粒的碎屑和细粒的胶结物两部分组成。鉴别碎屑岩时，首先观察碎屑粒径的大小，区分是砾岩、砂岩还是粉砂岩；其次分析胶结物的性质和碎屑物质的主要矿物成分，判断所属的亚类，并确定岩石的名称。

1.砾岩和角砾岩

砾岩和角砾岩是由占碎屑总量达50%以上的粒径d大于2mm的碎屑颗粒胶结而成的岩石。少见层理，呈厚层～巨厚层。角砾岩是由带棱角的岩块搬运距离不远即沉积胶结而成的，如滑塌角砾岩、冰川角砾岩、岩溶角砾岩等。由磨圆较好的砾石胶结而成的称为砾岩，砾岩可能是在海滨潮间带由海浪反复冲刷磨蚀堆积而成的，分选和磨圆都较好，成分较单纯；也可能是由河流短距离搬运而成的，分选和磨圆度都较差，砾石成分也较复杂。砾石成分可能是矿物碎屑，但主要是岩屑。胶结物的成分与胶结类型对砾岩的物理力学性质有很大的影响。如硅质基底胶结的石英砾岩非常坚硬、难以风化。而泥质胶结的砾岩则相反，美国圣·弗兰西斯坝则是因此种砾岩泥化而失事的。

2.砂岩

砂岩是由占碎屑总量达50%以上的2～0.05mm粒级的颗粒胶结而成的岩石。交错层理发育。按粒径大小可细分为粗、中及细砂岩。根据其主要碎屑的矿物成分又可分为石英砂岩、长石砂岩和岩屑砂岩。石英砂岩中90%以上的碎屑物质是石英，磨圆度高，分选性好，以中～细粒为主；一般为硅质胶结，呈白色等，质地坚硬。在长石砂岩的碎屑中，长石含量大于25%，岩屑含量小于10%，常为红色或棕黄色，一般为中、粗粒，分选性和磨圆度相对较差，为钙质或铁质胶结。岩屑砂岩中的岩屑占碎屑总量的25%以上，岩屑的含量超过长石的含量，粒度以细粒为主，胶结物为硅质或钙质，碎屑的分选、磨圆不好，颜色较深，呈灰、灰绿、灰黑等色。

砂岩随胶结物成分和胶结类型的不同，力学性质也不同。由于多数砂岩岩性坚硬而质脆，在地质构造应力作用下张性裂隙发育，所以，常具有较强的透水性。

3.粉砂岩

粉砂岩是0.05～0.005mm粒级的颗粒含量大于50%的岩石，质地致密，成分以石英为主，长石次之，碎屑的磨圆度差，分选时好时差，常见颜色为棕红色或暗褐色，常具有薄的水平层理。粉砂岩的性质介于砂岩与黏土岩之间。

1.3.5.2　黏土岩类

黏土岩是主要由粒径小于0.005mm的黏土矿物组成的岩石。常见的黏土矿物有高岭石、蒙脱石、水云母等。黏土岩中的其他成分有粉粒级的石英、长石、云母等陆源碎屑，还有褐铁矿等胶体或化学沉积物。黏土岩致密均一，不透水，性质软弱，强度低，易产生压缩变形，抗风化能力较低，尤其是含蒙脱石等矿物的黏土岩，遇水后具有膨胀、崩解等特性，不适合作为大型水工建筑物的地基。黏土岩主要有以下两大类。

1.泥岩

泥岩是由95%以上的泥质物组成的，其特点是：固结不紧密、不牢固；层理不发育，常呈厚层状、块状；强度较低，一般干试样的抗压强度在5～35MPa之间，遇水易泥化，强度显著降低，饱水试样的抗压强度可降低50%左右；泥岩多形成于较新的地质时期。

2.页岩

页岩是由黏土脱水胶结而成的，大部分有明显的薄层理，能沿层理分成薄片，这种特征也称为页理，页理主要是由鳞片状黏土矿物层层累积、平行排列并压紧而成的。页岩风化后多成碎片状或泥土状。根据混入物的成分或岩石的颜色可分为：钙质页岩、铁质页岩、硅质页岩、黑色页岩及炭质页岩等。除硅质页岩强度稍高外，其余的页岩易风化，性质软弱，浸水后强度显著降低。在地形上常表现为低山低谷。

1.3.5.3　化学岩

最常见的化学岩是由碳酸盐矿物组成的岩石，以石灰岩、白云岩和泥灰岩分布最为广泛。鉴别这类岩石时，要特别注意其对盐酸试剂的反应。石灰岩在常温下遇稀盐酸剧烈起泡；泥灰岩遇稀盐酸起泡后留有白色泥点；白云岩在常温下遇稀盐酸不起泡，但加热或研成粉末后则起泡。多数岩石结构致密，性质坚硬，强度较高。但主要特征是具有可溶性，在水流的作用下形成溶蚀裂隙、洞穴、地下河等岩溶现象，影响水工建筑物安全的主要工程地质问题有塌陷、渗漏等。

1.石灰岩

石灰岩简称灰岩，在深海或浅海等环境中形成，矿物成分以方解石为主，有时还可能含有白云石、燧石等硅质矿物和黏土矿物等。常呈深灰、浅灰色，纯质灰岩呈白色，多呈致密状，具隐晶质结构，叫做结晶灰岩。另外在形成过程中，由于风浪振动，常形成一些特殊结构，如鲕状结构和竹叶状等碎屑结构。

2.白云岩

白云岩的矿物成分主要为白云石，其次含有少量的方解石等。形成环境同灰岩，常为浅灰色、灰白色，呈隐晶质或细晶粒状结构。硬度较灰岩略大。岩石风化面上常有刀砍状溶蚀沟纹。纯白云岩可作耐火材料。

石灰岩与白云岩之间的过渡类型有灰质白云岩、白云质灰岩等。

3.泥灰岩

当石灰岩中黏土矿物含量达25%～50%时，称为泥灰岩。岩石致密，呈微粒或泥质结构。颜色有灰色、黄色、褐色、红色等。强度低、易风化。泥灰岩可作水泥原料。

其他的化学岩包括铝质岩、铁质岩、锰质岩、燧石岩、石盐岩、钾石盐岩及石膏岩等。此外，还有煤等可燃有机岩。

此外，还有珊瑚礁灰岩、叠层藻灰（白云）岩等生物化学岩。