沉积岩的地质历史演化
图19-2地质历史时期沉积岩类型分布图(根据Ronov，1983)
(1)条带状铁建造(BIF)，即碧玉铁矿或磁铁矿石英岩，最早出现于37.6亿年前的太古代，与绿岩带共生。早元古代沉积物量最丰富，以后逐渐减少，元古代以后消失，整个显生宙没有再出现。另一类含铁建造属于鲕粒-针铁矿-菱铁矿型，仅在显生宙出现，但分布相对有限。
(2)最古老的红层发现于25亿年前的绿岩带中，此后至654.38+0.8亿年前非常稀少，直到晚元古代和显生宙才显著增加。
(3)显生宙，沉积岩中碳酸盐岩的数量接近25%，而元古代形成的碳酸盐岩仅占5%左右，太古宙更少。在碳酸盐岩成分中，镁钙比随时间降低，反映显生宙以前有较多的白云石。含铁白云石常见于太古宙地层中，其含铁量随时间有减少的趋势。寒武纪开始出现浅水沉积的泥晶灰岩和生物灰岩，晚侏罗世远洋灰岩与联合古陆和大陆漂移解体有关。
(4)在古元古代，23亿~ 20亿年前，大陆上开始出现锰矿。北美和大洋洲有晚元古代的硬石膏和石膏，显生宙的蒸发岩占全部沉积岩的5%。碳质页岩、煤和石墨在20亿年前的古元古代开始出现，但煤很少，直到晚泥盆世陆生植物繁盛。
(5)太古宙绿岩带出现了复杂的砂岩和浊积岩，元古宙地层出现了典型的长石砂岩。后来，这些未成熟的沉积岩逐渐被成熟的砂岩和石英岩所取代。
除上述一般趋势外，下面简要介绍地质历史中几种常见沉积岩的演化特征:
◎砂岩:大多数太古代长石质洁净砂岩或长石砂岩中斜长石的含量远高于碱性长石。相反，显生宙砂岩中碱性长石的含量高于斜长石。古-中太古代砂岩多为富含泥基的岩屑杂砂岩，多以厚层浊积岩沉积出现，成分成熟度和结构成熟度极不成熟。从碎屑的成分来看，纯橄榄岩、橄榄岩等超基性岩屑的含量远高于长英质碎屑。在碎屑矿物颗粒中，橄榄石、辉石和斜长石较为丰富，在应时和碱性长石中较为少见。这些颗粒主要是有棱角的，分选性差，没有很强的操控性和磨损性。这些特征与这一时期广泛分布的花岗岩陆壳被浅海周期性覆盖的沉积环境相一致。虽然某些陆源物质明显来自花岗岩和麻粒岩，但总的来说，这一时期硅铝陆壳较薄，暴露范围有限。这一时期母岩的主要剥蚀区是超基性岩、基性岩浆岛弧和部分出露的下地壳甚至地幔物质。经过快速和短距离的搬运，剥蚀下来的碎屑物质直接沉积在海沟、弧前和弧后盆地中。由于没有宽阔稳定的浅陆架，碎屑物质的沉积改造不明显。同时，这一时期地表缺乏植被，大气也处于酸性还原状态，增强了地表风化和侵蚀。从太古宙末到早元古代，由富含应时的碱性长石和硅质岩组成的长石砂岩含量开始增加，来自花岗岩和流纹岩的碎屑成分也逐渐增加。在元古代，大陆地壳趋向花岗岩，并开始变得稳定。成分和结构成熟的应时砂岩开始大量出现，其碎屑颗粒有相当一部分来自风化剥蚀的早期砂岩。早古生代砂岩主要为应时清洁砂岩，成分和结构成熟。它们基本上由99%非常圆且分选良好的应时颗粒组成，表明它们经历了长期强烈的风化和搬运。在某些特殊情况下，热带地区的化学风化也可以形成应时砂岩，但这种化学成因的应时砂岩中的应时颗粒大多呈棱角状，分选较差。要形成极其成熟的应时砂岩，必须经历多次旋回。早古生代以后，这些极其成熟的应时砂岩开始逐渐消失。
◎碳酸盐岩:石灰岩的矿物成分表明显生宙海水化学成分的细微变化。这些变化与地质历史中长时间尺度上的冰期和暖期交替有直接关系。冰期和暖期的交替控制着海平面高度、海水温度和海水化学成分的变化。显生宙大部分时间，地球处于温暖、富含CO2的环境，海平面较高，大陆架被浅海覆盖，石灰岩广泛发育。而在冰期(如晚古生代-三叠纪、渐新世-现在)，石灰岩只在开阔海盆中发育，主要以钙质浮游生物软泥的形式存在。显生宙灰岩的形成速率相对稳定，但由于暖期和冰期的交替，其主要形成地点在浅海和深海之间变化。前寒武系灰岩沉积很少，一方面是由于这一时期缺乏宽阔稳定的浅水平台，另一方面是由于生物的进化。叠层石的研究表明，能分泌钙的蓝藻最早出现在35亿年前，但由于海水和浅台地的化学成分，它们直到元古代才繁盛起来。石灰岩的出现似乎与寒武纪生物大爆发有直接关系。寒武纪大爆发后，甲壳类动物开始大量涌现，生物分泌钙的能力显著提高，使得形成极厚的石灰岩成为可能。白云石的形成在一定程度上受大气成分的影响。大气中CO2含量低有利于钙的沉淀，CO2含量高有利于钙镁的同时沉淀，即有利于白云石的形成。白云石丰富的时期往往对应温暖期，早期形成的灰岩也容易白云石化。碳酸盐矿物的沉积也明显受气候影响。在冰期(如晚中生代、晚古生代)，海洋的化学成分更有利于文石的沉淀；在温暖期(如早-中古生代和晚新生代)，更有利于方解石的沉淀。文石海和方解石海之间的这种转变很大程度上是由于海洋中镁和钙的比例发生了变化。碳酸盐岩中生物颗粒的类型是由碳酸盐岩形成时期的主要钙质生物组合决定的，因此地质历史上有明显的变化。例如，在古生代，由海百合、腕足动物、三叶虫和苔藓虫生物碎屑组成的石灰岩非常普遍，但在二叠纪-三叠纪生物灭绝事件后，这些生物大量灭绝，然后它们在石灰岩中的含量大大减少。再比如，菊花灰岩只在晚古生代和中生代发现，由钙质微型浮游生物和有孔虫组成的灰岩只出现在白垩纪以后的地层中。新生代灰岩主要由双壳类、腹足类、钙质藻类和海胆等生物碎屑组成，这些生物碎屑都是由钙质生物的演化决定的。
◎泥质岩:太古宙和元古代泥质岩中铁元素主要以还原态存在，新元古代及以后地层中出现氧化铁。在新元古代以后的泥岩中，有机碳和碳酸盐的含量显著增加，这是因为生物开始逐渐繁盛，由于生物的固碳作用，碳元素越来越容易进入沉积物。大部分前寒武纪和古生代泥质岩主要由伊利石粘土矿物组成，但这可能主要是成岩作用造成的，因为伊利石是埋藏成岩过程中最稳定的粘土矿物，蒙脱石和高岭石在成岩过程中容易转化为伊利石。在新生代之前的地层中，以蒙脱石矿物为主的泥岩，如蕉岭土，非常少见，这也是因为蒙脱石的晶体结构和化学成分在成岩过程中容易发生显著的转化。在中古生代以前的地层中，高岭石矿物也很少见，这可能是由于陆生植物的缺乏，无法为高岭石的形成提供条件所致。黑色页岩往往对应于气候的温暖期，通常形成于主海侵期的早期，在没有沉积物补给的深水还原条件下形成。
◎其他沉积岩:铁岩和蒸发岩可以用来指示地质历史中大气的演化。18亿年前广泛发育的层状铁岩石，主要表明大气中氧含量非常低。当层状铁岩从地层中消失后，沉积物中的铁主要以氧化物的形式存在，偶尔以鲕状铁岩的形式出现。铁岩的形成与热带土壤的风化和其他类型沉积物的缺乏有关，主要形成于温暖的气候条件下。120亿年前后开始大量出现蒸发岩，尤其是石膏。只有在广阔而稳定的大陆能够周期性地被蒸发强烈的浅海覆盖时，才能形成蒸发岩。大气的成分也会影响蒸发岩的形成。在还原条件下，硫主要以黄铁矿的形式沉淀，而一些硫酸盐矿物，如石膏，只有在大气被氧化时才能形成。石膏岩和铁岩一样，对大气的演变很敏感。