歡迎來到沉積岩的世界！
歡迎！在本章中，我們將一起探索沉積岩（sedimentary rocks）。這些岩石就像地球的日記；它們記錄了從古老沙漠、熱帶海洋到巨大冰川移動的所有痕跡。無論你是為了考取頂尖成績，還是只想打好基礎，這些筆記都將幫助你理解岩石是如何被分解、搬運、沉積並固結成堅硬岩石的。
1. 沉積物的產生：風化與侵蝕
在形成岩石之前，我們需要沉積物（sediment）（如沙粒、泥土或礫石碎屑）。這過程是透過風化（weathering）（原地分解岩石）和侵蝕（erosion）（分解並帶走／搬運岩石物質）來實現的。
三種主要的風化作用
• 機械（物理）風化（Mechanical / Physical Weathering）：在不改變化學成分的情況下使岩石發生物理性崩解。一個例子是凍融風化（freeze-thaw / frost shattering），水分進入岩石裂縫後結冰，體積膨脹約 9%，進而將岩石撐開。
• 化學風化（Chemical Weathering）：改變礦物的化學成分。微酸性的雨水會將長石等矽酸鹽礦物分解為柔軟的黏土礦物（clay minerals）。
• 生物風化（Biological Weathering）：由生物引起的機械或化學分解，例如樹根在節理中生長膨脹，或是穴居動物破壞基底的穩定性。
特殊的沉積物
並非所有沉積物都是破碎的岩石碎屑。蒸發岩（Evaporites）（如岩鹽（halite）和石膏（gypsum））是在鹹水蒸發時直接從超鹹水體中沉澱出來的。碳酸鹽沉積物（Carbonate sediments）主要來自海洋生物的碳酸鈣骨骼、貝殼和遺骸。
2. 岩石的旅程：搬運與成熟度
沉積物一旦釋出，就會藉由風、水或冰川進行搬運。隨著沉積物經歷持續的搬運，其特徵會逐漸演變：
沉積成熟度
• 結構成熟度（Textural Maturity）：顆粒變得逐漸更圓（rounded）（透過磨蝕失去尖銳邊緣），且分選（sorted）更佳（被搬運介質分離成均勻的粒徑級別）。
• 成分成熟度（Compositional Maturity）：較不穩定、容易風化的礦物（如長石和鐵鎂質礦物）分解消失，留下高濃度的抗風化礦物，主要是石英（quartz）。
赫爾斯特倫曲線（Hjulström Curve）
赫爾斯特倫關係圖說明了侵蝕（起載）、搬運和沉積不同大小顆粒所需的臨界水流速度：
• 侵蝕（Erosion）：粗顆粒碎屑需要高速水流才能被搬起。然而，由於黏土片狀顆粒之間的靜電凝聚力，極細的黏土顆粒同樣需要很高的起載速度。
• 搬運（Transport）：顆粒一旦起載，即使流速低於引發移動所需的流速，仍能維持搬運狀態。
• 沉積（Deposition）：當水流速度降至臨界沉降速度以下時，顆粒便會從懸浮或底載中沉澱析出。
3. 顆粒測量與溫特沃斯分級法（Wentworth Scale）
粒徑大小使用對數溫特沃斯分級法（Wentworth scale）和統計學上的 phi (\(\phi\)) 分級來分類，其中 \(\phi = -\log_2(d)\)（直徑 \(d\) 以毫米為單位）。粒徑大小透過實驗室的篩析法（sieve analysis）和沉降管進行測量：
• 巨礫（Boulder）：\(>256\text{ mm}\)
• 粗礫（Cobble）：\(64\text{ 至 }256\text{ mm}\)
• 中礫（Pebble）：\(4\text{ 至 }64\text{ mm}\)
• 細礫（Granule）：\(2\text{ 至 }4\text{ mm}\)
• 砂（Sand）：\(0.0625\text{ 至 }2\text{ mm}\)
• 粉砂（Silt）：\(0.0039\text{ 至 }0.0625\text{ mm}\)
• 黏土（Clay）：\(<0.0039\text{ mm}\)
4. 矽質碎屑岩（Siliciclastic Rocks）的分類
矽質碎屑岩（Siliciclastic rocks）由矽酸鹽礦物和岩石碎屑（碎屑）組成。它們根據粒徑大小和成分成熟度進行分類：
粗碎屑岩（礫級）
• 礫岩（Conglomerate）：含有圓形至次圓形的礫石碎屑（顯示經歷過顯著的水流搬運）。
• 角礫岩（Breccia）：含有鋒利、稜角狀的礫石碎屑（顯示搬運距離極短，靠近源區）。
• 碎屑支撐（正，ortho-）礫岩／角礫岩的碎屑彼此接觸，而基質支撐（副，para-）品種的碎屑則漂浮在較細的基質中。
砂級岩石（砂岩）
• 正石英岩（Orthoquartzite）：高度成熟的砂岩，含有 \(>90\text{–}95\%\) 的石英顆粒。顆粒通常分選良好且圓度極佳。
• 長石砂岩（Arkose）：不成熟的砂岩，含有大量的長石（feldspar）（通常 \(>25\%\)），反映出在乾旱或高地形起伏環境下，花崗岩／片麻岩源岩的快速侵蝕。
• 雜砂岩（Greywacke）：一種不成熟的砂岩，其特徵是分選極差、呈稜角狀的顆粒鑲嵌在豐富（\(>15\%\)）的細粒黏土基質中，通常由濁流沉積而成。
細碎屑岩（泥質岩）
• 粉砂岩、泥岩與頁岩（Siltstone, Mudstone, and Shale）：由粉砂和黏土組成。頁岩展現出明顯的頁理（fissility）（極易沿著薄層紋理裂開）。
5. 碳酸鹽岩（石灰岩）的分類
碳酸鹽岩由碳酸鈣（\(\text{CaCO}_3\)，主要為方解石或文石）組成。碳酸鹽岩包含三個基本成分：
1. 異化顆粒（Allochems / Grains）：碳酸鹽顆粒，包括鮞粒（ooids）（具同心圓包裹層的球狀顆粒）、生物碎屑（bioclasts）（化石貝殼碎片）、糞微粒（peloids）（糞便小丸）和內碎屑（intraclasts）（半固結碳酸鹽泥再改造後的碎屑）。
2. 微晶方解石 / 灰泥（Micrite）：微晶質石灰泥基質（\(<0.004\text{ mm}\)）。
3. 亮晶方解石（Sparite）：填充於開放孔隙中的較粗結晶方解石膠結物。
鄧漢分類法（Dunham Classification, 1962）
Dunham 根據沉積結構和顆粒支撐方式對石灰岩進行分類：
• 泥灰岩（Mudstone）：泥質支撐結構，含有 \(<10\%\) 的顆粒。
• 浮泥灰岩（Wackestone）：泥質支撐結構，含有 \(>10\%\) 的顆粒。
• 顆粒支撐灰岩（Packstone）：顆粒支撐結構，顆粒間隙被細石灰泥基質填充。
• 顆粒灰岩（Grainstone）：顆粒支撐結構，完全缺乏石灰泥基質（孔隙被亮晶方解石膠結）。
6. 從沉積物到岩石：成岩作用與固結作用
成岩作用（Diagenesis）涵蓋了沉積物在沉積後、於低溫低壓下所經歷的所有物理、化學和生物變化：
1. 壓實作用（Compaction）：上覆岩層的上覆壓力將孔隙流體排出並重新排列顆粒，大幅降低原生孔隙度（porosity）。
2. 膠結作用（Cementation）：自生礦物從孔隙水中沉澱析出到孔隙空隙中。常見的膠結劑包括矽質／石英（silica / quartz）、方解石（calcite）和赤鐵礦／鐵氧化物（hematite / iron oxides）（這讓紅層呈現紅色）。
孔隙度與滲透率
• 孔隙度（Porosity）：孔隙空間（空隙）佔岩石總體積的百分比。
• 滲透率（Permeability）：岩石透過相互連通的孔隙網絡傳導流體的能力。
7. 沉積構造：環境指示標誌
沉積構造保留了水動力條件、古水流方向以及頂底（地層向頂）定向：
• 交錯層理（Cross-bedding）：由遷移的漣痕或沙丘沉積而成的傾斜細層。漸近線狀的下邊界面和被截切的上層系是極佳的頂底判斷與古水流指示標誌。
• 漣痕（Ripple Marks）：對稱（波浪／振盪）漣痕指示海洋或湖泊中的雙向波浪作用；不對稱（水流）漣痕指示單向的水流或風向。
• 粒級層理（Graded Bedding）：單一層理內部顆粒大小由底部的粗粒向上逐漸變細的垂直變化，由減速的濁流形成（可靠的頂底判斷標誌）。
• 乾燥裂紋 / 泥裂（Desiccation / Mud Cracks）：細泥中向下收窄的 V 形多邊形裂隙，記錄了暴露於大氣中的乾燥過程。
• 鹽假晶（Salt Pseudomorphs）：保留了岩鹽晶體形狀的立方體印模，岩鹽溶解後被碎屑沉積物充填而成。
• 礫石疊瓦構造（Pebble Imbrication）：扁平碎屑呈瓦片狀排列且系統性地朝上游傾斜，記錄了古水流的流向。
最終總結
沉積岩代表了從風化與侵蝕，經過搬運、沉積到成岩作用的完整歷程。透過分析粒徑分佈、礦物成熟度、碳酸鹽結構和沉積構造，地質學家能夠準確地重建古代沉積環境和地球的動態歷史。