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。沉积岩广泛分布于地表，占陆地面积的 75%，因此，许多工程都在沉积岩地区建设。沉积岩也是被应用得最广的一种建筑材料。

一、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4个阶段。

1. 风化阶段

地表或接近地表的岩石受温度变化、水、氧和生物等因素作用，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。这些风化产物就构成了沉积岩的物质来源。

2. 搬运阶段

原岩风化产物，除一部分残留在原地外，大部分被流水、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。化学搬运是将溶解物质带到湖海中去。

3. 沉积阶段

岩石碎屑物质在被搬运途中，由于搬运力的减弱，例如水流或风速度逐渐降低、冰川融化以及其他因素的影响，被搬运的物质便逐渐沉积下来，形成松散沉积物。沉积的方式有机械沉积、化学沉积和生物化学沉积3种，沉积物又以在水体内沉积最为普遍。

在机械沉积过程中，碎屑物质通常按颗粒大小依照一定的顺序，有规律地沉积下来，粒径大的砾石类先行沉积，沿着搬运的进程，依次为粗沙、中沙、粉沙，最后沉积的是黏土（见图 1.4）。所以山区的河流，通常沉积大量巨大的砾石。一般地说，上游沉积下来的颗粒较粗，下游沉积的颗粒逐渐变细。化学沉积包括胶体溶液、氧化物、硅酸盐、碳酸盐等真溶液的沉积。生物化学沉积主要是生物遗体沉积及生物活动所引起的生物化学沉积，例如海生藻类进行光合作用，吸收海水中一定量的CO2，就会使海水中的Ca(HCO3) 2转变为CaCO3沉积下来，形成石灰岩。

图1.4 碎屑沉积粒度分异图

4. 硬结成岩阶段

由松散的沉积物转变为坚硬的沉积岩所经历的地质作用，叫作成岩作用。硬结成岩作用比较复杂，主要包括固结脱水、胶结、重结晶和形成新矿物四个作用。

固结脱水作用 下部沉积物在上部沉积物重力的作用下发生排水固结现象，称为固结脱水作用。该作用使沉积物空隙减少，颗粒紧密接触并产生压溶现象等化学变化，如沙岩中石英颗粒间的锯齿状接触就是在压密作用下形成的。

胶结作用 胶结作用是碎屑岩成岩作用的重要环节，把松散的碎屑颗粒连接起来，固结成岩石的胶结物有硅质（SiO2）、钙质（CaCO3）、铁质（Fe2O3)、黏土质等。

重结晶作用 在压力和温度逐渐增大的条件下，沉积物发生溶解及固体扩散作用，导致物质质点重新排列，使非晶质变成结晶物质，这种作用称为重结晶作用，是各类化学岩和生物化学岩的重要组成部分。

新矿物的形成 在沉积岩的成岩过程中，由于环境变化还会生成与新环境相适应的稳定产物，如常见的石英、方解石、白云石、石膏、黄铁矿等。

二、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：

碎屑矿物 也称原生矿物，是原岩遭受机械风化后破碎而成的碎屑物质再经机械搬运作用和沉积作用所产生的沉积物，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。

黏土矿物 是原岩经风化分解后由长石等生成的次生矿物，如高岭石、蒙脱石、水云母等，常形成粒径＜ 0.005 mm 的黏土颗粒，呈胶体状态或机械悬浮状态搬运至海洋或湖泊中沉淀下来。

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、岩盐、铁和锰的氧化物或氢氧化物等。

有机物质及生物残骸 是由生物残骸或经有机化学变化而形成的矿物，如贝壳、珊瑚礁、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。岩浆岩中橄榄石、辉石、角闪石、黑云母等暗色矿物，由于易于风化，所以在沉积岩中极少见到。

三、沉积岩的结构

沉积岩的结构主要有下列4种。

1. 碎屑结构

碎屑结构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3点。

（1）颗粒大小。按碎屑粒径大小，将碎屑结构分为下列几类：

砾状结构 碎屑粒径＞2 mm；

粗沙结构 碎屑粒径为2.0～0.50 mm；

中沙结构 碎屑粒径为0.50～0.25 mm；

细沙结构 碎屑粒径为0.25～0.05 mm；

粉沙质结构 碎屑粒径为0.05～0.005 mm。

（2）颗粒形状。这是指碎屑颗粒的磨圆程度，可分为尖棱角状、次棱角状、次圆状和圆状等4种（见图1.5）。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。

图1.5 碎屑沉积粒度的形状

（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。胶结物主要是碎屑颗粒沉积后滞留或环流于颗粒之间的空隙溶液中的溶解物经化学作用沉淀而成，常见的胶结物有以下几种：

硅质 胶结物成分为SiO2，颜色浅，岩性坚固，强度高，抗水性及抗风化性强。

铁质 胶结物成分为铁的氧化物和氢氧化物，常呈红色或棕色，岩石强度次于硅质胶结构。

钙质 胶结物成分为 Ca、Mg 的碳酸盐，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 胶结物成分为黏土，一般是与碎屑颗粒同时沉积的混入物，多呈黄褐色，性质松软易破碎，遇水后易泡软松散。

石膏质 胶结物成分为CaSO4，硬度小，胶结不紧密。

胶结类型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 3 种胶结类型，如图1.6所示。

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，这种胶结方式的紧固程度视胶结物而定。基底胶结代表碎屑与胶结物同时沉积，是快速堆积的产物。

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。孔隙胶结一般是碎屑在稳定的水流中先沉积成颗粒紧密的堆积体，而颗粒空隙中的胶结物是成岩期空隙溶液的化学沉淀物质。

图1.6 沉积岩的胶结形式

接触胶结 胶结物含量极少，碎屑颗粒互相接触，胶结物存在于颗粒的接触处。这种方式最不牢固。接触胶结形成于成岩阶段，有些是原来的胶结物被淋滤掉的结果。(www.daowen.com)

2. 泥质结构

这种结构几乎全部由粒径＜ 0.005 mm 的黏土颗粒组成，是黏土岩的主要特征，特点是手摸有滑感，用刀切呈平滑切面，断口呈贝壳状。有粉沙混入物时叫作泥质-粉沙结构，有粗糙感，刀切面粗糙，断口呈粗瓷状。

3. 晶粒结构

由化学作用或生物化学作用从溶液中沉淀的晶粒或重结晶晶粒形成的结构，主要在石灰岩、白云岩和硅质岩中发育。

4. 生物结构

这种结构几乎全部是由生物遗体所组成的，如生物碎屑结构、贝壳结构等。

四、沉积岩的构造

沉积岩的构造，是指沉积岩各个组成部分的空间分布和排列方式。

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。

根据层理的形态，可将层理分为下列几种类型（见图1.7）。

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层理［见图 1.7（a）］，主要见于细粒岩石（黏土岩、粉细沙岩、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。此外，还有平行层理，它貌似水平层理，但出现在粒度较粗的沙岩中，沿细层易剥开，在剥开面上有平行的条纹，它形成于急流、水浅的水流条件下。

单斜层理 单斜层理是由一系列与层面斜交的细层组成的，细层的层理向同一方向倾斜并相互平行［见图 1.7（c）］，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。

交错层理 交错层理是由多组不同方向的斜层理相交错重叠而成的［见图 1.7（d）］，是由于水流的运动方向频繁变化所造成的，多见于河流沉积层中。

图1.7 沉积岩的层理类型

此外，还有波状层理、粒序层理等类型。

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［见图l.7（b）］。

层或岩层是组成沉积地层的基本单位，其成分、结构、内部构造和颜色基本均一。它是在较大区域内生成条件基本一致的情况下形成的。层与层之间的分界面叫作层面。层面反映了沉积过程中气候的变化，也反映了沉积过程中隔一定时期重复出现的沉积作用的停顿。从顶面到底面的垂直距离为岩层的厚度。层的厚度是沉积岩的重要描述标志。根据单层厚度，层可分为块状层（＞1 m）、厚层（1～0.5 m）、中厚层（0.5～0.1 m）、薄层（＜0.1 m）。

2. 层面构造

层面构造是指岩层层面上由于水流、风、生物活动、阳光曝晒等作用留下的痕迹，如波痕、泥裂、雨痕等。

波痕 由于风力、流水或波浪的作用，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，经曝晒后成张开的多边形网状裂缝，断面呈“V”形。刚形成时泥裂是空的，以后常被沙、粉沙或其他物质填充。

3. 结核

结核是成分、结构、构造及颜色等与周围沉积物（岩）不同的、规模不大的团块体。结核形态很多，有球状、椭球状、不规则团块状等。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后在适当地点再沉积形成的。

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，若有各种生物遗体或遗迹（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。

五、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、结构和形成条件，可分为碎屑岩、黏土岩、化学岩及生物化学岩类，如表 1.3 所示；另据胶结情况，又可分为松散的和胶结的两大类，前者称为“土”或“石”，如砾石、黏土、沙土，后者称为“岩”。

表1.3 主要沉积岩分类表

1. 碎屑岩类

此岩类具有碎屑结构，即岩石由碎屑和胶结物两部分组成。鉴别碎屑岩时，先观察碎屑粒径的大小，区分是砾岩、沙岩还是粉沙岩；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。

砾岩及角砾岩 砾岩及角砾岩由 50%以上大于 2 mm 的碎屑颗粒胶结而成。由磨圆较好的砾石胶结而成的称为砾岩；由带棱角的角砾胶结而成的称为角砾岩。角砾岩是由于带棱角的岩块搬运距离不远即沉积胶结而成，如洞穴角砾岩、滨岸角砾岩等；砾岩则是岩屑经较长距离搬运磨蚀后再沉积、胶结而成的。砾石成分可能是矿物碎屑，但主要是岩屑。按砾石成分砾岩可分为单成分砾岩和复成分砾岩。胶结物的成分与胶结类型，对砾岩的物理力学性质有很大影响：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。

沙岩 沙岩是由 50%以上2～0.05 mm粒级的颗粒胶结而成的。按粒度大小可细分为粗粒、中粒、细粒及粉粒沙岩。根据其主要碎屑成分又可分为石英沙岩、长石沙岩和岩屑沙岩。石英沙岩中90%以上的碎屑物质是石英，碎屑粒度均一，分选好，磨圆度好，一般为硅质胶结，呈白色，质地坚硬，多为滨海沉积物。在长石沙岩的碎屑中，长石含量＞25%，岩屑含量＜10%，常为红色或黄色，一般为中、粗粒，分选性和磨圆度变化大，常为钙质或泥质胶结。岩屑沙岩中的岩屑占碎屑总量的 25%以上，长石含量＜10%，岩屑成分多样，胶结物多为硅质、钙质、铁质、泥质，碎屑的分选、磨圆不好，颜色较深，呈灰、灰绿、灰黑等色。粉沙岩是0.05～0.005 mm粒级的颗粒含量＞50%的岩石，碎屑成分以石英为主，长石次之，碎屑的磨圆度差，分选好，胶结物常为黏土、钙质和铁质。常见颜色为棕红色或暗褐色，常具有薄的水平层理。粉沙岩的性质介于沙岩与黏土岩之间。

沙岩的胶结物成分和胶结类型不同，其抗压强度也不同。由于多数沙岩岩性坚硬而质脆，在地质构造作用下张性裂隙发育，所以，常具有较强的透水性。

2. 黏土岩类

黏土岩是粒径＜0.005 mm、主要由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石英、长石、云母、褐铁矿等。黏土具可塑性、烧结性、吸附性、吸水性、耐火性等特性，黏土岩性质软弱，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。主要的黏土岩有以下两大类。

泥岩 泥岩是由黏土经脱水固结而形成的，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 5～35 MPa 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。

页岩 页岩也是由黏土脱水胶结而成，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，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、黑色页岩及碳质页岩等。除硅质页岩强度稍高外，其余的都易风化，性质软弱，浸水后强度显著降低。

3. 化学岩及生物化学岩

这种岩类最常见的是由碳酸盐组成的岩石，以石灰岩和白云岩分布最为广泛。鉴别这类岩石时，要特别注意它对盐酸试剂的反应。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。

石灰岩 石灰岩简称灰岩，在深海或浅海环境中形成，矿物成分以方解石为主，有时还可含有白云石、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，叫作结晶灰岩；另外在形成过程中，由于风浪振动，常形成一些特殊结构，如鲡状、竹叶状、团块状等，还有生物碎屑灰岩等类型。

白云岩 其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。

泥灰岩 当石灰岩中黏土矿物含量达25%～50%时，称为泥灰岩；颜色有灰色、黄色、褐色、红色等；强度低、易风化。泥灰岩可作为水泥原料。