沉积物可沉积于河床、海滩、沙漠沙丘、海底或地球表面任何其他沉积物休止或从水中沉淀的环境中。地质学家通过研究这些沉积物形成的岩石特征，确定沉积物堆积时地球表面的环境条件及具体位置。实际上，沉积岩蕴含着沉积发生地的 “记忆”，因此地质学家可通过绘制不同记录环境的分布范围，重建古地理格局。古地理极具研究价值，它揭示了过去山脉、海岸线、珊瑚礁及其他地表特征的存在，而这些特征如今所处的位置往往具有截然不同的地理面貌。

然而，这些环境与地理信息的价值不仅在于帮助地质学家构想遥远地质历史时期的地貌景观。当古地理研究能够助力地质学家定位有利于化石燃料生成与储存的环境时，便具备了重要的经济意义。例如，部分环境有利于有机物质堆积并转化为煤炭；另一些环境中的沉积物最终会形成孔隙空间，这些孔隙可能储存地下水、石油或天然气资源。

      解读古沉积环境的过程体现了均变论原理。该原理指出：若能理解当今自然界或实验室中形成各类物质与地质特征的地质作用，便可推断古代岩石中发现的相似物质与特征是由相同地质作用导致的。

一、化石所揭示的信息

化石（图 1）为解读古环境提供了最易阐释的记录。生物会适应特定的生存环境：陆地与水域、浅泻湖与深海、干旱沙漠与热带雨林等。古生物学家（研究化石的科学家）通过确定化石生物的生存环境需求，可推断出古沉积环境的关键信息。

图1 化石反映的古环境特征

二、岩石类型所揭示的信息

为从沉积岩中解读古沉积环境的细节，地质学家首先会明确当今特定类型沉积物的堆积位置。图2和图3通过实例说明，现代沉积岩的成分与结构可帮助我们推断古沉积物的形成环境：砾岩等粗粒碎屑岩形成于搬运水流强劲的环境，而细粒泥岩的形成则需要静水环境——细粒粉砂和黏土在此从悬浮状态缓慢沉降；石灰岩表明过去曾存在水下湖底或海底环境（富钙碳酸盐沉积物在此堆积）；蒸发岩则指示干旱湖泊和滨岸泻湖环境（水体蒸发后，可溶性离子以矿物形式沉淀）。

图2 岩石类型所揭示的古环境信息

上图所示为分选差、棱角分明的极粗粒砾石，形成于当今加利福尼亚州死亡谷陡峭山脉底部的山洪暴发过程中；右图为分选差、棱角分明的粗粒角砾岩与砾岩，地质学家推断其形成于数百万年前死亡谷陡峭山脉附近的山洪环境。

上图卫星影像中，浅色区域为佛罗里达、巴哈马及古巴附近热带暖浅水区的富钙碳酸盐沉积物堆积区；右图所示为新墨西哥州山坡上的石灰岩层，地质学家推断其形成于数亿年前类似的暖浅海环境。

三、沉积构造所揭示的信息 

现代沉积物的物理特征与其沉积过程相关。由此可推，若在古代岩石中发现相似特征，便可推断这些岩石是由过去相同的过程形成的。这些物理特征被称为沉积构造。沉积构造形成于沉积物堆积过程中，或堆积后、成岩前的短时间内。沉积学家可通过观察现代环境或实验室模拟环境中形成的沉积构造，将所得知识应用于古环境重建。 

图3展示了一种基本沉积构造——层理（又称层状构造），特指沉积岩中普遍存在的成层现象。层理反映了沉积过程的变化：部分层面代表沉积间断（甚至侵蚀作用），另一些则代表沉积物堆积过程的改变。层理表明，任何环境中的沉积物堆积都并非单调连续的过程——流动水流和波浪的能量随时间变化，时而侵蚀沉积物，时而堆积沉积物。沉积水流强度的波动还会导致沉积物粒度和分选性发生变化（图4）。部分沉积环境可能仅在河流洪水期、海洋强风暴期接受碎屑沉积物，或沉积物的体积与成分随季节变化。这些变化都会在最终形成的岩石中产生独立的岩层。 

图3 层理揭示的古环境信息

上图中所示为亚利桑那州大峡谷的水平岩层，这些岩层是大规模沉积层。随着时间推移，沉积环境的变化导致不同类型的沉积物在连续岩层中逐层堆积。坚硬的砂岩和石灰岩形成悬崖峭壁，因其抗风化能力强于形成缓坡的泥岩和页岩。下图中华盛顿州古老湖床的小规模层理（以小刀为比例尺），通常由沉积作用或沉积物类型的变化形成。每一组深色与浅色岩层代表冰川补给湖泊中一年的沉积：春季和夏季融雪径流期间，浅色粉砂沉降；冬季湖面结冰时，深色有机质沉积至湖底。

图4 沉积物的粒度、分选和磨圆所揭示的古环境信息

图5是称为泥裂的沉积构造。但凡湿润的泥土干涸，便会形成此类裂缝。泥质沉积物通常富含黏土矿物，遇水吸水膨胀，干涸时失水收缩，导致沉积物开裂。若沉积物（经水流冲刷或风力搬运）填充于张开的裂缝中，地面的多边形开裂形态便会被保存下来。沉积岩中泥裂的存在，表明该沉积环境曾暴露于空气中（沉积物偶尔会干涸），例如河流泛滥平原，而非始终被水淹没的环境（如海底）。

图6展示了交错层理，即沉积物或沉积岩中倾斜的岩层，其形成能反映沉积物的水流或波浪搬运过程。交错层理由沙丘和波痕的迁移形成：沙丘和波痕是松散沉积物构成的弯曲垄脊，可随水流、气流移动，或在振荡水波作用下来回迁移。沙丘和波痕形成的详细物理过程虽有差异，但总体而言，波痕为小型构造（高度不足3厘米），沙丘形态与之相似但规模更大（高度从数厘米至数十米不等）。尽管“沙丘”一词通常让人联想到风成沙丘，但水流也会形成水下沙丘，且风和水均可形成波痕。 

图7 展示了交错层理的形成过程：沉积物在移动沙丘或波痕垄脊的陡峭顺流侧堆积，进而形成倾斜岩层。沉积岩中交错层理的识别，不仅能指示该环境曾有水流或气流在地表流动，还能揭示水流的搬运方向。 

图7 交错层理的形成过程

图8展示了粒序层理的形成过程：此类层理的沉积物粒度呈现规律性变化，从层底的粗粒逐渐过渡到层顶的细粒。粒序层理的形成与强水流相关——强水流搬运着多种粒度的沉积物混合物，随后水流减速，大颗粒率先沉降，小颗粒则逐渐堆积在大颗粒之上。

粒序层理通常形成于以下场景：河流洪水期的快速沉积、海底强风暴搅动沉积物后的沉降，或由携带大量沉积物的间歇性水流（称为浊流）引发的沉积（浊流会横扫湖底和海底）。

图8 粒序层理的形成过程

四、环境变化的证据

不同沉积岩类型的垂向过渡代表着沉积环境的改变。例如，图9展示了由砂岩→页岩→石灰岩的垂向序列，所有岩层均含海洋生物化石。那么，海洋环境是如何随时间演变，先后形成砂岩、页岩沉积，最终发生石灰岩沉淀的呢？ 

图9 岩石记录环境变化

大峡谷中沉积岩类型的这种垂向变化，记录了 5 亿年前浅海环境的演变过程。岩石类型之间的过渡并非截然分明：页岩下部含少量砂质成分，上部则夹有若干薄层石灰岩，随后逐渐过渡为以石灰岩为主、间夹少量页岩的岩层序列。这些观测结果表明，当时的沉积环境变化是渐进的，而非突发的。

图10揭示了地质学家的解读逻辑：通过分析这些岩石类型通常与海岸线的空间对应关系（即不同岩石类型的典型形成环境）。碎屑沉积物由大陆风化作用产生，经河流搬运至海岸线：河流入海后水流减速，砂粒等较粗颗粒在近岸区沉积；波浪扰动使粉砂和黏土保持悬浮状态，这些细颗粒在更远的离岸区沉降至海底；分泌方解石的生物广泛分布于砂泥沉积区，其坚硬的矿物壳体被陆源搬运的沉积物掩埋。而在远离海岸的区域，陆源碎屑物质供应减少，因此在几乎无碎屑沉积的环境中，大量方解石化石残骸与沉淀的方解石晶体在海底堆积。这一过程表明，未来将形成砂岩、页岩和石灰岩的沉积物，正同时在以海岸线距离为划分依据的不同环境中堆积（图10）。  

图10 环境迁移如何形成不同岩石

每一层沉积物均堆积于下伏岩层之上，因此岩石类型的垂向变化记录了沉积物堆积时期的环境变迁。（a）不同类型沉积物在离岸区堆积：较粗的碎屑沉积物沉积于近岸区，富钙碳酸盐（富含方解石）沉积物则堆积于更远的离岸区。（b）若海平面上升，各类岩石对应的沉积环境会向陆地迁移。请将该沉积岩示意序列与图9 所示的实际岩石进行对比。

基于上述认知，地质学家能够解释单一地点砂岩、页岩与石灰岩的垂向组合关系。图10显示：若海平面上升导致海岸线迁移，昔日的砂质沉积区会被泥质沉积物覆盖，而先前的泥质沉积区则会逐渐堆积富钙碳酸盐沉积物。因此，岩石类型的垂向变化记录了环境条件的改变——本案例中即海平面上升事件。  

参考文献：

1. Gary Smith, Aurora Pun, How Does Earth Work? Physical Geology and the Process of Science. Pearson, 2014.

2. Charles C. Plummer, Diane H. Carlson, Lisa Hammersley, Physical Geology, Fifteenth Edition, Mc Graw Hill Education, 2016.

3. Hohn P. Grotzinger, Thomas H. Jordan, Understanding Earth, Seventh Edition, W. H. Freeman and Company, 2014.