1、地质学新进展地球物质观第二章 地球物质观教学目的 使学生掌握地球物质科学的基本概念和主要内容；使学生了解地球的圈层结构及其最新研究成果；使学生了解地球的物理和化学性质及其研究意义；使学生树立“地球是一个极不均一且高度活动的动态系统”的概念。教学重点 地球的物质组成，常见矿物和岩石的基本特征及其鉴别标志；地球的圈层结构及其形成与演化；地球的物理和化学性质，地球物理勘探与地球化学勘探；地球岩石圈变形的能量来源。教学步骤 课内安排10个学时，其中讲授4个学时，实习（标本鉴定与描述）4个学时（要求在课外再加4学时实习），课堂讨论2个学时。要求课外阅读相关文献资料，进一步加深对课堂所学内容的理解。参考文
2、献 陶世龙，万天丰，程捷.地球科学概论.北京：地质出版社.1999 乐昌硕等.岩石学.北京：地质出版社.1989 翟淳等.岩石学简明教程.北京：地质出版社.1987 戈定夷等.矿物学简明教程.北京：地质出版社.1989 曾融生.固体地球物理学.北京：科学出版社.1984地球物质科学是进年来提出的一门综合性边缘学科，它是在矿物学，岩石学，矿物物理学，岩石力学，地球化学和地球物理学等学科基础上发展起来的。它正在把地球科学家联合起来，运用现代物理学和化学的理论和实验技术，从物质的角度去研究地球，以便对重大的地球演化和动力学问题作出回答。一、地球的物质组成 宇宙是由物质组成的，元素，矿物，岩石是地球物
3、质的三种基本存在形式。1. 元素化学元素在任何宇宙或地球化学系统中（如地球、大气圈、水圈、岩石圈）的平均含量称为丰度。通常把各元素在地壳中含量的百分比称为克拉克值，用重量百分数表示称为重量克拉克值，用原子百分数表示称为原子克拉克值。克拉克（1847-1931）是美国地质学家和化学家，经过40年对5159个岩石样品的化学分析，于1924年发表了第一份地壳元素丰度资料。其后几十年中，对地壳元素丰度几经修改补充。丰度和克拉克值通常用ppm 或g/t表示。克拉克值的研究结果显示出元素分布和分配存在以下规律： 地壳中元素分布具有明显的不均匀性。地壳中分布量大和分布量小的元素之间的克拉克值差别很大。按克拉
4、克值递减的顺序排列，其次序为：O,Si,Al,Fe,Ca,Na,K,Mg,H,Ti,C,Cl.。前三种元素的总量占地壳元素的84.55%；前9种占99.18%；前13种占99.67%，其余80多种元素只占地壳总量的0.33%。下面这句话有助于记忆丰度最大的前8种元素的顺序：“Only Silly Artists In College Study Past Midnight”(oxygen, silicon, aluminum, iron, calcium, sodium, potassium, magnesium)唯艺院之痴者乃读以待旦。 元素丰度随原子序数增加而降低分布量大的元素一般接近周期
5、表的开始，随着原子序数的增大，克拉克值一般越来越小。 地壳中偶数元素与奇数元素的分布量不同地壳中偶数元素的分布量高于奇数元素，并且相邻元素之间偶数元素的分布量一般高于奇数元素，稀土元素无例外地符合这一规则。 元素在时间和空间上分配不均匀其突出表现在一些成矿元素呈条带状分布，相对密集。例如，太平洋内带（Kz褶皱带）主要密集亲铜元素，如Cu、Pb、Zn、Ag、Bi（铋）、Sb（锑）、Au等；太平洋外带（Mz褶皱带）主要密集亲石元素，如W、Sn、Li、Be（铍）、TR（稀土）、Nb（铌）、Ta（钽）等。 不同地史时期成矿元素的变化规律是：前寒武纪主要成矿元素有Pt、Fe、Ni、Co、Au、U以及亲铁
6、元素，占这些元素储量的一半以上；古生代主要成矿元素为U、Co、Ni、Pb及Pb族，其次为W、Sn、Mo、Hg等；中生代主要成矿元素是W、S、Au、Sb等; 新生代则以Hg、Mo、Cu、Pb、Sb为主。中、新生带成矿元素为亲石元素。2. 矿物地壳中的化学元素少数以自然元素（天然单质）产出，大部分以化合物形式出现。由地质作用形成的天然单质或化合物就是组成岩石和矿石的基本单元-矿物。矿物具有相对固定的化学成分，绝大部分固态矿物具有在一定物化条件下稳定的内部结构和构造，因而不同矿物有不同的物理性质。已发现矿物有3000余种，被利用的只有200余种；60年代以来，已能合成百余种“人造矿物”。1） 矿物的
7、物理性质（鉴别特征） 形态单晶：晶体生长不受空间限制集合体：受限制 颜色，光泽，条痕颜色：自色、它色、假色 条痕：矿物粉末的颜色，可消除假色，减弱它色 光泽：金属、半金属、非金属（金刚、玻璃）、油脂光泽、珍珠光泽、丝绢光泽、土状光泽、沥青光泽 硬度标准摩氏硬度计：滑石，石膏，方解石，萤石，磷灰石，长石，石英，黄玉，刚玉，金刚石。指甲（2.5），小刀（5.5），玻璃片（6.5） 解理与断口 其它比重、透明度、发光性、脆性、延展性、导电性、磁性等。2） 矿物的分类及常见矿物作业 观察、描述常见矿物标本，写出实习报告。 自然元素石墨（C）：六方晶系，铁黑色；不透明；条痕灰黑色；金属光泽；硬度1；一组
8、极完全解理；手摸有滑感；常呈鳞片状或致密块状。金刚石（C）：等轴晶系；纯者无色透明，常因微量的杂质混入而呈蓝、黄、灰、黑等色；金刚光泽；硬度10；八面体完全解理；性脆；导热好，热膨胀系数小；常呈八面体状。石墨与金刚石为同素异形体。 硫化物黄铁矿（ FeS2）：颜色为浅黄铜色；条痕为黑色；金属光泽；硬度66.5；无解理；性脆，断口参差状。大多呈块状集合体。黄铜矿（CuFeS2）：颜色铜黄，条痕为黑色；金属光泽；硬度34，小刀能刻划；无解理；性脆；具导电性。常为致密块状或粒状集合体。黄铜矿以颜色较深且硬度小可与黄铁矿相区别。方铅矿(PbS)：铅灰色；不透明；条痕灰黑色；金属光泽；三组完全解理；具导
9、电性；常呈立方体晶形，粒状集合体。闪锌矿：颜色自浅黄到棕黑色不等（因含Fe量增高而变深）；透明至半透明；条痕为白色到褐色；光泽自金刚光泽到半金属光泽；硬度34；六组完全解理；不导电。常为致密块状或粒状集合体。 卤化物 萤石（氟石）（ CaF2 ）：等轴晶系，八面体解理完全，紫外线照射或加热情况下易发萤光；颜色多样，常呈透明以及紫红、蓝、绿和黑紫等色，在暗处可见白色略呈蜡黄的磷光；白色条痕；玻璃光泽；硬度4；解理完全，易沿解理面破裂成八面体小块。常能形成块状、粒状集合体。石盐（NaCl）：等轴晶系，六面体结晶；无色，透明，或被杂质染成其他颜色；白色条痕；玻璃光泽；硬度2；三组立方完全解理。易溶于
10、水，味咸。晶体呈立方体，集合体呈粒状。 氧化物及氢氧化物石英（SiO2 ）：三方晶系，六方柱及菱面体聚形。纯净的石英无色透明，有时因包裹体或杂质而呈乳白、紫、茶褐、黑、玫瑰等色；条痕白色；无解理，断口呈贝壳状；玻璃光泽，断口呈油脂光泽。常发育成单晶并形成晶簇，或成致密块状或粒状集合体。褐铁矿 （ Fe2O3.nH2O）：铁锈红色、黄褐色至黑褐色；条痕为黄褐色至红褐色；土状光泽；硬度变化大；很少见解理。常呈多孔状、土状等。磁铁矿（Fe3O4）：颜色为铁黑色；不透明；条痕为黑色。半金属至金属光泽；硬度5.56.5；无解理；有磁性。常为致密块状或粒状集合体，也常见八面体单晶。据其晶形、黑色、条痕黑和
11、强磁性可与其他矿物区分。 含氧盐磷酸盐磷灰石（ Ca5PO43F,Cl.OH）：六方晶系，六方柱状或针状。纯净磷灰石为无色或白色，少见。一般呈黄绿色。可以出现蓝色、紫色及玫瑰红色等；透明；白色条痕；玻璃光泽；硬度5；不完全解理，断口参差状，断面为油脂光泽。常为六方柱状之单晶，集合体为块状、粒状、肾状及结核状等。用含钼酸铵的硝酸溶液滴在磷灰石上，有黄色沉淀（磷钼酸铵）析出，是鉴别磷灰石的重要方法。硫酸盐石膏 （CaSO4.2H2O）：单斜晶系，为无色或白色,有时透明；白色条痕；玻璃光泽，纤维状石膏为丝绢光泽；硬度2；极完全解理，易沿解理面劈开成薄片，薄片具挠性。单晶体常为板状。集合体为块状、粒状
12、及纤维状等。碳酸盐 方解石 （ CaCO3）：菱面体，三方晶系，纯净的方解石无色透明。因杂质渗入而常呈白、灰、黄、浅红（含Co、Mn）、绿（含Cu）、蓝（含Cu）等色。白色条痕；玻璃光泽；硬度3；三组完全解理，易沿解理面分裂成为菱面体。常发育成单晶，或晶簇、粒状、块状、纤维状及钟乳状等集合体。遇盐酸起泡。 白云石 （ CaMg(CO3)2）：三方晶系，灰白色，一般为白色，因含Fe常呈褐色；白色条痕；玻璃光泽；硬度3.54；完全解理。单晶为菱面体，晶面常弯曲，通常为块状或粒状集合体。硅酸盐正（钾）长石 （KAlSi3O8）：肉红色，白色；透明；白色条痕；硬度6；二组正交解理；晶体常呈短柱或厚板状
13、，集合体呈粒状。 斜长石 （NaAlSi3O3-CaAl2Si2O8）：白色，灰白色；透明；白色条痕；硬度6-6.5；二组不正交解理。晶体呈板状，集合体呈粒状。普通角闪石（Ca,Na,K）2(Mg,Fe,Al)5 (Si,Al)4O112OH2）：绿黑至黑色；透明条痕略带绿色；玻璃光泽；硬度5.5-6；两组完全解理。晶体呈长柱状。普通辉石（Ca,Mg,Fe,Al)2 (Si,Al)2O6：黑色或褐黑色；透明；白色条痕；玻璃光泽；硬度5-6；中等解理；晶形呈短柱状，断面呈八边形，集合体为粒状。橄榄石(Mg,Fe,)2 SiO4：浅黄绿到橄榄绿色，随含铁量增高而加深；透明；白色条痕；玻璃光泽。硬度
14、6.57。不完全解理。常为粒状集合体。黑云母K(Mg,Fe)3 AlSi3O10OH，F2：常呈褐黑色、绿黑色、黑色；玻璃光泽；解理面为珍珠光泽；硬度2.5；极完全解理；薄片具弹性。晶形呈假六方板、短柱状；集合体呈片状或鳞片状。白云母KAl2 AlSi3O10OH2：无色透明或因含少量杂质而呈淡灰浅绿等色；解理面具珍珠光泽；硬度2.5；有平行片状方向的极完全解理，易撕成薄片，薄片具弹性。单晶体为短柱状及板状，横切面常为六边形。集合体为鳞片状，其中晶体细微者称为绢云母。3. 岩石在地质作用下产生，由一种或多种矿物有规律组合而成的矿物集合体称为岩石。纯洁的大理岩属单矿岩（方解石）花岗岩为复矿岩。根
15、据岩石成因分为三大类。1） 岩浆岩（火成岩） 成因 产状：岩基、岩株、岩盘、岩盆、岩墙、岩脉 分类表2.1 岩浆岩的分类岩浆岩侵入岩喷出岩(火山岩)SiO2含量深成岩浅成岩酸性岩类花岗岩花岗斑岩流纹岩65%中性岩类闪长岩闪长玢岩安山岩52-65%基性岩类辉长岩辉绿岩玄武岩45-52%超基性岩橄榄岩（苦橄玢岩）苦橄岩5mm显晶质结构（多见于侵入岩）中粒结构： 25mm；细粒结构：2mm隐晶质结构（多见于喷出岩）玻璃质结构：全部由非晶质矿物组成，由于熔浆迅速冷却形成的一种较均匀的玻璃状态物质。据矿物颗粒的相对大小：等粒结构：岩石中同种主要矿物颗粒大小大致相等。不等粒结构：岩石中同种主要矿物颗粒大小
16、不等。斑状和似斑状结构：为不等粒结构的一种特殊类型。组成岩石的主要矿物颗粒大小相差悬殊，大者称斑晶，小者称基质；其中基质为隐晶质或玻璃质者称斑状结构；基质为显晶质者称似斑状结构。构造：是组成岩浆岩的矿物集合体之间的排列和充填方式所反映出来的形态特征。岩浆岩的构造除与岩浆本身的性质有关外，还取决于形成环境，常见的岩浆岩构造有：块状构造：矿物分布均匀，岩石致密，无孔洞，是侵入岩常见的构造。气孔构造和杏仁构造：是喷出岩常见的构造，如果岩石中分布有大小不同、分布不均的圆形或椭圆形孔洞称气孔构造，如气孔被钙质或硅质充填，称杏仁构造。这种构造是融浆冷却时，尚未溢出的气体保留在岩石中形成的。流纹构造：由不同
17、颜色、不同成分或拉长的气孔定向排列表现出来的一种流动构造。是酸性喷出岩常见的构造。主要矿物：组成岩浆岩的矿物可分为浅色矿物和暗色矿物两类：石英、钾长石、斜长石；橄榄石、辉石、角闪石、黑云母鉴别标志：其矿物成分，结构和构造特点可区分。沉积岩形成条件：母岩风化剥蚀搬运沉积成岩脱水压实胶结（泥质、Ca质、Fe质、Si质）结构：碎屑、泥质、结晶、生物。构造：层理、层面构造。鉴别标志：主要矿物：母岩风化碎屑、风化形成的粘土矿物、沉积过程中的新生矿物（化学沉淀物）、 胶结物。变质岩形成条件：主要在固态下进行的，由内动力地质作用（物化条件变化）引起的，使岩石的成分、结构、构造发生一系列变化的作用。结构：变晶
18、结构（矿物重结晶）、变余结构。构造：板状、千枚状、片状、片麻状。主要矿物：石榴子石、滑石、石墨、金云母、蛇纹石、绿泥石、刚玉等。二、地球的物理性质1. 地球的形态和大小自学2. 地球的重力与重力勘探重力g, 引力F，离心力P, 则：gFP=GMm/r2m2rg赤道978.0318伽 （伽即cm/s2）g南极983.2177伽 国际重力公式（1971年国际地球物理协会）：g=978.0318(1+0.0053024sin2-0.000059sin22)其中为地球纬度，几个常数据卫星轨迹研究和天文测量成果确定。此公式计算出的是平均状态下的地球所产生的重力场，称正常重力。由于地球物质分布不均匀，密度
19、、地形等均有较大变化，实测重力值会偏离正常重力值，于是产生重力异常。经过高度校正、地形校正和测定点下标高内岩石重力校正得出的重力异常称为布格异常，计算式为：gbg0.3083hbg (毫伽)其中，h为海拔高度（m ），b 0.1119h+t （t 为地形校正因子，可查表得出；0.1119表示密度为2.67g/cm3的1m高岩石所产生的重力）。 正异常 负异常 区域重力异常：大陆，大洋，山区，平原-地球内部结构 局部重力异常：几几百km2 探矿 以区域重力异常作为标准值（背景值），区域内金属矿产分布区表现为局部重力正异常；煤、油、气分布区表现为局部重力负异常。3. 放射性与放射性勘探元素通过放出
20、放射线（，）转变为另一种元素的性质称放射性。这种过程称衰变。具有放射性的元素称为放射性元素。放射性元素衰变一半所需要的时间是恒定的：比如，238U经过系列衰变后变成稳定的206Pb，10 g 238U 衰变之后只剩下5g时，需要44.98亿年；而1g238U衰变之后只剩下0.5g时同样需要44.98亿年。元素衰变有能量释放，地球内部放射性元素所产生的主要是热能放射热。放射热的主要来源是U、Th（钍）和钾的同位素40K。在花岗岩中含量较高，玄武岩中次之，橄榄岩中最小，上部圈层中高。放射性元素局部密集会产生放射性异常区，使用仪等仪器可寻找放射性矿床。4. 地温与地热流 变温层（或外热层）：040m深度范围，昼夜、周年变化。 常温层：不受太阳热变化影响。 增温层：（或内热层）：受地球内部热能影响。 地温梯度：3/100m （大陆）； 48/100m（大洋） 地温级： x m/地内5080km以下：0.51.2 /100m；100km深处：地温不超过1500；在2900km处约2700；地心3200。 地热流：单位时间内通过单
