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29.00
28.15
Al
7.51
7.45
8.05
8.23
Fe
4.7
4.20
4.65
4.63
Ca
3.29
3.25
2.96
4.15
Na
2.64
2.40
2.50
2.36
K
2.4
2.35
2.09
Mg
1.94
2.25
1.87
2.33
H
0.88
1.00
-
Ti
0.58
0.61
0.45
0.57
P
0.12
0.093
0.105
C
0.087
0.35
0.023
0.02
Mn
0.08
0.10
0.095
图4-1固体地球及地壳的元素重量百分比
从表4-1与图4-1可以看出,地壳中化学元素的平均含量相差极为悬殊。
氧几乎占有一半,硅约占1/4,铝约占1/13,而表中未列入的大多数元素的含量是微不足道的。
这些微量元素,其含量也十分悬殊,有些还是超微量的。
对于整个岩石圈的原子组成来说,氧占60.4%,硅占20.5%,铝占6.2%,氢占2.9%,钠占2.49%,铁、钙、镁和钾分别占1.9%、1.88%、1.77%和1.37%,其他元素含量都小于1%(图4-2)。
二、矿物组成
地壳中的各种化学元素,在各种地质作用下不断进行化合,形成各种矿物。
矿物是在各种地质作用下形成的具有相对固定化学成份和物理性质的均质物体,是组成岩石的基本单位。
矿物是人类生产资料和生活资料的重要来源之一,是构成地壳岩石的物质基础。
自然界的矿物很多,约有3000种,最常见的只有五六十种,至于构成岩石主要成份的不过二三十种。
组成岩石主要成份的矿物,称造岩矿物,它们共占地壳重量的99%。
最常见的造岩矿物有下列几种:
长石:
是构成地壳的最主要的一类矿物,常见于火成岩、沉积岩和变质岩中。
具瓷状光泽,摩氏硬度为6,二向完全解理。
解理呈正交者为正长石(KalSi3O8,即钾长石),多为肉红色;
解理呈斜交者称斜长石,多为浅灰白色。
由于长石晶体构造中容许大量的离子置换,因而有多种类型。
如斜长石中的钠和钙可以完全置换,故产生了从钠斜长石(Na[AlSi3O8])至钙斜长石(Ca[Al2Si2O8])的一系列种类和成分的变化。
石英:
在大陆地壳中的数量仅次于长石,亦常见于各类岩石中。
成分简单(SiO2),无解理,贝壳状断口,具典型的玻璃光泽,硬度7,性硬,比重2.5~2.8。
石英在自由生长时结晶成六面锥体,但在结晶岩中因晶体发育受空间限制,皆呈不规则形状。
石英性质稳定,难于风化。
云母(K(Mg,Fe)3[AlSi3O10][OH]2):
假六方柱状或板状晶体,通常呈片状或鳞片状,单向极完全解理,易剥成具有弹性的光滑透明薄片;
玻璃及珍珠光泽,硬度2~3,成分复杂多样,常见的有黑云母、白云母和金云母,在酸性岩浆岩、砂岩和变质岩中常见。
角闪石((Ca,Na)2-3(Mg,Fe,Al)5(Si,Al)O22(OH,F)2):
成分复杂多变,常见的一种为普通角闪石,呈长柱状或条状,暗绿至黑色,硬度5.5~6,比重3.1~3.3,二向完全解理呈彼此斜交,性脆;
在中性和酸性岩浆岩和某些变质岩中常见。
辉石():
成分与角闪石近似,但含铁镁较多而不含羟离子。
其中常见的为普通辉石,呈短柱状,二向中等解理呈彼此正交,绿黑色,硬度5~6,比重3.2~3.6;
常与角闪石、橄榄石、某些斜长石等共生,在基性和超基性岩浆岩中常见。
橄榄石():
粒状,橄榄绿色,玻璃光泽,硬度6.5~7,性脆;
为超基性岩和基性岩的主要组成矿物。
上述造岩矿物又可归纳为两种类型:
一为长英质(或浅色)矿物,包括石英、长石和白云母,其色浅,比重较轻,含铁镁少;
一为铁镁质(或深色)矿物,包括橄榄石、辉石、角闪石和黑云母,其色深,比重较大,富含铁镁而得名。
两者共占地壳重量的80%多。
此外,其他常见的造岩矿物有方解石,白云石和各种粘土矿物,它们是某些沉积岩的主要造岩矿物。
三、岩石组成
岩石是在各种地质作用下,按一定方式结合而成的矿物集合体,是构成地壳及地幔的主要物质。
岩石是地质作用的产物,又是地质作用的对象,所以岩石是研究各种地质构造和地貌的物质基础。
岩石中矿物的结晶程度、颗粒大小和形状以及颗粒间相互关系的特征,称为岩石的结构。
岩石中矿物的组合形状、大小和空间上相互关系和配合方式,称为岩石的构造。
结构和构造是识别岩石的重要特征之一。
根据成因,岩石可分为三大类:
火成岩、沉积岩和变质岩。
如果根据变质母岩的性质,把变质岩归属于沉积岩和火成岩,那么在整个地壳的岩石组成中,火成岩占95%,而沉积岩只占到5%;
但沉积岩却覆盖了整个地球表面的75%,火成岩却只覆盖了地球表面的25%(图4-3)。
图4-3地壳与地面的岩石组成(Skinner等)
(一)、火成岩
1、岩浆作用和火成岩的概念
目前,一般认为火成岩由两类岩石组成。
一类是岩浆作用形成的岩浆岩;
另一类是非岩浆作用形成的。
火成岩以岩浆岩为主。
岩浆岩是由岩浆凝结形成的岩石,约占地壳总体积的65%。
岩浆是在地壳深处或上地幔天然形成的、富含挥发组分的高温粘稠的硅酸盐熔浆流体,是形成各种岩浆岩和岩浆矿床的母体。
岩浆的发生、运移、聚集、变化及冷凝成岩的全部过程,称为岩浆作用。
岩浆作用主要有两种方式:
当岩浆沿着岩石圈破裂带上升而侵入到地壳上部时,称为岩浆侵入活动,由此冷凝结晶而成的岩石称为侵入岩;
当岩浆喷出地面时,称为火山活动或喷出活动,由此冷却凝固而成的岩石称为喷出岩(又称火山岩)。
由此可见,岩浆岩是地下深处的岩浆侵入地壳或喷出地表冷凝而成的岩石。
2、火成岩的矿物成分
组成火成岩的矿物以硅酸盐矿物为主,其中最多的是长石、石英、黑云母、角闪石、辉石、橄榄石等,占火成岩矿物总含量的99%,所以称之为火成岩的重要造岩矿物。
其中颜色较浅的,称浅色矿物,因以二氧化硅和钾、钠的铝硅酸盐类为主,又称为硅铝矿物,如石英、长石等;
其中颜色较深的,称暗色矿物,因以含铁、镁的硅酸盐类为主,又称为铁镁矿物,如黑云母、角闪石、辉石、橄榄石等。
火成岩按其化学成分和矿物组成的不同可分为四类(表4-2):
表4-2岩浆岩分类简表
岩类与SiO2含量
主要矿物成分
典型结构
产状、构造
酸性岩
SiO2>
65%
中性岩
SiO2
65%~62%
基性岩
52%~45%
超基性岩
SiO2<
45%
含石英
很少或不含石英
不含石英
正长石为主
斜长石为主
无或很少长石
暗色矿物以黑云母为主,约占10%
暗色矿物以角闪石为主,
约占20%~45%
以辉石为主,约占50%
橄榄石、辉石含量达95%
喷出岩
渣块状
气孔状
杏仁状
流纹状
玻璃
火山玻璃:
黑曜岩、浮石等
隐晶
斑状
流
纹
岩
粗
面
安山岩
玄
武
金伯利岩
浅成岩
斑杂状
块
状
伟晶
结晶
脉岩:
伟晶岩、细晶岩、煌斑岩
花岗斑岩
正长斑岩
闪长斑岩
辉绿玢岩
苦橄玢岩
深成岩
显晶
等粒
花岗岩
正长岩
闪长岩
辉长岩
橄榄岩
辉
岩石颜色
浅色(带红)
中色(带灰)
暗色(带绿黑)
岩石比重
2.5~2.7
2.7~2.8
2.9~3.1
3.1~3.5
(1)、超基性岩——二氧化硅含量小于45%,含铁镁较多,含钾钠甚少。
主要由橄榄石、辉石组成。
比如,橄榄岩。
(2)、基性岩——二氧化硅含量45%~52%,主要由辉石、钙斜长石和少量橄榄石和角闪石组成。
如辉长岩、玄武岩。
(3)、中性岩——二氧化硅含量52%~65%,主要由角闪石、长石和少量石英、辉石、黑云母等组成。
如闪长岩、安山岩、正长岩和粗面岩。
(4)、酸性岩——二氧化硅含量大于65%,含钾和钠较多而铁镁较少,主要由长石、石英和云母组成。
比如,花岗岩、流纹岩。
一般说来,岩石从超基性到酸性,铁镁矿物逐渐减少,而硅铝矿物则逐渐增多,故岩石颜色越来越浅,比重越来越小;
岩石从酸性到超基性,铁镁矿物逐渐增多,而硅铝矿物则逐渐减少,故岩石颜色越来越深,比重越来越大。
3、岩浆岩的产状
由岩浆冷凝固结而成的岩体的大小、形状及其与周围岩石相接触的关系,称为岩浆岩的产状。
根据岩体在地壳中形成的深度和方式,可分为喷出岩体和侵入岩体,后者又可再分为深成岩体和浅成岩体。
按岩体的形状及其与上覆岩层的关系,可分为整合侵入体和不整合侵入体。
前者如岩盆、岩盖、岩床、岩鞍等;
后者如岩株、岩瘤、岩脉等(图4-4)。
图4-4侵入岩体与喷出岩体产状示意图
4、岩浆岩的结构与构造
岩浆在地表或地下不同深度冷凝时,因温度、压力等条件不同,即使是同样成分的岩浆所形成的岩石,也具有不同的岩石形貌特征。
这种差异主要表现在两个方面,即岩石的结构和构造。
所谓结构是指岩石中矿物颗粒本身的特点(如结晶程度、晶粒大小、晶粒形状等)及颗粒之间的相互关系所反映出来的岩石构成的特征而言。
按岩石中矿物的结晶程度可分为(图4-5)“全晶质结构”、“半晶质结构”和“玻璃质(非晶质)结构”。
图4-5岩浆岩的结晶程度(显微镜下观察)
A全晶质结构;
B半晶质结构;
C非晶质结构(玻璃质)
其结晶程度主要决定于岩石的形成环境和岩浆成分。
深成岩是岩浆在地下深处相对封闭的条件下冷凝而成的岩石,因围岩导热性不好,压力大,挥发成分不易逸散,岩浆冷凝缓慢,往往形成全晶质岩石。
喷出岩形成于地表,冷却迅速,往往形成结晶程度较差的岩石。
如果在相同冷凝条件下,基性岩浆温度高,粘性小,冷却相对较慢,其结晶程度往往比酸性岩浆要好一些。
按照组成岩石的矿物颗粒大小可以分为“显晶质结构”和“隐晶质结构”。
显晶质结构是指用肉眼和放大镜即可看出晶体颗粒,又分为“粗粒结构”、“中粒结构”和“细粒结构”。
隐晶质结构是指晶粒小于0.1mm,岩石呈致密状,矿物颗粒用显微镜才能辨别。
按岩石中矿物颗粒相对大小,可分为“等粒结构”、“斑状结构”和“似斑状结构”。
按岩石中矿物晶体形状发育程度,可以分为“自形晶”、“半形晶”和“他形晶”。
所谓构造是指组成岩石的矿物集合体的形状、大小、排列和空间分布等所反映出来的岩石构成的特征而言。
岩浆岩常见的构造有:
(1)块状构造:
岩石中矿物排列无一定方向,不具任何特殊形状的均匀块体,是火成岩(花岗岩)中最常见的一种构造。
(2)流纹构造:
因岩浆流动由不同颜色、不同成分的隐晶质或玻璃质或拉长气孔等定向排列所形成的流状构造,常见于中酸性喷出岩(流纹岩)中。
流纹表示熔岩当时的流动方向(图4-6)。
图4-6岩石的几种构造
(3)流动构造:
岩浆在流动过程中所形成的构造,包括流线构造和流面构造。
(4)气孔构造:
岩浆喷出地表,压力骤减,大量气体从中迅速逸出而形成的圆形、椭圆形或管状孔洞,称气孔构造。
这种构造往往为喷出岩所具有(见图4-6)。
(5)杏仁构造:
岩石中气孔被以后的矿物质(方解石、石英、玛瑙、玉髓等)所填充,形似杏仁,称杏仁构造(见图4-6)。
气孔构造和杏仁构造多分布于熔岩表层。
在大规模熔岩流(如玄武岩)中常可见到多层气孔或杏仁构造,据此可以统计熔岩喷发次数。
上述岩石的结构和构造,不仅可以用来判断岩石形成的环境和条件,而且也是岩浆岩分类和命名的一种重要依据。
5、岩浆岩的分类
岩浆岩根据其化学成分和矿物组成可分为酸性岩、中性岩、基性岩和超基性岩四类;
根据其结构与构造和产状的特征可分为深成岩、浅成岩(包括脉岩)和喷出岩等三种。
将这两者组合起来便可得出岩浆岩的分类简表(见表4-2)。
从表4-2中可以看出,岩浆岩的各个类别皆具有一定的矿物组成和结构、构造等特征,并具有各自的岩石名称。
例如,花岗岩是属于深成的酸性岩类,由显晶等粒的长石、石英和少量云母组成的块状构造的岩石。
而组分相同,但结构、构造不同的喷出岩,则为流纹岩。
又如,玄武岩属于喷出的基性岩类,由隐晶质的铁镁质矿物和少量钙长石组成,具有气孔状或杏仁状构造的岩石。
酸性岩颜色较浅,比重较轻,分布于大陆地壳之中。
花岗岩被剥蚀后的露头分布广泛。
比如,我国的黄山、华山、衡山和南岭的一些山地等。
基性岩颜色较深,比重较大,主要分布于大洋地壳之中。
玄武岩在大陆地壳中亦是常见的一种喷出岩,常呈熔岩流、熔岩被等产出。
比如,我国黑龙江的五大连池、山西大同、广东和海南的琼雷地区等。
其他各种岩石的基本特征都可从表4-2的上方和左部看出。
(二)、沉积岩
1、沉积岩的概念
暴露在地壳表部的岩石,在地球发展过程中,不可避免地要遭受到各种外力作用的剥蚀破坏,然后再把破坏产物在原地或经搬运沉积下来,再经过复杂的成岩作用而形成的岩石,就是沉积岩。
沉积岩的形成过程一般可分:
先成岩石的破坏(风化作用与剥蚀作用)、搬运作用、沉积作用和固结成岩作用几个互相衔接的阶段。
沉积物变为沉积岩的过程既复杂又多样。
大致来说,当原来的沉积物不断被新的沉积物覆盖而加厚时,它便与上层的水体隔离,在厌氧的环境条件下,使有机质腐烂分解,并产生各种还原性气体;
使碳酸基矿物溶解为重碳酸盐;
使某些金属元素的高价氧化物还原为低价的硫化物;
同时使软泥中的水的矿化度增加,介质亦由酸性的氧化环境变为碱性的还原环境。
因此,沉积物发生重新组合及形成新的次生矿物,胶体亦经脱水陈化为固体,碎屑物也经压实、胶结等作用固结为岩石。
在埋藏很深的条件下,由于温度和压力的提高以及受深层水的影响,也可产生压融、交代、重结晶等作用,使沉积岩体进一步压固和使晶粒变粗。
这便是沉积岩形成的大致过程。
这种过程皆发生于地球表层,与自然地理环境的关系非常密切。
2、沉积岩的基本特征
沉积岩是在外力作用下形成的一种次生岩石。
无论从化学成分、矿物成分,还是从岩石结构和构造来看,它都具有区别于其他类岩石的特征。
沉积岩的物质组成富含次生矿物和有机物质以及存在化石。
沉积岩的产状以呈层状产生为其最突出的特点。
岩层在垂直和水平方向上的变化,皆能很好地反映出沉积物当时的沉积环境以及沉积岩形成时的性质。
沉积岩具有多种构造,其中最突出的是层理构造和层面构造。
层理是指岩石的成分、结构、粒度、颜色等性质沿垂直于层面方向变化而形成的层状构造。
它表明岩层是按一定的顺序和形式,一层叠一层构成的。
简单的形式是由两种有关的岩石构成互层,如砂岩与页岩、或灰岩与页岩。
复杂的构造形式是由层次更多而且不断重复构成层系或层系组。
层理通常可分为:
(1)水平层理,即各层之间皆呈水平排列。
一般认为它是形成于较平静的水域环境,如湖盆、海湾。
(2)波状层理,即其细层呈波状起伏,但其总的层面是大致平行的。
它是由波浪的振荡运动或介质在单向前进运动中形成的。
(3)交错层理,即层面互不平行,细层倾斜并相互交错。
它是在物质移动方向多变的情况下形成的。
在河流相、滨海及三角洲中可见。
几种常见的层理示于图4-7。
图4-7沉积岩的几种常见层理
层面构造系指上、下层面中留下的与岩石成因有联系的各种印模和痕迹。
例如,上层面中的波痕、雨痕、干裂;
下层面中的槽模、沟模等。
沉积岩的结构特征和类型,对岩石的分类和命名具有重要的意义。
主要的结构类型有:
碎屑结构、泥质结构、化学结构和生物结构。
3、沉积岩的主要类型
在三大岩类中,沉积岩在地表分布的面积最广(约占75%)。
沉积岩按其成因、物质组成和结构等特征,可分为以下各类:
(1)碎屑岩类.:
由碎屑物经胶结而成。
按成因可分为火山碎屑岩和正常碎屑岩两种。
火山碎屑岩是介于火山岩与普通沉积岩之间的过渡岩类。
按其结构即火山碎屑的大小和相应粒级的含量又可分为:
火山集块岩、火山角砾岩、凝灰岩等。
正常碎屑岩是指母岩机械风化的碎屑经胶结物胶结而成的岩石。
按其结构又可分为:
砾岩与角砾岩、砂岩和粉砂岩。
(2)粘土岩类:
由大量粘土矿物和其他细微物质组成,泥质结构,是介于碎屑岩与生物化学岩之间的过渡类型,到处可见。
层厚的称为泥岩,层薄的称为页岩。
页岩按其所含的附加成分可再分为:
钙质页岩、铁质页岩、碳质页岩、油页岩等。
(3)生物化学岩类:
绝大多数的生物化学岩是在海相或湖相环境中由化学或生物化学过程形成的物质组成的,具化学结构(显晶或隐晶,鲕状或豆状等胶凝体)和生物结构(含遗体化石),成分较为单一,种类繁多,常为单矿岩或矿石。
例如铝质岩、铁质岩、锰质岩、硅质岩、磷灰岩、碳酸盐岩、盐岩、可燃性有机岩等。
其中最常见的为碳酸盐岩,例如,石灰岩(富含碳酸钙)和白云岩(含碳酸镁与碳酸钙)。
(三)、变质岩
1、变质作用和变质岩的概念
无论什么岩石,当其所处的环境与当初岩石形成时的环境发生变化后,岩石的成分、结构和构造等往往也要随之变化,以便使岩石和环境之间达到新的平衡关系。
这种由地球内力作用引起的岩石性质的变化过程总称为变质作用。
由变质作用形成的岩石,就是变质岩。
变质岩的特点,一方面受原岩的控制,而具有一定的继承性;
一方面由于变质作用的类型和程度不同,而在矿物成分、结构和构造上具有一定的特征性。
变质岩在我国和世界上皆有广泛分布。
特别是前寒武纪地层,绝大部分都是变质岩组成的。
在古生代及其以后的岩层中,在岩浆体的周围和在断裂带附近,也均有变质岩分布。
变质岩中含有丰富的金属矿和非金属矿。
例如,全世界铁矿储量的70%储藏于前寒武纪古老变质岩中。
2、变质作用的因素
岩石变质的因素,主要是岩石所处环境物理条件和化学条件的改变,物理条件主要指温度和压力,而化学条件主要指从岩浆中析出的气体和溶液。
这些条件或者说因素的变化,主要来源于构造运动、岩浆活动和地下热流,因此变质作用是属于内力作用的范畴。
控制变质作用的因素主要有温度、压力和化学因素。
3、变质作用的类型和常见的变质岩
因变质作用的因素和方式不同,可以有不同的变质类型,并形成不同的岩石。
(1)动力(碎裂)变质作用:
主要在构造运动引起的定向压力作用下,使原岩发生碎裂,变形和一定程度的重结晶作用。
这种变质作用主要发生于断裂带。
依应力的性质、强度和压碎结构的特点不同,可形成构造角砾岩、碎裂岩、糜棱岩、千糜岩等(其碎裂程度愈来愈细)。
(2)接触(热力)变质作用:
主要因侵入体的热力烘烤,使围岩的矿物发生重结晶作用,形成变晶结构和新的岩石构造。
例如,粘土岩变质成为角岩,灰岩变质为大理岩,砂岩变质为石英岩等。
这种变质岩皆分布于侵入体与围岩的接触带。
(3)交代(热液)变质作用:
由于岩浆结晶晚期析出大量挥发成分和热液,通过物质交换与化学反应使接触带的岩石发生变质。
例如,碳酸盐岩与中、酸性岩浆接触交代变质产生的矽卡岩等。
(4)区域(动力)变质作用:
由于区域性地壳活动导致较大空间的变质作用。
影响因素多而复杂,广泛出现于古老结晶基底和造山带中,使岩石形成不同程度的片理结构和不同类型的递增变质带。
常见的岩石类型有:
①板岩:
由粘土岩、粉砂岩经轻度变质而成,基本上无重结晶作用,板状构造,比原岩硬而光滑,易劈开呈薄板状。
②千枚岩:
变质较板岩深,基本上全为显微级重结晶,鳞片状变晶矿物呈定向排列,在片理面上有强烈的丝绢光泽,即具有千枚构造。
③片岩:
片状构造,显晶变晶结构,主要由云母、绿泥石、角闪石等片状矿物或柱状矿物平行(定向)排列所组成,矿物颗粒比千枚岩粗,片理发育典型。
④片麻岩:
具片麻构造,即在岩石中浅色的粒状变晶矿物(主要是石英和长石)之间夹有呈一定方向断续排列的片状和柱状的暗色变晶矿物(如黑云母、角闪石、辉石等),略具片理,但沿片理面不能剥开。
(5)超变质作用:
在深度区域变质的基础上,由于地壳下沉或深部热流继续上升,使原岩发生局部重熔、交代、注入等混合岩化作用,从而形成岩性介于变质岩与岩浆岩之间的各种混合岩。
(四)、岩石的相互转化
沉积岩、火成岩和变质岩是可以相互转化的,它们之间的相互转化又叫做岩石的循环或地质循环(图4-8):
沉积岩变质可以形成变质岩,熔融再凝结就会变为火成岩;
火成岩变质可以形成变质岩,风化、分解、搬运、沉积、固结就会转化为沉积岩;
变质岩熔融再凝结也会变为火成岩,风化、分解、搬运、沉积、固结也会转化为沉积岩。
三大类岩石的相互关系(图4-8A)
岩石转化循环示意图(图4-8B)
图4-8
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- 岩石圈