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地球上原本就有岩石吗?各种岩石都是怎么来的?

地球上原本就有岩石吗?各种岩石都是怎么来的?

地球上的岩石种类有很多,但是大致可以分为火成岩、变质岩和沉积岩三大类。这里说说每一类中的一些常见岩石的来历。首先,从地质学的角度,地球的表面可以大致简化为下图这样的模型:

地球上原本就有岩石吗?各种岩石都是怎么来的?

我们现在就来看下模型中的每个区域都有什么岩石,以及它们是怎么来的。

这里有必要先澄清两个易混淆的概念。第一,岩石圈(lithosphere)和地壳(crust)不是一回事。岩石圈是包括了地壳和地幔最上层(uppermost mantle),它的下方为软流圈(asthenosphere)。而地壳又分为海洋地壳(oceanic crust,又叫洋壳)和大陆地壳(continental crust,又叫陆壳)。而我们平常在讨论“版块”(plate)的时候其实是在说岩石圈。如果一个版块的上方大多数区域为海洋地壳(例如上图中大洋中脊到海沟之间的那一块),这个板块就是海洋板块。如果其上方有明显的大陆地壳,则这个版块就是大陆板块(例如上图中最右侧的版块,以及从图最左侧到大洋中脊的这一板块)。第二,岩石(rock)和矿物(mineral)的区别需要注意。岩石是一种或多种矿物的混合体,而矿物是天然形成的固态纯净物(包括单质、化合物)。下面我们开始说岩石的形成。

最初,地球和太阳系的其他行星(至少是其它类地行星)是同时形成的。地球形成之初是一颗混沌一体的星球,和现在宇宙中的球粒陨星(chrondrites)的结构类似,并没有地核、地幔和地壳的分层。但是,在地球形成之后约5千万年,一颗火星大小的星球希亚星(Theia)撞上了地球,产生了巨大的能量,几乎将地球整体融化为液体(一部分物质被撞离地球,形成了月亮)。在这一过程中,液态的地球开始分层。液体中比较重的物质,比如铁和镍,开始往地球中心沉降,分化形成了铁质的地核。剩下的镁、铝、硅、碳、氧、钙、钠等较轻元素组成的物质浮在地核外面,形成了原始地幔(primitive mantle)。那些较重的物质向地心沉降的分化过程中,重力势能被释放,因此地幔能够不断吸收能量,保持温度,并且能够有所对流,这也为地磁的形成提供了一定的条件。

之后,地球进入了冷却期,热量以长波辐射的形式被送往空间。冷却最快的是最外层,温度降到了一些矿物的熔点以下(例如石榴石、尖晶石、橄榄石、辉石等)。这些矿物开始形成固态晶体,而这些晶体就在地幔的上部组成了二辉橄榄岩(lherzolite)、橄榄岩(peridotite)、纯橄榄岩(dunite)、辉岩(pyroxenite)、斜方辉橄岩(harzburgite)、矾石(websterite)等地幔岩石(mantle rock),形成了最早的岩石圈(lithosphere)。这些岩石的厚度并不均匀,薄弱的地方后来就成了板块的生长边界。在这一过程中,彗星为地球带来了水,岩石的上方开始形成海洋。

有了这些最初的岩石,后来也就有了各种岩石的形成。首先是火山活动造就的各种火成岩(当然,前面那些岩石也是火成岩,由于含硅极少,它们被归为Ultramafic)。火山活动大致可以分为三类:大洋中脊(Mid Ocean Ridges),火山岛(Volcanic Islands)和火山弧(Volcanic Arcs)。首先我们看大洋中脊:

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在部分地区,板块(岩石圈)向外漂移,导致岩石圈变薄,软流层上升。岩石下方的压强变小,导致岩石熔点变低,这样就产生了大量的岩浆。岩浆向上涌动,从薄弱处流出地球表面再冷却,就形成了大洋中脊。大洋中脊形成的火成岩组成了海洋板块。海洋板块的主体部分是辉长岩(gabbro),这是一种侵入性火成岩,是在板块岩石内部逐渐冷却而形成的。少部分岩浆在大洋中脊的顶端浸入海水中,急速冷却,形成了喷出型的玄武岩(basalt),也就是大部分海洋板块的表面。

第二种火山活动是火山岛(Oceanic Islands或Volcanic Islands,最典型的是夏威夷群岛,其余还有大溪地、毛里求斯、法罗群岛和佛得角群岛等)。

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这种火山活动位于板块的中心。在那些地方,高温的地幔热柱(mantle plume)从地幔深处向上升起,形成热点(hot spot)。因其温度特别高(比正常岩浆高200摄氏度左右),而得以穿过海洋板块的岩石圈,冷却后在海洋中间形成火山岛。由于它的岩浆是来自于比较深的地幔,因此它的化学成分和形成于大洋中脊的岩石有所区别。比如它含有更多的钾、钡、锆、钛等元素。这些岩浆在地球表面形成的火成岩堆积隆起至海平面以上,就形成了火山岛。

火山岛的岩石根据钾、纳、铁等元素的含量,可分为两大系列。第一种系列以夏威夷群岛为典型,含有较多的铁,统称为拉斑玄武岩系列(tholeiitic trend),其来源岩浆分为橄榄玄武岩(olivine normative basalt)、石英玄武岩(quartz normative basalt),冰岛玄武岩(basaltic icelandite)、冰岛岩(icelandite)等种类。第二种系列可以在大多数其它火山岛上找到。该系列和拉斑玄武岩相比,地幔的部分融化(partial melt)程度较小,含有更多的碱金属,且有碳酸钙参与反应。该系列名为碱性玄武岩系列(alkaline trend),可以分为橄榄粗安玄武岩(mugearite)、夏威夷岩(hawaiite,虽然它在夏威夷群岛的含量很小,却以夏威夷命名)和粗面岩(trachyte)等多种岩石。由于板块在移动而地幔热柱的位置并不随之移动,因此火山岛经常成串出现(原理类似于打点计时器)。至于地幔热柱的产生原因,学术界尚有争议。有人认为是纯粹的热力学原理,有人认为和地球自转有关,也有人认为是俯冲到地幔的板块搅动地幔所致。在比较特殊的时候,大洋中脊和地幔热柱会重合(例如加拉帕格斯群岛和冰岛)。这样,由地幔热柱形成的火成岩会被大洋中脊再次融化。由于原火成岩在初次融化和凝结的形成过程中已经让硅含量升高(典型冰岛岩的硅含量为60%-70%),再次融化和凝结会产生出硅含量更高的流纹岩(rhyolite,硅含量可达到74%)。

第三种火山活动是火山弧,和板块俯冲有关。

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火山弧又分为两种:当一个海洋板块俯冲到另一个海洋板块之下,会形成岛屿火山弧,典型的如阿留申群岛、斯科特群岛和马里亚纳群岛等;当一个海洋板块俯冲到一个大陆板块之下,会形成大陆火山弧,典型的如安第斯山脉、勘察加半岛和美国卡斯凯德山(包括圣海伦火山和雷尼尔火山的山脉)等。其中,大陆火山弧所产生的火成岩就组成了现有的大陆板块。其分层和形成机理如下:

俯冲入地底的海洋板块受热熔化(其板块中包含的水也降低了它的熔点)形成岩浆。岩浆里的矿物有不同的熔点,在冷却的过程中开始分批结晶,形成岩石。其中,含硅最少的岩浆会在大陆地壳的最下部分形成辉长岩。但是和海洋板块的辉长岩不同,由于高温的超临界水的作用,这里的辉长岩会发生不同程度的变质作用,从而含有角闪石,故被称为角闪石辉长岩(hornblende gabbro)。含硅稍多一点的岩浆会在辉长岩的上方形成一层闪长岩(diorite),即为大陆地壳的中间层。有时候,炽热的岩浆会通过下层地壳中的裂缝侵入闪长岩层,将闪长岩部分熔化,形成含硅更多的熔体(melt)。这些熔体会流向闪长岩的上方,在那里结晶凝固,进而形成含硅更多的花岗闪长岩(granodiorite)和英云闪长岩(tonalite),组成大陆地壳的顶层。如果这些熔岩从火山口喷出地表并迅速冷却,会形成相应的喷出型火成岩(即火山岩),包括安山岩(andesite)和英安岩(dacite)等。

在部分地区,大陆地壳因为拉伸而变薄,因此岩浆有机会侵入到地壳最上层的花岗闪长岩和英云

闪长岩地层,并将它们部分熔化。这样,在熔体再度缓慢结晶后,就会形成含硅最多的花岗岩(granite)。如果这种熔体喷出地表快速凝固,就会形成流纹岩(rhyolite)。由于流纹岩含硅量大,粘滞性强,因此经常形成破坏性的火山喷发。这一系列火成岩被称为钙碱性火成岩系列(calc-alkaline trend)。

火成岩形成以后,并非一直不变。火成岩经过变化,会成为变质岩(metamorphic rock)或沉积岩(sedimentary rock)。这里先简单说下变质岩。在海底,特别是在大洋中脊附近,海水会经过水热反应(hydrothermal alternation)进入海洋板块(可以查阅黑烟囱等知识)。当海洋板块俯冲到地幔之后,这些海水会在高温高压下形成超临界水,并进入上地幔(岩石圈下层)。在那里,超临界液体、高温、高压使得原有的地幔岩石产生变质反应,形成榴辉岩(eclogite,更高压强条件下形成,含有石榴石和绿辉石等矿物)和蓝片岩(blueschist,压强温度较榴辉岩低,常含有蓝闪石、方解石、绿泥石、绿帘石、石榴石和白云母等矿物)。部分辉长岩中的橄榄石也会和超临界液体反应,形成含有蛇纹岩(serpentine)等矿物的变质岩。

变质岩一般产生于高温和高压的环境下。除了俯冲带,另一种产生变质岩的地方为高山地区,特别是两个大陆板块相撞形成的山区,如喜马拉雅山脉和阿尔卑斯山等。这种大规模地形成的变质岩被叫做区域变质岩(regional metamorphism),而其又根据形成时的温压条件和所含的矿物,被分为很多变质相(facies)。

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上面提到的榴辉岩和蓝片岩两个相被称作极高压变质相,因为它们都产生于地幔的超高压环境。比它们的压强稍低的变质相被称作中高压变质相,而这些相就形成于高山的基底部分。根据温压的不同,它们又可以分为沸石(zeolite,含有浊沸石、绿泥石和钠长石等矿物)、葡萄石-绿纤石(prehnite & pumpellyite,含有绿纤石、绿泥石、钠长石、白云母和石英等矿物)、绿片岩(greenschist,含有钠长石、钾长石、石英、黑云母、白云母、

绿泥石、方解石和阳起石等矿物)、角闪岩(amphibolite含有黑云母、白云母、十字石、石英、蓝晶石和斜长石等矿物)和麻粒岩(granulite,含有蓝晶石、斜长石、钾长石等矿物)等五个相。这五个相在高山带的分布大约是由浅到深,温度也由低到高。

变质岩还可能产生于高温但低压的环境下。例如,岩浆经过裂缝入侵地壳,在岩浆室的周围,岩石受热但却没有熔化,可以发生变质作用。这样的变质岩被称为接触性变质岩(contact metamorphism),而它们对应的变质相为低压变质相。低压变质相根据温度的不同又可以细分为钠长绿帘角岩(albite-epidote hornfels)、普通角闪石角岩(hornblende hornfels)、辉石角岩(pyroxene hornfels)和透长岩(sanidine)等四个相。由于这些相产生时的压强较小,因此从形态上看,相比于前面提到的那些中高压或极高压相的岩石,这些低压相的叶理(foliation,即因高压而将岩石所含矿物压出的一层一层的纹理)要弱很多。

还有一种岩石大类为沉积岩。和变质岩经常产生于地质活动活跃的板块俯冲带不同,沉积岩一般形成于地壳活动不那么活跃的大陆架浅海和海底,以及广泛分布于陆地的表面。火成岩和变质岩经过物理或化学的侵蚀(流水、冰川、植物、风吹、潮汐……),会脱离或碎裂,并被流水或空气搬运往别处。在能量较低的地方(平原、湖泊、沙滩、浅海、冲积扇、三角洲……),这些碎屑会沉降下来。较大的颗粒会首先沉积,一般分布在沉积层的最下方,或者是离其来源更近的地方。较小的颗粒可以被带往更远的地方,例如深海。它们一般沉积在浅层。经过石化作用(lithofication)以后这些沉积物就会变成沉积岩。根据颗粒大小形态和沉积环境,沉积岩可以分为不同的种类。以地球上原本就有岩石吗?各种岩石都是怎么来的?海滩为例:

地球上原本就有岩石吗?各种岩石都是怎么来的?

近岸部分由于受海潮影响,能量较高,颗粒也就较大,被称作砂岩(sandstone)。有时候岸上还会有颗粒更大的砾岩(conglomerate)。离岸较远的大陆坡下方,海水较平静的地方,颗粒更小的沉积物会堆积,形成页岩(shale)。而在更深的深海,会形成含有多种碳酸化合物的石灰岩(limestone,含有方解石、白云石和霰石等矿物)。生物残骸会被埋在沉积物里,形成化石(fossil)或软泥(ooze)。还有一些比较特殊的沉积岩,例如火山爆发形成的碎屑岩等。

三大岩石种类(火成岩、变质岩和沉积岩)之间是可以相互转化的。比如变质岩和沉积岩可能随着板块俯冲进地幔并熔化,当它们再次喷出地表形成岩石时,就成为了火成岩。火成岩和变质岩经过侵蚀、沉积等作用,可以形成沉积岩。而火成岩和沉积岩在高温高压的条件下,也可以形成变质岩

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