矿物和岩石

矿物和岩石_蔚蓝色的行星

9地壳的元素、矿物和岩石

（1）地壳的元素

从人类环境的观点来看，地球上最重要的区域是最外面的薄薄的一层——地壳。这一层矿质外壳，就整个大陆来说，其厚度平均约为30km。它同人类和其他生物的关系，主要表现在：是土壤、沉积物的来源；向人类提供矿产和能源；是生物的栖息场所和活动空间。

根据重量百分数按顺序列出地壳中8种最丰富的元素。

图3-22　地壳平均组成中8种最丰富的元素（按重量百分数）

氧（O）是最多的元素，约占总重量的一半。它以与硅（Si）化合的形式存在，硅是第二位最丰富的元素。氧是有机物质中的主要元素，植物对硅的利用是微量的。

铝（Al）和铁（Fe）是第三位和第四位的元素，虽然植物对它们需要的量较少，但都是植物所必需的营养元素。这两种金属在人类的工业生产中是十分重要的，非常幸运的是，它们是比较丰富的元素。后面的4种金属性元素是钙（Ca）、钠（Na）、钾（K）和镁（Mg），这4种元素的含量等级是相同的，为2％～4％。钙、钾和镁是主要的植物养分；如果土壤要保持高度的肥力，这些元素的存在是必不可少的。

（2）组成地壳的矿物

组成地壳的化学元素，很少以单独的元素形式出现，而常常以两种或多种的化合物形式出现，这种具有一定化学成分和物理性质的化合物（或单质）称为矿物。

矿物具有一定的化学组成；具有一定的内部结构；具有一定的物理性质，根据这些特性可以识别各种矿物。

每种矿物都按固定的化学式由一定的成分组成。一部分矿物由单一元素组成，但绝大多数矿物质属于两种或两种以上元素组成的化合物。如HOSiO₂（石英）、CaCO₃（方解石）及CaMg〔CO₃〕₂（白云石）等。

图3-23　常见的单体形态

矿物是固体，是天然的。固态矿物的内部结构又分为晶体结构和非晶体结构两种。前者是一种形状规则的固体，其组成物质按一定规则重复排列而成；后者是一种形状不规则的固体，其组成物质量不规则排列。绝大部分矿物都属晶体结构，因而在一定的空间环境里，往往表现为一定的几何形体。晶体形状可分两类：一类是由同形等大的晶面组成的，称为单形。如黄铁矿的立方晶形，就是由6个同样大小的正方形晶面所组成的；磁铁矿的八面体晶形，则是由8个等大的正角形晶面所组成的。另一类是由两种以上的单形组成的，称为聚合形态。如石英的晶体多为六方柱和菱面体的聚形。

矿物的物理性质包括颜色、条痕、透明度、光泽、硬度、解理、断口、韧性、比重等，矿物的这些物理性质常常是鉴定矿物的重要标志。

图3-24　常见的聚合形态

磁铁矿：晶形为八面体或菱形十二面体，铁黑色、半金属光泽、不透明、无解理、性脆，具强磁性。

图3-25　磁铁矿

石英：晶体呈六方柱状、玻璃光泽、贝壳状断口，自形者称水晶。

图3-26　石英

图3-27　黄铁矿

黄铁矿：晶体常呈立方体，五角十二面体，八面体，立方体晶面上常有晶纹。集合体为块粒状，浅黄铜色，金属光泽，硬度6～6.5，性脆，参差状断口。

白钨矿：四方晶系，对称型。单晶近八面体双锥，集合体为粒状或块状。白色、微黄，油脂或金刚光泽，硬度4.5，性脆，比重6.1。

根据现有资料，目前已发现的矿物近3000种。这些矿物可按不同的需要或依据进行分类，目前在矿物学中常用的分类是以矿物的化学成分和晶体的结构作为依据。这种分类将矿物分为自然元素、硫化物，卤化物，氧化物及氢氧化物，含氧盐五类。其中以含氧盐类矿物最多，约占已知矿物的2/3。在含氧盐类矿物中，又以硅酸盐类矿物所占比重最大，是构成地壳的最主要的造岩矿物。最常见的造岩矿物有长石、石英、云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石等。

图3-28　白钨矿

（3）组成地壳的岩石

组成地壳的矿物常以集合体——岩石的形式出现，单独存在的矿物很少见。岩石是地壳发展过程中各种地质作用的自然产物，是一种或多种有规律组合而成的矿物集合体。岩石的种类很多，按成因可分为三大类：岩浆岩、沉积岩和变质岩。

岩浆岩：岩浆岩又称“火成岩”。它是地下深处呈熔融状岩浆侵入地壳内部或喷出地表冷凝结晶的产物。换句话说，熔融物质或岩浆经历了一个从液态到固态的转化过程。岩浆岩据成因可分为侵入岩和喷出岩，侵入岩是岩浆侵入地壳，冷凝后形成的岩石；喷出岩是岩浆喷出地表冷凝后形成的岩石。侵入岩根据岩浆侵入的深浅又可分为深成侵入岩和浅成侵入岩。侵入岩的产状很复杂（产状是指岩石的形态、大小及其与周围岩石相接触的关系）。

深成侵入岩在其形成过程中由于压力大、温度高、岩浆冷却十分缓慢，故往往能形成结晶良好，颗粒较粗的岩石。具有岩基和岩株是深成侵入岩产状的最大特点（图3-29）。

图3-29　岩浆岩的产状示意图

岩基是规模最大的侵入岩体，面积一般大于100平方千米，甚至可超过几万平方千米，出露面积也常大于100平方千米。平面上常为长圆形。岩基与围岩的接触关系是不整合关系，常为斜交接触，并在接触带上产生强烈的接触变质现象。大多数岩基由花岗岩、花岗闪长岩一类岩石组成。

岩株是指形似树干状延伸的深成侵入体。平面近于圆形或为不规则形状，与围岩科交接触，但接触面较陡。出露面积一般小于100平方千米。一般认为，岩株下面常与岩基相连接，是岩基的分枝部分。岩株常由花岗岩、闪长岩和辉长岩一类酸性岩石组成。

浅成侵入岩通常是在地下3km到地表之间由于压力作用岩浆灌入岩石裂缝或顺岩层层理凝固后而成的岩体。由于冷却快，这种岩石的结晶颗粒较小或者大小不均匀。浅成侵入岩以具有岩盘、岩床、岩墙或岩脉等为特征。

岩盘又称岩盖，是粘性较大的岩浆沿着岩层层理或片理侵入，并将上覆岩层拱起而成的穹窿状岩体，形状似馒头，头部拱起，中央厚，边缘薄。岩盘直径可达数千米，厚可达1km，顶板多被剥蚀，底板较平整，岩体边缘常与围岩平行。

岩床一般是由流动性较大的岩浆沿岩层层理侵入而形成的板状或层状的岩体，厚度较稳定，一般几厘米至数百米，但规模大小不等，几米至几百千米。

岩墙是岩浆沿岩层裂隙侵入并切断岩层，填充在裂隙中所形成的板状岩体。其更小的分枝称岩脉。厚度从几厘米到数十米，规模有大有小，从几米延长到几百米，甚至几十千米，围岩可能有变质现象。

岩浆岩的化学成分几乎包括地壳的所有元素，其中以二氧化硅的含量最大，故岩浆岩是一种硅酸盐岩石。按二氧化硅的含量由少到多，岩浆岩可分为超基性岩、基性岩、中性岩和酸性岩四大类。

超基性岩在地壳中分布不多，仅占全部岩浆岩出露面积的0.4％。其组成成分中，二氧化硅的含量一般小于45％。此类岩石的最大特点是暗色矿物（镁、铁矿物）占绝对优势，约占95％。矿物比重大。主要矿物有橄榄石、辉石、角闪石等。典型的超基性岩有橄榄岩、辉岩、苦橄榄岩和金伯利岩等。其中，金伯利岩是最具经济意义的超基性岩，它是原生金刚石矿床的重要母岩。金伯利岩，最初见于非洲金伯利地方，故名。近年来我国辽宁等省亦发现金伯利岩，多呈深色，以绿色居多，矿物成分复杂，有关的矿产为金刚石，经济价值大。

基性岩在地壳中分布较广。二氧化硅含量为42％～52％。主要的基性岩有辉长岩和玄武岩。玄武岩是一种喷出岩，其分布最广，约为各类喷出岩总和的5倍以上。在矿物组成上，除了尚有较多的暗色铁、镁矿物（约占40％～50％）外，还出现了大量硅铝矿物。岩石颜色较深，比重较大。铜、镍、铬、钛、磁铁矿等矿产可在基性岩类中找到。

中性岩类二氧化硅含量为52％～65％。其特点是，它的形成以喷出岩为主，侵入岩较少见。矿物组成中，暗色矿物减少，浅色矿物（如斜长石）增多。是一种由基性岩向酸性岩过渡的类型。主要的中性岩有闪长岩和安山岩。安山岩同铜、铁矿有关，并常伴生有金、银矿等。南美州的安的斯山多由此种岩石构成。

酸性岩类分布很广，无论从体积或面积上讲，在岩浆岩中都居首位。二氧化硅含量为65％～75％。其特点是，组成矿物中以浅色矿物占优势，暗色矿物一般在10％以下。在酸性岩类中分布最广的是以花岗岩为代表的深成侵入岩，而喷出岩则相对较少，酸性喷出岩以流纹岩为代表。同酸性岩类有关的矿产异常丰富，如锡、钨、钼、金、铜、铁、铅、锌、铍、锑、银、汞、铌、钽及稀土元素等多种金属矿产。

沉积岩：沉积岩又称“水成岩”。是在地壳发展过程中，在地表或近地表常温常压条件下，由风化作用、生物作用和某些火山作用的产物，经搬运、沉积和成岩作用而形成的岩石。它的形成包括如下三个过程：①先成岩石（岩浆、变质岩和先成的沉积岩）经过风化作用（包括物理风化、化学风化和生物风化）产生碎屑沉积物；②碎屑物质在流水、冰川、风等外力和重力作用下被搬运，并在流速或风速降低以及其他因素影响下发生沉积；③沉积物经过成岩作用，使疏松的结构变成坚固的岩石。

沉积岩的形成过程决定了其具有层理构造的典型构造特征。层理中还含有动植物化石，可以推断其形成环境和地质年代。它表明岩层是按一定的顺序和形式，一层叠一层构成的。层理构造是沉积岩区别于岩浆岩和变质岩的最主要标志。沉积岩中还蕴藏着丰富的矿产和能源资源，如煤、石油、天然气等可燃性有机岩和盐类矿产。

沉积岩虽然只占整个地壳体积的5％，但由于其主要分布在地壳表面，所以其分布面积却占岩石出露面积的75％，因此，沉积岩是构成地壳的主要岩石。

沉积岩根据组成它的颗粒的大小，形态及成分来分类。主要可分为碎屑岩和化学岩或生物化学岩两大类。

①碎屑岩。碎屑岩由其他岩石碎屑形成的沉积物组成。碎屑岩通常根据组成物质的颗粒大小进一步细分，分别叫做砾岩、砂岩和页岩。

砾岩。砾岩由砾石以及不同数量的砂和泥固结后形成，砂和泥充填在大颗粒之间的空间中。

砂岩。砂岩可能是最常见的沉积岩，因为它露头良好，易于识别，并且通常很难风化。砂几乎能由任何物质组成，但石英颗粒通常是最大量的，因为石英是很多其他类型岩石的普通成分，并且不易被腐蚀和化学作用所破坏。多数砂岩中的砂粒被方解石、氧化硅或氧化铁胶结。

图3-30　砾岩

图3-31　砂岩

页岩。细粒的、固结的泥和粘土沉积物通称页岩。组成页岩的颗粒直径小于1/16mm，在很多情况下颗粒是如此之小，只有在显微镜下才能清楚的看出和鉴别。页岩是最大量的沉积岩，但它通常很软并风化成缓坡，因此很少见到未风化的露头。它经常有良好的层理，形成纹层。

图3-32　页岩

图3-33　石灰岩

②化学岩和生物化学岩。自化学和生物化学作用形成，分别为石灰岩、白云岩等。

石灰岩。石灰岩是最大量的非碎屑岩。它基本上由碳酸钙（CaCO₃）组成。很多植物和无脊椎动物从水中提取碳酸钙，用以构成它们的外壳和坚硬部分。当这些生物死亡后，贝壳堆积在海底，经过一个长时间后，形成石灰岩的沉积。其中有的残存着动、植物化石。

变质岩：地壳中原有的岩石，无论是岩浆岩、沉积岩或早已生成的变质岩，由于地壳运动、岩浆活动或地壳内热流变化的影响，其物理化学条件发生变化，导致岩石的矿物成分、结构、构造等发生不同程度的变化，这种促使岩石性质发生改变的作用，称为变质作用。由变质作用形成的新的岩石称为变质岩。变质作用常发生在离地表很深、造山运动很剧烈的地带，因为在这些地带常具备发生变质作用的基本地质环境，例如高温、高压等。单是高温就足以引起变质，地壳深处的岩浆侵入围岩恰如岩石放在高温炉里烘烤一样，例如页岩同岩浆接触会变硬、变色，如同烧砖瓦一样。

显然，变质岩是由三大岩类在一定条件下变质而成，因而其性质与原岩有很大关系，同时又有自己的特点。例如石灰岩、白云岩等碳酸盐类岩石（沉积岩一种）经过变质作用，发生重结晶而形成大理岩；页岩经过变质作用形成板岩；石英砂岩变质成石英岩；等等。变质岩的形成常伴随金属和非金属矿床的诞生，因此在变质岩中常可找到重要的金属矿床和非金属矿床。

变质岩是非常复杂的。虽然如此，但根据结构和成分也可以分出有片理类和无片理类。

①有片理类：有片理类具有一定的面状构造，岩石可进一步根据片理的类型细分，如板岩、片岩、片麻岩等。

板岩。板岩是一种极细粒的变质岩，由页岩和其他细粒岩经低级变质作用而产生，它具有良好的片理（板状劈开），它使岩石可劈裂成薄板片理构造是由于片状矿物（云母与绿泥石）垂直于外加应力的方向生长的结果。单个矿物是如此之小，以至于很难鉴别，并且也没有按矿物类型分层的现象。在平行排列的完美劈开面上，细小的云母排列成连接很弱的平行平面，使岩石沿着矿物解理的方向劈裂为平板。

片岩。片岩是一种粗粒的片理化岩石。片理是由于粗粒的片状矿物，如云母、绿泥石、滑石和赤铁矿等平行排列而造成的。这些矿物颗粒容易看见，并平行排列成一致的方向。因此，这种片理与板状劈开在晶体的大小有很大不同。除片状矿物外，还可能产生大量的石英、长石、石榴石、角闪石及其他矿物。

片麻岩。片麻岩是一种粗粒的粒状变质岩，它的片理是由于浅色和深色矿物成为交互薄层的结果（图3-35）。片麻岩的成分与花岗岩非常相似，主要矿物是石英、长石和铁镁矿物。长石是最大量的。与片岩和板岩相比，片麻岩中的片理很不平整，同时薄层常有着紧密的褶皱和扭曲现象。是在高强度环境中形成的。

图3-34　板岩

图3-35　片麻岩

②无片理类：无片理类具有粒状构造，某些岩石如砂岩和石灰岩，主要由一种结晶成等粒状的矿物组成。变质作用虽然能使分散在岩石中的云母成平行方向排列，但不能使这类岩石强烈的片理化。矿物虽然可能被压扁和拉长，并显示出一定的方向性，但整个岩石不会产生显著的片理。这种结构最好叫做粒状或无片理结构。如石英岩、大理岩等。

石英岩。石英岩是一种受变质的、富含石英的砂岩。它是无片理状岩石，因为它的主要成分石英不能形成片状晶体。一个个石英颗粒发生变形并被熔接成一个非常紧密的块体，因此岩石破裂时切过石英颗粒，和沿着石英颗粒边沿一样容易。纯净的石英岩为白色或浅色，但氧化铁和其他矿物可能将它染上红、棕、绿色及其他色调。

大理岩。大理岩是重结晶的石灰岩或白云岩。主要成分方解石是等粒的，因此，岩石是无片理的。矿物晶体通常很大，并且密集穿插，形成致密的岩石。很多大理岩有着有机物质或原来沉积岩中各种杂质组成的条带和条纹。

从上述三类岩石的阐述可以清楚地看出，岩浆岩、沉积岩、变质岩中的任何一类都可以由另外两类衍生出来，即岩浆岩可由沉积岩、变质岩经过熔融、岩浆侵入、凝固而成；而沉积岩则可由岩浆岩、变质岩经过风化碎裂，搬运沉积、成岩作用形成；变质岩则可由岩浆岩、沉积岩经变质作用而成。三类岩石的这种相互关系称之为岩石转换旋回，或简称为岩石旋回。