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分分钟,教你读懂岩石的秘密

发布者: admin | 发布时间: 2016-4-15 13:53| 查看数: 1343| 评论数: 0|帖子模式

有人说:“石头是上帝随手捏就的,矿物晶体则是上帝用尺子丈量、精心设计出来的。”的确,相对于那些五彩斑斓、形态各异的矿物晶体而言,岩石显得黯淡无光。自然界中的岩石随处可见,基本都是灰黑色或灰白色,凸凹不平的岩石表面裸露着岁月斑驳的痕迹,即使我们每天从岩石边走过,也很少会留意它们。

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方解石,板状晶体组成的晶簇。摄影:马志飞
  上图是:方解石。最主要的鉴定依据是“手指甲刻不动,而用小刀能刻动,”,这里表明了它的莫氏硬度介于手指甲的硬度2.5与小刀的硬度5.5之间,而且“用锤子敲击它能碎成小方块”,正符合方解石“块块方解”的典型特征,再对照其他特征,即可得出准确结论。

  好啦,在认识了主要的矿物之后,接下来我们研究下岩石。有人说:“石头是上帝随手捏就的,矿物晶体则是上帝用尺子丈量、精心设计出来的。”的确,相对于那些五彩斑斓、形态各异的矿物晶体而言,岩石显得黯淡无光。自然界中的岩石随处可见,基本都是灰黑色或灰白色,凸凹不平的岩石表面裸露着岁月斑驳的痕迹,即使我们每天从岩石边走过,也很少会留意它们。
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  “眼高手低”向来是年轻地质工作者的通病,即使理论上说都头头是道,来到野外也难以做到百分之百准确。刚上大学那会儿,一位老师带着我们到野外实习,随手捡起一块石头让我们辨认是什么岩石,同学们开始仔细查看,并用放大镜观察,还有的同学翻开教科书对照标本查验,给出的答案却是五花八门。没想到,最后老师告诉我们那只不过是一块水泥疙瘩!
  在认识岩石之前,我们需要先了解一下岩石是如何形成的。

什么水成火成!人家是集大成
  现在我们都知道了,岩石并不是上帝随手捏就的,矿物晶体也不是上帝用尺子丈量、精心设计出来的。它们都是历经亿万年的历史逐渐形成的,我们随手捡起的一小块碎石,可能都比我们整个人类的历史还要古老。

  关于岩石的成因,科学家的争论一直持续到18世纪。被称为“德国地质学之父”的著名地质学家亚伯拉罕•戈特洛布•维尔纳,是第一个使地质学系统化成为一门科学的人,他认为,是水的力量营造了一切地质系统,地球上的岩石都是在水下沉淀而成的。自原始海洋到现在,水面在不断地下降,原始岩石露出水面后开始发生风化、堆积而形成新地层。可是,后来有人对他的观点提出了质疑,英国著名地质学家詹姆斯•赫顿通过研究发现:玄武岩和花岗岩曾经是熔体,很显然,这些岩石不是水成的,他的理论被后人称为“火成论”。“水成论”与“火成论”的激烈争辩看似水火不容,但都有深远的意义,极大地推动了地质学的发展。
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被称为“德国地质学之父”的著名地质学家亚伯拉罕•戈特洛布•维尔纳(1749–1817)
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英国著名地质学家詹姆斯•赫顿(1726 - 1797)
  随着地质学家的不断研究,人们逐渐认识到岩石既不完全是“水成”,也不完全是“火成”,而是二者兼而有之,甚至还有除此之外的第三种作用形成的岩石。现在我们知道地球上的岩石分为三大类:岩浆岩、沉积岩和变质岩,简单的划分为“水成”或者“火成”都是片面的。
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三大岩类相互转化

烈火中永生的金刚——岩浆岩
  顾名思义,岩浆岩,是一种与岩浆活动有关的岩石,一般而言,岩浆岩周围会保留有火山活动的痕迹,如火山口、柱状节理等。
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流动的熔岩
  在英国北爱尔兰的大西洋海岸,有一段长六公里的石堤,呈台阶状向大海延伸。奇怪的是,这段石堤是由正六边形的石柱组成的,一根紧挨一根,一共有三万七千多根,有的石柱高出海面,或者与海平面持平,更多的则是淹没于水下,形成一片石柱林,屹立在大海之滨,井然有序,十分壮观。这些石柱是哪来的呢?当地的传说是古时候的巨人搬来的,所以称之为“巨人之路”。后来,地质学家经过研究发现,这些石柱并非人工建造,而是由玄武岩(岩浆岩的一种)组成,是大自然的杰作。早在6000万年前,这里发生了多次大规模的火山喷发,一股股灼热的熔岩从地下深部喷涌而出,像河流一样流向大海,当它们碰到海水时,就迅速冷却成固态,并持续向中心收缩,均匀的收缩力使得它们都成了规则的六方柱。
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英国北爱尔兰的“巨人之路”,这段石堤是由正六边形的石柱组成的,一根紧挨一根,一共有三万七千多根
  地质工作者辨识岩浆岩主要是观察它们的结构和构造,通俗地讲,就是观察岩浆岩中矿物的晶体大小、形态以及这些矿物之间的组合关系。要是在这里细述,你听到显晶质结构、隐晶质结构、块状构造、流动构造……这些术语恐怕头都大了,说实话,笔者也对此犯愁,与其记住那么多理论,不如认识几种最典型的岩石来的更直接一点。地壳体积的64.7%都是岩浆岩,它们是地壳中含量最多的岩石。岩浆岩分为很多种,包括玄武岩、花岗岩、闪长岩、正长岩、橄榄岩等,但最主要的是前两种,几乎占到了岩浆岩总量的70%以上。
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“阿波罗15号”在月球上采集的玄武岩,其中含有丰富的橄榄石矿物
  玄武岩,虽然在地壳中的含量较高,但并不容易见到,因为它主要存在于洋底,主要矿物成分是斜长石和辉石。从外观来看,它颜色灰暗,颗粒细小而且致密,常常具有气孔。
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致密块状玄武岩
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带有气孔构造的玄武岩
  花岗岩则是一种分布最广的侵入岩,它颜色鲜艳,有粉红色、肉红色、浅灰色等,其中主要的矿物成分是石英、长石和云母,强度高,经久耐用,是十分常见的建筑装饰石料,比如充当石柱、地板等。
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安徽黄山的花岗岩体
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花岗岩风化后的岩体
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花岗岩石材
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抛光后的各种颜色花岗岩石材

沉积下来的才是精华——沉积岩
  地壳总体积的7.9%为沉积岩,其中82%为页岩,12%为砂岩类,6%为石灰岩类。这类岩石最容易识别,因为它们是在地壳表面常温常压下,由风化、剥蚀、搬运、沉积和固结成岩等作用形成的,通常沉积在水平或近水平的地层中,往往具有十分明显的层理。此外,沉积岩中常常含有化石,这也是识别沉积岩的重要标志之一。
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含有大量化石的石灰岩
  页岩,顾名思义,是一种类似于书页的岩石,它具有薄页状或薄片状层理,是由黏土物质沉积形成的岩石,在受到外力打击时易裂成碎片,颜色可呈黑色、灰色、黄色等。
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风化破碎的页岩
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很容易被劈成薄片的页岩
  砂岩,是由砂粒经长期、巨大的压力压缩胶结而成,主要矿物成分为石英和长石,颜色有棕色、黄色、红色、灰色和白色等多种。在美国科罗拉多高原上的,有一片如同海浪一样的岩石,如果你走进这里,就仿佛置身于海浪之中,令人惊讶不已,所以人们称之为“石浪”。其实,这只是砂岩的岩层而已,一般而言,沉积岩通常都是在河床上沉淀并固结而成的,可是“石浪”不同,它之所以能像翻腾的波浪一样,主要是风的功劳。早在1.9亿年前,这里本是一片沙漠,长年累月的风吹,携带大大小小的砂砾逐渐在沙漠上堆积起来,并固结成岩石,所以叫风成砂岩。顺着砂岩的纹路和交错的层理,我们还可以想象到亿万年前的强大风沙。
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在美国科罗拉多高原上,有一片如同海浪的岩石,如果你走进这里,就仿佛置身于海浪之中,令人惊讶不已,所以人们称之为“石浪”
  石灰岩,是一种主要由方解石组成的沉积岩,它们在漫长的地质历史时期里从海水中源源不断地沉积下来,覆盖在各个大陆之上,直至今日,它仍像珊瑚礁一样在热带地区和浅海底部形成。石灰岩之所以能够形成,是由于海水里含有两种高浓度的溶解物质:钙离子和碳酸氢根离子。在大多数海洋的表层,珊瑚、蛤和其它一些海洋栖息生物都使用这两种溶解物合成方解石或文石,从而制造身上的保护壳。它们死后,躯壳沉淀下来就变成了石灰岩,所以,我们在石灰岩中常常会发现海洋生物的化石。可是,石灰岩在特定的地质条件与气候条件下,易于发生岩溶现象,产生大小不一的空洞,时间久了就会形成岩溶塌陷。
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菲律宾的普林塞萨地下河,形成于石灰岩地层中
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被侵蚀的石灰岩
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石灰岩地层中形成的地下溶洞
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遭受了风化的石灰岩

百变金刚——变质岩
  变质岩的识别较为困难。岩浆岩和沉积岩都可以转变为变质岩,在适当的高温、高压条件下,原来岩石的物理性质、化学成分和结构构造都可能发生变化,从而形成新的岩石。识别变质岩,最直接的手段是,观察有没有那些只有在变质作用下才能形成的矿物,如滑石、石墨、绢云母、阳起石等。
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白色的大理岩
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板岩用作屋顶瓦片
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条带状大理岩
  变质岩占地壳总体积的27.4%,其中最常见的是大理岩、板岩等。

  大理岩,因盛产于中国云南大理而得名,这是一种由石灰岩、白云岩等碳酸盐岩变质而成的变质岩,其中的主要成分方解石、白云石含量超过50%。一般情况下,大理岩为白色,随着其中所含杂质成分的变化,其颜色也变化多端。在宾馆、酒店、机场、车站、码头等富丽堂皇的建筑内几乎都能见到它的身影。因为大理石经过切割和打磨后具有很高的耐磨性和光洁度,可防水、防冻,而且具有独特的纹理和图案,形似天然的山水风景画,所以常被用来做成地板砖或石雕等。其中,结构均匀致密、颗粒细腻的大理岩被称为汉白玉,是大理岩中较贵重的品种,常被用来制作成宫殿中的石阶、护栏和雕塑等,北京天安门前的华表、人民英雄纪念碑上面的浮雕都是采用的汉白玉。
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用白色大理岩建造的印度泰姬陵
  板岩,是泥岩、页岩等岩石变质而成的,颜色有黑色、灰色、红色等,结构致密,呈平板状,敲击时可发出清脆的响声,常被用来制成地板或屋顶的瓦片。
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用板岩铺成的屋顶瓦片
  野外我们看到的岩石有很多种,准确给它定名并非易事,作为非专业人士,大家并不需要掌握太多有关岩石识别和命名的知识,但通过观察,我们至少应该识别出来它究竟属于三大类岩石中的哪一类,只有这样才能大致了解它的前世今生,有助于我们认识自然界,免得闹出笑话。2015年11月,四川省泸州市合江县南滩镇攀湾村发生了一件怪事:大批来自于四面八方的人们涌入河滩,大都穿着橡胶裤子,手持铁锹,在齐腰深的水里忙活,只为了能找到几块“能透光的石头”。因为传言说一块这样的石头可以卖几百甚至几万元。后来经过新闻记者调查发现,没有人能真正靠这个赚到钱,地质队员的鉴定结果表明,村民所挖的石头只不过是普通的鹅卵石而已,河床上到处都是,并不值什么钱。
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泸州上演“疯狂的石头” 上百人河滩挖玉石(图片来源:华西都市报)
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鹅卵石
  再给大家讲一个搞笑的段子。某大学地质实习期间,一位老师考查同学们的实习情况,从大家采集的样品中拿出一块就问:“这是哪个组的岩石?”某同学看了一眼回答道:“这不是我们组的。”老师没好气地又问一次:“我是说它是哪个组的!”该同学诧异地盯着老师说:“这真不是我们组的!”好吧,或许你看完这个笑话并没有笑,其实我想说的意思是,地质工作者采集岩石样品不仅要识别它的岩性,还要搞清楚它是“哪个组的”,因为以实际岩石组分的特征为基础建立起来的岩石地层单位——群、组、段等,是地层划分的一种重要方法。比如九龙山组,为一套灰紫和灰绿色陆相碎屑及含火山碎屑沉积岩,主要出露于中国河北尚义、下花园、丰宁、滦平、承德及北京西山等地,属于中侏罗世早期地层,这对于地层划分具有重要意义。
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  看完此文,是不是觉得搞地质跟大家想象的不一样?实话告诉大家,地质工作辛苦,甚至很土、很脏,在野外取样、打钻、搞地球物理勘探,经常会把我们搞得浑身脏兮兮。但是如果你把地质作为一种业余爱好,闲暇之余登山、旅行,寻宝,没有工作任务的要求,那倒也是件很有意思的事情。了解一点岩石、矿物的知识,说不定还能让你成为时尚达人,那些光彩夺目的珠宝,也是地质学研究的内容呢。

本文转载自《材料科学与工程》微信公众号

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