08 地质作用及其能量来源和矿物岩石概念-备战高考地理之探讨大学地理知识

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地质作用及其能量来源和矿物与岩石概念地质作用及其能量来源一、基本概念在漫长的地球历史中，组成地球的物质不断在变化和重新组合，地球内部构造和地表形态也不断在改造和演变。地球的这种不断的变化，是和作用于地球的自然力密切相关的。我们把作用于地球的自然力使地球的物质组成、内部构造和地表形态发生变化的作用，总称光地质作用。引起地质作用的自然力称为地质营力。所有地质营力来源于能，力是能的表现。按照能量的来源不同，地质作用分为内力地质作用和外力地质作用。内力地质作用是由地球内部的能量(简称内能)引起的，主要有地内热能、重力能、地球旋转能、化学能和结晶能。外力地质作用是由地球以外的能量（简称外能）引起的，主要有太阳辐射能、潮汐能、生物能等。二、地质作用的能量来源(一)地内热能地球本身具有巨大的热能，这是导致地球发生变化的重要能源。目前公认，放射性热能，即由地球内部放射性元素蜕变而产生的热能，是地球热能的主要来源。一种观点认为，地球在由星际物质聚集而成的过程中，在本身重力作用下体积逐渐压缩，产生压缩热，也是地球热能的一种来源。另外，地球内部物质发生化学反应，或者产生结晶作用，也可以释放热，所以化学能和结晶能同样是地球热能的来源。据计算，地球内部每年产生的总热量大于每年经地表散失的总地热流量，这部分剩余的地热能量，是导致火山活动、岩浆活动、地震、变质作用、地壳运动的主要能源，根据岩石圈板块理论，地内热对流是板块运动驱动力的主要能源。(二)重力能指地心引力给予物体的位能。在地球表面所有物体都处于重力场的作用之下。同时，在地球形成和发展过程中，地内物质在地心引力作用下，按不同比重发生分异，即轻者上升、重者下沉，导致物质的总位能释放而转化为热能，这种热能称为重力分异产生的热能，成为地球热能来源之一。(三)地球旋转能地球自转对地球表层物质产生离心力和离极力。离心力的大小随纬度而变化，两极为零，赤道最大，故离心力自两极向赤道逐渐增加；同时离心力又可分解为两个分力，一是垂直地面的垂直分力，它和重力作用方向相反，并为重力所抵消；一是过地表相应点沿经向的水平分力（切向分力），这是使地壳表层物质产生由高纬度向低纬度沿水平方向移动的有效分力。离极力是可变形旋转椭球体的转动惯量矩具有使自己取极大值的趋势的力，其方向指向赤道，从而导致地球表层物质向赤道方向移动。(四)太阳辐射能太阳不断向地球输送热能，据计算，一年中整个地球可以由太阳获得5.4×104J的热量。太阳辐射能是大气圈、水圈和生物圈赖以活动、发育并相互进行物质和能量交换的主要能源，并由此产生了一系列的外营力，如风、流水、冰川、波浪等。(五)潮汐能在日、月引力作用下，地球上的海水产生潮汐现象。潮汐具有强大的机械能，是导致海洋地质作用的重要营力之二。(六)生物能由生命活动所产生的能量，无论是植物的生长、动物的活动以及人类大规模的改造自然活动，都会产生改变地球物质和面貌的作用。但归根结底，任何生物能都源于太阳辐射能。上述各种能量是导致内外地质作用的主要能量来源。源于内能的内力地质作用主要在地下深处进行，但也常常波及地表，它使岩石圈发生变形、变质或重熔，以至形成新的岩石，或者使岩石圈分裂、融合、变位、漂移，使大地构造格局发生重大变化。源于外能的外力地质作用主要在地表或靠近地表进行，不过也可能延伸至地下相当深处，它使地表岩石组成不断发生变化，使地表形态不断遭受破坏和改造，但外力地质作用几乎均有重力能参与。自从形成地壳以来，进行着的各种地质作用是相对独立的，又是相互依存的，是对立的又是统一的。例如，内力作用形成高山和盆地，而外力作用则把高山削低，把盆地填平；一个地区发生隆起，其相邻地区常会发生拗陷；高山上的矿物岩石受到风化、侵蚀和破坏，而被破坏的物质又被搬运到另外的地方堆积下来形成新的矿物岩石，如此等等。地质作用对地球既产生破坏作用，同时也产生建造作用。但在不同时空条件下，它们可能是不平衡发展的，或者是彼此互为消长的。有些地质作用进行得十分迅速，如火山、地震、山崩、泥石流、洪水等，有些地质作用却进行得十分缓慢，往往不为人们感官所察觉，但经过悠久岁月却可产生巨大的地质后果。从地球发展的角度看，地质作用是促使地球不断新陈代谢、汰旧更新的经久不息的动力。三、地质作用的分类地质作用的分类如表2-7所列。内力地质作用分为构造运动、岩浆活动、变质作用和地震作用。外力地质作用按照外营力作用的介质类型，可以分为河流地质作用、地下水地质作用、冰川地质作用湖泊和沼泽地质作用、风力地质作用和海洋地质作用等；按照其发生的序列和作用性质，分为风化作用、剥蚀或侵蚀作用、搬运作用、沉积或堆积作用、成岩作用等。 矿物与岩石概念一、概念地壳的物质组成可分为3个层次——元素、矿物、岩石，分别是地球化学矿物学、岩石学三个学科的研究对象。三者之间既有区别，又有联系：元素形成矿物，矿物组成岩石，岩石构成地壳及上地幔。矿物是在各种地质作用下形成的具有相对固定化学成分和物理性质的均质物体，是组成岩石的基本单位。其含义包括3个方面：①矿物是在各种地质作用下或各种自然条件下形成的自然产物，比如在岩浆活动过程中，在风化作用过程中，或者在湖泊、海洋的作用下都可形成矿物；②矿物由地壳中的各种化学元素组成，具有相对固定和均一的化学成分（大多数是化合物少部分是单质元素)及物理性质，在一定程度上讲，矿物是一种自然产生的均质物体；③矿物不是孤立存在的，而是按照一定的规律结合起来形成各种岩石。近年来，随着科学技术的发展，人们对矿物的认识范围进一步扩大，包括了地球内层及宇宙空间所形成的自然产物。如组成陨石、月球岩石和其他天体的矿物，被称为陨石矿物、月岩矿物，统称宇宙矿物。    在此特别强调矿物是自然产物，因为许多人造物品具有矿物的某些特性，但不是真正的矿物。例如食糖，它具有一定的化学成分和物理性质（如透明、硬度小、溶于水，味甜等)，但在自然条件下不能形成食糖，因此食糖不是矿物。而食盐，它具有相对固定的化学成分即NaCl(因其中常含有不定量的杂质，所以说是相对固定)，也具有相对均一的物理性质（如透明、硬度很小、立方形晶体、溶于水、味咸等)，但在一定的自然条件下（如内陆湖泊在干燥气候条件下蒸发沉淀)可以形成食盐。所以说，食盐是一种矿物。许多人工合成的化学药品虽都各有其化学成分和物理特性，但均不算作矿物。如果某些人工制造的化合物具有与天然矿物相近的成分和性质，则可称之为人造矿物或合成矿物，如人造金刚石、人造红宝石、人造水晶等。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。自然界的矿物大约有3000种，但最常见的只有50~60种，至于构成岩石主要成分的只不过20~30种。组成岩石主要成分的矿物称造岩矿物。它们共占地壳质量的99%，是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，它是构成地壳及地幔的主要物质。有些岩石主要是由一种矿物组成，但更多的岩石是由几种矿物组成。如大理岩主要是由方解石组成，而花岗岩是由石英、长石、黑云母等矿物组成。   通常所说的岩石是指地球岩石，是地球发展的产物。广义的岩石也包括宇宙天体的固体组成，如陨石和月岩。岩石记录了过去发生的地质事件。为了探讨地球的发展历史和规律，岩石是最重要的客观依据；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；岩石中含有各种矿产资源，有些岩石本身就是重要矿产，一定的矿产都与一定的岩石相联系。由此可见，研究岩石具有重要的理论和实际意义。根据成因岩石可以分为3大类：（火成岩、沉积岩和变质岩）火成岩和变质岩占地壳质量的95%，沉积岩占5%；但沉积岩出露面积占75%，火成岩和变质岩只占25%。    人类对于岩石成因的认识经过了漫长的历程与激烈的学术争论，其历史是地质学逐步发展的历史。二、矿物学与岩石学理论的建立在古代，岩石与矿物统称为“石”，是人类最早开发利用的自然资源之一。从旧石器时代、新石器时代到青铜器时代、铁器时代，人类关于矿物与岩石的知识不断积累，古代典籍中有关岩矿资源的记载反映人类对地壳物质组成的最初认识。中国的《山海经》将矿物分金、玉、石、土4类记述色泽、特征和产地。古希腊泰奥弗拉斯托斯的《石头论》分金属、石质和黏土3大类描述了70多种矿物的物理性质，是最早的有关岩矿的专门著作。矿物、矿石、岩石概念的区分大约在15世纪。但是，在18世纪中叶以前，人类关于岩石与矿物的认识，还主要是物理特征的描述与分类。例如，16世纪初，莱奥纳尔都斯的《石志》论述了200多种矿物。中国明代医学家李时珍1578年写成的《本草纲目》，叙及的矿物、岩石、化石有200多种，按水部、土部、金石部分类，又将金石部细分为金类、玉类、石类、卤石类等。近代矿物学体系的建立是以结晶矿物学和矿物化学为基础的。1837年，美国丹纳】D的《矿物学系统》出版，1844年再版，总结了已有矿物晶体结构与化学组成分类的成果，标志着近代矿物学的体系已臻成熟。此后，矿物学随着新技术和新理论的引进和应用而发展。19世纪中叶偏光显微镜开始用于矿物鉴定和研究，20世纪初X射线开始用于矿物晶体结构分析，20世纪30年代以来对矿物形成的物理化学条件及相平衡的研究，20世纪60年代以后固体物理学、量子化学方面的理论和先进的实验技术在矿物学中的应用，均促进了矿物学变革性的发展。运用晶体场理论及配位场理论、固体物理学理论与测试方法，对矿物的形成条件、标型特征和物理性质进行更深入的研究，则是现代矿物学的主要内容。关于地层以及岩石成因的“水火之争”是岩石学发展历史上著名的学术论战，其结果是岩石学基础理论的建立。关于岩石形成的理论，古希腊哲学家泰勒斯“一切都来自于水，又复归于水”的论断，可以视为沉积岩形成理论的思想萌芽。1695年，英国的伍德沃德(Woodward J)明确提出岩石是由水的作用形成的（即水成论），他利用《圣经》关于挪亚洪水的传说解释岩石和化石的成因。与水成论的观点不同，意大利的莫罗(Moro A L)提出了火成论。他在《论在山里发现的海洋生物》(1740)一文中指出，高山上存在贝壳化石的现象不能用挪亚洪水来说明，只能用火山作用加以解释，认为是地下火的爆发使陆地和山脉隆起，地球内部爆发出来的物质形成了新的地层。18世纪下半叶到19世纪20年代，随着德国和法国煤矿的开采，特别是水成论集大成者德国的维尔纳AG的影响，水成论占了上风。维尔纳的《岩层的简明分类和描述》(1787)是水成论观点的代表作。他在野外观察基础上，将萨克逊地区地层分为原生岩、过渡岩、层状岩、冲积岩和火山岩，并相信这一层序在全球普遍适用。他提出结晶岩，如花岗岩，是原始大洋化学沉淀结晶的产物，玄武岩也是沉积形成的。原始大洋退却后，即形成灰岩，同时生物开始出现。火山喷发是地下煤层燃烧所致。火成论的集大成者是英国的赫顿J。1788年他发表《地球的理论》反对单纯的水成论观点，认为“火”对地壳地层系统的形成起了重要作用。为进一步充实他的理论，赫顿多次到苏格兰、英格兰、阿尔卑斯山考察，并在1795发表他的经典著作《地球的理论：证据和说明》。赫顿认为结晶岩是地下深处熔融物质上升到地表结晶后形成的；层状岩石虽经过水的沉积作用，却是在上部压力和地下热的作用下固结成岩，再经火山爆发、地壳隆起，形成陆地。1802年，赫顿的朋友普莱费尔】著《赫顿学说的解释》，有力推动了赫顿学说和现实主义思想的传播。水成论与火成论各以自己的观点排斥对方，把所有的岩石基本看成是同一成因。1830年英国的莱伊尔C提出岩石的成因分类，分为水成岩类、火山岩类、深成岩类和变质岩类。以多种成因观点代替单一成因观点的分类，标志着岩石学理论的基本建立。此后，岩石学朝着更深人、细致的方向发展。偏光显微镜与岩石薄片制作技术的改进，使显微岩石学得到很大发展。1856年英国的索比HC.1867年德国的福格尔桑HPJ，1873年齐克尔下和1873年罗森布施KHF等分别发表的有关显微镜下岩石矿物学的著作，奠定了显微岩石学的基础。美国的克拉克FW和德国的奥桑A对岩石成分和性质的研究，创立了岩石化学。英国物理学家霍尔J对岩石进行的高温熔融实验，开创了实验岩石学。挪威的福格特JHL和美国的鲍温NL的系统研究奠定了实验岩石学的基础。现代岩石学已经发展成包括火成岩岩石学、沉积岩岩石学、变质岩岩石学、实验岩石学、工业岩石学、地幔岩石学、宇宙岩石学、岩石化学(化学岩石学)、构造岩石学等的学科体系。