岩石圈矿物与岩石

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1、自然环境演化与社会环境 发展的物质支撑,岩石圈,第二章,环境地质学基础,岩石圈的结构、特征及其 在人地系统中的作用,岩石圈的物质组成,内力作用下的地壳构造运动,内容,第一节 岩石圈的结构、特征 及其在人地系统中的作用,岩石圈是人地复合系统的有机组成部分，它既是固体地球的外壳，又是地表环境系统的重要物质基础，同时，还是外力与内力持续交互作用的场所。 岩石圈一般是指由地壳和上地幔顶部坚硬岩石所组成的地球圈层之一，厚度约70100km。 一、岩石圈的结构 岩石圈是各种类型的岩石组成，是一个力学性质基本一致的刚性整体。 垂直结构上，包括全部地壳和上地幔顶部的橄榄岩层。 水平结构上，地壳层包括大陆地壳和

2、大洋地壳；地幔层也在横向的各种构造环境中具有明显的不均一性结构。,从人为活动对岩石圈的影响来看，目前人类能直接涉及的岩石圈深度约为5km，最深的钻探取样深度尚不超过13km。从岩石圈对人类的作用看，人类生存与发展的环境是位于地壳上部的地球表层系统，但地幔的组成、结构、状态以及在地幔中进行的各种作用对人类环境有重要作用。人类从地壳中获取的多种资源、能源直接或间接源自地幔；地幔中的岩浆活动、构造运动既可能形成有用矿产,有利于发展地貌，也可能带来地质灾害，尤其是上地幔与地壳之间持续进行的物质与能量交换，是地表环境形成的重要驱动力。,二、地球系统中岩石圈的特征 （一）内力与外力交互作用的层面作用于岩石

3、圈的地质引力，因能的来源不同，可以分为内力作用与外力作用。内能：地内热能、重力能、地球旋转能、化学能和结晶能外能：太阳辐射能、日月潮汐能内力作用与外力作用是相对独立，又相互依存的对立统一体，二者的结合是促使地球演化、更新的动力。地表岩石组成及地貌特征的时空分布格局是内力与外力共同作用的结果。 （二）地球表层系统的重要物质基础 地理壳（景观壳）：在地球表层系统中，岩石圈与大气圈、水圈、生物圈等其他自然圈层紧密交错，它们之间存在着极为多样的非线性相互作用，整合形成复杂的自然的综合体，并且从赤道到极地覆盖整个地球，构成地理壳。,三、岩石圈在人类生存与发展中的作用,第二节 岩石圈的物质组成,构成岩石圈

4、的基本单位是不同类型的岩石，这一圈层的基本状态决定于主要岩石类型的组合。组成岩石的基本成分是矿物，即由各种化学元素组成的化合物或单质，它们具有相对固定的化学成分和物理性质。 岩石的物质组成可以分为化学元素、矿物、岩石三个不同层次进行研究。,化学元素组成：地壳中含有化学元素周期表中所列的绝大部分元素，而其中O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg等8种主要元素占98以上，其他元素共占1%2。,矿物组成：组成岩石主要成份的矿物，称造岩矿物，最常见的造岩矿物有下列几种：长石、石英、云母、角闪石、辉石、橄榄石 。它们也是组成岩石圈的主要矿物。,1.固体地球及地壳的元素重量百分比,固体地球中主要的元素

5、和地壳中含有的绝大多数相似，但固体地球中铁的含量占有很大的比例。,一、地壳的化学元素,地壳中含有周期表中的绝大部分元素，其中O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg等8种主要元素占98以上，其他元素共占1%-2。化学元素在地壳中平均含量称克拉克值。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。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%。,2.岩石圈的元素组成,3.丰度： 定义：化学元素在任何宇宙或地球化学

6、系统中（如地球、大气圈、水圈、岩石圈）的平均含量。 广义的地壳中元素丰度可以分为：绝对丰度（Abosulute abundance)和相对丰度(Relative abundance) 狭义的地壳中元素丰度仅指绝对丰度。,岩石圈的元素组成,（1）绝对丰度： 绝对丰度是指从全球范围看，地球某一子系统中化学元素的平均含量。地壳的计算深度为16km。 地壳中主要元素的丰度（质量分数） 地壳中种类繁多的化学元素及同位素的绝对丰度有显著的不均匀性。其中含量最大的元素O,Si,Al, Fe, Ca, Na, Mg, K占地壳总质量的99以上，被称为造岩元素。 地壳中元素丰度的变化规律： 1）元素绝对丰度随原

7、子序数的增加而减少； 2）偶数元素的绝对丰度高于其相邻的奇数元素的丰度； 3）4q型元素（相对原子质量为4的整数倍）的绝对丰度高；,（2）相对丰度 地壳中化学元素的相对丰度是指在一定地域范围内，给定元素的实测量与该元素绝对丰度之比。 相对丰度显著高或显著低的地域被称为地球化学异常区。 当一定空间范围内一种或几种元素的相对丰度显著地过高或过低时，通过岩石与其他环境要素间的物质交换，会导致整体环境中呈现相应的元素异常现象，从而可能引起对农、林、牧业生产以及对人体健康的不良影响。 以重要的生命元素氟为例，花岗岩体、巨大含氟矿床的存在、火山活动等都能造成区域性氟的地球化学值异常。在我国受萤石矿、磷灰石

8、矿影响的地区，矿脉周围岩层及地下水中的含氟量高；渤海湾濒海平原，由于多次海侵及海退，深层沉积物质与地下水的含氟量也高；在地质构造运动控制下，大陆块的边缘地带和断裂带出现高氟温泉。,3.岩石圈一般组成与人体元素组成间的联系人体通过呼吸空气、饮水、摄入食物与地球环境间进行着物质与能量交换，从而与环境间保持着物质的动态平衡。通过长期演化，人体中元素丰度与其生存环境中元素丰度间有着统一性。通过对大量样品分析结果已经清楚地表明：人体任何一种组织中元素丰度与组成地壳的岩石中化学元素的绝对丰度具有相似的分布形式。人体与岩石圈元素丰度间存在重要差异。对大量数据统计研究结果清楚地表明：人体中元素含量与地壳岩石中

9、元素绝对丰度间呈显著相关，而人体中元素含量与海水中元素绝对丰度间地相关性更为显著。经过长期复杂的地球表层化学演化与生物进化的共轭过程，形成目前人体元素丰度与岩石圈中元素绝对丰度既有惊人的相似性又有重要的差异性的特征。,地壳岩石中元素绝对丰度与人体血液中元素浓度的比较,二、岩石与矿物,（一）矿物 定义：由地质作用形成的具有一定化学成分和物理性质的天然单质(如金刚石、自然金等)和化合物(如方解石、石英等),称为矿物，是组成岩石和矿石的基本单元。 有机作用形成的珍珠、琥珀不是矿物 人造宝石不是矿物 除了汞(水银)以外，矿物都是固体 矿物具有一定的化学组成和物理性质 矿物的原子排列有一定的规则 矿物一

10、般都有自己固有的形态，但在自然界产出时常不完整 只有部分矿物如水晶、金刚石、黄铁矿、方解石、黑云母、石棉等少数矿物易形成其固有的形态特征 矿物也有较大的形体，可以用肉眼及简单的试验方法辨认,金刚石,石英,自然金,红宝石,孔雀绿石,黄铁矿,1.矿物的分类 矿物的分类方法很多,如结晶分类、工业分类、成因分类、结晶化学分类等。目前广泛采用的是以矿物化学成分和晶体结构为依据的晶体化学分类法。 由于矿物的性质主要决定于矿物的成分和内部结构,并与一定的生成条件有关,在一定程度上也反映了自然界化学元素结合的规律,因此,按晶体化学原则作为矿物分类的主要依据,相对来说是一种比较合理的分类方法。根据这种分类方法,

11、可以将自然界中的矿物分为五大类:自然元素、硫化物、卤化物、氧化物及氢氧化物、含氧盐 1.自然元素 如金，金刚石、石墨、硫磺， 还有铜、银、汞等,自然铂Pt,2.硫化物矿物：黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、 闪锌矿、辉钼矿、雄黄等3.卤化物矿物（F、Cl、Br、I化合物）： 石盐、钾盐、萤石等4.氧化物和氢氧化物矿物： 如赤铁矿、 磁铁矿、铬铁矿、锡石、铝土矿、软锰矿、 硬锰矿、沥青铀矿、石英等。 5.含氧酸盐矿物： 最重要的是下面三种： 硫酸盐矿物： 有石膏、芒硝、重晶石等 碳酸盐矿物： 如方解石、孔雀石 硅酸盐矿物：如正长石,锡石（SnO2）,方解石（CaCO3）,硅酸盐矿物种类繁多，约占已知矿物种

12、数的1/4， 占地壳总重量的85% 其中最常见的就是各类长石、云母、辉石、角闪石、 橄榄石等几种，它们广泛分布在地壳与地幔内。,奥长石 （架状硅酸盐）,蛇纹石 （层状硅酸盐）,蔷薇辉石 （链状硅酸盐）,黄玉 （岛状硅酸盐）,石英（SiO2）,2.矿物的内部结构和外形 晶体内部质点（原子、离子）在三维空间周期性重复排列（即有序排列）的固体。 非晶体内部质点排列无序。 晶体矿物组成矿物的质点在三维空间周期性重复排列的矿物。或具有晶体结构的矿物。 对每种矿物来说，如果晶体充分自由发展，外形较固定，如：食盐的立方体、方解石的菱体、磁铁矿的八面体、石英的六方柱和六方双锥。 只有晶体矿物生长的环境良好，有

13、充分的时间，空间才有完好的晶形，并非所有晶体矿物都能以规则的晶形产出。 矿物的非晶质体：黑曜岩、珍珠岩、蛋白石 由于仪器观测精度越来越高，过去许多以为是非晶质的矿物，其实是晶体微小的“隐晶质” 原来被列为非晶质矿物的种数变得越来越少,矿物的同质多象与类质同象 同质多象相同化学成分的物质在不同的地质条件（P、T）下，可以形成不同的晶体结构，从而成为不同的矿物。如石墨、金刚石、化学成分都是C，其物理性质可以完全不同；石英iO2有柯石英、斯石英等。,类质同象矿物晶体结构中的某种原子或离子可以部分地被性质相似的它种原子或离子替代而不改变晶体结构。其物理性质差异一般不大。如：橄榄石（g、e）2SiO4M

14、g、e为类质同象的替代,3.常见的造岩矿物 石英 (quartz) 的化学成分为SiO2，晶体属三方晶系的氧化物矿物，即低温石英（a-石英），是石英族矿物中分布最广的一个矿物种。广义的石英还包括高温石英（b-石英）。低温石英常呈带尖顶的六方柱状晶体产出，柱面有横纹，类似于六方双锥状的尖顶实际上是由两个菱面体单形所形成的。石英集合体通常呈粒状、块状或晶簇、晶腺等。纯净的石英无色透明，玻璃光泽，贝壳状断口上具油脂光泽，无解理，摩氏硬度7，比重2.65。受压或受热能产生电效应。石英因粒度、颜色、包裹体等的不同而有许多变种。无色透明的石英称为水晶，紫色水晶俗称紫晶，烟黄色、烟褐色至近黑色的俗称茶晶、烟

15、晶或墨晶，玫瑰红色的俗称芙蓉石；呈肾状、钟乳状的隐晶质石英称石髓，具不同颜色同心条带构造的晶腺叫玛瑙，玛瑙晶腺内部有明显可见的液态包裹体的俗称玛瑙水胆，细粒微晶组成的灰色至黑色隐晶质石英称燧石，俗称火石。,石英的用途很广。无裂隙、无缺陷的水晶单晶用作压电材料，来制造石英谐振器和滤波器。一般石英可以作为玻璃原料，紫色、粉色的石英和玛瑙还可作雕刻工艺美术的原料。石英是最重要的造岩矿物之一，在火成岩、沉积岩、变质岩中均有广泛分布。巴西是世界著名的水晶出产国，曾发现直径2.5米、高5米、重达40余吨的水晶晶体。,康熙版p33圖3.12,黄水晶、紫水晶、水晶,正长石 (orthoclase feldsp

16、ar)正长石的化学组成是KAlSi3O8，晶体属单斜晶系的架状结构硅酸盐矿物。正长石是钾长石的亚稳相变体，钾长石和钠长石不完全类质同象系列。短柱状或厚板状晶体，常见卡斯巴双晶、巴温诺双晶和曼尼巴双晶，集合体为致密块状。肉红或浅黄、浅黄白色，玻璃光泽，解理面珍珠光泽，半透明。两组解理（一组完全、一组中等）相交成90，由此得正长石之名。摩氏硬度6，比重2.56-2.58。900以上生成的无色透明长石称透长石。正长石广泛分布于酸性和碱性成分的岩浆岩、火山碎屑岩中，在钾长片麻岩和花岗混合岩以及长石砂岩和硬砂岩中也有分布。正长石是陶瓷业和玻璃业的主要原料，也可用于制取钾肥。,正长石 (orthoclas

17、e feldspar),斜长石 (plagioclase feldspar) 斜长石属于NaAlSi3O8（Ab）-CaAl2Si2O8（An）类质同象系列的长石矿物的总称，共分为6个矿物种：钠长石（An0-10Ab100-90）、奥长石（An10-30Ab90-70）、中长石（An30-50Ab70-50）、拉长石（An50-70Ab50-30）、倍长石（An70-90Ab30-10）和钙长石（An90-100Ab10-0）。岩石学中将前二者统称为酸性斜长石，而将后三者统称为基性斜长石。晶体属三斜晶系的架状结构硅酸盐矿物，多为柱状或板状，常见聚片双晶，在晶面或解理面上可见细而平行的双晶纹。白至灰白色，有些呈微浅蓝或浅绿色，玻璃光泽，半透明。两组解理（一组完全、一组中等）相交成8624，故得名斜长石。摩氏硬度6-6.5，比重2.6-2.76。 斜长石广泛分布于岩浆岩、变质岩和沉积碎屑岩中。斜长石是陶瓷业和玻璃业的主要原料，色泽美丽者可作宝玉石材料，如日光石。,