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1、第二篇 地球各圈层的组成、结构、运动与特征第四章 岩石圈与地球表层结构和轮廓第一节 岩石圈的组成固体地球是一个由不同状态与不同物质的同新圈层所组成的球体。由于人类目前还不能直接观察地球内部的结构，通常是通过地震波传播速度的变化来了解地球内部的结构层次。地震波分横波（S波）和纵波（P波）。横波的传播速度较慢，只能通过固体传播；纵波的传播速度较快，可以通过固体、液体、气体传播。横波和纵波的传播速度都随着所通过物质的性质而变化。现在发现在地球内部存在着几个波速变化的明显界面。 一个位于大陆地区平均33 km的地下，纵波的速度由7.6km/s向下突然增加到8.0km/s，这个界面称莫霍洛维奇不连续面（
2、Mohorovicic Discontinuity），简称“莫霍面”（1909年由奥地利地震专家莫霍洛维奇发现。在这个不连续面下，横波和纵波的传播速度都明显增加）。 一个面位于地下2900 km的地方，纵波速度由13.32 km/s向下突然降低到8.1 km/s，横波至此则完全消失，这个界面称为古登堡不连续面（Gutenberg Discontinuity），简称“古登堡面”（1914年由德国地震专家古登堡发现）。 此外，在大陆地下10 km的地方，还存在一个次级的波速变化的不连续面，纵波速度由6.0km/s向下增加到6.6km/s，横波速度则由3.6km/s向下增加到3.8km/s，这个界面
3、叫做康拉德不连续面（Conrad Discontinuity），简称康拉德面（1925年由奥地利地震专家康拉德发现）。由莫霍面、古登堡面将固体地球划分为地壳、地幔和地核，康拉德面进一步将地壳划分为上地壳和下地壳。固体地球的最外层的由固态岩石组成的圈层即为岩石圈。岩石圈包括全部地壳（陆壳和洋壳）和上地幔顶部的橄榄岩层（莫霍面以下，软流圈以上），它是一个力学性质基本一致的刚性整体。岩石圈的结构和性质决定了地球表层的结构与轮廓，并与地球的外部圈层相互作用，构成了地球表层系统。一、岩石圈的组成 地壳是指固体地球表面的钢性外壳，属于岩石圈的上部。地壳的组成物质可从元素、矿物和岩石三方面来说明。元素是组成
4、地壳的物质基础，大多数情况下各种元素化合形成各种矿物，各种不同矿物又组成各种岩石。 一、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。化学元素在地壳中平均含量称克拉克值。表41 地壳中主要元素的平均含量/重量%元素据克拉克和华盛顿（1924）据费尔斯曼（19331939）据维诺格拉多夫（1962）据泰勒（1964）O49.5249.1347.0046.40Si25.7526.0029.0028.15Al7.517.458.058.23Fe4.74.204.654.63Ca3.293.25
5、2.964.15Na2.642.402.502.36K2.42.352.502.09Mg1.942.251.872.33H0.881.00-Ti0.580.610.450.57P0.120.120.093 0.105C0.0870.350.0230.02Mn0.080.100.10 0.095图4-1 固体地球及地壳的元素重量百分比从表41与图4-1可以看出，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，而表中未列入的大多数元素的含量是微不足道的。这些微量元素，其含量也十分悬殊，有些还是超微量的。对于整个岩石圈的原子组成来说，氧占60.4%，硅占20.5%
6、，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%（图4-2）。二、矿物组成 地壳中的各种化学元素，在各种地质作用下不断进行化合，形成各种矿物。矿物是在各种地质作用下形成的具有相对固定化学成份和物理性质的均质物体，是组成岩石的基本单位。 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。自然界的矿物很多，约有3000种，最常见的只有五六十种，至于构成岩石主要成份的不过二三十种。组成岩石主要成份的矿物，称造岩矿物，它们共占地壳重量的99%。最常见的造岩矿物有下列几种：长石：是构成地壳的最主要的
7、一类矿物，常见于火成岩、沉积岩和变质岩中。具瓷状光泽，摩氏硬度为6，二向完全解理。解理呈正交者为正长石（KalSi3O8，即钾长石），多为肉红色；解理呈斜交者称斜长石，多为浅灰白色。由于长石晶体构造中容许大量的离子置换，因而有多种类型。如斜长石中的钠和钙可以完全置换，故产生了从钠斜长石（NaAlSi3O8）至钙斜长石（ CaAl2Si2O8 ）的一系列种类和成分的变化。石英：在大陆地壳中的数量仅次于长石，亦常见于各类岩石中。成分简单(SiO2)，无解理，贝壳状断口，具典型的玻璃光泽，硬度7，性硬，比重2.52.8。石英在自由生长时结晶成六面锥体，但在结晶岩中因晶体发育受空间限制，皆呈不规则形状
8、。石英性质稳定，难于风化。云母（ K（Mg，Fe）3AlSi3O10OH2 ）：假六方柱状或板状晶体，通常呈片状或鳞片状，单向极完全解理，易剥成具有弹性的光滑透明薄片；玻璃及珍珠光泽，硬度23，成分复杂多样，常见的有黑云母、白云母和金云母，在酸性岩浆岩、砂岩和变质岩中常见。角闪石（ (Ca，Na)2-3 (Mg，Fe，Al)5 (Si，Al)O22 (OH，F)2 ）：成分复杂多变，常见的一种为普通角闪石，呈长柱状或条状，暗绿至黑色，硬度5.56，比重3.13.3，二向完全解理呈彼此斜交，性脆；在中性和酸性岩浆岩和某些变质岩中常见。辉石（ ）：成分与角闪石近似，但含铁镁较多而不含羟离子。其中常
9、见的为普通辉石，呈短柱状，二向中等解理呈彼此正交，绿黑色，硬度56，比重3.23.6；常与角闪石、橄榄石、某些斜长石等共生，在基性和超基性岩浆岩中常见。橄榄石（ ）：粒状，橄榄绿色，玻璃光泽，硬度6.57，性脆；为超基性岩和基性岩的主要组成矿物。上述造岩矿物又可归纳为两种类型：一为长英质（或浅色）矿物，包括石英、长石和白云母，其色浅，比重较轻，含铁镁少；一为铁镁质（或深色）矿物，包括橄榄石、辉石、角闪石和黑云母，其色深，比重较大，富含铁镁而得名。两者共占地壳重量的80%多。 此外，其他常见的造岩矿物有方解石，白云石和各种粘土矿物，它们是某些沉积岩的主要造岩矿物。三、岩石组成岩石是在各种地质作用
10、下，按一定方式结合而成的矿物集合体，是构成地壳及地幔的主要物质。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。岩石中矿物的结晶程度、颗粒大小和形状以及颗粒间相互关系的特征，称为岩石的结构。岩石中矿物的组合形状、大小和空间上相互关系和配合方式，称为岩石的构造。结构和构造是识别岩石的重要特征之一。根据成因，岩石可分为三大类：火成岩、沉积岩和变质岩。如果根据变质母岩的性质，把变质岩归属于沉积岩和火成岩，那么在整个地壳的岩石组成中，火成岩占95%，而沉积岩只占到5%；但沉积岩却覆盖了整个地球表面的75%，火成岩却只覆盖了地球表面的25%（图4-3）。 图4-3
11、地壳与地面的岩石组成（Skinner等）（一）、火成岩1、岩浆作用和火成岩的概念目前，一般认为火成岩由两类岩石组成。一类是岩浆作用形成的岩浆岩；另一类是非岩浆作用形成的。火成岩以岩浆岩为主。岩浆岩是由岩浆凝结形成的岩石，约占地壳总体积的65%。 岩浆是在地壳深处或上地幔天然形成的、富含挥发组分的高温粘稠的硅酸盐熔浆流体，是形成各种岩浆岩和岩浆矿床的母体。岩浆的发生、运移、聚集、变化及冷凝成岩的全部过程，称为岩浆作用。岩浆作用主要有两种方式：当岩浆沿着岩石圈破裂带上升而侵入到地壳上部时，称为岩浆侵入活动，由此冷凝结晶而成的岩石称为侵入岩；当岩浆喷出地面时，称为火山活动或喷出活动，由此冷却凝固而成
12、的岩石称为喷出岩（又称火山岩）。由此可见，岩浆岩是地下深处的岩浆侵入地壳或喷出地表冷凝而成的岩石。2、火成岩的矿物成分 组成火成岩的矿物以硅酸盐矿物为主，其中最多的是长石、石英、黑云母、角闪石、辉石、橄榄石等，占火成岩矿物总含量的99，所以称之为火成岩的重要造岩矿物。其中颜色较浅的，称浅色矿物，因以二氧化硅和钾、钠的铝硅酸盐类为主，又称为硅铝矿物，如石英、长石等；其中颜色较深的，称暗色矿物，因以含铁、镁的硅酸盐类为主，又称为铁镁矿物，如黑云母、角闪石、辉石、橄榄石等。 火成岩按其化学成分和矿物组成的不同可分为四类（表4-2）：表4-2 岩浆岩分类简表岩类与SiO2含量主要矿物成分典型结构产状、
13、构造酸性岩SiO265%中性岩SiO2 65%62%基性岩SiO2 52%45%超基性岩SiO245%含石英很少或不含石英不含石英正长石为主斜长石为主无或很少长石暗色矿物以黑云母为主，约占10%暗色矿物以角闪石为主，约占20%45%以辉石为主，约占50%橄榄石、辉石含量达95%喷出岩渣块状气孔状杏仁状流纹状玻璃火山玻璃：黑曜岩、浮石等隐晶斑状流 纹 岩粗 面 岩安 山 岩玄 武 岩金伯利岩浅成岩斑杂状块 状伟晶结晶脉岩：伟晶岩、细晶岩、煌斑岩斑状花岗斑岩正长斑岩闪长斑岩辉绿玢岩苦橄玢岩深成岩块 状显晶等粒花 岗 岩正 长 岩闪 长 岩辉 长 岩橄 榄 岩辉 岩岩石颜色浅色（带红） 中色（带灰）
14、 暗色（带绿黑）岩石比重2.52.7 2.72.8 2.93.1 3.13.5（1）、超基性岩 二氧化硅含量小于45%，含铁镁较多，含钾钠甚少。主要由橄榄石、辉石组成。比如，橄榄岩。（2）、基性岩 二氧化硅含量45%52%，主要由辉石、钙斜长石和少量橄榄石和角闪石组成。如辉长岩、玄武岩。（3）、中性岩 二氧化硅含量52%65%，主要由角闪石、长石和少量石英、辉石、黑云母等组成。如闪长岩、安山岩、正长岩和粗面岩。（4）、酸性岩 二氧化硅含量大于65%，含钾和钠较多而铁镁较少，主要由长石、石英和云母组成。比如，花岗岩、流纹岩。一般说来，岩石从超基性到酸性，铁镁矿物逐渐减少，而硅铝矿物则逐渐增多，故岩石颜色越来越浅，比重越来越小；岩石从酸性到超基性，铁镁矿物逐渐增多，而硅铝矿物则逐渐减少，故岩石颜色越来越深，比重越来越大。 3、岩浆岩的产状由岩浆冷凝固结而成的岩体的大小、形状及其与周围岩石相接触的关系，称为岩浆岩的产状。根据岩体在地壳
