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地球上原本就有巖石嗎?各種巖石都是怎麽來的

地球上的巖石種類有很多,但是大致可以分為火成巖、變質巖和沈積巖三大類。這裏說說每壹類中的壹些常見巖石的來歷。首先,從地質學的角度,地球的表面可以大致簡化為下圖這樣的模型:

我們現在就來看下模型中的每個區域都有什麽巖石,以及它們是怎麽來的。

這裏有必要先澄清兩個易混淆的概念。第壹,巖石圈(lithosphere)和地殼(crust)不是壹回事。巖石圈是包括了地殼和地幔最上層(uppermost mantle),它的下方為軟流圈(asthenosphere)。而地殼又分為海洋地殼(oceanic crust,又叫洋殼)和大陸地殼(continental crust,又叫陸殼)。而我們平常在討論“版塊”(plate)的時候其實是在說巖石圈。如果壹個版塊的上方大多數區域為海洋地殼(例如上圖中大洋中脊到海溝之間的那壹塊),這個板塊就是海洋板塊。如果其上方有明顯的大陸地殼,則這個版塊就是大陸板塊(例如上圖中最右側的版塊,以及從圖最左側到大洋中脊的這壹板塊)。第二,巖石(rock)和礦物(mineral)的區別需要註意。巖石是壹種或多種礦物的混合體,而礦物是天然形成的固態純凈物(包括單質、化合物)。下面我們開始說巖石的形成。

最初,地球和太陽系的其他行星(至少是其它類地行星)是同時形成的。地球形成之初是壹顆混沌壹體的星球,和現在宇宙中的球粒隕星(chrondrites)的結構類似,並沒有地核、地幔和地殼的分層。但是,在地球形成之後約5千萬年,壹顆火星大小的星球希亞星(Theia)撞上了地球,產生了巨大的能量,幾乎將地球整體融化為液體(壹部分物質被撞離地球,形成了月亮)。在這壹過程中,液態的地球開始分層。液體中比較重的物質,比如鐵和鎳,開始往地球中心沈降,分化形成了鐵質的地核。剩下的鎂、鋁、矽、碳、氧、鈣、鈉等較輕元素組成的物質浮在地核外面,形成了原始地幔(primitive mantle)。那些較重的物質向地心沈降的分化過程中,重力勢能被釋放,因此地幔能夠不斷吸收能量,保持溫度,並且能夠有所對流,這也為地磁的形成提供了壹定的條件。

之後,地球進入了冷卻期,熱量以長波輻射的形式被送往空間。冷卻最快的是最外層,溫度降到了壹些礦物的熔點以下(例如石榴石、尖晶石、橄欖石、輝石等)。這些礦物開始形成固態晶體,而這些晶體就在地幔的上部組成了二輝橄欖巖(lherzolite)、橄欖巖(peridotite)、純橄欖巖(dunite)、輝巖(pyroxenite)、斜方輝橄巖(harzburgite)、礬石(websterite)等地幔巖石(mantle rock),形成了最早的巖石圈(lithosphere)。這些巖石的厚度並不均勻,薄弱的地方後來就成了板塊的生長邊界。在這壹過程中,彗星為地球帶來了水,巖石的上方開始形成海洋。

有了這些最初的巖石,後來也就有了各種巖石的形成。首先是火山活動造就的各種火成巖(當然,前面那些巖石也是火成巖,由於含矽極少,它們被歸為Ultramafic)。火山活動大致可以分為三類:大洋中脊(Mid Ocean Ridges),火山島(Volcanic Islands)和火山弧(Volcanic Arcs)。首先我們看大洋中脊:

在部分地區,板塊(巖石圈)向外漂移,導致巖石圈變薄,軟流層上升。巖石下方的壓強變小,導致巖石熔點變低,這樣就產生了大量的巖漿。巖漿向上湧動,從薄弱處流出地球表面再冷卻,就形成了大洋中脊。大洋中脊形成的火成巖組成了海洋板塊。海洋板塊的主體部分是輝長巖(gabbro),這是壹種侵入性火成巖,是在板塊巖石內部逐漸冷卻而形成的。少部分巖漿在大洋中脊的頂端浸入海水中,急速冷卻,形成了噴出型的玄武巖(basalt),也就是大部分海洋板塊的表面。

第二種火山活動是火山島(Oceanic Islands或Volcanic Islands,最典型的是夏威夷群島,其余還有大溪地、毛裏求斯、法羅群島和佛得角群島等)。

這種火山活動位於板塊的中心。在那些地方,高溫的地幔熱柱(mantle plume)從地幔深處向上升起,形成熱點(hot spot)。因其溫度特別高(比正常巖漿高200攝氏度左右),而得以穿過海洋板塊的巖石圈,冷卻後在海洋中間形成火山島。由於它的巖漿是來自於比較深的地幔,因此它的化學成分和形成於大洋中脊的巖石有所區別。比如它含有更多的鉀、鋇、鋯、鈦等元素。這些巖漿在地球表面形成的火成巖堆積隆起至海平面以上,就形成了火山島。

火山島的巖石根據鉀、納、鐵等元素的含量,可分為兩大系列。第壹種系列以夏威夷群島為典型,含有較多的鐵,統稱為拉斑玄武巖系列(tholeiitic trend),其來源巖漿分為橄欖玄武巖(olivine normative basalt)、石英玄武巖(quartz normative basalt),冰島玄武巖(basaltic icelandite)、冰島巖(icelandite)等種類。第二種系列可以在大多數其它火山島上找到。該系列和拉斑玄武巖相比,地幔的部分融化(partial melt)程度較小,含有更多的堿金屬,且有碳酸鈣參與反應。該系列名為堿性玄武巖系列(alkaline trend),可以分為橄欖粗安玄武巖(mugearite)、夏威夷巖(hawaiite,雖然它在夏威夷群島的含量很小,卻以夏威夷命名)和粗面巖(trachyte)等多種巖石。由於板塊在移動而地幔熱柱的位置並不隨之移動,因此火山島經常成串出現(原理類似於打點計時器)。至於地幔熱柱的產生原因,學術界尚有爭議。有人認為是純粹的熱力學原理,有人認為和地球自轉有關,也有人認為是俯沖到地幔的板塊攪動地幔所致。在比較特殊的時候,大洋中脊和地幔熱柱會重合(例如加拉帕格斯群島和冰島)。這樣,由地幔熱柱形成的火成巖會被大洋中脊再次融化。由於原火成巖在初次融化和凝結的形成過程中已經讓矽含量升高(典型冰島巖的矽含量為60%-70%),再次融化和凝結會產生出矽含量更高的流紋巖(rhyolite,矽含量可達到74%)。

第三種火山活動是火山弧,和板塊俯沖有關。

火山弧又分為兩種:當壹個海洋板塊俯沖到另壹個海洋板塊之下,會形成島嶼火山弧,典型的如阿留申群島、斯科特群島和馬裏亞納群島等;當壹個海洋板塊俯沖到壹個大陸板塊之下,會形成大陸火山弧,典型的如安第斯山脈、勘察加半島和美國卡斯凱德山(包括聖海倫火山和雷尼爾火山的山脈)等。其中,大陸火山弧所產生的火成巖就組成了現有的大陸板塊。其分層和形成機理如下:

俯沖入地底的海洋板塊受熱熔化(其板塊中包含的水也降低了它的熔點)形成巖漿。巖漿裏的礦物有不同的熔點,在冷卻的過程中開始分批結晶,形成巖石。其中,含矽最少的巖漿會在大陸地殼的最下部分形成輝長巖。但是和海洋板塊的輝長巖不同,由於高溫的超臨界水的作用,這裏的輝長巖會發生不同程度的變質作用,從而含有角閃石,故被稱為角閃石輝長巖(hornblende gabbro)。含矽稍多壹點的巖漿會在輝長巖的上方形成壹層閃長巖(diorite),即為大陸地殼的中間層。有時候,熾熱的巖漿會通過下層地殼中的裂縫侵入閃長巖層,將閃長巖部分熔化,形成含矽更多的熔體(melt)。這些熔體會流向閃長巖的上方,在那裏結晶凝固,進而形成含矽更多的花崗閃長巖(granodiorite)和英雲閃長巖(tonalite),組成大陸地殼的頂層。如果這些熔巖從火山口噴出地表並迅速冷卻,會形成相應的噴出型火成巖(即火山巖),包括安山巖(andesite)和英安巖(dacite)等。

在部分地區,大陸地殼因為拉伸而變薄,因此巖漿有機會侵入到地殼最上層的花崗閃長巖和英雲

閃長巖地層,並將它們部分熔化。這樣,在熔體再度緩慢結晶後,就會形成含矽最多的花崗巖(granite)。如果這種熔體噴出地表快速凝固,就會形成流紋巖(rhyolite)。由於流紋巖含矽量大,粘滯性強,因此經常形成破壞性的火山噴發。這壹系列火成巖被稱為鈣堿性火成巖系列(calc-alkaline trend)。

火成巖形成以後,並非壹直不變。火成巖經過變化,會成為變質巖(metamorphic rock)或沈積巖(sedimentary rock)。這裏先簡單說下變質巖。在海底,特別是在大洋中脊附近,海水會經過水熱反應(hydrothermal alternation)進入海洋板塊(可以查閱黑煙囪等知識)。當海洋板塊俯沖到地幔之後,這些海水會在高溫高壓下形成超臨界水,並進入上地幔(巖石圈下層)。在那裏,超臨界液體、高溫、高壓使得原有的地幔巖石產生變質反應,形成榴輝巖(eclogite,更高壓強條件下形成,含有石榴石和綠輝石等礦物)和藍片巖(blueschist,壓強溫度較榴輝巖低,常含有藍閃石、方解石、綠泥石、綠簾石、石榴石和白雲母等礦物)。部分輝長巖中的橄欖石也會和超臨界液體反應,形成含有蛇紋巖(serpentine)等礦物的變質巖。

變質巖壹般產生於高溫和高壓的環境下。除了俯沖帶,另壹種產生變質巖的地方為高山地區,特別是兩個大陸板塊相撞形成的山區,如喜馬拉雅山脈和阿爾卑斯山等。這種大規模地形成的變質巖被叫做區域變質巖(regional metamorphism),而其又根據形成時的溫壓條件和所含的礦物,被分為很多變質相(facies)。

上面提到的榴輝巖和藍片巖兩個相被稱作極高壓變質相,因為它們都產生於地幔的超高壓環境。比它們的壓強稍低的變質相被稱作中高壓變質相,而這些相就形成於高山的基底部分。根據溫壓的不同,它們又可以分為沸石(zeolite,含有濁沸石、綠泥石和鈉長石等礦物)、葡萄石-綠纖石(prehnite & pumpellyite,含有綠纖石、綠泥石、鈉長石、白雲母和石英等礦物)、綠片巖(greenschist,含有鈉長石、鉀長石、石英、黑雲母、白雲母、

綠泥石、方解石和陽起石等礦物)、角閃巖(amphibolite含有黑雲母、白雲母、十字石、石英、藍晶石和斜長石等礦物)和麻粒巖(granulite,含有藍晶石、斜長石、鉀長石等礦物)等五個相。這五個相在高山帶的分布大約是由淺到深,溫度也由低到高。

變質巖還可能產生於高溫但低壓的環境下。例如,巖漿經過裂縫入侵地殼,在巖漿室的周圍,巖石受熱但卻沒有熔化,可以發生變質作用。這樣的變質巖被稱為接觸性變質巖(contact metamorphism),而它們對應的變質相為低壓變質相。低壓變質相根據溫度的不同又可以細分為鈉長綠簾角巖(albite-epidote hornfels)、普通角閃石角巖(hornblende hornfels)、輝石角巖(pyroxene hornfels)和透長巖(sanidine)等四個相。由於這些相產生時的壓強較小,因此從形態上看,相比於前面提到的那些中高壓或極高壓相的巖石,這些低壓相的葉理(foliation,即因高壓而將巖石所含礦物壓出的壹層壹層的紋理)要弱很多。

還有壹種巖石大類為沈積巖。和變質巖經常產生於地質活動活躍的板塊俯沖帶不同,沈積巖壹般形成於地殼活動不那麽活躍的大陸架淺海和海底,以及廣泛分布於陸地的表面。火成巖和變質巖經過物理或化學的侵蝕(流水、冰川、植物、風吹、潮汐……),會脫離或碎裂,並被流水或空氣搬運往別處。在能量較低的地方(平原、湖泊、沙灘、淺海、沖積扇、三角洲……),這些碎屑會沈降下來。較大的顆粒會首先沈積,壹般分布在沈積層的最下方,或者是離其來源更近的地方。較小的顆粒可以被帶往更遠的地方,例如深海。它們壹般沈積在淺層。經過石化作用(lithofication)以後這些沈積物就會變成沈積巖。根據顆粒大小形態和沈積環境,沈積巖可以分為不同的種類。以海灘為例:

近岸部分由於受海潮影響,能量較高,顆粒也就較大,被稱作砂巖(sandstone)。有時候岸上還會有顆粒更大的礫巖(conglomerate)。離岸較遠的大陸坡下方,海水較平靜的地方,顆粒更小的沈積物會堆積,形成頁巖(shale)。而在更深的深海,會形成含有多種碳酸化合物的石灰巖(limestone,含有方解石、白雲石和霰石等礦物)。生物殘骸會被埋在沈積物裏,形成化石(fossil)或軟泥(ooze)。還有壹些比較特殊的沈積巖,例如火山爆發形成的碎屑巖等。

三大巖石種類(火成巖、變質巖和沈積巖)之間是可以相互轉化的。比如變質巖和沈積巖可能隨著板塊俯沖進地幔並熔化,當它們再次噴出地表形成巖石時,就成為了火成巖。火成巖和變質巖經過侵蝕、沈積等作用,可以形成沈積巖。而火成巖和沈積巖在高溫高壓的條件下,也可以形成變質巖。