地质基础

概述

地质学的研究对象是地球，地球由固体地球、覆盖其上的水圈、生物圈和大气圈组成。

固体地球从外到内分为：

1. 地壳：厚约30~40km。

2. 地幔（上地幔、下地幔）：厚约2900km。除上地幔内有一厚约200km的软流圈（固体和1%~10%的液态物质的混合体）外，其余部分为固体。

   地壳加软流圈之上的固体地幔合称岩石圈，具有一定规模的岩石圈块体称为板块，可分为大洋板块和大陆板块。

3. 地核（外核、内核）：厚约3470kn，外核为液态，内核为固态。

研究内容有：

1. 组成地球的物质。目前深入研究的是组成地壳和上地幔的物质，主要包括元素、矿物、岩石、不同尺度物质的存在形式、特征、形成条件、分布规律。这方面的分支学科有结晶学、矿物学、岩石学、矿床学、地球化学等。
2. 物质的组成方式、形成、演化与分布。主要阐明地壳以及地球内部的结构、构造特征，阐明其分布特征、形成条件、演化规律。这方面的分支学科有构造地质学、区域地址学、地球物理等。
3. 地球的历史。地球形成已有46亿年，其中36亿年以来的形成与演化历史是重点研究对象。这方面的分支学科有古生物学、地史学、岩相古地理学、第四纪地质学等。
4. 应用问题。水文地质学研究地下水的分布、寻找、开发和利用。工程地质学研究铁道、公路、大坝、桥梁、隧道、城市工程等建设相关的地址条件。环境地质学研究影响环境的地址因素。还有煤田地质学、石油地质学、铀矿地质学等应用学科。

雷琼世界地质公园是我国用于火山数量最多、分布面积最大、火山口形态完整的地方。

矿物

由地质作用形成的，在正常状态下呈晶质的元素或无机化合物。晶质是指内部原子或离子在三维空间呈周期性重复排列的固态物质。

矿物是组成岩石和矿石的基本单元。

矿物单体的形态

1. 沿一个方向伸长，成为柱状体。
2. 沿两个方向伸长，成为板状体。
3. 延三个方向等长，形成立方体。

矿物集合体的形态

由多种矿物单体组成的聚集体，需要参考各个单体的形态。

1. 单体若为一向伸长，集合体常为纤维状、针状、柱状。
2. 单体若为两向伸长，集合体常为板状、鳞片状。
3. 单体若为三向等长，集合体常为粒状、块状。

矿物的物理性质

1. 透明度：光线能从矿物薄片（0.03mm）穿过的，称为透明矿物；反之，为不透明矿物。

2. 光泽：矿物平坦平面对可见光的反射能力。

3. 颜色：白光照耀下显示的颜色。

4. 条痕：矿物粉末的颜色。

   对某些金属矿物有重要的鉴定意义。如黄铁矿条痕为率黑色；赤铁矿可呈赤红、铁黑、钢灰色等，而其条痕始终为樱红色。

5. 硬度：矿物抵抗外力作用的强度。

   通常用摩氏硬度计作为标准进行测量，由十种不同的矿石组成，将矿物与标准中的十种相互刻划，进行比较。

6. 解理：晶体受外力打击时能沿一定结晶方向分裂成平面的能力。

7. 断口：矿物受外力打击后不沿固定结晶方向开裂而形成的断裂面。

   断裂方向无规律，断口形态多样，主要发生于解理不发育的矿物或矿物集合体中。

8. 密度。

9. 磁性。

常见矿物

根据矿物的化学成分和性质，一般划分为五类：

1. 自然元素矿物

   名称	详情
   石墨 $C$	⋯

2. 硫化物及其类似化合物矿物

   名称	详情
   黄铁矿 $FeS_2$	⋯
   黄铜矿 $CuFeS_2$	⋯
   辉锑矿 $Sb_2S_2$	⋯
   方铅矿 $PbS$	⋯
   闪锌矿 $ZnS$	⋯

3. 卤化物矿物

   包含氟化物类、氯化物类矿物。

   名称	详情
   萤石 $CaF_2$	⋯

4. 氧化物和氢氧化物矿物

   名称	详情
   石英 $SiO_2$	⋯
   刚玉 $Al_2O_3$	⋯
   赤铁矿 $Fe_2O_3$	⋯
   磁铁矿 $Fe_3O_4$	⋯
   褐铁矿 $Fe_2O_3 \cdot nH_2O$	⋯
   硬锰矿 $BaMn^{2+}Mn_{9}^{4+}O_{20} \cdot 3H_2O$	⋯

5. 含氧盐矿物

   可细分为：碳酸盐类、硝酸盐类、硼酸盐类、硫酸盐类、钨酸盐类、磷酸盐类、砷酸盐类、钒酸盐类、硅酸盐类（种类多，分布广，占地壳总质量的75%）。

   1. 碳酸盐类矿物

      名称	详情
      方解石 $Ca[CO_3]$	⋯
      白云石 $CaMg[CO_3]_2$	⋯
      孔雀石 $Cu_2[CO_3](OH)_2$	⋯

   2. 硫酸盐矿物

      名称	详情
      硬石膏 $Ca[SO_4]$	⋯
      石膏 $Ca[SO_4] \cdot 2H_2O$	⋯
      重晶石 $Ba[SO_4]$	⋯

   3. 磷酸盐矿物

      名称	详情
      磷灰石 $Ca_5[PO_4]_3(F, Cl, OH)$	⋯

   4. 硅酸盐矿物

      金属阳离子与各种硅酸根相化合而成的含氧盐矿物，这类矿物均含氧与硅，以及一种或几种金属阳离子。

      钾长石、斜长石、云母（包括黑云母、白云母）、角闪石、辉石、橄榄石，以及氧化物石英是地壳岩石中最主要的造岩矿物。

      名称	详情
      1. 橄榄石 $(Mg, Fe)_2[SiO_4]$	⋯
      2. 石榴子石 $X_3Y_2[SiO_4]_3$	⋯
      3. 红柱石 $Al_2[SiO_4]O$	⋯
      4. 蓝晶石 $Al_2[SiO_4]O$	⋯
      5. 矽线石 $Al_2[SiO_5]$	⋯
      6. 绿帘石 $Ca_2(Al, Fe)_3[SiO_4][Si_2O_7]O(OH)$	⋯
      7. 海绿石 $K_{1-x}(Fe^{3+}, Al)_2[(Si, Al)]_4O_{10}](OH)_2$	⋯
      8. 硅灰石 $Ca_3[Si_3O_9]$	⋯
      9. 透辉石 $CaMg[Si_2O_6]$	⋯
      10. 普通辉石 $(Ca, Mg, Fe, Al)_2[(Si, Al)_2O_6]$	⋯
      11. 普通角闪石 $(Ca, Na)_{2-3}(Mg, Fe, Al)_5[Si, O_{11}]_2(OH, F)_2$	⋯
      12. 透闪石 $Ca_2Mg_5[Si_4O_{11}]_2(OH)_2$	⋯
      13. 蓝闪石 $Na_2Mg_5Al_2[Si_4O_{11}]_2(OH)_2$	⋯
      14. 滑石 $Mg_3[Si_4O_{10}(OH)_2]$	⋯
      15. 蛇纹石 $Mg_6[Si_4O_{10}](OH)_8$	⋯
      16. 高岭石 $Al_4[Si_4O_{10}](OH)_8$	⋯
      17. 白云母 $KAl_2[AlSi_3O_{10}(OH, F)_2]$	⋯
      18. 黑云母 $K(Mg, Fe)_3[AlSi_3O_{10}](OH, F)_2$	⋯
      19. 绿泥石 $(Mg, Al, Fe)_6[(Si, Al)_4O_{10}](OH)_8$	⋯
      20. 电气石 $Na(Mg, Fe, Mn, Li, Al)_3Al_6[Si_6O_{18}][BO_3]_3(OH, F)_4$	⋯
      21. 长石 钾长石：$K[AlSi_3O_8]$ 钠长石：$Na[AlSi_3O_8]$ 钙长石：$Ca[Al_2Si_2O_8]$	⋯

岩石

按照地质成因分为火成岩、沉积岩、变质岩三大类。

火成岩

由岩浆冷凝形成的，占地壳岩石体积的64.7%，可分为喷出岩（火山喷发的产物）和侵入岩（岩浆侵入周围岩石，在地下冷凝成岩）。

岩浆一般存在于地下数千米到数万米，具有较大的粘性，温度650~1400℃，在岩石的强压下，其中挥发物质主要呈溶解状态，部分呈气泡状态。

分类

岩浆的粘性

取决于组成的化学成分，主要有：

1. Si（$[SiO_4]^{4-}$）和Al（$[AlSi_3O_8]^-$）的氧化物，构成阴离子。
2. Fe、Mg、Ca、Na、K等金属离子，构成阳离子。

两者的含量互为消长：

1. 阳离子多时，较多的阳离子游离在阴离子周围，使后者较少连接成复杂的阴离子，粘性就小一些。
2. 阴离子多时，较多的阴离子通过共用 $Si^{4+}$ 而相互联结，成为体积较大且结构复杂的阴离子，妨碍了岩浆的自由变形，粘性就高些。

可以通过岩浆的气泡来判断粘性，气泡多的粘性大，气泡小的粘性小。

火山喷发的产物

1. 气体：以水蒸汽为主，常达60%，其次是$CO_2$、硫化物，以及少量$CO$、$H_2$、$HCl$、$NH_3$、$NH_4Cl$、$HF$等。

   气体逸出量的变化预示火山活动的进程。

2. 固体：已冷凝或半冷凝或未冷凝岩浆（在空气中冷凝）的固体。

   根据性质和大小分为：

   • 火山灰：粒径小于2mm的碎屑物。

   • 火山砾：粒径2~50mm，形态不规则，常为棱角。

   • 火山渣：粒径数厘米到数十厘米，不规则，多空洞，似炉渣。

   • 火山弹：粒径大于50mm，由喷出的岩浆滴在空中冷凝而成。

     外形多样，常纺锤状、球状、次圆状。

     外壳常因快速冷凝收缩成裂纹，内部多孔洞。

   • 火山块：粒径大于50mm，常为棱角状。

3. 液体：喷出地表丧失了气体的岩浆，可以沿着斜坡或山谷流动，前端呈舌状。

   注意，许多时候，岩浆外部已经冷凝，而内部依旧是熔融可以流动的状态，完全冷凝熔岩的表面常常因此发生形变。

沉积岩

受外力（如重力、风力等）作用凝结成的岩石，沉积物大部分来源于地表的沉积岩、火成岩、变质岩，其次是动植物碎片、火山喷发物质，还有宇宙物质陨石、宇宙尘等，主要分布在地壳表层，占地壳岩石总体积的7.9%，在地表出露的三大类岩石中，占面积的75%。

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沉积构造

指沉积岩各个组成部分在空间的分布状态和排列方式，一般在沉积岩形成的同时或早期生成，有以下类型：

1. 层理：指沉积岩的成层性，由岩石不同部分的差异引起的，反应了不同时期沉积作用性质的变化。各层纹相互平行，可形成于两种不同的环境：

   • 水平层理：形成于平静的水介质中，成分以泥质、粉砂泥质颗粒为主，质地细腻，层理面容易拨开。
   • 平行层理：形成于不稳定的水体条件，成分以砂质颗粒为主，形成微细的沙脊和沙沟，平行交替排列，质地粗糙，常伴有冲刷痕。

2. 波痕：指层面呈有规律的波状起伏的构造，是沉积介质动荡的标志，见于有碎屑结构岩层的顶面。

3. 泥裂：指岩层表面垂直向下的多边形裂缝构造。裂缝在表层张开大，向下呈楔形尖灭。

4. 缝合线：指岩石剖面中呈锯齿状起伏的曲线，沿缝合线岩层易劈开。见于两块岩石相互挤压，融合。

5. 结核：指沉积岩中由某种成分的物质聚集而成的团块，形状多样，常为圆球形、椭球形、透镜状及不规则形。

6. 印模：沉积岩上的凹入或凸出，可发生于雨水冲刷等。

变质岩

占地壳总体积的27.4%，在地面的分布范围较小，也不均匀，由岩石在固体状态下，发生变质作用（矿物成分、化学成分、岩石结构的变化）而形成。

变质作用主要发生在地表以下一定深度（沉积作用发生在地球的表层），而且过程缓慢。

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引起变质作用的的因素

1. 温度：岩石受到较高温度时，固态岩中矿物的原子、离子、分子的活动性会增强，从而引起各种反应，导致岩石变化。一般分为4个等级：
   • 很低级变质：小350℃
   • 低级变质：350~550℃
   • 中级变质：550~650℃
   • 高级变质：大于650℃
2. 压力：

   • 静压力：上覆岩石的重量引起的，随着埋藏深度增加而增大，对岩石的作用力各方向均等，如同人在水中感受到的压力一样。

   • 流体压力：静压力通过循环与岩石孔隙中的流体传递叫做流体压力。

   • 定向压力：作用于地壳岩石的侧向挤压力，类似于两个相邻岩石做相对运动受到的力，具有方向性。

     两侧的作用力相反，位于同一直线称为挤压应力，错开的称为剪切应力。

3. 化学活动性流体：以 $H_2O$、$CO_2$ 为主并含有其他易挥发、易流动物质的活泼流体化学物质，将岩石的一些元素溶滤出来引起的岩石化学成分的变化。

风化作用

风化作用是指地表或接近地表的矿物和岩石，通过与大气、水以及生物的接触，发生物理的或化学的变化，转变成松散的碎屑物甚至土壤的过程，有：

1. 物理风化：由物理原因引起。

   类别	详情
   热胀冷缩	⋯
   冰劈装用	⋯
   层裂	⋯
   盐分结晶的撑裂作用	⋯

2. 化学风化：地表岩石在水、氧及二氧化碳等作用下发生化学成分变化,使其成分分解，易溶解者流失，难溶解者残留原地，并产生新矿物的作用。

3. 生物风化：由生物活动引起。