[科普中国]-岩石圈

释义

岩石圈，地质学专业术语，是地球上部相对于软流圈而言的坚硬的岩石圈层。厚约60~120公里，为地震高波速带。由地壳和上地幔顶部组成。岩石圈下面是软流圈。岩石圈可分为6大板块：欧亚板块、太平洋板块、美洲板块、非洲板块、印度洋板块、南极洲板块 。岩石圈的厚度因地而异。一般而言，大陆地壳的岩石圈厚度大于海洋地壳的岩石圈厚度，但是其具体深度存在争议。1

特点地表形态的塑造过程也是岩石圈物质的循环过程，它们存在的基础是岩石圈三大类岩石-岩浆岩、变质岩和沉积岩的变质转化。

在地球内部压力作用下，岩浆沿着岩石圈的薄弱地带侵入岩石圈上部或喷出地表，冷却凝固形成岩浆岩。裸露地表的岩浆岩在风吹、雨打、日晒以及生物作用下，组件崩解成为砾石、沙子和泥土。这些碎屑被风、流水等搬运后沉积下来，经过固结成岩作用，形成沉积岩。同时，这些已经生成的岩石，在一定的温度和压力下发生变质作用，形成变质岩。岩石在岩石圈深处或岩石圈以下发生重熔再生作用，又成为新的岩浆。岩浆在一定的条件下再次侵入或喷出地表，形成新的岩浆岩，并与其他岩石一起再次接受外力的风化、侵蚀、搬运和堆积。如此，周而复始，使岩石圈的物质处于不断的循环转化之中。

我们今天看到的山系和盆地，以及流水、冰川、风成地貌等，是岩石圈物质循环在地表留下的痕迹。

另外对于地球岩石圈，除表面形态外，是无法直接观测到的。它主要由地球的地壳和地幔圈中上地幔的顶部组成，从固体地球表面向下穿过地震波在近33公里处所显示的第一个不连续面（莫霍面），一直延伸到软流圈为止。岩石圈厚度不均一，平均厚度约为100公里。由于岩石圈及其表面形态与现代地球物理学、地球动力学有着密切的关系，因此，岩石圈是现代地球科学中研究得最多、最详细、最彻底的固体地球部分。由于洋底占据了地球表面总面积的2/3之多，而大洋盆地约占海底总面积的45%，其平均水深为4000～5000米，大量发育的海底火山就是分布在大洋盆地中，其周围延伸着广阔的海底丘陵。因此，整个固体地球的主要表面形态可认为是由大洋盆地与大陆台地组成，对它们的研究，构成了与岩石圈构造和地球动力学有直接联系的"全球构造学"理论。2

组成元素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%。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%，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%。

矿物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3，000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：

1、长石

是构成地壳的最主要的一类矿物，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，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、至钙斜长石、的一系列种类和成分的变化。

2、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，无解理，贝壳状断口，具典型的玻璃光泽，硬度7，性硬，比重2.5~2.8。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。石英性质稳定，难于风化。

3、云母

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2~3，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。

4、角闪石

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5.5~6，比重3.1~3.3，二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5~6，比重3.2~3.6；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。

5、橄榄石

粒状，橄榄绿色，玻璃光泽，硬度6.5~7，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。3

岩石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，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，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%。

1、火成岩

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%。

2、沉积岩

暴露在地壳表部的岩石，在地球发展过程中，不可避免地要遭受到各种外力作用的剥蚀破坏，然后再把破坏产物在原地或经搬运沉积下来，再经过复杂的成岩作用而形成的岩石，就是沉积岩。沉积岩的形成过程一般可分：先成岩石的破坏（风化作用与剥蚀作用）、搬运作用、沉积作用和固结成岩作用几个互相衔接的阶段。

沉积物变为沉积岩的过程既复杂又多样。

3、变质岩

无论什么岩石，当其所处的环境与当初岩石形成时的环境发生变化后，岩石的成分、结构和构造等往往也要随之变化，以便使岩石和环境之间达到新的平衡关系。这种由地球内力作用引起的岩石性质的变化过程总称为变质作用。由变质作用形成的岩石，就是变质岩。变质岩的特点，一方面受原岩的控制，而具有一定的继承性；一方面由于变质作用的类型和程度不同，而在矿物成分、结构和构造上具有一定的特征性。

发现过程从18世纪开始科学考察深入地下，通过地震波记录获得的地球物理资料揭示固体地球是由不同圈层构成的。人们认识到地球不是一个均质体，地球在其曲折动荡的46亿年里形成了一套包括地核、地幔和地壳在内的复杂系统。地球圈层分为地球外圈和地球内圈两部分。地球外圈有大气圈、水圈、生物圈和岩石圈四个部分；地球内圈进一步划分为地幔圈、外核圈和内核圈三个基本圈层。此外在地球外圈和地球内圈之间还存在一个软流圈，它是一个过渡圈层，位于地面以下平均深度约150公里处。岩石圈、软流圈和地球内圈一起构成了固体地球。

岩石圈是巴雷尔在1914年根据板块理论提出的地球圈层概念。岩石圈包括地壳和上地幔的上部。岩石圈厚度不均一，大洋部分在洋中脊的最新部分只有6～8千米，在最老部分则有100千米；大陆岩石圈厚一些，大都在100～400千米之间。岩石圈厚度和地球的半径比较，几乎可以忽略不计。由于地壳和上地幔顶部都是由岩石组成的，所以地质学家们把它们统称为岩石圈。

地壳是地球表面的构造层，只占地球体积的0.8%。据其性质可分大陆地壳和大洋地壳。地壳和地幔之间以莫霍面分界。大陆地壳一般厚度为33-35千米。我国青藏高原是世界上地壳厚度最大的地区之一，平均厚度达70千米。大陆地壳覆盖地球表面的45%，化学组成以硅铝质为特点。大洋地壳极薄，从上到下由三部分组成：海洋沉积物层平均厚度约300米(洋中脊附近几乎为零)；镁铁质火成岩层以玄武岩和辉长岩为主，厚度为1.7±0.8千米；海洋层主要是地幔顶部水化作用形成的蛇纹岩，厚度为4.8±1.4千米。洋壳的厚度、年龄随距洋中脊的距离加大而变厚、变老。洋壳和陆壳岩石组成上最明显区别在于洋壳中至今没有发现花岗岩层，而在大陆地壳中花岗岩体却大面积分布。

地幔是位于地球金属地核之外的巨厚硅酸盐圈层，占地球体积的82%。地幔由于受到放射性同位素衰变的加热，引起地幔内部的大规模物质对流，通常认为板块运动就是由这一对流驱动的。地幔与地核的分界面为古登堡面。

软流圈是巴雷尔和岩石圈同时提出的地球圈层概念。它位于上地幔低速层之下至过渡层上部。软流层温度较高，刚性较弱，能够长期缓慢变形，相对低温的、刚性的岩石圈可作为一个整体漂流在软流圈之上。1915年，德国地球物理学家魏格纳提出了大陆漂移学说。到20世纪六十年代，板块构造学说问世。认为连续的地震活动带把岩石圈分裂分割成若干个大小不同的板块在软流圈上漂移。实际上，不仅大陆板块在漂移，大洋板块也在漂移。科学家们在古气候、古生物、古地磁和深海钻探等方面都找到了大陆飘移的证据。3

物质循环岩浆岩岩浆岩：是由地壳内部上升的岩浆侵入地壳或喷出地表冷凝而成的，又称火成岩。岩浆主要来源于地幔上部的软流层，那里温度高达1300℃，压力约数千个大气压，使岩浆具有极大的活动性和能量，按其活动又分为喷出岩和侵入岩。

未达到地表的岩浆冷凝而成的岩石叫侵入岩。深成侵入岩颗粒较粗。浅成侵入岩颗粒细小或大小不均。喷出岩是在岩浆喷出地表的条件下形成，温度低，冷却快，常成玻璃质、半晶质或隐晶质结构，具有气孔、流纹等构造等。

岩浆岩常见的如在地壳中分布很广的中粗粒结构的侵入岩——花岗岩，气孔构造发育，黑色致密的玄武岩，流纹构造显著的酸性喷出岩——流纹岩等。

沉积岩沉积岩：是地面即成岩石在外力作用下，经过风化、搬运、沉积固结等沉积而成，其主要特征是：①层理构造显著；②沉积岩中常含古代生物遗迹，经石化作用即成化石；③有的具有干裂、孔隙、结核等。常见的沉积岩有：直径大于3毫米的砾和磨圆的卵石及被其它物质胶结而形成的砾岩，由2毫米到0.05毫米直径的砂粒胶结而成的砂岩，由颗粒细小的粘土矿物组成的页岩，由方解石为其主要成分，硬度不大的石灰岩等。

变质岩变质岩：是岩浆岩或沉积岩在变质作用下形成的一类新岩石。和前两类岩石主要区别是变质岩属重结晶的岩石，颗粒较粗，不含玻璃质和有机质的残体。其主要特征是：①有的具有片理（片状）构造如片岩；②有的呈片麻构造（未形成片状），岩石断面上看到各种矿物成带状或条状等，如花岗片麻岩；③有的呈板状构造，颗粒极小，肉眼难辨，如板岩。常见的变质岩如由方解石或白云石重新经过结晶而成的大理岩，由页岩和粘土经过变质而形成原解理状的板岩，由片状、柱状岩石组成的片岩，多由沉积岩和岩浆岩变质而成的片麻岩，由砂岩变质而成的石英岩等。

厚度分布利用不同物理性质所估计的岩石圈厚度可能具有不同的地球动力学意义。大陆岩石圈等效弹性厚度往往只与岩石圈内部的某些岩层相关，因此它可能不代表一般意义上的岩石圈厚度。

地震学岩石圈厚度虽然有较高的精度，但依赖于人为地对岩石圈的定义；并且其具有的短时间尺度效应决定了它与长时间尺度的岩石圈概念不一致。

热学岩石圈厚度体现了长时间尺度上的岩石圈热学作用，因此其厚度定义的标准是较合理的。

地震-热学岩石圈厚度研究利用地震波速反演得到的温度数据按照热学岩石圈标准来对岩石圈厚度进行研究，具有地震学和热学岩石圈厚度两者的优点，是较合理的对岩石圈厚度的估计。中国大陆地震-热学岩石圈厚度分布有如下特点：

（1）中国东部岩石圈较薄，厚度约100km，其中包括中国东北、中朝克拉通、扬子克拉通东部和华南造山带。

（2）青藏高原和塔里木克拉通以南地区的厚度变化较大，厚度约在160-220km。

（3）三大克拉通的岩石圈厚度有较大区别，扬子克拉通的核心最厚达约170km，塔里木克拉通的核心厚度约140km ，中朝克拉通的厚度约100km。

（4）昆仑秦岭造山带的岩石圈上地幔内部较复杂，可能有大面积的部分熔融。

（5）整个大陆岩石圈厚度分布并没有显示出与地壳年龄的线性相关关系，却表现出了与大地构造格局的直接关系。受板块碰撞强烈影响的地区，岩石圈较厚；受大洋俯冲带影响较强的地区，岩石圈较薄。

重要资源矿产资源例如中国的东北、华北、苏皖、四川盆地以及鄂尔多斯等地区，在岩层中埋藏有丰富的煤炭资源；中国松嫩平原、下辽河平原、华北平原、江汉平原、鄂尔多斯、西北各大型盆地以及东部与南部海域的沉积岩层内，有丰富的油气资源；中国辽宁、山东、山西、河北、湖北以及内蒙古等地区的前古生代变质岩层中，赋存有铁矿；中国山东的岩浆岩内盛产金矿；江西、广西、云南、贵州和湖南等省的岩浆岩中，产有钨、锑、锡、铜等特种金属与有色金属矿；此外，各地的若干岩浆岩、变质岩和沉积岩岩石，本身就是建筑材料资源。

环境资源环境资源是指，除上述矿产资源之外可以提供人类利用，或有重要科研价值的各种地质体和地质现象。

主要包括：①地质景观资源，如中国湖南张家界由泥盆纪石英砂岩形成的峰林景观，北京房山碳酸盐岩石形成的石花洞岩溶洞穴景观等；②地质遗迹资源，如中国黑龙江五大连池与山西大同的火山遗迹，中国河南西峡白垩纪岩层中的恐龙蛋化石群；③地质空间资源，即岩石所占据的空问，可以用来储存和处置各类废料，包括核废料，或开辟作为地下油库、地下仓库、地下核试验的场地等；④地质生态资源，如岩石中对人类健康和生物生长发育有特殊生态优势或其他用途的化学场和物理场等，都是可以利用的环境资源。2