地球上原本就有岩石吗？各种岩石都是怎么来的？ 第1页

地球上的岩石种类有很多，但是大致可以分为火成岩、变质岩和沉积岩三大类。这里说说每一类中的一些常见岩石的来历。

首先，从地质学的角度，地球的表面可以大致简化为下图这样的模型：

我们现在就来看下模型中的每个区域都有什么岩石，以及它们是怎么来的。

这里有必要先澄清几个易混淆的概念。第一，岩石圈（lithosphere）和地壳（crust）不是一回事。岩石圈是包括了地壳和地幔最上层（uppermost mantle），它的下方为软流圈（asthenosphere）。而地壳又分为海洋地壳（oceanic crust，又叫洋壳）和大陆地壳（continental crust，又叫陆壳）。

我们平常在讨论“版块”（plate）的时候其实是在说岩石圈。在通俗的情况下，如果一个版块的上方大多数区域为海洋地壳（例如上图中大洋中脊到海沟之间的那一块），这个板块就是海洋板块。如果其上方有明显的大陆地壳，则这个版块就是大陆板块（例如上图中最右侧的版块，以及从图最左侧到大洋中脊的这一板块）。不过如果具体到某个地点，我们一般会讨论海洋地壳或大陆地壳，而不是海洋板块或大陆板块。

第二，岩石（rock）和矿物（mineral）的区别需要注意。岩石是一种或多种矿物的混合体，而矿物是天然形成的固态纯净物（包括单质、化合物）。

第三，地幔不是液体的，不会哗啦啦地流，而只是缓慢地对流。下面我们开始说岩石的形成。

地球早期岩石

最初，地球和太阳系的其他行星（至少是其它类地行星）是同时形成的。地球形成之初是一颗混沌一体的星球，和现在宇宙中的球粒陨星（chrondrites）的结构类似，并没有地核、地幔和地壳的分层。但是，在地球形成之后约5千万年，一颗火星大小的星球希亚星（Theia）撞上了地球，产生了巨大的能量，几乎将地球整体熔融（一部分物质被撞离地球，形成了月亮）。在这一过程中，地球开始分层。地球上比较重的物质，比如铁和镍，开始往地球中心沉降，分化形成了铁质的地核。剩下的镁、铝、硅、碳、氧、钙、钠等较轻元素组成的物质浮在地核外面，形成了原始地幔（primitive mantle）。那些较重的物质向地心沉降的分化过程中，重力势能被释放，因此地幔能够不断吸收能量，保持温度，并且能够有所对流，这也为地磁的形成提供了一定的条件。

之后，地球进入了冷却期，热量以长波辐射的形式被送往空间。冷却最快的是最外层，温度降到了一些矿物的熔点以下（例如石榴石、尖晶石、橄榄石、辉石等）。这些矿物开始形成固态晶体，而这些晶体就在地幔的上部组成了二辉橄榄岩（lherzolite）、橄榄岩（peridotite）、纯橄榄岩（dunite）、辉岩（pyroxenite）、斜方辉橄岩（harzburgite）、矾石（websterite）等地幔岩石（mantle rock），形成了最早的岩石圈（lithosphere）。这些岩石的厚度并不均匀，薄弱的地方后来就成了板块的生长边界。在这一过程中，彗星为地球带来了水，岩石的上方开始形成海洋。

火成岩

有了这些最初的岩石，后来也就有了各种其他岩石的形成。首先是火山活动造就的各种火成岩（igneous，也叫岩浆岩）。当然，前面那些早期岩石也是火成岩，由于含硅极少，它们被归为超基性火成岩（Ultramafic）。火山活动大致可以分为三类：大洋中脊（Mid Ocean Ridges），火山岛(Volcanic Islands)和火山弧(Volcanic Arcs)。首先我们看大洋中脊：

在部分地区，板块（岩石圈）向外漂移，导致岩石圈变薄。岩石圈薄了，其下方的压强就要变小，导致岩石熔点变低，这样就产生了大量的岩浆，形成岩浆室。岩浆向上涌动，从薄弱处流出地球表面再冷却，就形成了大洋中脊。大洋中脊形成的火成岩组成了海洋地壳。海洋地壳的主体部分是辉长岩（gabbro），这是一种侵入性火成岩，是在板块岩石内部逐渐冷却而形成的。少部分岩浆在大洋中脊的顶端浸入海水中，急速冷却，形成了喷出型的玄武岩（basalt），也就是大部分海洋地壳的表面。

第二种火山活动是火山岛（Oceanic Islands或Volcanic Islands，最典型的是夏威夷群岛，其余还有大溪地、毛里求斯、法罗群岛和佛得角群岛等）。

这种火山活动位于板块的中心。在那些地方，高温的地幔热柱（mantle plume）从地幔深处向上升起，形成热点（hot spot）。因其温度特别高(比正常岩浆高200摄氏度左右)，而得以穿过海洋板块的岩石圈，冷却后在海洋中间形成火山岛。由于它的岩浆是来自于比较深的地幔，因此它的化学成分和形成于大洋中脊的岩石有所区别。比如它含有更多的钾、钡、锆、钛等元素。这些岩浆在地球表面形成的火成岩堆积隆起至海平面以上，就形成了火山岛。

火山岛的岩石根据钾、纳、铁等元素的含量，可分为两大系列。第一种系列以夏威夷群岛为典型，含有较多的铁，统称为拉斑玄武岩系列（tholeiitic trend），其来源岩浆分为橄榄玄武岩（olivine normative basalt）、石英玄武岩（quartz normative basalt），冰岛玄武岩（basaltic icelandite）、冰岛岩（icelandite）等种类。第二种系列可以在大多数其它火山岛上找到。该系列和拉斑玄武岩相比，地幔的部分融化（partial melt）程度较小，含有更多的碱金属，且有碳酸钙参与反应。该系列名为碱性玄武岩系列（alkaline trend），可以分为橄榄粗安玄武岩（mugearite）、夏威夷岩（hawaiite，虽然它在夏威夷群岛的含量很小，却以夏威夷命名）和粗面岩（trachyte）等多种岩石。由于板块在移动而地幔热柱的位置并不随之移动，因此火山岛经常成串出现（原理类似于打点计时器）。至于地幔热柱的产生原因，学术界尚有争议。有人认为是纯粹的热力学原理，有人认为和地球自转有关，也有人认为是俯冲到地幔的板块搅动地幔所致。在比较特殊的时候，大洋中脊和地幔热柱会重合（例如加拉帕格斯群岛和冰岛）。这样，由地幔热柱形成的火成岩会被大洋中脊再次融化。由于原火成岩在初次融化和凝结的形成过程中已经让硅含量升高（典型冰岛岩的硅含量为60%-70%），再次融化和凝结会产生出硅含量更高的流纹岩（rhyolite，硅含量可达到74%）。

第三种火山活动是火山弧，它和板块的俯冲活动有关。

火山弧又分为两种：当一块海洋地壳俯冲到另一块海洋地壳之下，会形成岛屿火山弧，典型的如阿留申群岛、斯科特群岛和马里亚纳群岛等；当一块海洋地壳俯冲到一片大陆地壳之下，会形成大陆火山弧，典型的如安第斯山脉、勘察加半岛和美国喀斯凯德山（包括圣海伦火山和雷尼尔火山的山脉）等。其中，大陆火山弧所产生的火成岩就组成了现有的大陆地壳。其分层和形成机理如下：

俯冲入地底的海洋地壳受热熔化（其板块中包含的水也降低了它的熔点）形成岩浆。岩浆里的矿物有不同的熔点，在冷却的过程中开始分批结晶，形成岩石。其中，含硅最少的岩浆会在大陆地壳的最下部分形成辉长岩。但是和海洋板块的辉长岩不同，由于高温的超临界水的作用，这里的辉长岩会发生不同程度的变质作用，从而含有角闪石，故被称为角闪石辉长岩（hornblende gabbro）。含硅稍多一点的岩浆会在辉长岩的上方形成一层闪长岩（diorite），即为大陆地壳的中间层。有时候，炽热的岩浆会通过下层地壳中的裂缝侵入闪长岩层，将闪长岩部分熔化，形成含硅更多的熔体（melt）。这些熔体会流向闪长岩的上方，在那里结晶凝固，进而形成含硅更多的花岗闪长岩（granodiorite）和英云闪长岩（tonalite），组成大陆地壳的顶层。如果这些熔岩从火山口喷出地表并迅速冷却，会形成相应的喷出型火成岩（即火山岩），包括安山岩（andesite）和英安岩（dacite）等。

在部分地区，大陆地壳因为拉伸而变薄，因此岩浆有机会侵入到地壳最上层的花岗闪长岩和英云闪长岩地层，并将它们部分熔融。这样，在熔体再度缓慢结晶后，就会形成含硅最多的花岗岩（granite）。如果这种熔体喷出地表快速凝固，就会形成流纹岩（rhyolite）。由于流纹岩含硅量大，粘滞性强，因此经常形成破坏性的火山喷发。这一系列火成岩被称为钙碱性火成岩系列（calc-alkaline trend）。

变质岩

火成岩形成以后，并非一直不变。火成岩经过变化，会成为变质岩（metamorphic rock）或沉积岩（sedimentary rock）。这里先简单说下变质岩。在海底，特别是在大洋中脊附近，海水会经过水热反应（hydrothermal alternation）进入海洋板块（可以查阅黑烟囱等知识）。当海洋地壳俯冲到地幔之后，这些海水会在高温高压下形成超临界水，并进入上地幔（岩石圈下层）。在那里，超临界液体、高温、高压使得原有的地幔岩石产生变质反应，形成榴辉岩（eclogite，更高压强条件下形成，含有石榴石和绿辉石等矿物）和蓝片岩（blueschist，压强温度较榴辉岩低，常含有蓝闪石、方解石、绿泥石、绿帘石、石榴石和白云母等矿物）。部分辉长岩中的橄榄石也会和超临界液体反应，形成含有蛇纹石（serpentine）等矿物的变质岩。

变质岩一般产生于高温高压的环境下。除了俯冲带，另一种产生变质岩的地方为高山地区，特别是两个大陆相撞形成的山区，如喜马拉雅山脉和阿尔卑斯山等。这种大规模形成的变质岩被叫做区域变质岩（regional metamorphism），而其又根据形成时的温压条件和所含的矿物，被分为很多变质相（facies）。

上面提到的榴辉岩和蓝片岩两个相被称作极高压变质相，因为它们都产生于地幔的超高压环境。比它们的压强稍低的变质相被称作中高压变质相，而这些相就形成于高山的基底部分。根据温压的不同，它们又可以分为沸石（zeolite，含有浊沸石、绿泥石和钠长石等矿物）、葡萄石-绿纤石（prehnite & pumpellyite，含有绿纤石、绿泥石、钠长石、白云母和石英等矿物）、绿片岩（greenschist，含有钠长石、钾长石、石英、黑云母、白云母、绿泥石、方解石和阳起石等矿物）、角闪岩（amphibolite含有黑云母、白云母、十字石、石英、蓝晶石和斜长石等矿物）和麻粒岩（granulite，含有蓝晶石、斜长石、钾长石等矿物）等五个相。这五个相在高山带的分布大约是由浅到深，温度也由低到高。

变质岩还可能产生于高温但低压的环境下。例如，岩浆经过裂缝入侵地壳，在岩浆室的周围，岩石受热但却没有熔化，可以发生变质作用。这样的变质岩被称为接触性变质岩（contact metamorphism），而它们对应的变质相为低压变质相。低压变质相根据温度的不同又可以细分为钠长绿帘角岩（albite-epidote hornfels）、普通角闪石角岩（hornblende hornfels）、辉石角岩（pyroxene hornfels）和透长岩（sanidine）等四个相。由于这些相产生时的压强较小，因此从形态上看，相比于前面提到的那些中高压或极高压相的岩石，这些低压相的叶理（foliation，即因高压而将岩石所含矿物压出的一层一层的纹理）要弱很多。

沉积岩

还有一种岩石大类为沉积岩。和变质岩经常产生于地质活动活跃的板块俯冲带不同，沉积岩一般形成于地壳活动不那么活跃的大陆架浅海和海底，以及广泛分布于陆地的表面。火成岩和变质岩经过物理或化学的侵蚀（流水、冰川、植物、风吹、潮汐……），会脱离或碎裂，并被流水、冰川或风搬运往别处。在能量较低的地方（平原、湖泊、沙滩、浅海、冲积扇、三角洲……），这些碎屑会沉降下来。较大的颗粒会首先沉积，一般分布在沉积层的最下方，或者是离其来源更近的地方。较小的颗粒可以被带往更远的地方，例如深海。它们一般沉积在浅层。经过石化作用（lithofication）以后这些沉积物就会变成沉积岩。

根据颗粒大小形态和沉积环境，沉积岩可以分为很多不同的种类。这里只以海滩为例：

近岸部分由于受海潮影响，能量较高，颗粒也就较大，被称作砂岩（sandstone）。有时候岸上还会有颗粒更大的砾岩（conglomerate）。离岸较远的大陆坡下方，海水较平静的地方，颗粒更小的沉积物会堆积，形成页岩（shale）。而在更深的深海，会形成颗粒更小的泥岩（mudstone）。在热带浅海、珊瑚礁或者潟湖里会形成含碳酸盐的石灰岩（limestone，含有方解石、白云石和霰石等矿物），根据它的颗粒大小和排列方式，石灰岩等碳酸岩还可以分为很多小类。潟湖里还会有因水分蒸发而形成的矿物组成的岩石。生物残骸会被埋在沉积物里，形成化石（fossil）或软泥（ooze）。还可能有一些比较特殊的沉积岩，例如火山爆发形成的碎屑岩等。

岩性转化

三大岩石种类（火成岩、变质岩和沉积岩）之间是可以相互转化或者自我转化的。比如变质岩和沉积岩可能随着板块俯冲进地幔并熔化，当它们再次喷出地表形成岩石时，就成为了火成岩。火成岩和变质岩经过侵蚀、沉积等作用，可以形成沉积岩。而火成岩和沉积岩在高温高压的条件下，也可以形成变质岩。

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