岩石学

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  岩石学汉语拼音:Yanshixue;英语:Petrology),研究地壳及上地幔上部的岩石的分布、产状、矿物组成、化学成分、结构、构造、分类命名、成因、演化历史以及它与成矿的关系的地质学分支。来自宇宙陨石月岩也是岩石学的研究对象。岩石本身的利用和人造岩石也属岩石学研究范畴。岩石学常被分为岩理学岩类学。岩理学主要研究岩石的成因,早期多指与火成岩有关的成因研究;岩类学主要是鉴定岩石的成分和结构构造,进行岩石特征的描述和分类,又称描述岩石学岩相学

  作为自然体系的岩石组合,其成因是复杂的,受诸多因素所制约,并且与地壳演化有着密切的联系。有成效的岩石学研究,一方面要摆脱传统观点的束缚,从单纯岩石的描述中解放出来;另一方面也要防止简单化的趋向,把复杂的成因问题纳入简单的成因模式。要掌握更多的岩相学、区域地质学资料,充分搞清各种岩石之间野外关系,加强岩石组合和岩石的物质组分(包括矿物学地球化学)的研究,从而进一步引出客观存在的形成条件和岩石构造历史,并从物理化学基础理论来阐明其内在联系和发生的根本原因。此外,从全球构造观点,总结分析岩浆建造、变质建造和沉积建造的时空分布规律,这些将是岩石学的基本任务。

简史

  岩石学的历史可分为下列时期:

  萌芽时期 在古代,岩石和矿物统称为“石”。最早有关矿物岩石性状的记载是中国的《山海经》和古希腊泰奥弗拉斯托斯的《石头论》。古希腊哲学家泰勒斯的“一切都来自于水,又复归于水”论断,可以看作关于沉积岩思想的萌芽。

  孕育时期 18世纪后半叶至19世纪初,德国地质学家A.G.维尔纳为首的弗赖堡学派倡导水成说,认为所有岩石都是浑沌水的沉淀物。英国自然科学家J.赫顿于1788年提出了火成说,认为在地热的影响下形成的熔融物可经火山活动形成火山岩,或在深部结晶形成花岗质岩石。两派各以自己的观点排除对方,把所有的岩石基本看成是同一成因。1830年英国自然科学家C.莱伊尔提出岩石的成因分类,分为水成岩类、火山岩类、深成岩类和变质岩类。深成岩类包括花岗岩和片麻岩类。从“水火之争”到莱伊尔以多种成因观点代替单一成因观点的岩石分类,是岩石学孕育阶段的主要标志。

  形成时期 开始于19世纪中期至20世纪50年代。这一阶段,野外地质调查和区域性地质制图有了较大的发展,使得历史对比法在岩石学的各个领域得到了广泛的应用,厘定了各类岩石组合与其形成地质环境的联系,加深了对岩石成因的了解。现代的显微岩石学,是英国地质学家H.C.索比偏光显微镜运用于砂岩石灰岩黏板岩的观察而开始的。德国F.齐克尔在1866年《描述岩石学教科书》中,对岩石的许多亚类作详细阐述。齐克尔1873年出版的《矿物和岩石在显微镜下特征》和K.H.F.罗森布施的《岩相学主要矿物在显微镜下结构》,奠定了显微岩石学的基础。19世纪末至20世纪早期,是岩石化学的形成时期。美国F.W.克拉克和德国的A.奥桑是这方面的创始人。C.W.克罗斯与美国H.S.华盛顿等人合作研究从地表至10英里深处物质平均成分,发表了《火成岩平均成分》(1922)、《地壳成分》(1924)等重要著作,创造了CIPW(四氏)岩石化学计算法。挪威岩石学家J.H.L.福格特用矿渣作材料进行高温熔融实验,说明硅酸盐中的共熔关系,确定矿物的结晶顺序,并把它运用于天然岩石。美国岩石学家N.L.鲍温在1928年发表《火成岩的演化》,提出了钙碱性岩浆中矿物析出的反应系列及其原理,习称“鲍温反应原理”,奠定了岩浆分异作用理论基础。在变质岩岩石学方面,挪威地球化学家V.M.戈尔德施密特芬兰岩石学家P.E.埃斯克拉将物理化学中的相律运用于岩石学,创立了变质相的概念。

  发展时期 第二次世界大战结束以后,特别是20世纪50年代以来,通过国际性多学科地学研究活动的开展,板块构造学说兴起并不断发展,作为地质学科分支的岩石学进入了新的发展时期。X射线电子显微技术的发展,使岩石、矿物内部结构研究进入微区领域;微量分析技术如光谱,X射线荧光分析等的发展使稀土微量元素定量成为可能,为某些成岩作用的过程的研究提供了定量依据;质谱分析可以测定岩石和矿物中同位素组成,不仅提供了有关成岩作用的时间信息,对示踪岩浆演化、岩浆起源、岩石变质等原岩及其形成过程也都提供重要信息;高温高压实验能测定的压力达到108帕,约合深度600千米以下,可以模拟上地幔某些岩石的形成。新技术、新方法的应用为地壳早期岩石、洋底和深部地幔岩石的研究,积累了大量资料,推动了现代岩石学理论的完善。过去的一元或二元原始岩浆论已转变为受大地构造环境控制而形成的多元岩浆的观点,洋中脊、裂谷带、活动大陆边缘和陆内环境都有不同的岩浆组合。关于岩浆演化除了岩浆分异作用、岩浆同化作用之外,岩浆混合的观点,也日益受到重视。板块构造理论对沉积岩岩石学也有显著影响,现代沉积岩石学理论认为大型沉积盆地和它们的沉积中心与板块运动有关,板块的相互作用和板块构造环境是沉积盆地演化和各种沉积相形成分布的关键。用现代沉积作用和水动力环境的实验模拟资料来解决古沉积环境问题是沉积岩石学研究的生长点。变质相和变质相系的研究初步奠定了变质作用和大地构造的联系,而地幔地壳的相互作用所产生的热流是区域变质的根本原因。20世纪80年代以来变质作用的温度-压力-时间轨迹的研究揭示了变质作用历史与地壳构造演化之间的关系。

分支学科

  包括下列各学科:

  火成岩岩石学 研究岩浆作用形成的岩石的成分、结构构造及其形成条件和演化历史的学科。又称岩浆岩岩石学。运用现代实验技术、物理化学、流体动力学等理论,阐明各类岩浆的演化运移和冷却结晶等过程,依据岩浆岩区域地质分布结合大地构造单元,总结各类岩浆岩自然组合的时空分布规律。

  沉积岩岩石学 研究沉积物沉积岩的组成、结构、构造和成因的学科。包括沉积物和沉积岩物质成分、粒度及其生物化石群落等的研究;判定沉积环境和沉积物的源区,从而阐明古地理条件和恢复古构造;根据碎屑物和基质的比例,根据矿物颗粒和有机组分的分选性,进行沉积物和沉积岩的分类;根据化学沉积物的特点判定水体化学性质和海水深度等。

  变质岩岩石学 研究地壳内部发生的变质作用和变质岩的形成特点及其演变历史的学科。天体陨石对地球冲击引起的冲击变质亦属这一研究范畴。在地壳演化过程中,地幔、地壳的相互作用,引起区域热流和构造环境的变化,形成了一系列不同形变程度的变质岩。它们是变质作用在自然界的记录,是变质岩岩石学的主要研究对象。变质岩石学又可分为两个方向:①变质地质学。即研究变质作用与地壳演化的相互关系,包括变质体制、变质作用的地质环境,变质作用类型划分及其与地壳演化的联系等。②变质实验岩石学。研究变质反应的化学热力学化学动力学问题,用以阐明变质作用的物理化学条件。

  实验岩石学 主要通过高温高压的实验手段来进行各种化学反应的温度压力的测定。研究矿物、岩石体系相平衡和动力学机理,从而研究地球深部的物质组成、状态和物相转变等。

  工业岩石学 用硅酸盐工艺学的方法来研究和开发与硅酸盐矿物有关的资源。又称工艺岩石学

  地幔岩石学 高温高压技术的发展,可以系统地测定600千米深度地幔岩的矿物组分及其变化,它与野外地质观察和深部地球物理研究相结合,来研究地幔岩

  宇宙岩石学 研究月球陨石地球以外行星的岩石组成。

  岩石化学 研究岩石(特别是火成岩变质岩)的化学特征及其应用。又称化学岩石学。主要研究火成岩的酸度、碱度、铝饱和度;火山岩的系列类型;火成岩的矿物组合及含量,以及分类命名;岩浆演化机理;岩浆及火成岩的物理化学条件;火成岩的成因;火成岩与板块构造的关系和与矿产的关系等。

  构造岩石学 主要用岩组学、显微构造和构造学方法来研究岩浆岩侵入体和变质岩形成过程中构造形变。

与其他学科的关系

  岩石的形成与形成时的地质环境密不可分。岩石建造是地质环境的一种表现。为了阐明地质环境,区域地质学大地构造学构造地质学地层学的研究是必不可少的知识;矿物学地球化学可以阐明岩石中主要造岩矿物和元素迁移变化的规律,它们与化学热力学化学反应动力学相结合,可以说明岩石形成过程中可能的物理化学作用过程,以及岩浆发生的可能原岩。宇宙岩石学可以看作岩石学与天文学之间的联系环节,而地幔岩石学可以看作岩石学与地球物理学之间的桥梁,这两个分支学科扩大了岩石学研究的时空范围,所研究的深度可达600千米的地幔,时间可以上溯到40亿年左右,其研究成果为研究地球早期演化提供了基础资料。