简明地质学

I. 绪论

科学方法论

• 观测：根据科学仪器获取的定量或者定性的数据
• 假说：基于观测和实验数据获取的一种暂时的解释
• 理论：能够成功解释自然界某种现象的一系列自洽的假说

地质学

• 定义：研究地球的一门自然科学
• 作用：原材料和资源能源，工程建设地质资料，保护生态环境，预防自然灾害
• 方法：地质调查，物化分析测试，高温高压实验，数值模拟，高新技术，理论分析

内部圈层结构

1. 化学分层（密度差异显著）：地核（Fe，Ni），地幔（氧硅镁铁），地壳（氧硅铝）
2. 物理分层（固液，刚性塑性等）：岩石圈、软流圈、外核、内核
   1. 岩石圈：上地幔顶部和地壳组成的刚硬脆性层
   2. 软流圈：上地幔中S波降速的弱塑性变形区域

表层圈层结构：生物圈、水圈、大气圈、岩石圈

三大系统

• 板块构造系统：软流圈对流驱动岩石圈板块移动
• 地球发电机系统：液态外核的对流运动产生了地球磁场
• 气候系统

地球历史：地球年龄，宙代纪世（冥古宙、太古宙、元古宙、显生宙）

II. 板块构造系统

支柱：大陆漂移、海底扩张

古地磁证据

• 一系列古老磁极位置 \(\xrightarrow{\text{形成}}\) 视极移曲线，不同大陆岩石系列 \(\xrightarrow{\text{计算}}\) 差异显著的视极移曲线
• 视极移曲线 \(\Rightarrow\) 大陆漂移、地磁倒转和海底磁异常 \(\Rightarrow\) 海底扩张

海底扩张（Harry）：岩浆 \(\xrightarrow[\text{在洋中脊}]{\text{上升并逐渐固化}}\) 洋壳，洋中脊 \(\xrightarrow{\text{中线位置向两侧移动}}\) 洋盆不断拓宽，古老的洋壳子海沟位置 \(\xrightarrow{\text{向地幔俯冲}}\) 消亡

板块构造（Wilson）

\(\cdots\)	描述
岩石圈分割	分割为若干相对移动的板块
板块边缘	地质活动最强烈，岩石强烈变形
板块内部面积几乎不变	板块移动，大陆（板块上的一部分）也移动
地球总体积基本不变	新的地壳 \(\xrightarrow{\text{在洋中脊}}\) 生成，古老的洋壳子俯冲带消亡

\(\cdots\)	板块边缘
离散型（洋中脊）	洋壳与洋壳离散、陆壳与陆壳离散
汇聚型（俯冲带）	洋壳与洋壳汇聚、洋壳与陆壳汇聚、陆壳与陆壳汇聚
转换型（两段洋中脊之间）	洋中脊转换断层、大陆转换断层

\(\cdots\)	特殊地质构造
主动大陆边缘	汇聚板块边界，如东太平洋沿岸
被动大陆边缘	板块内部，如大西洋两岸

\(\cdots\)	板块分合及其动力源
威尔逊旋回	稳定大陆，大陆裂谷，洋盆打开，俯冲开始，洋盆缩减，陆陆碰撞，稳定大陆
超大陆	拼合和裂解，地球上大部分或所有的大陆块组合形成一个单一的大型陆块
三大动力源	地幔对流，洋中脊坡度重力推挤，俯冲板片拉拽

III. 矿物

定义：天然存在的、地质过程形成的、可定义化学组成（编写化学式）的无机固态晶体物质

1. 分类：五大类、硅酸盐的分类依据和典型代表
2. 用途：工业原料、科技工业原料、要用、环境气候示踪、珠宝玉石

晶体：晶体是一块表面由平滑晶面界定的矿物，至少在部分区域由规则且光滑的晶面组成，这些晶面是在晶体生长过程中形成的，晶面是由矿物中的原子按照规律且重复的方式排列形成的

1. 晶体结构：原子或离子以有序、固定的方式存在、被化学键锁定在固有位置上的三维几何排列，一般是对称的
2. 形成：熔岩固化结晶、溶液沉淀、气体沉淀、固态扩散、生物矿化
3. 破坏：熔融、溶解、化学反应、微生物代谢
4. 物理性质：形状、颜色、透明度、光泽、硬度、磁性、密度、解理、断口

IV. (i) 岩石

岩石：由一种或几种矿物或天然玻璃组成的、能够紧密结合在一起的、天然形成的固态集合体

三大岩类

1. 岩浆岩（火成岩）：岩浆或者熔岩冷却固结
2. 沉积岩：现存岩石破碎的颗粒碎片or从地表水溶液中沉淀出来的矿物晶体胶结在一起
3. 变质岩：现存岩石在温度or压力or化学环境发生改变时，其性质发生变化

三大岩类循环的过程

1. 地表岩石 \(\ce{->[\text{风化作用，形成碎片}]}\) 海洋 \(\ce{->[\text{沉积}]}\) 沉积岩
2. 沉积岩或洋壳（岩浆岩） \(\ce{->[\text{俯冲}]}\) 地幔深处 \(\ce{->[\text{加压加温，发生变质作用}]}\) 变质岩
3. 岩浆 \(\ce{->[\text{在软流圈形成}]}\) \(\ce{->[\text{在浮力的作用下上涌}]}\) 岩石圈乃至地表 \(\ce{->}\) 岩浆岩

四大化学成分

1. 超基性岩（如橄榄岩）
2. 基性岩（如辉长岩）
3. 中性岩（如闪长岩）
4. 酸性岩（如花岗岩）

IV. (ii) 岩浆岩

分类

1. 侵入岩：地下深处岩浆冷凝结晶
2. 喷出岩：岩浆喷出地表、冷凝固结

鉴定

1. 三大依据：结构、空无组成、化学组成
2. 结构：组成岩浆岩的物质的结晶程度、颗粒大小、颗粒形态、颗粒取向以及颗粒之间的相互关系
3. 四种结构：晶质结构、玻璃结构、气孔结构、碎片结构
4. 三种晶质结构：隐晶质结构、显晶质结构、斑状结构

IV. (iii) 岩浆

组成：液态的熔体、固态的矿物晶体、气态的挥发分

相图

1. 地温梯度：固体地球圈层内，温度随深度增加的速率
2. 固相线：（不同压力条件下）岩石熔融温度，固相线以下全为固态
3. 液相线：（在不同压力条件下）岩浆固化温度，液相线以上全为液态

形成

• 提升地温梯度线，与固相线相交：加温熔融、减压熔融
• 降低固相线，与地温梯度线相交：加水熔融

部分熔融

过程：橄榄岩部分熔融、基性岩石部分熔融、中性岩石部分熔融、酸性岩石部分熔融

• 软流圈橄榄岩部分熔融，形成玄武质岩浆
• 玄武质岩浆上升穿过岩石圈
• 玄武质岩浆在壳幔边界驻留
• 加热使得地壳底部的物质熔融形成中酸性的岩浆

IV. (iv) 岩浆冷凝

分异演化

鲍文反应序列：富含榄石成分的玄武质岩浆，随 \(T\downarrow\)

• 超基性岩（橄榄岩）：橄榄石、辉石
• 基性岩（辉长岩）：辉石、钙质斜长石
• 中性岩（闪长岩）：角闪石、中性长石
• 酸性岩（花岗岩）：石英、黑云母、白云母、钾长石、酸性斜长石

鲍文反应序列	系列	化学成份	内部结构
连续反应系列	钙长石（基性）、培长石、拉长石、中长石（中性）、奥长石、钠长石（酸性）	连续变化	无根本改变
不连续反应系列	橄榄石、辉石、角闪石、黑云母	差异	显著改变
不连续反应系列 以上两个联合	钾长石、白云母、石英

侵入作用

1. 侵入体：岩浆从深部上升至浅部并在周围岩石包裹下冷却结晶分异形成的岩浆岩块体
2. 柱状节理：基性熔岩因黏度小,快速冷凝收缩,形成与流动面垂直的六边形柱体

成矿：岩浆硫化物矿床、伟晶岩矿床、岩浆热液矿床

V. 火山

定义：由岩浆喷发或岩石碎片从一个通道喷射至地表而形成的地貌

分类（按喷发模式）：溢流式火山（粘度低，如基性，气体含量中低），爆炸式火山（粘度高，如酸性，气体含量高）

喷出物质

• 熔岩：基性熔岩（基性熔岩流，枕状熔岩），中性熔岩（块状熔岩）
• 气体：水蒸气、二氧化碳、二氧化硫（高温）、硫化氢（低温），氮气、氩、氦、氖、甲烷、一氧化碳、氢气

火山锥

名称	形态	组成	演化
盾状火山	宽阔、略呈圆顶状	溢流玄武岩熔岩堆积
火山渣锥	陡峭的侧壁 坡度在30到40度之间 松散物料稳定堆积最陡角度	喷射出的熔岩碎片	飞行过程中开始硬化 形成多孔岩石火山渣
复式火山	陡峭的轮廓	多层的硬化的熔岩 火山喷发碎屑 浮岩和火山灰	周期性爆发式火山喷发和溢流式喷发 流出的熔岩粘度较高 通常蔓延不远就冷却硬化

与板块构造关系

• 分布：主要在离散和汇聚型板块边界，板块内部也有
• 机制：地幔柱，减压熔融

火山灾害：破坏性的火山碎屑流，泥石流（火山泥流），熔岩流，下落的火山灰，火山弹

VI. (i) 风化

定义：地表或接近地表处岩石的物理破碎（解体）和化学改变（分解）的地质过程

物理风化和化学风化

• 物理风化（机械风化）：热膨胀、冻融作用、盐晶生长、片层剥蚀、生物活动
• 化学风化（矿物在化学上被改变或溶解）：溶解作用、水解作用、氧化作用、水合作用、生物作用

球形风化：四周被节理包围的均匀块状岩石，在化学风化与物理风化联合作用下，棱角消失，呈洋葱状圆化

VI. (ii) 沉积岩

岩石循环的地表过程：风化、剥蚀、搬运、沉积、埋藏、成岩

剥蚀和搬运

• 剥蚀：（雨水沿着山坡流动等）将风化产生的岩石颗粒从原始地区移动并带走的过程
• 搬运：（水体、空气、冰川）将沉积物颗粒运移到汇集区的过程
  • 分选：流速变化导致碎屑颗粒根据尺寸大小进行选择分离
  • 磨圆：砾石、鹅卵石、较大的沙粒被水流或气流运输，彼此碰撞或与下面的岩石摩擦，尺寸变小，粗糙边缘变圆

沉积作用

• 沉积盆地
  • 形成：地壳 \(\xrightarrow{\text{下沉}}\) 洼地，沉积物 \(\xrightarrow{\text{在地壳洼地}}\) 积累
  • 描述：填满了厚厚沉积物堆积的洼地，沉积物的汇集处
• 沉积环境
  • 定义：沉积物运移和沉积所经过的区域
  • 分组（根据地理位置）：大陆上的沉积环境、靠近海岸线的沉积环境、海洋中的沉积环境
  • 分组（根据沉积物种类）：硅质碎屑沉积环境、化学和生物沉积环境

成岩作用：将沉积物转化为沉积岩的物理和化学变化过程，有埋藏、压实胶结、岩化三个阶段

分类：硅质碎屑沉积岩（物理+化学风化）、化学沉积岩（化学风化）、生物沉积岩（生物作用）

• 硅质碎屑沉积岩：根据颗粒大小（反映沉积环境），粗粒为砾岩，细粒为泥岩，中间为砂岩
• 化学沉积岩：白云岩、铁质岩、蒸发岩
• 生物沉积岩：碳酸盐岩、燧石、有机岩、磷质岩

鉴别

1. 结构/构造：层理构造、波痕构造、生物扰动构造
2. 层状序列：具有不同类型沉积构造的沉积岩垂直堆积的层序
3. 矿物成分：看粒度大小，粗粒的以源岩的矿物组成为主，细粒的以石英、长石和黏土矿物为主
4. 化学成分：主要受控于源岩的化学成分，部分可溶性元素含量比较低，成分变化范围极大

VII. 变质作用

定义：由于温度、压力的改变和化学流体的作用（“三大诱因：温度、压力、流体”），使固态岩石的结构构造、矿物成分、化学成分发生变化，形成新矿物新岩石的地质作用

静岩压力：岩石中受到周围岩石的应力，随着深度增加而逐渐增加

变质结构/构造：面理（有定向特征）、粒状变晶结构（无定向特征）、斑状变晶结构（可有可无定向特征）

• 面理：定向压力作用下，火成岩和沉积岩发生变形，形成的一组平坦或波状的互相平行的解理面
• 面理结构变质岩：板岩、千枚岩、片岩、片麻岩、混合岩

变质环境类型

• 接触-热变质作用：岩浆房周边的岩石被岩浆的热烘烤
• 热液变质作用（交代变质作用）：火山口附近的岩石被岩浆流体交代，洋中脊岩石被海水交代
• 俯冲变质作用：洋壳及其上覆沉积物俯冲至地幔深部发生的变质
• 区域变质作用：俯冲带上方的造山带中的岩石

变质级别：低级、中级、高级

变质相：蓝片岩相 - 绿片岩相 - 角闪岩相 - 麻粒岩相 - 榴辉岩相

VIII. 地质时间

分类：绝对年龄（经过的年数）、相对年龄（早于还是晚于另一事件）

地层层序：原始水平原则、叠置原则，一组按年代排序的底层为沉积地层序列

地层不整合：地质记录中的缺漏

1. 平行不整合：在不连续沉积地层中，缺失岩层的接触面将平行的地层分隔开来
2. 完全不整合：指在火成岩或变质岩上的侵蚀表面被年轻的沉积岩
3. 角度不整合：指年轻的地层覆盖在倾斜或褶皱的层状岩石的侵蚀表面上

不同地区地层对应：物理位置、岩石种类、化石种类的对映

同位素钟：同时形成（斜率相同）、同一个岩浆结晶（初始同位素组成相同）、矿物形成后为封闭体系无后期改造

IX. 地震

震源、震中、断层

• 震源：能量源头
• 震中：震源在地表的垂直投影
• 断层：地壳中的大型断裂带
  • 大地震：往往与汇聚板块边界和转换断层型板块边界相关，绝大多数发生在汇聚板块边界中的断层
  • 巨型逆冲断层：俯冲带中，俯冲板块与上覆板块边界

地震学

1. 地震仪：记录地震波的仪器，记录上下运动、水平运动，三个地震台站可确定震中距离进行三角定位
2. 体波：P波（横波）、S波（纵波）
3. 面波：瑞利波（上下摆动）、勒夫波（地球表面一边移动到另一边）

分布

1. 全球：环太平洋带、地中海-印尼带、洋脊地震带
2. 我国：邻近环太平洋带、贺兰山 - 六盘山 - 龙门山 - 横断山带、我国西部带

度量

1. 强度：根据观测到的财产损害量来衡量地震的规模，“度”
2. 震级：根据震源释放的能量来衡量地震的规模，如里氏震级
   • 里氏震级：测量地震波最大振幅、利用P波和S波时间差确定震中距离、标准图连线找交点
3. 危害：滑坡、地面沉降、火灾、海啸

X. 洋壳

洋底地形图：声呐技术、大陆边缘、深海盆地、大洋中脊

大陆边缘

类型	结构	位置	性质
主动型大陆边缘	大陆坡突然下降至深海海沟	主要位于汇聚型板块边界（如环太平洋）	其上堆积了变形的沉积物和洋壳碎片，形成了增生楔
被动型大陆边缘	大陆架、大陆坡、大陆隆起	大西洋两岸绝大部分近海区域	与板块边缘没有任何联系、很少见火山和地震

深海盆地

类型	结构	位置
海沟	大洋岩石圈板块俯冲至另一个板块下方	汇聚型板块边界，狭长的、较窄的海洋最深部分
深海平原	平坦，厚积物堆积	所有海洋
海山和平顶山	海底火山
大洋高原	大型海底隆起

大洋中脊

1. 凸起原因：新生成的海洋岩石圈热，比周围较冷岩石占更多体积，随玄武岩地壳从海底顶部远离逐渐被海水冷却，随岩石圈移动在热力学上收缩并变得更加致密
2. 扩张速率：较快则无中央裂谷，缓慢则有明显裂谷

岩性特征：沉积物、枕状玄武岩、席状岩墙群、辉长岩，形成一个复合体的岩石序列，称为蛇绿岩

俯冲消亡：自发性俯冲（古老岩石圈）、被迫性俯冲（年轻岩石圈）

XI. 陆壳

地壳变形

1. 定义：岩石在应力作用下形状或位置的所有变化
2. 应力：静岩压力、差异（定向）压力
3. 变形种类：弹性、塑性、脆性变形
4. 特征
   • 褶皱：由挤压应力引起的，导致地壳的缩短和增厚，形成背斜向斜
   • 断层：两侧发生了相对运动的裂缝
   • 节理：岩石中的裂隙，没有明显位移的破裂

造山带

• 大陆弧型造山带：大洋岩石圈板块俯冲至一个大陆岩石圈板块下方
• 碰撞型造山带：一个或多个小的地壳块体或者岛弧与大陆碰撞、两个大陆岩石圈相互碰撞

地壳垂直运动

• 地壳均衡原理：密度小的地壳漂浮在密度大的地幔之上，地壳块体可以静止地漂浮在地幔之上，必须各方向受力均衡

克拉通与大陆地壳生长

• 克拉通：大陆地壳上的古老而稳定的部分
• 大陆地壳生长
  • 时间：到太古宙晚期，已是现在大陆地壳体积2/3
  • 机制：岩浆加入、增生

XIII. 河流

形成过程：片流（自然流动、无定向）\(\rightarrow\) 洪流（季节性、快速、短期、定向）\(\rightarrow\) 河流（源源不断、定向）

侵蚀

• 三方式：_{（带岩块水体）}磨蚀，_（水力）冲蚀，_{（河水对矿物岩石）}溶蚀
• 三方向：下蚀_{（垂向侵蚀，加深）}，侧蚀_{（河床两侧及谷坡，河床及谷底加宽）}，溯源侵蚀_{（下蚀或地壳抬升，河流朝源头加长）}

搬运

类型	大小	状态	例
拖运（底运）	粗大	河床底部	流速变小易停顿沉积
悬运	较细	悬浮状态	浑浊河水，如黄河
溶运	极细	溶液状态	\(\ce{Ca,\ Mg}\) 碳酸盐

沉积

• 原因：流速降低、水流量减小、搬运物增多
• 特点：分选性好、磨圆度好、成层性好、韵律性好、原生构造发育
• 冲积物地貌：边滩_{（点沙坝）}、心滩、江心洲、河漫滩、自然堤、冲积平原、三角洲

均夷化和去均夷化

• 均夷化：河流削去河底突起，填平洼地，实现河流平衡剖面
• 去均夷化：陆地上升，侵蚀基准面_{（海平面）}下降，平衡破坏，河流重新下蚀
• 河流阶地：堆积阶地、基座阶地、侵蚀阶地

地貌的三期演化

\(\cdots\)	侵蚀作用	结果
V 形谷	下蚀为主	形成高山峡谷
U 形谷	旁蚀为主	形成宽阔河谷和低山丘陵
准平原	\(-\)	地表微弱起伏，少数孤立残山

XIV. 湖沼

湖水来源、排泄

• 来源：大气降水、地面流水、地下水
• 排泄：蒸发、流泄、渗漏

湖水化学成分

1. 盐：碳酸钠、硫酸钠（芒硝）、氯化钠（石盐）、氯化钾（钾盐）
2. 离子：\(\ce{K+,\ Na+,\ Ca2+,\ Mg2+,\ Cl-}\)
3. 气体：\(\ce{O2,\ CO2}\)
4. 生物因素：\(\ce{H2S,\ CH4}\)

标准盐度

分类	盐度
淡水湖	< 0.3‰
微咸湖	0.3‰ ~ 1.0‰
咸水湖	1.0‰ ~ 24.7‰
盐湖	> 24.7‰

成因：构造湖、火山口湖、河成湖（牛轭湖）、冰川湖、海成湖、溶蚀陷落湖、风蚀湖、堰塞湖、熔岩湖、人工湖、 冰盖湖

沉积物特征：同心带状，层理较好，具波痕、泥裂等，季侯沉积；携沙量大，可形成湖相三角洲

1. 干旱气候区深而大的湖泊演化五阶段特征及湖岩的垂直和水平分带规律:淡水湖、咸湖、苦湖、盐湖、干枯埋藏; 砾岩-粗砂岩-砂岩-细砂岩-粉砂岩-泥页岩→灰岩-石膏-盐岩
   7.潮湿气候区湖泊的沉积特征:早期,湖滨很少沉积;中期,三角洲发育,湖滨开始形成;沼泽晚期,三角洲扩大形成连续的湖滨沼泽。可形成铁矿、锰矿、铝矿。
2. 沼泽的定义