Question

岩石学及其研究意义

Answer 1

岩石学（petrology，来自希腊文petra—岩石，和logos—论述和解释）作为研究岩石的学科，在地球科学中占有重要地位。岩石学主要研究岩石的产出方式、组成特征、分类命名、岩石成因、形成环境和资源背景，包括岩相学（petrography，lithology）和岩理学（petrogenesis）两方面。传统上，岩相学主要是在野外地质调查的基础上，在显微镜下对岩石进行系统描述和分类命名，属于描述岩石学范畴。随着科学技术的进步，岩相学的研究已经拓展到将显微镜观察与现代分析测试技术相结合，全面研究岩石的矿物组成、化学成分和物理性质（光性矿物学、岩石化学、矿物化学、岩石物理、矿物物理等）。岩理学又称为成因岩石学，主要研究岩石的成因和形成过程：就是在深入的岩相学研究基础上，结合实验研究和理论分析，通过比较、归纳、演绎深入认识岩石的形成过程，理解地球上发现的（以及来自其他星球的）各种各样岩石的多样性的起因，分析人类难以直接观察的地球内部岩石物质的性质，进而为探讨地球和行星系统动力学过程提供知识储备和理论支撑。岩相学是岩理学的基础，也是地质类大学生首先要掌握的内容，因此，本书将把讨论的重点放在岩相学部分。岩理学是岩相学的深化，也是现代地球科学理论的基石。正如Philpotts ＆ Ague（2009）在 《火成岩和变质岩岩石学原理》 一书中指出的，自然界提供的有关岩石形成事件和过程的证据是零碎的，这就要求岩石学家把这些零碎的证据组合起来，才能构成一个连贯的故事。

由于岩石是地质历史时期发生的地质事件的产物，是地球和行星历史的实物 “档案”。因此，对岩石的特征、时空分布规律、形成时的物理化学环境和岩石成因过程的研究，可以为解决有关地球乃至太阳系形成和演化历史的重大问题作出贡献。另一方面，矿石也是岩石，人类社会赖以生存的矿产资源就赋存在岩石之中，而岩石的性质对人类赖以生存的地下水、油气资源的赋存状态以及地表的地质作用、地质灾害都有重要影响。因此，对各类岩石的研究，不仅是认识地球的需要，也是实现资源的永续利用、预防和减轻地质灾害、保护人类的生存环境、促进人类社会可持续发展的需要。

岩石学在解决地质学重大科学问题方面的作用，可以从以下例子中体现出来。

◎岩石圈组成和深部过程的岩石学探针：对于大陆岩石圈组成和深部过程，人类难以直接观察，就需要结合岩石学探针技术和地球物理方法来间接进行研究。岩石学探针技术是通过对各种岩石样品的综合研究，分析岩石所处地质时期的岩石圈组成、结构和深部过程。主要的研究对象包括：(1)产于火山岩中的深源捕虏体（Pearson et al.，2003），例如，我国辽宁复县古生代金伯利岩，道县、信阳和阜新中生代火山岩，以及汉诺坝、鹤壁、山旺、女山等地新生代玄武岩中，都存在上地幔橄榄岩、下地壳麻粒岩的捕虏体（郑建平，2009）；(2)因构造运动抬升剥露到地表的高级变质地体以及中下地壳甚至上地幔剖面，例如，意大利下地壳剖面（马昌前，1998）；(3)火成岩的源区示踪和岩浆房过程分析，其中，镁铁质－超镁铁质岩石主要反映地幔组成和过程，长英质岩石主要反映地壳的组成及其内部过程，而中性岩往往是地壳分异－混合和壳幔相互作用的产物。在研究方法上，不相容元素和同位素比值反映了岩浆源区化学成分的变化；而相容元素反映了矿物稳定性的变化，可提供有关地壳和地幔深处压力、温度和流体条件的信息。地球物理资料反映的是现今岩石圈的深部结构，代表了晚近时期地质作用留下的综合信息，主要包括岩石波速测量（路凤香等，2006）、现今地表热流测量（Rudnick ＆ Gao，2003）等。例如，我国开展的深部探测技术与实验研究，利用深地震反射技术，了解地壳底部30km以上的精细的地壳结构（董树文等，2011）。地球物理模型与岩石学模型的结合，将对岩石圈结构和组成提出更全面的约束。

◎大地构造环境的岩石学分析：20世纪60年代中期建立的板块构造理论，发端于大陆漂移、海底扩张和地幔对流假说和模式。这一理论不仅解释了地震、火山、山链的分布样式，而且解释了大陆和海底的形成机制，也为地质历史时期不断变化着的地球气候及其对生物演化过程的影响提供了新解释（NRC，2008）。有些岩石类型和岩石组合，只有在特定的大地构造环境中才能出现（莫宣学等，2009），因此，结合其他的地质标志，就能从岩石学上分析有关岩石产出的古构造环境。例如，钙碱性岩浆岩常常出现在与大洋板块俯冲有关的岛弧和陆弧环境中，而碱性岩或双峰式岩浆岩则代表了与地壳伸展有关的构造环境。在沉积岩中，碳酸盐岩和石英砂岩通常形成于稳定的构造环境内，而长石砂岩、杂砂岩则形成于构造活动强烈的地区；在克拉通内部形成的碎屑沉积岩富含石英和长石，而在活动大陆边缘则多形成富含岩屑和长石的碎屑沉积岩。又如，麻粒岩是大陆下地壳的代表性岩石，而蓝片岩、榴辉岩等高压－超高压变质岩则是板块俯冲－碰撞环境的产物。

◎盆－山关系的岩石学印迹：地质学上最初争论最大的问题就来自对沉积岩的观察。英国地质学家、火成学派的创始人詹姆斯·郝顿（James Hutton，1726～1797年）就曾根据沉积地层的厚度、沉积岩的各种特征以及沉积岩中化石的存在，推测过地球的年龄（Hutton，1788）。今天，对盆地中沉积岩的观察仍然是认识造山带的演化过程和盆－山关系的切入点。盆地和山岭是陆地表面的两个基本构造单元，它们在时间和空间上相互依存，在物质和能量上相互交换，二者具有密切的耦合关系。在碰撞造山带，构造活动直接控制盆地的发育和演化过程。一个典型的实例是印度板块与欧亚板块在始新世的碰撞，造成了青藏高原的隆升和周缘盆地的形成（许志琴等，2007）。山岭的隆升和剥蚀产生了大量的碎屑沉积物，这些沉积物分布于印度板块及其边缘海盆地中，如孟加拉扇新生代以来沉积物的总体积就达到了12×106km³，为解决与青藏高原形成演化相关的科学问题打开了一扇窗口。例如，关于印度板块和欧亚板块的碰撞是何时发生的问题，在巴基斯坦西北部Waziristan地区的古近系－新近系地层中就记录了这次事件造成的不整合接触，从而可以将碰撞时间限定在66～55Ma之间（Beck et al.，1995）。研究表明，在俯冲带或垮塌的造山带，大规模岩浆活动产生的热和力学效应可导致上覆岩石快速的抬升和剥蚀，表现为岩浆侵入与粗碎屑岩堆积近于同时，新形成的岩浆岩直接作为弧前盆地的沉积物源（Kimbrough et al.，2001）。这一系列过程可以发生在短短的几百万年之间，其信息被记录在造山带和相关盆地的各类岩石中。

◎矿产资源的岩石学专属性：人类可资利用的矿产资源大都取自地壳浅部的三大类岩石中。深入研究岩石的特征和形成过程，对于了解有用物质的迁移和聚集机制，指导找矿勘探有重大的价值。例如，岩浆岩蕴藏了大量的金属和非金属矿产，其中，金刚石主要产于金伯利岩和部分钾镁煌斑岩中，Cr、Ni矿与镁铁质－超镁铁质岩石有关，Mo、W、Sn矿常与某些花岗岩有关，一些超大型的斑岩铜矿产于与大洋板块俯冲有关的中酸性浅成岩浆岩中，而Li和稀土矿可以在伟晶岩中寻找。目前世界上最大的铜矿是智利的丘基卡马塔（Chuquicamata）和埃尔特尼恩特（El Teniente）斑岩铜矿，铜总储量分别达6935万吨和6776万吨。值得注意的是，煤、油页岩等可燃性有机矿产以及石油、天然气等能源几乎全是沉积成因的，而赋存于沉积岩及沉积变质岩中的密西西比河谷型（MVT）及沉积喷流型（SEDEX）Pb－Zn矿床，其储量占Pb、Zn总储量的1/2，产量占Pb、Zn总产量的2/3（赵振华等，2003）。变质岩中直接产出了不少金属矿产，如Au、Ag、Cu、Zn、Pb、Fe及稀有、稀土等矿产，其中变质岩中的铁矿床占全世界铁矿总储量的80％以上。W、Sn、Mo、Sb和稀土等矿产为我国优势矿产，我国内蒙古白云鄂博碳酸岩型REE－Nd－Fe矿床是世界上最大的稀土矿床。据研究，该稀土矿受控于中元古代的古火山机构，矿床产于火成白云石碳酸岩体和部分脉状碳酸岩中（郝梓国等，2002）。

需要指出的是，石油天然气不仅赋存于沉积岩中，在多种类型的结晶岩中也有产出，尤以火山岩可作为油气藏的优质储层或盖层（Petford ＆ McCaffrey，2003）。目前，在世界范围内已发现了300多个与火山岩有关的油气藏，实际探明储量的火山岩油气藏169个，其中不乏大型油气藏，如利比亚锡尔特盆地（Sirte Basin）的拿法拉（Nafoora）油田。我国也先后在准噶尔、三塘湖、松辽、海塔、二连、渤海湾等盆地不断发现了火山岩油气田，显示了火山岩油气勘探开发的巨大潜力（贾承造等，2007）。

◎过去全球变化的岩石学线索：(1)今天形成的不同类型的沉积物的相对量与地质历史时期是完全不同的，这种差别是否意味着地球环境发生了显著的变化？例如，现今地球上形成的白云岩很少，主要出现在波斯湾及荷兰Antilles等异常的环境中，而在前寒武纪时期，形成的白云岩是石灰岩的3倍以上。与现今相比，前寒武纪时期，蒸发盐（岩）十分稀少，为什么？ 是否25亿年以来，海水成分已经发生了变化？ 是不是自前寒武纪以来，由于剥露出地表被风化的岩石成分发生了变化，因而由河流带到大洋中的物质也就出现了变化？(2)大多数进化生物学家认为，生命物质是在38亿年前在还原环境中由无生命的物质进化而来的，因为原始的细胞不能抵抗氧化作用。这就意味着，在地球早期的大气圈中，氧很少或几乎没有。然而，太古宙的铁矿含有磁铁矿，表明既有Fe^2＋，也有Fe^3＋，这就要求大气中有氧存在。这些铁矿中所含的氧化铁物质是一开始就有的（原生）？还是后来随大气中自由氧的增多而逐渐氧化而来的（Blatt et al.，2006）？(3)地球现今的大气圈很适于生物生存，但对早前寒武纪岩石的研究表明，在地球形成初期，大气中几乎没有氧气，而富含甲烷。大气中氧气的增多和甲烷的减少是内在因素，还是外在因素造成的？是由于地球深部活动的变化引发的，还是与地外天体的撞击有关？(4)新元古代，在全球范围内广泛沉积了一套冰成岩系，这些沉积记录表明当时地球曾经历了一次极其严重而漫长的冰期，不仅陆地全部被冰川覆盖，而且海洋也被完全冻结，称为雪球地球（Snowball Earth）。“雪球地球” 是如何形成的，又是如何消失的？这些问题的答案记录在相关的岩石中。(5)大规模的火山活动可能只延续几天，但火山喷发出的大量气体和火山灰对气候的影响可能达数年之久。例如，1991年6月15日菲律宾的Pinatubo火山喷发，据估计就有2000万吨的SO₂和火山灰颗粒喷发到了20km高的大气中。含硫酸的气体会转化为硫酸盐气溶胶，那些微米级的液滴中75％是硫酸。火山喷发之后，这些气溶胶颗粒会在平流层中停留3～4年。这些火山物质减少了太阳辐射到达地球表面的量，降低了对流层的温度，于是会对大气环流产生明显影响。因此，研究地质历史时期熔结凝灰岩大爆发（ignimbrite flare－up）对全球变化和生命演化的影响，有着十分重要的意义。

◎地外岩石研究对早期地球和太阳系演化的启示：据认为，月球是在一次对地球的撞击事件中形成的，撞击会抹去地球更早的岩石记录，所产生的热量甚至会使地球成为一个熔融的星球。加上后来地球表面始终不断的板块构造运动的改造，对古老岩石的保存产生了不利的影响。目前，在地球上发现的最老的岩石大约为40亿年，大陆壳中老于36亿年的岩石只占0.0001％（Nutman，2006）。在岩石 “档案” 中，从45.3亿年撞击产生月球到地球上保存的最古老岩石（40亿～38亿年）的这段时间里，地球上保留的历史记录几乎为零。与地球上缺少最早期的岩石不同，在太阳系形成的初始阶段之后，许多陨石基本上完好地留在围绕太阳不停运行的轨道上。因此，陨石（包括后来从月球和火星上落下的一些岩石）就成了这个起始阶段的主要实物档案。需要指出的是，在澳大利亚西部30亿年老的石英岩中，找到了地球上最老的矿物——碎屑锆石。测年显示，最老的锆石年龄达到了44亿年，这些锆石的稀土元素以及氧和铪同位素的研究表明，在距今45亿～42亿年之时，地球上就有花岗质陆壳甚至有大洋存在（Harrison et al.，2005）。近年来，地球上发现的38亿年之后的记录越来越多。例如，在我国北方的鞍山地区就发现了大量36亿～38亿年的岩石和锆石，在冀东、信阳、焦作及其他地区也有始太古代－古太古代的岩石和锆石存在（刘敦一等，2007）。