第三节 岩石的形成

关键术语：岩浆岩；岩浆作用；沉积岩；固结成岩作用；变质岩；岩石转化

岩石是岩石圈中体积较大的固态矿物集合体，由一种或多种矿物组成。

按照成因，岩石可分成岩浆岩（火成岩）、沉积岩和变质岩三大类。沉积岩在陆地上露出的面积约占75%，火成岩和变质岩只占25%左右。但是在地壳中沉积岩的体积只占5%左右，其余两类岩石约占95%。

一、岩浆岩形成模型

科学事实与教学问题

岩浆岩的化学成分几乎包括了地壳中各种元素，其中以O、Si、Al、Fe、Cl、Na、K、Mg、Ti等元素的含量最多，占组成岩浆岩的元素总量的99%以上，其中O含量最多，其次为Si。若以氧化物计，则以SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、Na2O、K2O、H2O、TiO2等为主，同样也占99%以上。

科学模型

岩浆作用 我们把岩浆的发生、运移、聚集、变化及冷凝成岩的全部过程、岩浆本身发生的变化以及对周围岩石影响的全部地质作用过程称为岩浆作用或岩浆活动。如图3-3-1所示。

一般认为岩浆岩由两类岩石组成：一类是喷出作用形成的，另一类是侵入作用形成的，如花岗岩化作用形成。SiO2是岩浆岩中最重要的一种氧化物，也是岩石酸性程度的标志。在岩浆岩中，各主要氧化物之间关系密切，变化也有规律。组成岩浆岩的矿物，常见的只有十几种，这些矿物称为主要造岩矿物。比如石英、霞石、正长石、更长石、中长石、拉长石、黑云母、角闪石、单斜辉石、橄榄石、磁铁矿、钛铁矿、磷灰石、榍石等。

模型解释

岩浆作用有两种方式，一种是由于上部岩层压力大于岩浆向上的压力，岩浆在地壳中缓慢冷凝而形成结晶，这种岩石结晶称为侵入岩；另一种是岩浆冲破上覆岩层喷出地表，这种活动称喷出作用或火山活动。喷出地表的岩浆冷却凝固后形成喷出岩，也叫火山岩。侵入岩又有两种情况，其一是岩浆在地壳深层冷凝而成的岩石，称深成岩；其二是岩浆在浅层冷凝而成的岩石，称浅成岩。花岗岩是最常见的侵入岩。

岩浆作用在地幔或者地壳深处，在700～1200℃的高温下，形成熔融状态的岩浆，侵入地壳或喷出地表，最终在围岩中或在地表中冷凝，形成岩石——岩浆岩。不同的岩浆作用形式称为岩浆岩的产状，即侵入地壳所形成的岩浆岩为侵入岩，喷出地表所形成的岩浆岩为喷出岩。

侵入岩指液态岩浆在造山作用下贯入同期形成的构造空腔内，在深处结晶和冷凝而形成的火成岩。福州地区侵入岩分布广泛。

岩浆喷出地表冷凝成的岩石，叫作喷出岩，常见的有流纹岩、安山岩和玄武岩等。一般来说，岩浆岩易出现于板块交界地带的火山区，如长白山主峰白头山多有流纹岩分布，而在镜泊湖和五大连池附近，分布有大量的玄武岩。喷出岩在温度、压力急剧减小时，其中一些挥发性的物质以气体形式大量逸出，形成气孔状构造；在地表，熔岩在流动的过程中形成流纹构造；在水下，在水的作用下会形成很多椭球体，称之为枕状构造。

各种岩浆岩的产状、结构、pH、基性、超基性的比较，如表3-3-2所示。

模型应用

解释板块活动 地球内部高温高压的特殊条件与岩浆的形成有着明显的关系。岩浆作用迫使周围的岩石圈发生破裂或产生压力差，平衡被打破，岩浆就会上升，板块就会破裂震动，移动错开。当岩石板块之间发生碰撞及挤磨时，俯冲带的温度大幅度上升，甚至部分岩石熔融，从而导致火山的形成。因此，这可以帮助解释“火山带一般分布在各个板块的边缘地带”这一假说。

二、沉积岩形成模型

科学事实与教学问题

沉积岩，三大岩类之一，又称为水成岩，是在地表不太深的地方，其他岩石的风化产物和一些火山喷发物，经过水流或冰川的搬运、沉积、成岩作用形成的岩石。在地球地表，有70%的岩石是沉积岩，沉积岩主要包括石灰岩、砂岩、页岩等。沉积岩中所含有的矿产，占世界全部矿产蕴藏量的80%。

科学模型

沉积岩形成过程 地表的岩石经过长期的风化作用，经过风或水的搬运并逐渐沉积，由于搬运介质和沉积条件的不同，岩石呈现不同特点，大多数沉积岩有着明显的水平层理。各种岩石在地球外力的作用下，形成各种沉积物质，这些物质起始是松散的、富含水分的，这些碎屑物经过搬运、沉积、成岩作用过程，才能变成沉积岩。可以建模如图3-3-2所示。

模型解释

沉积岩的形成过程：成岩的破坏即风化作用和剥蚀作用、搬运作用、沉积作用和硬结成岩作用等过程，这些过程往往是相互作用的。如岩石风化为剥蚀创造条件，而岩石剥蚀后裸露新鲜岩石为进一步风化提供条件；风化和剥蚀为搬运作用提供物质，岩石碎屑在搬运过程中促进剥蚀作用，如此循环互为条件。

沉积物的物质来源依据其成因与性质可分为以下三类：①碎屑沉积物如砾、砂、粉砂和黏土等；②化学沉积物如氧化物、硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐、卤化物等；③有机沉积物如泥炭、珊瑚礁等。

这些风化剥蚀产物经过搬运、沉积而形成松散的沉积物，经过一定的物理、化学以及其他的变化和改造，形成固结的岩石，这种作用叫作成岩作用。沉积岩的成岩过程大致有：压固作用、脱水作用、胶结作用、重结晶作用、新矿物产生。如图3-3-3所示。

沉积岩有明显的层状结构特征，或含有化石，有些沉积岩内组成的碎屑物比较大，可以看到有明显的砂粒或砾石。常见的沉积岩有角砾岩、砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩、石灰岩等。

压固作用是指随着沉积物质不断增加加厚，厚重的沉积物产生很大的压力，下层松散的沉积物的水分和空气被挤出，彼此间的孔隙大量减少，孔径减小，体积缩小，密度变大，颗粒间的连接力增强，因而沉积物逐渐变硬。压固作用在黏土沉积物的成岩过程中表现最明显，黏土矿物呈定向排列，从而出现薄片状页理。胶结作用指的是一些化学沉积物质如SiO2、CaCO3、Fe2O3· nH2 O，以及黏土质和火山灰等物质分散在沉积物的孔隙之中，将松散的颗粒物粘接在一起。胶结作用是碎屑沉积物成岩的主要方式，如砾石和砂胶结后形成砾岩和砂岩。由于沉积物的加厚加重，下层受到的压强也越来越大，相应的温度也会升高，溶液中的矿物质发生溶解或局部溶解，物质质点重新排列，使非晶质物质发生结晶变成晶质体，或使原来的细晶变成粗晶，或者使原来的结晶水合物的结晶水的个数发生改变，从而使矿物颗粒紧密嵌合，体积收缩，结合得更加紧密，叫作重结晶作用。比如含结晶水的氧化铁脱水结晶成赤铁矿，石灰岩中方解石得到重结晶，等等。

模型应用

沉积岩中年纪最大的可达到36亿年。沉积岩的体积虽然只占岩石圈的5%，但沉积岩分布极为广泛，其面积却占陆地的75%，大洋底部几乎全部为沉积岩。沉积岩保留了许多地球的历史信息，有古代动植物化石、地球气候环境变化的信息，对发展地球科学、地质科学的理论有重要意义。

三、变质岩形成模型

科学事实与教学问题

常见的变质岩有以下几种。

板岩：具有板状构造的变质岩。

片岩：片理构造十分发育。

片麻岩：具片麻状或条带状构造的变质岩。

角闪岩：主要由斜长石和角闪石组成的变质岩。

麻粒岩：是一种颗粒较粗、变质程度较深的岩石，具粒状变晶结构，块状或条带状构造。

石英岩：几乎整个岩石均由石英组成，浅色，粒状。

大理岩：碳酸盐岩石经重结晶作用变质而成，具粒状变晶结构。

角岩：由泥质岩（以黏土矿物为主的页岩之类）在侵入体附近由接触变质作用而产生的变质岩。

这些变质岩是怎么变化而来的呢？变质作用与风化作用、岩浆作用是一样的吗？

科学模型

变质作用 固态的岩石在地球内部力量如温度、压力、应力的作用下，其原岩成分、矿物组合、结构、构造等发生转化，即形成多种不同类型的变质岩，我们将这种变化称为变质作用。变质岩就是由变质作用所形成的，如普通石灰石由于重结晶变成大理石，以及化学成分等改造而成新型岩石。

变质作用既是重要的地质作用，又是自然界一系列复杂的物理和化学过程。地壳中已存在的岩石，当受到构造运动、岩浆活动或地热变化等地质因素影响时，就可能发生变质作用。

模型解释

地壳中已存在的岩石发生变质作用的原因，从根本上讲，是与其所处的大地构造位置和特定的构造事件相联系的。但从物理化学角度来看，引起岩石中矿物和结构构造变化的直接原因则是各种地质作用所导致的温度变化、压力增减、定向力出现和具化学活动性的流体的作用等。它们是变质和变形作用的物理和化学控制因素，我们习惯简称为变质作用因素。

引起岩石变质的因素，主要是岩石所处环境物理条件和化学条件的变化。物理条件主要指温度和压力，而化学条件主要指从岩浆中析出的溶液。无论什么岩石，当其所在的环境因素发生改变，岩石的成分、结构和构造往往也会发生改变。这就是岩石的变质作用。

温度的变化，尤其是升温，是岩石变质作用的最主要因素。温度升高会使低温矿物组合转变为高温组合，是重结晶的重要因素，也是促进变质反应的动力因素，还是岩石发生变形的一个重要因素。使温度升高的热量有的来源于高温的岩浆活动，岩层断裂带和韧性剪切带中巨大的机械能也会转化为热能等。

岩石变质时处于地壳一定深度，常承受负荷压力、定向压力和流体压力等三种压力。压力也与温度一样，是岩石变质反应的重要因素。由于压力的增大，多数情况下会促使温度升高。强大的压力作用促使重结晶作用发生，促使一些物质发生化学反应，也促使岩石形变的发生。

水分在变质作用过程中也是不容忽视的一个因素。在岩石裂隙和矿物粒间常存在少量水分，在高温高压封闭的条件下，水分参加岩石的变质过程，有的直接参加化学变化，有的作为催化剂，有的促使物质质点发生溶解，或者提高溶解能力。脱水反应和水化作用是最常见的变质反应，水直接参与这些反应，岩石中水的含量和pH对这类反应的平衡温度关系很大。

总之，引发岩石变质和变形的作用当然与物理、化学因素有高度相关关系，但这只是引起岩石变质的外因条件，岩石变质和变形还取决于原岩的化学成分及其结构特点。此外，时间也是一个重要因素，一般情况下变质作用过程需较长时间。

变质作用不同于风化作用。变质作用是在温度、压力等条件下发生的改变，而风化作用是在常温常压下发生的物理或化学作用。变质作用也不同于岩浆作用。变质作用是在温度升高过程中发生的，并且一般是在固态下进行的，而岩浆作用是在熔融态岩浆的冷凝过程中进行的。当然，这些地质作用之间的界限并非是绝对的，也存在过渡状态。

由变质作用形成的岩石，就是变质岩；由火成岩形成的变质岩称正变质岩；由沉积岩形成的变质岩称副变质岩。

变质岩的特点，一是继承性，即继承原岩石的特点，二是矿物成分、结构和构造上具有区别于原先岩石的新特征。

模型应用

变质岩是组成地壳的主要成分，岩石在变质过程中形成新的矿物，所以变质过程也是一次成矿过程。例如，锰钴铀共生矿、金铀共生矿、云母矿、石墨矿、石棉矿等都是变质作用造成的，中国鞍山的铁矿就是一种前寒武纪火成岩形成的变质岩。

四、岩石的转化模型

科学事实与教学问题

我们知道，水可以转化为水蒸气，水蒸气也可以转化为水，水又可以转化为冰，这就是水的三态变化。

岩石也可以发生相互转化，这个转化与水的三态变化一样吗？

科学模型

岩石的转化 三大类岩石彼此之间有着密切联系，可以相互转化。如图3-3-4所示，已有的沉积岩、火成岩或变质岩，因温度和压强条件的变化或流体的作用等可转变成变质岩；当岩石抬升到地表后，经风化剥蚀、机械破碎、搬运、沉积等作用可以形成沉积岩；当温度与压强增大到一定程度时，已有的各种岩石会发生熔化形成岩浆，岩浆再固结形成新的岩浆岩。

不同类型的岩石在一定条件下可以相互转化，如图3-3-4所示。

模型解释

新陈代谢是宇宙间普遍的规律。依事物本身的性质和条件，在不同的条件下，一个事物转化为其他事物，这就是新陈代谢的过程。老的岩石不断在转化，新的岩石不断在产生，这也就是地壳岩石新陈代谢的过程。

岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类岩石都是在特定的地质条件下形成的。原始地球是一个火热的球体，岩浆活动十分强烈，随着温度下降，地壳中首先出现岩浆岩。继续降温后，地球上出现了大气圈和水圈，温度、雨水、阳光等因素使岩石受到破坏，同时，也使成岩作用得以进行，形成了沉积岩。岩浆岩、沉积岩在一定温度和压力下又转化成了变质岩。

模型应用

岩石既不是自古就有的，也不是永远不变的。任何岩石都忠实地记录了与它本身有关的那一阶段的地壳历史。

岩石也是重要矿产的载体。如大型油气藏型油气藏往往与大型沉积盆地的形成与演变有关；大量的多金属矿产和非金属与岩浆作用有关；岩石的物理属性直接与工程地质和地震等灾害密切相关；等等。

实验活动3-3-1

制作岩石模型

科学家们研究岩石一般需要三个步骤：第一，用显微镜观察分析岩石的组成成分、含量、形状、颗粒大小，以及各种矿物分布、排列；第二，分析岩石在自然界的位置和状态；第三，对资料综合分析，判断岩石类型和种类，进一步分析岩石的形成原因。

● 实验目的

初步了解岩石是可以循环、相互转化的，了解沉积岩的形成过程。

● 实验材料

一个纸盒，1000g水泥或熟石灰，2000g沙子，500g砾石，水，小竹条，小木片，铁丝，一个搅拌容器（比如旧脸盆），小铲子。

说明：以上数量仅供参考，可以咨询专业技术人员（或水泥工人），按要求配置需要的材料。

● 实验步骤

1．在搅拌容器（比如旧脸盆）中加入1000g水泥或熟石灰，2000g沙子，500g砾石，用小铲子进行搅拌，使它们充分均匀混合。

2．加水适量，并用铲子进行搅拌，水不宜过多，以混凝土不会流动为好。

3．把混凝土装入纸盒中，纸盒可以自己设计一个形状，比如碗形、三角形、正方体等。一边装入混凝土，一边放入一些竹条、木片、细铁丝等，当然，最后用混凝土覆盖，不要露出竹条等。

4．放置一个晚上。

5．第二天，把纸盒撕下。

6．观察。

（1）观察其颜色，沙子、砾石分布情况。

（2）用指甲、小刀等进行刻划，判断其硬度范围。

● 实验思考

1．哪一种岩石类型和你做的岩石模型最相似？

2．你模拟了岩石演化的哪一个过程？

实验活动3-3-2

鉴定岩石的物理性质

当你漫步在美丽的楠溪江畔、舟山岛，攀登雄伟的黄山、泰山时，也许有人会认为我们行走的地面就是“一堆石头”。你是否想过：这些石头具有什么物理性质呢？

● 实验目标

初步鉴定几种常见岩石的物理性质。

● 实验材料

一组已知的矿物质（实验室提供），未知的岩石，放大镜，镊子，磁铁，硬币，小刻刀，小玻璃片，钢锉刀，砂纸，瓷砖，电子秤，量筒，实验记录表。

● 实验准备

1．仔细阅读实验细则，注意实验安全。

2．设计一个实验记录表，可参考表3-3-3。

3．参照莫氏硬度表，列出常见的矿物硬度表，如表3-3-4所示。

4．参照莫氏硬度表，列出日常用品的硬度表，如表3-3-5所示。

● 实验步骤

1．选择一块未知的岩石。

2．观察岩石的颜色、光泽、透明度。

3．硬度鉴定。

（1）用手指甲刮擦矿物。如果指甲能在岩石某矿物上留下指甲粉末，则该矿物硬度大于2.5，若能刻出痕迹，该矿物的硬度小于2.5。

（2）如果指甲能在岩石某矿物上留下指甲粉末，改用硬币刮擦。如果硬币可以在石头上留有痕迹，该矿物的硬度在2.6～3.0之间。以此类推。

……

4．检验磁性。将磁铁靠近被检测岩石观察引力变化。

5．鉴定条痕。将矿物的一面在白色瓷砖上摩擦。若有条痕则记录条痕颜色，反之，记为“没有条纹”。

6．对比。在已知矿物中找一组与未知岩石有相似条痕、硬度、颜色和光泽的岩石，重复实验步骤3—5，找到与未知岩石结果相同的矿物。

7．再找两块未知的岩石，重复步骤2—6。

● 实验分析

1．根据你的实验结果判断，被检岩石中含有什么矿物？说出你的理由。

2．哪些岩石有磁性？

3．哪块岩石最硬？哪块岩石最软？

实验活动3-3-3

为岩石命名

● 实验目的

了解岩石的结构特征。

● 实验材料

大烧杯，水，装有醋的滴瓶或质量分数为10%的盐酸，凸透镜，小铁锤，手套，护目镜，3组岩石样本（火成岩、变质岩、水成岩，各组岩石名字已经被注明），实验记录本。

● 安全提示

请小心使用酸；请佩戴手套和护目镜；请仔细阅读《实验安全准则》。

● 实验步骤

1．直接观察岩石，如果有必要的话，使用凸透镜观察岩石。

2．使用火成岩密码表，确定每块火成岩的名字；使用变质岩密码表，确定每块变质岩的名字。如表3-3-6所示。

3．检查已经标注名字的水成岩，为这组岩石设计你自己的岩石密码。你所设计的水成岩岩石密码可能会包括如下特征：是否存在分层；组成岩石的颗粒大小；在岩石上滴上少量的酸是否会产生气泡。