岩石学

 

    岩石学是研究岩石的成分、结构构造、产状、分布、成因、演化历史和它与成矿作用的关系等的学科。地质学的分支。陨石、月岩等宇宙来源的岩石,也是岩石学的研究对象。岩石学常被分为岩理学和岩类学。前者主要研究岩石的成因,在早期多指与火成岩有关的成因研究;后者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,又称描述岩石学或岩相学。

    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。

    18世纪后半叶至19世纪初,德国地质学家维尔纳为首的弗莱堡学派倡导水成说,认为所有岩石都是浑沌水的沉淀物。最早沉积花岗岩和片麻岩,其次为片岩、大理岩等,后期为页岩、砂岩、砾岩等。英国自然科学家赫顿于1788年提出了火成说,认为在地下热的影响下,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。

    现代岩石学形成于19世纪中期至20世纪50年代。在这一阶段,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都得到广泛的应用,确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,是英国地质学家索比把偏光显微镜运用于砂岩、石灰岩和粘板岩的观察而开始的。德国齐克尔在1866年《描述岩石学教科书》,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。美国的克拉克和德国的奥桑都是这方面的创始人。克拉克与华盛顿等人合作研究从地表至十英里深处物质平均成分,发表了《火成岩平均成分》、《地壳成分》等重要著作,创造了CIPW岩石化学计算法;挪威岩石学家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,挪威地球化学家戈尔德施密特和芬兰岩石学家埃斯克拉,将物理化学中的相律运用于岩石学,创立了变质相的概念。

    第二次世界大战结束以后,特别是50年代以来,通过国际性多学科地学研究活动的开展,板块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光及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光荧光分析等的发展,使稀土和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,能测定的压力达到数百亿帕,约合深度600公里以下,可以模拟上地幔某些岩石的形成。

    上述新技术、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化。地震研究使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学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,而地幔与地壳的相互作用而产生的热流是区域变质的根本原因。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。

岩石学的分支学科

    火成岩岩石学是研究主要由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。其运用现代实验技术、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。

    沉积岩岩石学是研究沉积物和沉积岩的组成、结构、构造和成因的学科。其主要内容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,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。

    变质岩岩石学是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,发生了一系列属于不同变质相、变质相系和不同形变程度的变质岩石。它们是变质作用在自然界的记录,因而也是变质岩岩石学的研究对象。变质岩石学又可分为两个方向:变质地质学和变质实验岩石学。

    工业岩石学是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。

    其它的还有宇宙岩石学、化学岩石学、实验岩石学、地幔岩石学、构造岩石学等。

    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。因此为了阐明地质环境,区域地质学、大地构造学、构造地质学和地层学的研究是必不可少的知识;矿物学和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,它们与化学热力学和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公里的地幔,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。

    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。

    岩石学的研究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(包括矿物学和地球化学)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。