地球上各种岩石都是怎么来的?

UFO爱好者

地球上的岩石种类有很多，但是大致可以分为火成岩、变质岩和沉积岩三大类。这里说说每一类中的一些常见岩石的来历。首先，从地质学的角度，地球的表面可以大致简化为下图这样的模型：
　　


　　我们现在就来看下模型中的每个区域都有什么岩石，以及它们是怎么来的。
　　这里有必要先澄清两个易混淆的概念。第一，岩石圈(lithosphere)和地壳(crust)不是一回事。岩石圈是包括了地壳和地幔最上层(uppermost mantle)，它的下方为软流圈(asthenosphere)。而地壳又分为海洋地壳(oceanic crust，又叫洋壳)和大陆地壳(continental crust，又叫陆壳)。而我们平常在讨论“版块”(plate)的时候其实是在说岩石圈。如果一个版块的上方大多数区域为海洋地壳(例如上图中大洋中脊到海沟之间的那一块)，这个板块就是海洋板块。如果其上方有明显的大陆地壳，则这个版块就是大陆板块(例如上图中最右侧的版块，以及从图最左侧到大洋中脊的这一板块)。第二，岩石(rock)和矿物(mineral)的区别需要注意。岩石是一种或多种矿物的混合体，而矿物是天然形成的固态纯净物(包括单质、化合物)。下面我们开始说岩石的形成。
　　最初，地球和太阳系的其他行星(至少是其它类地行星)是同时形成的。地球形成之初是一颗混沌一体的星球，和现在宇宙中的球粒陨星(chrondrites)的结构类似，并没有地核、地幔和地壳的分层。但是，在地球形成之后约5千万年，一颗火星大小的星球希亚星(Theia)撞上了地球，产生了巨大的能量，几乎将地球整体融化为液体(一部分物质被撞离地球，形成了月亮)。在这一过程中，液态的地球开始分层。液体中比较重的物质，比如铁和镍，开始往地球中心沉降，分化形成了铁质的地核。剩下的镁、铝、硅、碳、氧、钙、钠等较轻元素组成的物质浮在地核外面，形成了原始地幔(primitive mantle)。那些较重的物质向地心沉降的分化过程中，重力势能被释放，因此地幔能够不断吸收能量，保持温度，并且能够有所对流，这也为地磁的形成提供了一定的条件。
　　之后，地球进入了冷却期，热量以长波辐射的形式被送往空间。冷却最快的是最外层，温度降到了一些矿物的熔点以下(例如石榴石、尖晶石、橄榄石、辉石等)。这些矿物开始形成固态晶体，而这些晶体就在地幔的上部组成了二辉橄榄岩(lherzolite)、橄榄岩(peridotite)、纯橄榄岩(dunite)、辉岩(pyroxenite)、斜方辉橄岩(harzburgite)、矾石(websterite)等地幔岩石(mantle rock)，形成了最早的岩石圈(lithosphere)。这些岩石的厚度并不均匀，薄弱的地方后来就成了板块的生长边界。在这一过程中，彗星为地球带来了水，岩石的上方开始形成海洋。
　　有了这些最初的岩石，后来也就有了各种岩石的形成。首先是火山活动造就的各种火成岩(当然，前面那些岩石也是火成岩，由于含硅极少，它们被归为Ultramafic)。火山活动大致可以分为三类：大洋中脊(Mid Ocean Ridges)，火山岛(Volcanic Islands)和火山弧(Volcanic Arcs)。首先我们看大洋中脊：
     
  
        
　　


　　在部分地区，板块(岩石圈)向外漂移，导致岩石圈变薄，软流层上升。岩石下方的压强变小，导致岩石熔点变低，这样就产生了大量的岩浆。岩浆向上涌动，从薄弱处流出地球表面再冷却，就形成了大洋中脊。大洋中脊形成的火成岩组成了海洋板块。海洋板块的主体部分是辉长岩(gabbro)，这是一种侵入性火成岩，是在板块岩石内部逐渐冷却而形成的。少部分岩浆在大洋中脊的顶端浸入海水中，急速冷却，形成了喷出型的玄武岩(basalt)，也就是大部分海洋板块的表面。
　　第二种火山活动是火山岛(Oceanic Islands或Volcanic Islands，最典型的是夏威夷群岛，其余还有大溪地、毛里求斯、法罗群岛和佛得角群岛等)。
　　


　　这种火山活动位于板块的中心。在那些地方，高温的地幔热柱(mantle plume)从地幔深处向上升起，形成热点(hot spot)。因其温度特别高(比正常岩浆高200摄氏度左右)，而得以穿过海洋板块的岩石圈，冷却后在海洋中间形成火山岛。由于它的岩浆是来自于比较深的地幔，因此它的化学成分和形成于大洋中脊的岩石有所区别。比如它含有更多的钾、钡、锆、钛等元素。这些岩浆在地球表面形成的火成岩堆积隆起至海平面以上，就形成了火山岛。
　　火山岛的岩石根据钾、纳、铁等元素的含量，可分为两大系列。第一种系列以夏威夷群岛为典型，含有较多的铁，统称为拉斑玄武岩系列(tholeiitic trend)，其来源岩浆分为橄榄玄武岩(olivine normative basalt)、石英玄武岩(quartz normative basalt)，冰岛玄武岩(basaltic icelandite)、冰岛岩(icelandite)等种类。第二种系列可以在大多数其它火山岛上找到。该系列和拉斑玄武岩相比，地幔的部分融化(partial melt)程度较小，含有更多的碱金属，且有碳酸钙参与反应。该系列名为碱性玄武岩系列(alkaline trend)，可以分为橄榄粗安玄武岩(mugearite)、夏威夷岩(hawaiite，虽然它在夏威夷群岛的含量很小，却以夏威夷命名)和粗面岩(trachyte)等多种岩石。由于板块在移动而地幔热柱的位置并不随之移动，因此火山岛经常成串出现(原理类似于打点计时器)。至于地幔热柱的产生原因，学术界尚有争议。有人认为是纯粹的热力学原理，有人认为和地球自转有关，也有人认为是俯冲到地幔的板块搅动地幔所致。在比较特殊的时候，大洋中脊和地幔热柱会重合(例如加拉帕格斯群岛和冰岛)。这样，由地幔热柱形成的火成岩会被大洋中脊再次融化。由于原火成岩在初次融化和凝结的形成过程中已经让硅含量升高(典型冰岛岩的硅含量为60%-70%)，再次融化和凝结会产生出硅含量更高的流纹岩(rhyolite，硅含量可达到74%)。
　　第三种火山活动是火山弧，和板块俯冲有关。
　　


　　火山弧又分为两种：当一个海洋板块俯冲到另一个海洋板块之下，会形成岛屿火山弧，典型的如阿留申群岛、斯科特群岛和马里亚纳群岛等;当一个海洋板块俯冲到一个大陆板块之下，会形成大陆火山弧，典型的如安第斯山脉、勘察加半岛和美国卡斯凯德山(包括圣海伦火山和雷尼尔火山的山脉)等。其中，大陆火山弧所产生的火成岩就组成了现有的大陆板块。其分层和形成机理如下：
     
  
        
　　俯冲入地底的海洋板块受热熔化(其板块中包含的水也降低了它的熔点)形成岩浆。岩浆里的矿物有不同的熔点，在冷却的过程中开始分批结晶，形成岩石。其中，含硅最少的岩浆会在大陆地壳的最下部分形成辉长岩。但是和海洋板块的辉长岩不同，由于高温的超临界水的作用，这里的辉长岩会发生不同程度的变质作用，从而含有角闪石，故被称为角闪石辉长岩(hornblende gabbro)。含硅稍多一点的岩浆会在辉长岩的上方形成一层闪长岩(diorite)，即为大陆地壳的中间层。有时候，炽热的岩浆会通过下层地壳中的裂缝侵入闪长岩层，将闪长岩部分熔化，形成含硅更多的熔体(melt)。这些熔体会流向闪长岩的上方，在那里结晶凝固，进而形成含硅更多的花岗闪长岩(granodiorite)和英云闪长岩(tonalite)，组成大陆地壳的顶层。如果这些熔岩从火山口喷出地表并迅速冷却，会形成相应的喷出型火成岩(即火山岩)，包括安山岩(andesite)和英安岩(dacite)等。
　　在部分地区，大陆地壳因为拉伸而变薄，因此岩浆有机会侵入到地壳最上层的花岗闪长岩和英云
　　闪长岩地层，并将它们部分熔化。这样，在熔体再度缓慢结晶后，就会形成含硅最多的花岗岩(granite)。如果这种熔体喷出地表快速凝固，就会形成流纹岩(rhyolite)。由于流纹岩含硅量大，粘滞性强，因此经常形成破坏性的火山喷发。这一系列火成岩被称为钙碱性火成岩系列(calc-alkaline trend)。
　　火成岩形成以后，并非一直不变。火成岩经过变化，会成为变质岩(metamorphic rock)或沉积岩(sedimentary rock)。这里先简单说下变质岩。在海底，特别是在大洋中脊附近，海水会经过水热反应(hydrothermal alternation)进入海洋板块(可以查阅黑烟囱等知识)。当海洋板块俯冲到地幔之后，这些海水会在高温高压下形成超临界水，并进入上地幔(岩石圈下层)。在那里，超临界液体、高温、高压使得原有的地幔岩石产生变质反应，形成榴辉岩(eclogite，更高压强条件下形成，含有石榴石和绿辉石等矿物)和蓝片岩(blueschist，压强温度较榴辉岩低，常含有蓝闪石、方解石、绿泥石、绿帘石、石榴石和白云母等矿物)。部分辉长岩中的橄榄石也会和超临界液体反应，形成含有蛇纹岩(serpentine)等矿物的变质岩。
　　变质岩一般产生于高温和高压的环境下。除了俯冲带，另一种产生变质岩的地方为高山地区，特别是两个大陆板块相撞形成的山区，如喜马拉雅山脉和阿尔卑斯山等。这种大规模地形成的变质岩被叫做区域变质岩(regional metamorphism)，而其又根据形成时的温压条件和所含的矿物，被分为很多变质相(facies)。
　　


　　上面提到的榴辉岩和蓝片岩两个相被称作极高压变质相，因为它们都产生于地幔的超高压环境。比它们的压强稍低的变质相被称作中高压变质相，而这些相就形成于高山的基底部分。根据温压的不同，它们又可以分为沸石(zeolite，含有浊沸石、绿泥石和钠长石等矿物)、葡萄石-绿纤石(prehnite & pumpellyite，含有绿纤石、绿泥石、钠长石、白云母和石英等矿物)、绿片岩(greenschist，含有钠长石、钾长石、石英、黑云母、白云母、
     
  
        
　　绿泥石、方解石和阳起石等矿物)、角闪岩(amphibolite含有黑云母、白云母、十字石、石英、蓝晶石和斜长石等矿物)和麻粒岩(granulite，含有蓝晶石、斜长石、钾长石等矿物)等五个相。这五个相在高山带的分布大约是由浅到深，温度也由低到高。
　　变质岩还可能产生于高温但低压的环境下。例如，岩浆经过裂缝入侵地壳，在岩浆室的周围，岩石受热但却没有熔化，可以发生变质作用。这样的变质岩被称为接触性变质岩(contact metamorphism)，而它们对应的变质相为低压变质相。低压变质相根据温度的不同又可以细分为钠长绿帘角岩(albite-epidote hornfels)、普通角闪石角岩(hornblende hornfels)、辉石角岩(pyroxene hornfels)和透长岩(sanidine)等四个相。由于这些相产生时的压强较小，因此从形态上看，相比于前面提到的那些中高压或极高压相的岩石，这些低压相的叶理(foliation，即因高压而将岩石所含矿物压出的一层一层的纹理)要弱很多。
　　还有一种岩石大类为沉积岩。和变质岩经常产生于地质活动活跃的板块俯冲带不同，沉积岩一般形成于地壳活动不那么活跃的大陆架浅海和海底，以及广泛分布于陆地的表面。火成岩和变质岩经过物理或化学的侵蚀(流水、冰川、植物、风吹、潮汐……)，会脱离或碎裂，并被流水或空气搬运往别处。在能量较低的地方(平原、湖泊、沙滩、浅海、冲积扇、三角洲……)，这些碎屑会沉降下来。较大的颗粒会首先沉积，一般分布在沉积层的最下方，或者是离其来源更近的地方。较小的颗粒可以被带往更远的地方，例如深海。它们一般沉积在浅层。经过石化作用(lithofication)以后这些沉积物就会变成沉积岩。根据颗粒大小形态和沉积环境，沉积岩可以分为不同的种类。以海滩为例：
　　


　　近岸部分由于受海潮影响，能量较高，颗粒也就较大，被称作砂岩(sandstone)。有时候岸上还会有颗粒更大的砾岩(conglomerate)。离岸较远的大陆坡下方，海水较平静的地方，颗粒更小的沉积物会堆积，形成页岩(shale)。而在更深的深海，会形成含有多种碳酸化合物的石灰岩(limestone，含有方解石、白云石和霰石等矿物)。生物残骸会被埋在沉积物里，形成化石(fossil)或软泥(ooze)。还有一些比较特殊的沉积岩，例如火山爆发形成的碎屑岩等。
　　三大岩石种类(火成岩、变质岩和沉积岩)之间是可以相互转化的。比如变质岩和沉积岩可能随着板块俯冲进地幔并熔化，当它们再次喷出地表形成岩石时，就成为了火成岩。火成岩和变质岩经过侵蚀、沉积等作用，可以形成沉积岩。而火成岩和沉积岩在高温高压的条件下，也可以形成变质岩