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第二节地质学发展简史
一、萌芽时期(远古一1450)
二、奠基时期(1450—1750)
三、形成时期(1750—1840)
四、发展时期(1840—1910)
五、20世纪地质学的发展(1910—1970)
六、现代地质学的发展趋势
1、领域扩大。
多学科综合、解决人类面临的一系列危机,重点是对地球进行综合研究,研究全球环境变化的物理、化学与生物过程及其相互作用,从而提出相应的措施,以减缓或适应全球变化过程。
2、随资源结构的调整,地质学需要为新资源的开发服务。
为改善人类的生存环境,发展经济建设及保护环境,地质学与应用技术相结合,更多地服务于实践应用。
3、国际合作。
第二章地球的基本特征
第一节地球概况
一、地球的形状和大小
(一)地球的形状、大小的认识
(1)大地水准面不是一个稳定的旋转椭球面,而是有地方隆起,有地方凹陷,相差可达100m以上;
(2)地球赤道横截面不是正圆形,而是近似椭圆形,长轴指向西经20°
和东经160°
方向,长短轴之差为430m;
(3)赤道面不是地球的对称面,从包含南北极的垂直于赤道平面的纵剖面来看,其形状与标准椭球体相比较,位于南极的南极大陆比基准面凹进24m;
而位于北极的没有大陆的北冰洋却高出基准面14m。
同时,从赤道到南纬60°
之间高出基准面,而从赤道到北纬45°
之间低于基准面。
(二)地球的形状和大小的最新数据
(三)地球的其它数据
二、地球的物理性质
(一)地球的密度和重力
地球的密度:
是根据万有引力定律计算出来的,用地球的质量除以地球的体积,便可得出地球的平均密度是5.517g/cm3,而地壳上部的岩石平均密度是2.65g/cm3,由此推测地球内部必有密度更大的物质。
地球的重力:
一般是指地球对地表和地内物质的引力。
而万有引力F=m1m2/r2,由此可知,重力与地球质量(m1)和物体质量(m2)的乘积成正比,与地球和物体二者质量中心的直线距离平方(r2)成反比。
(二)地磁
地球周围形成一个巨大的地磁场。
条形磁铁的北极指向地球的南磁极,条形磁铁的南极指向地球的北磁极。
其磁力线是从南磁极出发进入北磁极的。
磁偏角也就是地磁子午线与地理子午线的夹角,以指北针为准,偏东为正,偏西为负。
磁倾角即磁针与各处水平面的夹角,常随纬度而变化,在两磁极α角为90°
,在磁赤道则为0°
,以指北针为准,下倾者为正,上仰者为负。
概括而言,地磁具有以下特点:
(1)地磁南北极和地理南北极的位置不一致,并且磁极的位置逐年都有变化,磁极有向西缓慢移动的趋势。
(2)地面上每一点都可从理论上计算出它的磁偏角和磁倾角。
(3)根据人造卫星在地球外层空间探测发现,地球磁场的磁力线并不规则,太阳风的影响,地球的磁场被压缩在一个固定区域内,这个区域叫磁层。
磁层可以使地球上生物免受宇宙射线和粒子袭击的危害。
(4)关于地球磁场形成的原因,曾有种种推测:
目前倾向于这种认识:
地核的外核部分为液态的金属铁镍物质,是一种导电流体,在地球旋转过程中,产生感应自激,形成地球磁场。
又因在地球转动过程中,流体地核比固体地幔略有滞后,因此产生地球磁场逐渐向西漂移。
(三)地热
地球内部储存着巨大的热能,这就是常说的地热。
常温层。
它的深度因地而异,在我国北方,温度具有年变化的深度大约在30m左右。
在年常温层以下,地温随深度而增加,此增温规律可以用地热增温级或地热梯度表示。
所谓地热增温级是在年常温层以下,温度每升高1℃时所增加的深度,单位是m/℃,地热增温级的平均数值是33m/℃。
地热增温级的倒数叫地热梯度,即每深100m所增加的温度,单位是℃/100m。
地热梯度的平均数值是3℃/100m。
地热增温的规律只适用于地壳部分或岩石圈。
第二节地球的圈层结构
一、地球的外部圈层
(一)大气圈
主要成分氮占78%;
氧占21%;
其他是二氧化碳、水汽、惰性气体、尘埃等,占1%。
轻的物质,轻的物质上升,积少成多形成大气圈。
大气圈是地球的重要组成部分,并有重要的作用:
(1)大气可以供给地球上生物生活所必须的碳、氢、氧、氮等元素。
(2)大气可以保护生物的生长,使其避免受到宇宙射线的危害。
(3)防止地球表面温度发生剧烈的变化和水分的散失,如若没有大气圈,地球上将不会存在水分。
(4)一切天气的变化,如风、雨、雪、雹等都发生在大气圈中。
(5)大气是地质作用的重要因素。
(6)大气与人类的生存和发展关系密切。
(二)水圈
水圈主要是呈液态及部分呈固态出现的。
它包括海洋、江河、湖泊、冰川、地下水等,形成一个连续而不规则的圈层。
水圈的质量为1.41×
1018t,占地球总质量0.024%,比大气圈的质量大得多,但与其他圈层相比,还是相当的小。
其中海水占97.2%,陆地水(包括江河、湖泊、冰川、地下水)只占2.8%;
而在陆地水中冰川占水圈总质量的2.2%,所以其他陆地水所占比重是很微小的。
可见,水圈是独立存在的,但又是和其他圈层互相渗透的。
水圈是地球构成有机界的组成部分,对地球的发展和人类生存有很重要的作用:
(1)水圈是生命的起源地,没有水也就没有生命。
(2)水是多种物质的储藏床。
(3)水是改造与塑造地球面貌的重要动力。
(4)水是最重要的物质资源与能量资源,水资源的多寡和水质的优劣直接关系着经济发展与人类生存。
(三)生物圈
指地球表面有生物存在并感受生命活动影响的圈层。
目前世界上已知的动物、植物大约有250万种,其中动物占200万种左右,植物大约占34万种左右,微生物大约有3.7万种。
二、地球的内部圈层
包括地壳、地幔和地核。
地震波分为纵波(P)和横波(S)。
纵波可以通过固体和流体,速度较快;
横波只能通过固体,速度较慢。
同时地震波的传播速度随着所通过介质的刚性和密度的变化而改变.但根据地球内部震波传播曲线分析,可以看出震波传播速度随深度而发生变化,并且有些地方还发生突然变化,可见地球内部物质不是均一的,而且还存在许多界面。
不连续面。
其中有两个变化最显著的不连续面,叫一级不连续面。
两个一级不连续面:
平均33km处(指大陆部分)。
这个一级不连续面称莫霍洛维奇不连续面,简称莫霍面或莫氏面。
另一个在2900km深处。
在这里纵波速度由13.32km/s突然降为8.1km/s,而横波至此则完全消失。
这个面称古登堡不连续面。
这两个一级不连续面,将地球内部划分为3个圈层:
地壳、地幔和地核。
此外,根据次一级不连续面还可以划分出次一级圈层,共可划分出A、B、C、D、E、F、G7个圈层;
次一级圈层还可根据更次一级不连续面划分出更次一级的圈层,如A′、A″,B′、B″等。
(一)地壳
指地球莫霍面以上的固体硬壳(A层),属于岩石圈的上部。
1.地壳的化学组成
地壳中含有元素周期表中所列的绝大部分元素,而其中O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg等8种主要元素占98%以上,其他元素共占1—2%。
化学元素在地壳中平均含量称克拉克值。
顺扣留记忆:
上联:
O、Si、Al、Fe、Ca-----下联:
Na、K、Mg、h、ti.
氧几乎有一半,硅约占1/4,铝约占1/13,而表中未列入的大多数元素的含量是不足道的。
其中以O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg等组成的硅酸盐矿物为最,其次为各种氧化物、硫化物、碳酸盐等。
各种不同矿物特别是硅酸盐类组成各种岩石,所以说地壳是岩石圈的一部分。
2.地壳的厚度和结构
地壳是地球表面的一层薄壳,为地球半径的1/400,但各处厚度不一,大陆部分平均厚度37km多,海洋部分平均厚度则只有约7km。
地壳(A层)可以分为上下两层,中间被康拉德面所分开。
这一界面在海洋部分不明显或者根本不存在。
上层地壳(即A′层),其成分以O、Si、Al及K、Na等为主,和花岗岩
的成分相似,所以叫花岗岩层;
此层又称为硅铝层(Sial)。
在这一层的表层部分常分布有0—10km厚的沉积岩层。
平均密度为2.6—2.7g/cm3。
此层厚度在山区和高原可达40km,在平原区常为10km,在海洋地区变薄甚至完全缺失,因此是一个不连续圈层。
这一层物质组成极为多样,构造形态和地貌形态也非常复杂。
下层地壳(即A″),其成分虽然也以O、Si、Al等为主,但Mg、Fe、Ca等成分则显著增加,和玄武岩的成分相似,所以叫玄武岩层,又称为硅镁层(Sima)。
平均密度为2.9—3.0g/cm3。
此层在海洋地壳部分平均厚5—8km,在大陆部分则延伸至花岗岩层之下,推测可厚达30km,是一个连续圈层。
3.地壳的类型
地壳可以分为大陆型地壳(简称陆壳)和大洋型地壳(简称洋壳)。
陆壳的特征是厚度较大(30—70km),具双层结构,即在玄武岩层之上有花岗岩层(表层的大部分地区有沉积岩层)。
总的来看,硅铝层好像浮在硅镁层之上,地表起伏越大(如高山、高原),莫霍面的位置越深,地壳越厚。
洋壳的特征是厚度较小,最薄的地方不到5km,一般只有单层结构,即玄武岩层,其表层为海洋沉积层所覆盖。
(二)地幔
指莫霍面以下到古登堡面以上的圈层。
深度为从地壳底界到2900km。
其体积占地球总体积的82%,质量为4.05×
1021t,占地球总质量的67.8%。
物质密度大约从3.32g/cm3递增到5.7g/cm3,即在地幔下部接近于地球的平均密度。
压力随深度而增加。
温度也随深度缓慢增加,下部约为3000℃左右。
从莫霍面到古登堡面,根据地震波传播速度大体是缓慢而均匀变化的,中间缺少一级不连续面,说明地幔物质较地壳具有很大的均匀性。
约400km和约1000km深处各有一个次一级不连续面存在,即拜尔勒面和雷波蒂面,并据此划分为B、C、D层。
以1000km为界,把地幔分为上地幔和下地幔。
(三)地核
位于深2900km古登堡面以下直到地心部分称地核。
由于震波速度在这一部分发生了突然变化,即纵波速度从每秒13.32km下降到8.1km,横波则消失,表明组成地核物质的化学成分和物理性质等有了很大的变化。
根据地震纵波的变化情况,地核又可分为外核(E层)、过渡层(F层)和内核(G层)。
地核总质量为1.88×
1021t,占整个地球质量的31.5%;
温度为3000℃,最高可能达5000℃或稍高。
外核由于只有P波才能通过,呈液态。
过渡层和内核有S波出现,呈固态。
铁镍成分,铁镍地核说。
第三节地质作用极其能量来源
一、基本概念
(一)基本概念
作用于地球的自然力使地球的物质组成、内部构造和地表形态发生变化的作用,总称为地质作用。
引起地质作用的自然力称为地质营力。
所有地质营力来源于能,力是能的表现。
按照能的来源不同,地质作用分为内力地质作用和外力地质作用。
内力地质作用是由地球内部的能(简称内能)引起的,主要有地内热能、重力能、地球旋转能、化学能和结晶能。
外力地质作用是由地球以外的能(简称外能)引起的,主要有太阳辐射能、潮汐能、生物能等。
(二)地质作用的能量来源
1.地内热能地球本身具有巨大的热能,这是导致地球发生变化的重要能源。
2.重力能指地心引力给予物体的位能。
在地球表面所有物体都处于重力场的作用之下。
3.地球旋转能地球自转对地球表层物质产生离心力和离极力。
4.太阳辐射能太阳不断向地球输送热能。
5.潮汐能地球在日、月引力作用下使海水产生潮汐现象。
6.生物能由生命活动所产生的能量,无论是植物的生长、动物的活动以及人类大规模的改造自然活动,都会产生改变地球物质和面貌的作用。
(三)地质作用的分类
内力地质作用分为构造运动、岩浆活动、变质作用和地震作用。
外力地质作用按照外营力的类型,可以分为河流的地质作用、地下水的地质作用、冰川的地质作用、湖泊和沼泽的地质作用、风的地质作用和海洋的地质作用等。
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第三章矿物与岩石
第一节概述
一、矿物和岩石的概念
地壳中的各种化学元素,在各种地质作用下不断进行化合,形成各种矿物。
矿物不是孤立存在的,而是按照一定的规律结合起来形成各种岩石。
所以说矿物是在各种地质作用下形成的具有相对固定化学成分和物理性质的均质物体,是组成岩石的基本单位。
岩石是在各种地质作用下,按一定方式结合而成的矿物集合体,它是构成地壳及地幔的主要物质。
有些岩石主要是由一种矿物组成,但更多的岩石是由几种矿物组成。
根据成因,岩石可以分为三大类:
火成岩、沉积岩和变质岩。
二、矿物学与岩石学理论的建立
第二节矿物
一、矿物的基本特性
(一)矿物的内部结构和晶体形态
1.晶质体和非晶质体
所谓晶质体,就是化学元素的离子、离子团或原子按一定规则重复排列而成的固体。
矿物的结晶过程实质上就是在一定介质、一定温度、一定压力等条件下,物质质点有规律排列的过程。
由于质点规则排列的结果,就使晶体内部具有一定的晶体构造,称为晶体格架。
具有良好几何外形的晶质体,通称为晶体。
有少数矿物呈非晶质体结构。
凡内部质点呈不规则排列的物体都是非晶质体,如天然沥青、火山玻璃等。
这样矿物在任何条件下都不能表现为规则的几何外形。
2.晶形
晶体可分成两类:
一类是由同形等大的晶面组成的晶体,称为单形,单形的数目有限,只有47种。
一类是由两种以上的单形组成的晶体,称为聚形。
聚形的特点是在一个晶体上具有大小不等、形状不同的晶面。
在自然晶体中,常发现两个或两个以上的晶体有规律地连生在一起,称为双晶。
最常见的有三种类型:
接触双晶——由两个相同的晶体,以一个简单平面相接触而成。
穿插双晶——由两个相同的晶体,按一定角度互相穿插而成。
聚片双晶——由两个以上的晶体,按同一规律,彼此平行重复连生一起而成。
3.结晶习性
在相同条件下形成的同种晶体经常所具有的形态,称为结晶习性。
大体可以分为三种类型:
矿物晶体常形成柱状、针状、纤维状,即晶体沿一个方向特别发育,称一向延伸型。
矿物晶体常形成板状、片状、鳞片状,即晶体沿两个方向特别发育,称二向延伸型。
有的矿物晶体常形成粒状、近似球状,即晶体沿三个方向特别发育,称三向延伸型。
(二)矿物的化学成分
1.矿物的化学组成类型
单质矿物基本上是由一种自然元素组成的,如金、石墨、金刚石等。
化合物自然界的矿物绝大多数都是化合物,但化合物是多种多样的,按组成情况又可分为:
(1)简单化合物、络合物、复化物。
(2)所谓类质同像是指在结晶格架中,性质相近的离子可以互相顶替的现象。
互相顶替,但并不破坏其结晶格架。
类质同像中离子置换又有两种情况:
一是互相置换的离子电价相等,称为等价类质同像。
一是几种离子同时置换,置换的离子电价各异,但置换后的总电价必须相等。
置换结果有的组分是在一定限度内进行离子置换,称为不完全类质同像。
有的没有一定限制,即两种组分可以以任何比例进行离子置换,形成一个连续的类质同像系列,称为完全类质同像。
含水化合物一般指含有H2O和OH-、H+、H3O+离子的化合物而言。
又可分为吸附水和结构水两类。
2.矿物的同质多像
同一化学成分的物质,在不同的外界条件(温度、压力、介质)下,可以结晶成两种或两种以上的不同构造的晶体,构成结晶形态和物理性质不同的矿物,这种现象称同质多像。
3.胶体矿物
一种物质的微粒分散到另一种物质中的不均匀的分散体系称为胶体。
胶体矿物在形态上一般呈鲕状、肾状、葡萄状、结核状、钟乳状和皮壳状等等,表面常有裂纹和皱纹,这是由胶体失水引起的。
(三)矿物的集合体形态和物理性质
1.矿物的集合体形态
1)粒状集合体由粒状矿物所组成的集合体。
粒状集合体多半是从溶液或岩浆中结晶而成的,当溶液达到过饱和或岩浆逐渐冷却时,其中即发生许多“结晶中心”,晶体围绕结晶中心自由发展,及至进一步发展受到周围阻碍,便开始争夺剩余空间,结果形成外形不规则的粒状集合体。
2)片状、鳞片状、针状、纤维状、放射状集合体如石墨、云母等常形成片状、鳞片状集合体,石棉、石膏等常形成纤维状集合体,还有些矿物常形成针状、柱状、放射状集合体。
3)致密块状体由极细粒矿物或隐晶矿物所成的集合体,表面致密均匀,肉眼不能分辨晶粒彼此界限。
4)晶簇生长在岩石裂隙或空洞中的许多单晶体所组成的簇状集合体叫晶簇。
5)杏仁体和晶腺矿物溶液或胶体溶液通过岩石气孔或空洞时,常常从洞壁向中心层层沉淀,最后把孔洞填充起来,其小于2cm者通称杏仁体;
大于2cm者可称晶腺。
6)结核和鲕状体矿物溶液或胶体溶液常常围绕着细小岩屑、生物碎屑、气泡等由中心向外层层沉淀而形成球状、透镜状、姜状等集合体,称为结核。
7)钟乳状、葡萄状、乳房状集合体这些形态大多数是某些胶体矿物所具有的特点。
胶体溶液因蒸发失水逐渐凝聚,因而在矿物表面围绕凝聚中心形成许多圆形的、葡萄状的、乳房状的小突起。
8)土状体疏松粉末状矿物集合体,一般无光泽。
9)被膜因受风化作用在其表面往往形成一层次生矿物的皮壳,称为被膜。
2.矿物的物理性质
1)颜色
因矿物本身固有的化学组成中含有某些色素离子而呈现的颜色,称为自色。
具有自色的矿物,颜色大体固定不变,因此是鉴定矿物的重要标志之一。
有些矿物的颜色,与本身的化学成分无关,而是因矿物中所含的杂质成分引起的,称为他色。
有些矿物的颜色是由某些化学的和物理的原因而引起的。
如片状集合体矿物常因光程差引起干涉色,称为晕色,如云母;
容易氧化的矿物在其表面往往形成具一定颜色的氧化薄膜,称为锖色,如斑铜矿。
以上都统称为假色。
2)条痕
矿物粉末的颜色称为条痕。
通常是利用条痕板(无釉瓷板),观察矿物在其上划出的痕迹的颜色。
由于矿物的粉末可以消除一些杂质和物理方面的影响,所以比其颜色更为固定。
因此条痕在鉴定矿物上具有重要意义。
3)光泽
矿物表面的总光量或者矿物表面对于光线的反射形成光泽。
(1)金属光泽矿物表面反光极强,如同平滑的金属表面所呈现的光泽。
(2)半金属光泽较金属光泽稍弱,暗淡而不刺目。
(3)非金属光泽是一种不具金属感的光泽。
又可分为:
金刚光泽——光泽闪亮耀眼。
如金刚石、闪锌矿等的光泽。
玻璃光泽——象普通玻璃一样的光泽。
如水晶、萤石、方解石等具此光泽。
此外,由于矿物表面的平滑程度或集合体形态的不同而引起一些特殊的光泽。
脂肪光泽;
珍珠光泽;
丝绢光泽;
土状光泽。
4)透明度
指光线透过矿物多少的程度。
矿物的透明度可以分为3级:
(1)透明矿物:
矿物碎片边缘能清晰地透见他物。
(2)半透明矿物:
矿物碎片边缘可以模糊地透见他物或有透光现象。
(3)不透明矿物:
矿物碎片边缘不能透见他物。
5)硬度
指矿物抵抗外力刻划、压入、研磨的程度。
德国摩氏选择了10种矿物作为标准,将硬度分为10级,这10种矿物称为“摩氏硬度计”。
摩氏硬度计只代表矿物硬度的相对顺序。
在野外工作,还可利用指甲(2—2.5)、小钢刀(5—5.5)等来代替硬度计。
顺口溜记忆:
滑(石)、石(膏)、方解(石)、萤(石)、磷(灰石)、长(石)、
下联:
石英、黄玉、刚(玉)、金刚(石)。
硬度分别是1---10.
6)解理
在力的作用下,矿物晶体按一定方向破裂并产生光滑平面的性质叫做解理。
沿着一定方向分裂的面叫做解理面。
解理是由晶体内部格架构造所决定的。
一向解理。
有的矿物具有二向、三向、四向或六向节理。
解理可分为下列等级:
(1)最完全解理。
(2)完全解理。
(3)中等解理。
(4)不完全解理。
(5)极不完全解理(无解理)。
7)断口
矿物受力破裂后所出现的没有一定方向的不规则的断开面叫做断口。
断口出现的程度是跟解理的完善程度互为消长的,即一般说来,解理程度越高的矿物不易出现断口,解理程度越低的矿物才容易形成断口。
根据断口的形状,可以分为贝壳状断口、锯齿状断口、参差状断口、平坦状断口等。
8)脆性和延展性
矿物受力极易破碎,不能弯曲,称为脆性。
矿物受力发生塑性变形,如锤成薄片、拉成细丝,这种性质称为延展性。
9)弹性和挠性
矿物受力变形、作用力失去后又恢复原状的性质,称为弹性。
矿物受力变形、作用力失去后不能恢复原状的性质,称为挠性。
10)比重
11)磁性
12)电性
13)发光性
14)其它性质易燃性;
咸、苦、涩等味道;
滑腻感;
有些矿物如受特殊的气味。
二、矿物的分类
矿物分类的方法很多,当前常用的是根据矿物的化学成分类型分为5大类:
自然元素矿物、硫化物及其类似化合物矿物、卤化物、氧化物及氢氧化物矿物、含氧盐矿物。
三、重要矿物简述
一、自然元素矿物
1.石墨C2.金刚石C
二、硫化物类矿物
3.辉铜矿4.方铅矿5.闪锌矿ZnS6.辰砂HgS7.辉锑矿Sb2S38.辉钼矿MoS29.黄铁矿FeS210.黄铜矿CuFeS2
三、氧化物及氢氧化物类矿物
11.赤铁矿Fe2O312.磁铁矿Fe3O4或FeO·
Fe2O313.褐铁矿FeO(OH)·
nH2O14.锡石SnO215.软锰矿MnO216.铝土矿Al2O3·
nH2O17.石英SiO2
四、含氧盐类矿物
18.正长石K19.斜长石20.橄榄石21.普通辉石22.普通角闪石23.云母24.绿帘石25.绿泥石26.蛇纹石和石棉27.滑石28.石榴子石29.红柱石30.高岭石
31.方解石32.白云石33.孔雀石和蓝铜矿
34.重晶石BaSO435.石膏CaSO4·
2H2O
36.钨锰铁矿(黑钨矿)(Fe,Mn)WO4
37.磷灰石Ca5[PO4]3[F,Cl]
38.萤石(氟石)CaF2
39.石盐NaCl和钾石盐KCl
实验课:
矿物的形态、矿物的物理性质、常见矿物的肉眼鉴定
第三节火成岩
一、岩浆、岩浆作用和火成岩的概念
岩浆---岩浆是在地壳深处或上地幔天然形成的、富含挥发组分的高温粘稠的硅酸盐熔浆流体。
岩浆的化学成分若以氧化物表示。
其中以SiO2的含量为最大。
根据岩浆中SiO2的相对含量,酸性岩浆(SiO2>65%)、中性
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- 地质学 基础