地质学基础讲稿.docx

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地质学基础讲稿

地质学基础

（FoundationofGeology）

绪论

一、地质学研究的对象、内容和分科

1．地质学研究的对象

地质学是一门关于地球的科学。

但当前限于人类的能力和实际需要，其研究对象主要局限于地球表层的地壳或岩石圈。

2．地质学研究的内容

（1）地球的物质组成（如元素、矿物、岩石和矿产的特征、形成条件和分布规律）；

（2）地球的运动规律以及运动的产物，即地球的结构和构造，区域地质构造、岩石圈的结构和运动规律；

（3）地球的历史和演化规律，研究局部地区、大陆以至整个岩石圈的发展和演化史；

（4）地球资源的合理开发和利用、地球环境以及保护地球的理论和方法。

3．地质学的分科

研究地球物质组成的学科，如结晶学、矿物学、岩石学、矿床学及地球化学等；

研究地球结构、构造和运动的学科，如构造地质学、大地构造学及动力地质学等；

研究地球演化历史的学科,如地层学、古生物学及地史学等；

研究地球资源的找寻和勘查方法，以及地质环境评价和对策的学科，如地质制图学、找矿勘探地质学、遥感地质学、水文地质学、工程地质学、探矿工程学、地球物理勘探学、地球化学勘探学、环境地质学及数学地质学等。

地质学是关于固体地球组成、结构及地球演化历史的知识体系。

现代地质学不仅要阐明固体地球的组成物质、控制物质转换的机制以及由这些物质记录的地球演化历史，而且要揭示改变固体地球外层的营力和改造地球表层的过程，并运用地质学知识探明可供利用的物质以及理解地质过程与人类活动相互作用的机理。

——国家自然科学基金项目指南

二、地质科学的研究意义

1.与人类生活生产有密切关系（矿产：

石油、天然气、煤、金属、肥料、建材等）；

2.地下水；

3.环境污染与防治；

4.灾害预防与治理（地震、火山喷发、泥石流、滑坡、塌方等）；

5.工程建设（铁路、桥梁、工厂、水利设施等）；

6.探索地球（甚至宇宙）产生、发展、演化以及生命的起源、发展演化等一些基本科

学问题（资源与环境、资源与人口增长）；

三、学习地质学应注意的几个问题

（一）地质学的研究对象有以下几个基本特点

1．整体规模宏大岩石圈的表面积超过5×108km2,平均厚度约100km。

2．发展过程漫长地球自形成以来的演化历史约有4600Ma；地质记录的不完整。

3．作用因素复杂

4．区域差异明显

（二）学习地质学应注意的几个问题

1．建立认识地质事件的时空观念

2．掌握辩证的思维方法

3．运用现实类比和历史分析的原则

“将今论古”的原则，从研究眼前正在进行的地质过程入手，总结其规律，再去推论地质历史上同类事物的发展和结局。

4．实践出真知

四、地质学与其他相关学科的关系

对于与地质学相关的各学科而言，诸如地球物理勘探、岩土工程、水文地质、油、气藏工程、采矿工程等，地质学是它们的研究基础和前提。

无论是物探工作者、煤、油、气地质工作者，还是工程及水文地质学家，都必须具备扎实的地质学知识，学会地质思维，掌握地质学方法，才能保证工作顺利进行，保证成果的准确性和可靠性。

各相关学科的研究成果，又丰富了地质学的内容，推动着地质学的发展。

因此，学好基础地质知识是构筑各相关专业知识大厦的基石，是将来做好本专业工作的保证。

***地质学发展简史***

1.前地质学时期（史前--1775年）

沈括“梦溪笔谈”（1031--1095年）：

沧海桑田

斯坦诺（丹麦）：

地质学三定律（叠覆律、原始连续律、原始水平律）

2.地质学初创时期（1775--1830年）

“水火之争”--水成派：

德国地质学家维尔纳（A.Werner，1749--1817年）—首创矿物分类法并提出按成分区分岩石；第一个建立花岗岩、正长岩和玄武岩等的鉴定方法；首先总结出研究地层层序的方法并注意到片麻岩和花岗岩是层位最深的地层。

火成派：

英国地质学家郝屯（J.Hutton，1726--1797）—最早指出脉岩的存在及与沉积岩的穿插关系，描述了烘烤现象；第一个阐明角度不整合的成因。

提出了“均变论”的原始思想。

“英国地质学之父”史密斯（W.Smith，1769--1839）：

生物层序律

3.近代地质学时期（1830--1954）

1830年英国著名地质学家莱伊尔（C.Lyell，1797--1875）发表了划时代经典著作《地质学原理》标志着近代地质学体系的建立。

正式提出均变论。

1857年，丹纳将霍尔（美国古生物地层学家）发现的长条形沉积盆地命名为地槽。

1885年奥地利地质学家徐士提出地台概念。

形成了统治地质学一百多年的槽台学说。

1912--1915年间，德国气象学家、地质学家魏格纳（A.Wegener，1880--1930）创立了大陆漂移学说，出版了《海陆起源》一书。

4.现代地质学时期（1954--现在）

美国学者赫斯和迪茨提出海底扩张假说。

1965年加拿大地质学家威尔逊（T.Wilson）提出转换断层的概念。

1968年，法国学者勒皮雄（X.Lepichon）和美国学者摩根（J.Morgen）同时提出板块学说。

地球是生物圈和人类生生不息的唯一家园，地质科学研究具有广阔的前景。

……让我们大力弘扬李四光的爱国主义和科学创新精神，提高地质科学研究创新能力，为振兴地质事业而努力奋斗。

——温家宝总理在第七次李四光地质科学奖颁奖大会上的讲话

第一章地球概况

第一节地球的形状和大小

一、地球极近似旋转椭球体（自转所致，表明地球具有弹性）

二、地球不是严格的旋转椭球体（内部物质分布不均匀）

三、地球形状的主要参数

赤道半径a6378.140km

两极半径c6356.755km

平均半径R6371.004km

扁率（a-c）/a1/298.253

表面积510064472km2

体积10832×108km3

第二节地球的外部圈层结构

一、大气圈

大气圈是由包围着固体地球的大气层构成，总质量约5.136×1015t，3/4集中在地面以上10km范围内。

主要物质成分以氮（75.5%）和氧（23.1%）为主，其次有氩（1.28%），二氧化碳（0.05%）。

根据大气温度、密度等物理特征，一般把大气圈自下而上分为对流层、平流层、中间层、电离层（暖层）和扩散层（散逸层）。

二、水圈

地球表面四分之三以上的面积被海洋、冰层、湖泊、沼泽、河流中的水体覆盖。

地面以下的土壤和岩石缝隙中也充填有大量的地下水，它们共同构成一个连续而不规则的圈层，称为水圈。

水圈中的水，主要在太阳热能和重力的作用下不停地运动着。

三、生物圈

生物圈是生物及其生命活动的地带所构成的连续圈层。

地球上生命物质出现在3500Ma。

在南非距今3200Ma的层状岩石中发现了原核生物化石。

自1000Ma以来植物和动物蓬勃发展。

第三节固体地球的主要物理性质

一、地球的质量和密度

根据牛顿万有引力定律计算出地球的质量为5.9472×1024kg，地球的平均密度为5.516g/cm3。

（砂、页、灰岩平均密度为2.6g/cm3,花岗岩密度为2.67g/cm3,玄武岩密度为2.85g/cm3，因而推论，地球内部大部分物质密度应大于平均密度。

）地球的密度随深度增加而增大，并且是不均匀的。

二、地球的重力

地球上某处的重力是该处所受地心引力与地球自转离心力（垂直地面分力）的合力。

地球表面的重力随纬度值的增大而增大（赤道g=978.0318cm/s2，两极g=983.2177g/s2，g随海拔高度的增高而减小，每升高1km，g减少31cm/s2）。

由于地面起伏和地球物质密度不均匀以及结构差异等原因使实测重力值与理论值不符，这种现象称为重力异常（正、负异常）。

三、地球的压力

地球内部某处的压力是指由上覆地球物质的重量所产生的静压力。

静压力的大小与所处的深度、上覆物质的平均密度及重力加速度呈正相关。

四、地球的磁性

固体地球好象一个磁化的球体，其磁力线特征类似于偶极场的特征。

地磁轴与地球自转轴并不重合，二者约成11.5°的交角。

而且地磁极的位置是不固定的，呈逐年的变化（1965年75°50′N，100°50′；1970年76°N，101°W；1975年76°06′，100°W）。

磁场特征要素：

磁场强度（F）、磁偏角（D）、磁倾角（I）。

地磁异常是叠加在地球基本磁场之上，由地壳内的岩石矿物及地质体的磁性差异引起的磁场。

五、地球内部的温度

自地面向地下深处，地热增温现象是不均匀的。

按温度状况可分为三层：

1．变温层（外热层）地温主要受太阳光辐射热的影响，温度随季节、昼夜的变化而变化，故称变温层。

2．常温层地温与当地年平均温度大致相当，且常年保持不变，其深度大致为20-40m。

（一般中纬度较深，两极和赤道较浅；内陆较深，滨海区较浅。

）

3．增温层常温层之下，地温随深度增大而逐渐增加。

深度每增加100m所升高的温度，称地温梯度（地温梯度各地有差异）。

六、地球的弹性和塑性

地震波的传播；岩层的褶皱变形等。

第四节地球的内部圈层结构

一、地球内部圈层划分的依据

1．地震波的特点

地震波是弹性波，分为体波、面波和自由振动等类型。

体波有纵波（P）和横波（S）之分。

纵波可在固态、液态和气态的介质中传播，横波只能在固态介质中传播。

地震波速的大小与介质的密度和弹性有关。

2．地球内部圈层划分的依据

（1）宇宙地质依据宇宙物质具有内在的统一性，宇宙天体（尤其是太阳系内天体）的物质成分可作为推断地球内部物质成分的参考依据（例如陨石）；

（2）地质学依据岩浆岩来自地下较深的部位，研究其物质成分和形成的温压条件可帮助人类认识地下的物质状态及环境。

特别是超基性岩，它们常来自地球深部。

（例如含金刚石的金伯利岩，金刚石生成温度为1100-2200℃、压力为5万个大气压，相当150km深度）

（3）地球物理依据主要是地震波速的变化。

二、地球内部圈层的特征

（一）地壳

莫霍面（大陆33km、洋底5-8km）莫霍面是地震波速显著不连续面（南斯拉夫地震学家莫霍诺维奇于1909年发现）。

莫霍面以上的由固体岩石组成的地球最外部圈层称为地壳。

地壳平均厚度约18km，平均密度2.8g/cm3，质量约2.35×1022kg。

地壳厚度变化大，大陆区20-80km，平均33km。

又分为上地壳和下地壳（以康拉德面为界，深约15km）。

上地壳（厚约15km）平均密度约2.7g/cm3，由沉积岩、变质岩和岩浆岩组成，一般称硅铝层或花岗质岩壳；下地壳（厚约18km）平均密度约2.9g/cm3，一般称硅镁层或玄武质岩壳。

大洋区平均7km，且较为均匀，普遍堆积有0.5km厚的沉积层，再下便是5-8km？

的硅镁层（密度2.9g/cm3）。

（二）地幔

古登堡面（2891km）（美国地震学家古登堡于1912年发现）S波终止，P波急剧减低。

莫霍面以下至古登堡面的圈层称为地幔。

地幔的厚度约2870km，物质密度由顶层的3.31g/cm3增至5.55g/cm3,平均约4.5g/cm3,质量约4.03×1024kg。

根据地幔上部与下部物质成分和温度、压力的差异性，和670km深处的地震波速显著间断面分为上、下地幔。

1．上地幔

盖层深度为20-80km，密度3.37g/cm3,物质成分推测为橄榄岩,固态。

低速层深度80-220km，（顶面在大陆区较深，大洋区较浅，底界的差异不大。

密度3.36g/cm3,）全球普遍存在、厚度不很均一的波速减低层。

横波局部地区不能通过,表明低速层部分物质可能呈熔融态,因而又称软流层（或软流圈）。

均匀层深度220-400km。

波速传播均匀,表明物质成分变化不大。

过渡层深度400-670km。

密度3.73-3.99g/cm3.

2.下地幔深度670-2891km,厚度2221km,平均密度5.1g/cm3。

据实验岩石学分析，由呈紧密堆积结构的氧化矿物，如MgO、FeO和SiO2组成。

（三）地核

古登堡面以下直至地心的部分称地核。

它是一个半径为3480km的球体，平均密度为10.83g/cm3。

一般认为物质成分主要为铁。

外核横波消失，应为液态。

（四）岩石圈

地壳与上地幔的顶部（软流圈以上部分），都是由固态岩石组成的，因而称岩石圈。

**思考题简述地球内部圈层的划分。

第二章岩石圈

第一节岩石圈的表面形态

一、陆地地形

山地、高原、盆地、丘陵、平原

二、洋底地形

洋底地形可划分为三大地形单元：

大陆边缘、洋盆和洋脊。

（一）大陆边缘

大陆与大洋相连接的过渡地带，称大陆边缘。

1．大陆架（陆棚）是指围绕大陆分布的浅水台地，平均坡度小于0.3°，平均深度小于130m。

2．大陆坡大陆架外坡度明显变陡的斜坡地带，坡度平均约4°最陡可超过20°，下界平均水深约2000m，平均宽度30km，最宽可超过100km。

大陆坡上常发育有海底峡谷（谷壁陡峭，剖面形态呈“v”字形）。

3．大陆基（大陆裙）是介于大陆坡与大洋盆地之间缓坡地带，下界水深约4000m，宽度几百公里，坡度一般小于1°（*在海沟发育的地区没有这一地形单元）。

基

4．海沟和岛弧大洋盆地边缘深度超过6000m的带状凹地，称为海沟。

宽度仅数公里至数十公里，长度最大可达几千公里。

太平洋西北侧的海沟多呈弧形，沿其凸出的一侧排列着大小岛屿，称为岛弧（多为火山

岩）。

（二）洋盆

洋盆是指位于海沟与洋脊之间辽阔而平坦的洼地，一般深度4000-5000m。

可进一步分为洋底丘陵、洋底平原、海山。

（三）洋脊

`贯穿于洋盆中央或一侧、延伸几万公里的洋底山脉，称洋脊。

第二节岩石圈的物质组成

一、岩石圈的化学成分

地壳元素的平均重量百分含量称克拉克值（地壳的元素丰度）。

1.元素在地壳、上地幔和地球中的分布相差十分悬殊，其中O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg等8种元素合计占地壳总质量的99%。

2．Al、Na、K三种元素在地壳中的丰度最高，但在上地幔和地球中的丰度显著降低，而Fe、Mg的丰度却显著增高。

二、矿物

矿物是由各种地质作用形成的，在一定地质条件和物理化学条件下相对稳定的自然元素单质或化合物。

三、岩石

岩石是各种地质作用形成的，并在一定地质和物理化学条件下稳定存在的矿物（或岩矿屑）的混合体。

按岩石成因可分为岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类。

岩浆岩是由岩石圈中、下部以及软流圈中的熔融岩浆上升到浅处或涌出地面冷凝而形成的岩石。

在地下冷凝形成的称为侵入岩，主要有花岗岩、闪长岩、辉长岩、橄榄岩等。

涌出地面冷凝而形成的称为喷出岩或火山岩，主要有流纹岩、安山岩、玄武岩等。

组成岩浆岩的主要矿物有斜长石、石英、辉石、角闪石、橄榄石和云母。

沉积岩是在表生条件下由各种沉积作用形成的沉积物，被埋藏到一定深度经过成岩作用而形成的岩石。

按其成因可分为碎屑岩、粘土岩、化学岩和生物化学岩等几大类。

主要组成矿物有石英、粘土矿物、方解石、白云石以及一些矿物或岩石的碎屑。

含有古代生物的遗体和遗迹化石是沉积岩最突出的特点。

变质岩是由岩石圈内先存的岩石（沉积岩、岩浆岩、变质岩），受地质环境（温度、压力和高温热液等）变化而使原岩在基本为固态的情况下，其结构、构造和成分被改造而形成的岩石。

按成因可分为接触变质岩、气液变质岩、动力变质岩和区域变质岩。

第三节岩石圈的构造

一、现代板块的划分

地震带是划分现代板块的首要标志。

环太平洋带

地中海－喜马拉雅带

世界地震分布图（震源深度0～700公里，记录时限6年）

（据PhysicalGeology,2001版）

据此全球可划分为欧亚板块、非洲板块、北美板块、南美板块、印度板块、南极板块和太平洋板块。

世界板块划分（引自金性春，1984）

1－洋脊；2－转换断层；3－俯冲边界；4－碰撞边界

二、板块边界类型

1．分离型板块边界类型洋脊轴两侧的板块作相背运动，板块被拉开，软流圈中的高温熔融岩浆顺裂隙上涌，凝结在滑移的板块后缘上，成为最新的洋底岩石圈。

2．汇聚型板块边界类型

（1）俯冲边界一侧板块向下俯冲并斜插入软流圈，另一板块则仰冲并叠覆其俯冲边缘之上。

二者间在地貌上形成海沟、岛弧或大陆边缘山系。

（例如：

太平洋板块与欧亚板块、北美板块、印度板块之间）

（2）碰撞边界两板块相对运动，前缘有洋壳的边缘下插，造成二者的陆壳碰撞接触，形成地缝合线。

（欧亚板块南缘与非洲板块和印度板块西段）

3．平错型板块边界类型两板块相互平行边界滑错，不造成新的山脉和海沟，地质构造上表现为转换断层或大型走滑断层。

**思考题简述板块边界类型及其地貌特征。

第四节地质作用概述

一、一般概念

由自然动力引起岩石圈或地球的物质组成、内部结构和地表形态变化的过程，统称为地质作用。

引起这些变化的各种自然动力，称为地质营力。

按地质营力来源分为内动力地质作用和外动力地质作用。

二、内动力地质作用

内动力地质作用的能源主要是地热能、重力能和旋转能。

内动力地质作用的主要类型有：

1．构造（地壳）运动主要是指岩石圈的机械运动，如板块的分离、滑移、俯冲、碰撞；区域性沉降与上隆；岩层的断裂和褶皱等。

2．地震作用地震是岩石圈机械运动积累的能量突然释放，引起岩石圈破裂，产生地震波的传播而引起的地面快速颤动的过程。

3．岩浆作用是指软流圈和岩石圈中、下部内集聚的高温熔融物质，顺通道运移至浅部甚至涌出地面冷凝成岩石的过程。

4．变质作用变质作用是指岩石圈内先存的岩石在新的温度、压力条件下，也可有外来气液物质参与，使原岩在基本固态的状况下发生结构、构造及矿物组合的改造过程。

三、外动力地质作用

外动力地质作用的主要能源是太阳的辐射能。

外动力地质作用主要有以下几种：

1．风化作用岩石在原地因气温变化、大气、水、生物等的共同作用下逐步分解、破坏的过程。

2．剥蚀作用是风、冰川、地面流水、地下水、海洋和湖泊水等地质营力在其运动过程中使地表岩石破坏并脱离原地的过程。

3．搬运作用风化、剥蚀的产物由动态介质从一处搬至它处的过程。

4．崩塌作用指基岩块体和松散堆积物在重力作用下崩落或沿斜坡下滑的过程。

5．沉积作用由于搬运动力和介质条件的变化而发生沉淀和堆积的过程。

6．固结成岩作用松散的沉积物被压实、固结而形成岩石的过程。

四、内、外动力地质作用的关系

地球表层是内、外地质作用交织的地带。

内动力促使岩石圈在软流圈上滑移、升降、分裂和碰撞聚合，导致地震，岩浆上涌和喷发，形成岩浆岩，使岩层发生褶皱和断裂，造成海洋盆地和大陆高地以及区域性地面起伏等。

而外动力则对地面的起伏加以改造，总趋势是削高填低，使地面准平原化，同时造就表生矿物和沉积岩。

它们之间既有区别又相互联系而不停地作用，推动着岩石圈的演化和发展，使地表形态、矿物、岩石和矿床以及地质体的构造变形不断地变化和改造。

复习与思考题

一、名词解释

1.岩石圈；2.地温梯度；3.重力异常；4.莫霍面；5.岩石圈；

6.现实类比和历史分析原则

二、选择题

1．根据板块构造学说的观点，大洋中脊是岩石圈板块的（）

A．扩张边界B．俯冲（汇聚）带C．转换断层D．消减带

2．地幔和地核的分界面—古登堡面约位于地下的（）

A．250km处B．1000km处C．2900km处D．5125km处

3．地震波横波在地球内部不能被传播（或被吸收）的圈层是（）

A．内核B．外核C．下地幔D．软流圈

4．地壳厚度最小的地区是（）

A．大洋盆地B．海沟C．大洋中脊D．岛弧

三、填空题

1．地球的外部圈层有、和。

2.地球外核物质的物理状态是态；内核物质的物理状态是态。

3.板块构造学说把板块边界分成、和三类。

4.地壳的下限是；地壳厚度最大的地区是；

地壳厚度最小的地区是。

5.表示地磁场强度的三个要素是、和。

6.地壳中克拉克值前三位的元素依次是、和。

7.板块构造学说将全球岩石圈划分为非洲板块、印度板块、太平洋板块、、、和七大板块。

四、问答题

1.说明地震波在地球内部传播的状况及据此划分的地球内部圈层。

2.对比大陆地壳和大洋地壳在分布、厚度和成分（结构）方面的差异。

3.内动力地质作用有哪些类型？

外动力地质作用可分哪些类型？

4.简述地球内部圈层的划分及依据。

第三章矿物

第一节矿物通论

一、矿物与晶体的概念

1．矿物的概念

矿物是由各种地质作用形成的，在一定地质条件和物理化学条件下相对稳定的自然元素单质或化合物。

注释：

1）矿物是各种地质作用形成的天然化合物或单质，它们可以是固态（如石英、金刚石）、液态（如自然汞）、气态（如火山喷气中的水蒸气）或胶态（如蛋白石）。

　　2）矿物具有一定的化学成分。

如金刚石成分为单质碳（C），石英为二氧化硅（SiO2），但天

然矿物成分并不是完全纯的，常含有少量杂质。

　　3）矿物还具有一定的晶体结构，它们的原子呈规律的排列。

如果有充分的生长空间，固态矿物都有一定的形态。

如金刚石形成八面体状，石英常形成柱状，柱面上常有横纹。

当没有生长空间时，它们的固有形态就不能表现出来。

　　4）矿物具有较为稳定的物理性质。

如方铅矿呈钢灰色，很亮的金属光泽，不透明，它的粉末（条痕）为黑色，较软（可被小刀划动），可裂成互为直角的三组平滑的解理面（完全解理），很重（比重为7.4-7.6）。

　　5）矿物是组成矿石和岩石的基本单位。

2．晶体与非晶体的概念

所谓晶体是指内部质点（原子、离子或分子）在三维空间呈周期重复排列的固体。

也可以形象地说，晶体是具有格子构造的固体。

晶体：

具有格子构造的固体，如石英的晶体排列是硅离子的四个角顶各连着一个氧离子形成四面体，这些四面体彼此以角顶相连在三维空间形成架状结构。

。

格子构造：

质点在三维空间的周期重复，例如石盐的晶体结构。

非晶体：

不具有格子构造的固体。

同质多像：

化学成分相同的矿物，但由于矿物晶体内质点的排列不同而形成不同矿物的现象，例如单质C的同质多像矿物石墨和金刚石。

二、矿物的化学成分与化学式

矿物的化学成分是决定矿物各种特性的基本因素。

（一）元素的离子类型

1．惰性气体型离子

2．铜型离子

3．过渡型离子

（二）引起矿物化学成分变化的原因

引起矿物化学成分变化的因素很多，其中类质同像是最普遍、最有实际意义的原因。

1．类质同像的概念

矿物结晶时，晶体中的某些质点（原子、离子、络阴离子或分子等）被性质相似的质点以各种比例相互置换或取代，而晶体结构类型和化学键性基本不变的现象，称类质同像。

2．类质同像的类型

完全类质同像、不完全类质同像；等价类质同像、异价类质同像。

3．类质同像的形成条件

（1）离子半径必须相近；

（2）离子类型相同或相近；

（3）置换前后，离子的总电价相等。

（三）矿物的化学式

矿物的化学式是指用化学元素符号表示矿物化学成分的方法。

******矿物学的发展简史******

　矿物学是一门古老而近代又得到了迅速发展的学科。

矿物学的发展可划分为以下四个阶段：

　　第一，萌芽阶段：

早在原始社会的石器时代，人们就开始利用矿物和岩石制作生产工具和装饰品。

从奴隶社会到封建社会开始应用金属，并由铜器时代向铁器时代过渡，说明当时各种金属矿产以大量开采，矿冶事业得到发展。

世界上最早矿物原料的技术