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地球上各种岩石都是怎么来的?

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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:

  地球上各种岩石都是怎么来的?

  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:

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