岩石學

簡介

岩石學—對岩石的研究

岩石學(petrology)研究地殼及上地幔上部的岩石的分布、產狀、礦物組成、化學成分、結構、構造、分類命名、成因、演化歷史以及它與成礦的關係的地質學分支。來自宇宙的隕石、月岩也是岩石學的研究對象。岩石本身的利用和人造岩石也屬岩石學研究範疇。

歷史發展

《山海經》

人類從新石器時代起就開始利用岩石。成書於公元前約400年中國戰國初期的《山海經》，是世界上最早記述岩石的著作。古希臘學者泰奧拉斯托斯的《石頭記》也是較早記述岩石的著作。但它們都只是對一些岩石進行零星描述。18世紀末葉，以德國地質學家A.G.維爾納為首的水成論學派，提出了岩石水成學說，認為地球上岩石都是在“原始海洋”中沉積形成的。最先沉積的是花崗岩、片麻岩，次為片岩、大理岩，最後是頁岩、砂岩、礫岩。甚至把玄武岩也說成是地下煤層燃燒留下的灰燼。以英國學者J.赫頓為首的學派反對水成學說，於1788年提出岩石火成說。認為花崗岩是地下深處熔融物質冷凝後結晶形成的，玄武岩是火山噴出作用形成的熔岩。兩種對立學派的鬥爭，推動了岩石學的創立和發展。

到19世紀30年代，英國地質學家C.萊伊爾提出了較完整的岩石成因分類理論，把岩石分為水成岩類、火山岩類、深成岩類和變質岩類。多種成因觀點為岩石學奠定了基礎。偏光顯微鏡的發明，為研究組成岩石的造岩礦物創造了有力的工具，打開了研究岩石微觀領域的閘門，為岩石的分類描述、成因分析提供了依據。德國學者F.齊克爾發表了《描述岩石學教科書》、《礦物岩石在顯微鏡下的特徵》，1873年K.H.F.羅森布施發表了《岩相學主要礦物在顯微鏡下結構》專著，從而奠定了顯微鏡岩石學基礎。顯微鏡下對岩石的研究，彌補了巨觀觀察的不足，是岩石學發展過程中一個突破性轉折點。岩石化學的研究對推動岩石學的發展也作出了重大貢獻。19世紀末到20世紀初是岩石化學的形成時期。美國學者F.W.克拉克1922年發表了《火成岩平均成分》，1924年發表了《地殼成分》等著作。美國岩石學家N.L.鮑溫於1928年發表了《火成岩演化》，奠定了岩漿分異作用的理論基礎。在30年代前後，隨著岩石化學分析數據的增多，為岩石的化學成分分類積累了可靠的數據，各種岩石化學計算方法被相繼提出，如CIPW方法、尼格里法、扎瓦里茨基法、巴爾特法等，還提出了大量的岩石化學圖解。它們對探討岩石成因、劃分岩漿雜岩、岩漿岩建造、岩系或岩套都起了重要作用。同位素和稀土元素地球化學的套用，在確定各類岩石的物質來源、生成年代與形成溫度上提供了令人信服的證據。

第二次世界大戰結束以後，特別是50年代，通過國際性多學科地學研究活動的開展，板塊學說興起並不斷發展，作為地質學科分支的岩石學進入了新的發展時期。

X光及電子顯微技術的發展，使岩石、礦物內部結構研究進入微區領域；微量分析技術如光譜、X光螢光分析等的發展，使稀土和微量元素定量成為可能，為某些成岩作用的過程的研究提供了定量依據；質譜分析可以測定岩石和礦物中同位素組成，不僅提供了有關成岩作用的時間信息，對示蹤岩漿演化、岩漿起源、岩石變質等原岩及其形成過程也都提供重要信息；高溫高壓實驗，能測定的壓力達到數百億帕，約合深度600公里以下，可以模擬上地幔某些岩石的形成。

上述新技術、新方法的套用為地殼早期岩石，洋底和深部地幔岩石的研究，積累了大量資料，推動了現代岩石學理論的完善化。地震研究使過去的一元或二元原始岩漿論，已轉變為受大地構造環境控制而形成的多元岩漿的觀點，洋中脊、裂谷帶、活動大陸邊緣和陸內環境都有不同的岩漿組合。

板塊學說

50年代以後，隨著板塊學說的興起，為岩石學研究開拓了新的領域。岩石學在解決板塊運動機制、岩漿活動和變質作用方面都提供了有益的資料。板塊理論對大型沉積盆地形成及演化、各種沉積相形成和分布作出了合理的解釋，推動了沉積岩石學的發展。近20年來，各種現代分析測試技術及現代電子計算機技術引入岩石學研究領域，使岩石學研究進入微細、微區、微量分析階段，提高了岩石中穩定同位素、稀土元素和微量元素分析的精度，為某些成岩作用的形成演化過程提供了定量依據。計算機在數據處理和成岩、成礦過程的數值模擬等方面得到了廣泛套用，使岩石學向理論化、定量化方向發展邁出了巨大的步伐。高溫高壓實驗技術的發展，把實驗岩石學推向了一個新階段，為深入了解不同條件下變質作用、交代作用、岩漿形成和演化、地殼和地幔物質的相轉變，為模擬上地幔某些岩石的形成機理提供了可靠的數據。

學科內容

相關書籍

岩石學是現代地球科學的基礎課程，在國民經濟建設中具有非常重要的地位和作用。它是地學類的地質礦產勘查、水文地質、工程地質、岩土工程、石油與天然氣地質勘查、地球物理等本科專業的專業基礎課，也是必修的主幹課程之一。

通過學習岩石學，掌握岩石學基本知識與理論，岩石研究與生產套用的基本技能，特別是掌握地質學科學辯證的思維方法，並能初步運用岩石學基本原理分析地球及區域岩石形成、演化規律。

岩石學的研究方法可歸納為野外調查和室內測試實驗兩類。野外調查主要是通過地質填圖、剖面測量和露頭詳細觀測等弄清岩石的產狀、分布、組合、時代、構造與礦產的關係等，並採集各種標本、樣品供室內研究。室內研究主要有偏光顯微鏡鑑定、X射線分析、差熱分析、化學分析、電子顯微鏡鑑定、質譜分析、波譜分析及電子計算機數據處理等，以獲取組成岩石的礦物成分、物理性質及成因方面的信息。還可進行各種模擬實驗，驗證成岩成礦機理和為岩石工業利用提供資料。

與其他學科的關係岩石學是地質學的基礎學科之一，與地質學的所有分支學科都有密切關係。化學、物理學、現代分析測試技術、電子計算機技術是研究岩石學不可缺少的知識。板塊學說、地體學說、比較行星學、地球動力學、計算數學、非平衡熱力學、流體力學、耗散結構和灰色系統等有力地推動了岩石學的學科前沿的形成和發展。岩石學的研究除了發展地質科學理論之外，主要是為礦產資源的尋找和勘探服務，為改善人類自然環境服務和利用岩石本身為提高人類生活水平服務。

關於岩漿演化除了岩漿分異作用、岩漿同化作用之外，岩漿混合的觀點，也日益受到重視。板塊構造理論對沉積岩岩石學也有顯著影響，現代沉積岩石學理論認為：大型沉積盆地和它們的沉積中心與板塊運動有關，板塊的相互作用和板塊構造環境是沉積盆地演化和各種沉積相形成分布的關鍵。

用現代沉積作用和水動力學環境的實驗模擬資料來解決古沉積環境問題，是沉積岩石學研究的生長點。變質相和變質相系的研究初步奠定了變質作用和大地構造的聯繫，而地幔與地殼的相互作用而產生的熱流是區域變質的根本原因。80年代以來變質作用的溫度-壓力-時間軌跡的研究揭示了變質作用歷史與地殼構造演化之間的關係。

分支學科

礦物岩石學

根據研究內容和側重點的不同，岩石學又可分下列分支學科：火成岩石學（也稱岩漿岩石學）、沉積岩石學、變質岩石學、岩石化學、岩石物理學、地幔岩石學、行星岩石學、構造岩石學、實驗岩石學和工業岩石學等。

火成岩岩石學是研究主要由岩漿作用形成的岩石的成分、結構構造，及其形成條件和演化歷史的學科。其運用現代實驗技術、物理化學、流體動力學等理論，闡明各類岩漿的演化運移和冷卻結晶等過程，依據岩漿岩區域地質分布結合大地構造單元，總結各類岩漿岩自然組合的時空分布規律。

沉積岩岩石學是研究沉積物和沉積岩的組成、結構、構造和成因的學科。其主要內容包括沉積物和沉積岩物質成分、粒度及其生物化石群落等的研究；判定沉積環境和沉積物的源區，闡明古地理條件和恢復古構造；根據碎屑物和基質的比例，根據礦物顆粒和有機組分的分選性，進行沉積物和沉積岩的分類；根據化學沉積物的特點判定水體化學性質和海水深度等。

變質岩岩石學是研究地殼內部發生的變質作用，和變質岩的形成特點及其演變歷史的學科，天體隕石的衝擊變質亦屬這一研究範疇。

在地殼演化過程中，地幔、地殼的相互作用，引起區域熱流和構造環境的變化，發生了一系列屬於不同變質相、變質相系和不同形變程度的變質岩石。它們是變質作用在自然界的記錄，因而也是變質岩岩石學的研究對象。變質岩石學又可分為兩個方向：變質地質學和變質實驗岩石學。

工業岩石學是用矽酸鹽工藝學的方法來研究和開發與矽酸鹽礦物有關的資源，又稱工藝岩石學。其它的還有宇宙岩石學、化學岩石學、實驗岩石學、地幔岩石學、構造岩石學等。

岩石的形成與形成時的地質環境密不可分，岩石建造是地質環境的一種表現。因此為了闡明地質環境，區域地質學、大地構造學、構造地質學和地層學的研究是必不可少的知識；礦物學和地球化學可以闡明岩石中主要造岩礦物和元素遷移變化的規律，它們與化學熱力學和化學反應動力學相結合，可以說明岩石形成過程中可能的物理化學作用過程，以及岩漿發生的可能原岩。

宇宙岩石學可以看作岩石學與天文學之間的聯繫環節，而地幔岩石學可以看作岩石學與地球物理學之間的橋樑，這兩個分支學科擴大了岩石學研究的時空範圍，所研究的深度可達600公里的地幔，時間可以上溯到40億年左右，其研究成果為研究地球早期演化提供了基礎資料。

作為自然體系的岩石組合，其成因是複雜的，受諸多因素所制約，並且與地殼演化有著密切的聯繫。有成效的岩石學研究，一方面要擺脫傳統觀點的束縛，從單純岩石的描述中解放出來；另一方面也要防止簡單化的趨向，把複雜的成因問題納入簡單的成因模式。

岩石學的研究要掌握更多的岩相學、區域地質學資料，充分搞清各種岩石之間野外關係，加強岩石組合和岩石的物質組分(包括礦物學和地球化學)的研究，從而進一步引出客觀存在的形成條件和岩石構造歷史，並從物理化學基礎理論來闡明其內在聯繫和發生的根本原因。此外，從全球構造觀點，總結分析岩漿建造、變質建造和沉積建造的時空分布規律，這些將是岩石學的基本任務。