地质作用可以是物理过程、化学过程或与生物活动相关的过程,它们既发生于地球内部也发生在地表环境。地球现在的内部结构和表面地貌是地质作用长期改造的结果。地质作用与地球内、外部能量相关,由地球内部能量引发的地质作用称为内地质作用,由地球外部能量产生的地质作用称为外地质作用。地球内部能量主要包括热能、放射能、化学能、重力能以及地球转动能等,这些能量所产生的地球动力导致了许多重要地质过程的发生,如地壳或板块运动、岩浆活动、变质作用以及地震等。地球外部能量主要来自太阳辐射热能、潮汐能、生物能以及重力能,这些能量导致风、流水、冰川、波浪、潮汐、重力滑坡的发生和促进生物的活动,从而引发地球表面各种地质作用,如风化、剥蚀、搬运、沉积以及岩层的滑移崩塌等。不同地质作用的规模和持续时间不同。内地质作用一般规模巨大或强烈突发,如板块运动、火山喷发、地震等,而外地质作用通常规模较小或微弱缓慢,如重力滑坡、化学风化、成岩过程等。
地质作用
形成和改变地球物质组成、内部结构和外部形态的各种自然过程。
- 英文名称
- geological processes
- 所属学科
- 地质学/地质资源与地质工程
地球内部热能引起的地幔对流使上覆岩石圈板块发生运移,毗邻板块的相对运动在其结合部位可产生不同构造环境和引发不同类型的地质作用。板块间的相对运动可分为汇聚、离散和走滑3种类型。汇聚板块边界是大洋板块向相邻大陆板块之下俯冲的边界。俯冲大洋板块最终消亡导致相邻大陆将发生碰撞,产生挤压构造环境。大洋板块的俯冲角度和速度可发生变化,造成上覆大陆出现伸展或挤压应力场和引发伸展或挤压变形。相邻板块朝反方向运动形成离散型板块边界。离散边界多由大陆裂谷演化而成,裂谷发育使岩石圈不断减薄,最终产生大洋地壳。洋壳两侧大陆遂发展为被动大陆边缘,并以伸展变形和岩浆活动为特征。相邻板块发生侧向运动则产生走滑板块边界。相邻板块之间的走滑运动虽对板块内部变形影响较小,但导致走滑断裂的两端区域发生强烈变形。在运动过程中,板块运动方向会发生不断变化,板块边界的构造应力场也会随之改变,因此导致复杂构造变形的发生。
构造变形是指原始岩石的结构、构造和位置在构造应力作用下发生了改变。岩石中的线理、面理、断裂以及褶皱几何学特征记录了变形过程。脆性变形使岩石结构发生整体性破坏,形成节理或断层等。塑性变形使岩石内部结构重新调整,岩石体积发生变化。构造变形可导致地壳缩短增厚、地壳伸展减薄以及地块旋转等。地壳缩短变形方式主要为褶皱和逆冲推覆,它们导致地壳岩石发生不断叠置而增厚。地壳缩短增厚往往与陆块碰撞有关,陆块碰撞形成的造山带往往具有厚的地壳。逆冲推覆构造变形也可导致相邻陆块发生挠曲或褶皱,形成前陆盆地或褶皱盆地。地壳伸展减薄构造变形表现为地壳上部发生正断层以及深部发生韧性拉伸,并促使裂谷盆地的形成。强烈地壳伸张可造成下地壳物质的剥露,形成变质核杂岩。地块旋转以及地块之间相对平移在地块边缘产生走滑断裂。走滑断裂走向在空间上的变化导致某些部位发生伸展或挤压,产生拉分盆地或褶皱冲断带。
地震是指岩石中蓄积的应变能以弹性波的形式突然释放和引起地球的颤动。断裂带的应变是逐步积累的,当应变到一定程度时会克服断裂带的摩擦阻力,使断裂带发生快速位移和释放积累的能量。地震可产生两种地震波,即体波和面波。体波包括初至波(P波)和次波(S波),它们在地球内部快速传播,但对地表影响较小。面波包括瑞利波(地滚波)和勒夫波(L波),它们沿地表传播,是造成地震灾害的主要原因。地震活动可使地壳结构、构造和地表形态发生明显改变,并可引发重大地质灾害。
岩浆是岩石圈内部的高温熔融体,它从形成到冷凝经历了不同的物理化学条件变化。岩浆侵入是指深部岩浆向上运移和入侵到周围岩石之中。岩浆在侵入过程中不断发生分异和同化混染。岩浆分异作用是指由于温度、压力、氧逸度等物理化学条件的变化,初始母岩浆不断派生出不同成分岩浆的过程。岩浆分异作用包括结晶分异、熔离作用、扩散作用、气运作用等主要形式。同化混染是指上升岩浆与围岩之间发生的相互作用。部分围岩组分被熔解进入岩浆,逐渐成为岩浆的一部分,从而不断改变原始岩浆的成分。
不同岩浆形成于不同深度。铁镁质岩浆一般形成于地幔,如玄武质岩浆;长英质岩浆则形成于地壳,如花岗岩浆。来自地幔的铁镁质岩浆由于黏度小、温度高,所以可快速入侵到地壳内部,形成铁镁质岩体。长英质岩浆由于黏度大和温度较低,侵入过程相对较慢,但可形成体积庞大的岩基。花岗岩是地质记录中最常见的岩浆侵入体。花岗岩浆的形成是一个渐进过程,首先是源区发生部分熔融,形成原地花岗岩或混合岩。当熔融达到一定程度,花岗岩浆开始向上运移,逐渐侵入到上覆围岩之中。
火山活动是指地下岩浆涌到地表的现象。强烈的火山活动主要发生在活动大陆边缘,这一现象反映火山活动与大洋板块俯冲直接相关。上地幔和地壳内岩浆的形成是部分熔融的结果,但水的加入对活动大陆边缘部分熔融有重要的影响。俯冲板块上覆沉积物中含有大量水,当沉积物被俯冲到深部时其所含的水被挤出,从而大大降低了上覆岩石的熔融温度,促使其在相对较低的温度下发生部分熔融或称为水化熔融。太平洋板块向周缘大陆之下的俯冲产生了一个巨大的火山喷发环带。火山活动也发生在板块内部或远离板块边缘的区域,但它们通常与大陆伸展和裂谷过程相伴生。板块内部火山活动被认为与深部软流圈上涌或地幔柱活动相关。大面积分布的玄武岩在大陆内部构成大火山岩省,如二叠纪西伯利亚大火山岩省和古新世得干大火山岩省等。
火山喷发有多种形式,但大致可分为裂隙溢流和中心爆发两种形式。裂隙溢流是指熔岩流沿裂隙相对平静地涌出地表。溢流熔岩多为基性岩浆,温度可达1100℃。由于溢流熔岩黏度小,它们可流动很远距离,从而形成大面积分布的溢流玄武岩。中心式爆发火山多为中酸性岩浆喷发,它们可形成巨大的火山蘑菇云和形成大规模火山碎屑流与火山灰沉积。中酸性岩不仅浆黏度大,而且含有大量气体。当岩浆上升到具地表数百米时,内部气体压力迫使上覆地壳发生破裂。当岩浆冲出地表,大量气体的突然析出导致强烈的火山爆发。火山爆发使岩浆和围岩强烈碎裂,从而产生大量的火山碎屑。因此爆发式火山以形成大量的熔结凝灰岩、火山角砾岩为特征。
风化作用是指由于大气温度的变化以及水、氧、二氧化碳和生物的参与,地表岩石内的矿物发生分解和碎裂的作用。风化作用分为物理风化、化学风化和生物风化3种形式。物理风化是指地表岩石发生机械破碎的过程。岩石裂隙中的水由于温度变化发生结冰和消融,这种过程的反复进行导致裂隙不断扩展和岩石最终破碎。化学风化是指地表岩石内的矿物由于化学反应而被分解的过程。火成岩和变质岩的化学风化最为明显,因为组成这些岩石的矿物都是在较高温度和压力下形成的,当它们处在地表环境下时将变得十分不稳定。水在化学风化过程中起重要作用,许多矿物与水发生化学反应形成黏土矿物,而矿物中的其他元素则被水流带走。花岗岩中的长石矿物很容易与水反应形成高岭石,而长石中的钾元素则被水流带走。另外,植物根系在岩石裂隙中的生长也是导致地表岩石发生破裂的另一重要原因。长期风化作用可在岩石表面形成风化壳和土壤。
剥蚀作用是指河流、地下水、风、冰川等对地表岩石的破坏和改造。河流不仅向下切割,而且可侧向剥蚀,从而导致河道不断扩展和侧向变迁。地下水的剥蚀是一种潜蚀过程,它在地表下形成溶洞,甚至产生地下河。风蚀是通过风对地表岩石的长期磨蚀而不断改造地表的地貌形态的作用。在沙漠或干旱地区,强烈的风沙可形成各种风蚀地貌,如丹霞地貌。冰蚀是通过冰川的刨蚀、拔蚀、锉蚀等过程改造地貌形态的作用,如山岳冰川可形成U形谷。剥蚀作用属于物理风化。
搬运作用是指自然媒介将风化和剥蚀所产生的物质从原地搬运到他处的过程。流水、风和冰川是沉积物搬运的主要媒介。沉积物搬运可通过推移、跃移和悬移3种形式。沉积物本身在搬运过程中也会被不断磨蚀和细粒化,因此可依据沉积物颗粒的磨圆度、球度、大小和分选程度来判别沉积物搬运的距离。
沉积作用是指沉积物被搬运到一个地方而发生沉积的过程,并可分为物理沉积、化学沉积和生物沉积。沉积作用与沉积物搬运的方式和沉积速率密切相关。河流沉积主要与牵引流相关,沉积颗粒在河床表面呈推移或跃移方式向前迁移并最终沉积。牵引流可形成各种交错层和平行层状砂岩以及砾石呈叠瓦状排列的砾岩。悬浮搬运的细粒沉积物最终形成具有水平层理的泥岩和粉砂岩。当沉积速率非常快时,悬浮沉积作用则产生厚层或块状泥岩和粉砂质泥岩。沉积物重力流与牵引流以及它们分别所形成的沉积岩完全不同。沉积物重力流中的碎屑颗粒不是通过水流牵引被搬运的,而是整体呈块状运移的。沉积物重力流依据内部碎屑颗粒的支撑机制分为碎屑流、浊流、颗粒流和液化流4种类型。碎屑流一般形成无分选的块状砾岩和砂砾岩;浊流可形成具鲍玛序列的砂岩或浊积岩;颗粒流可在块状砂岩底部产生逆粒序。不同沉积作用可在同一个沉积体系中的不同部位发生。如在三角洲沉积体系中,三角洲平原以河流或牵引流沉积为主;三角洲前缘由于普遍发生沉积物重力流,因此常见碎屑流沉积和浊积岩;前三角洲区域以悬浮沉积为主,因此以发育水平层理泥岩和粉砂岩为特征。化学沉积主要形成碳酸盐岩和蒸发岩,其沉积过程主要受海水或湖水深度、温度等因素控制。碳酸盐岩形成于温暖清洁、陆源碎屑较少的浅海和滨岸环境,而蒸发岩则主要发育在干旱气候条件下的湖泊和潟湖环境。生物沉积与生物活动相关。浅海生物沉积经常与碳酸盐岩共生,或作为碳酸盐岩沉积体系的重要组成部分,形成生物碎屑灰岩、生物礁灰岩、叠层石白云岩等。
成岩作用是指松散沉积物转变为坚硬岩石的过程。松散沉积物转变为坚硬的岩石主要通过两种过程,负载压实和化学胶结。负载压实是指早期沉积物由于上覆沉积的负载而导致其孔隙和体积变小,孔隙水不断排出,碎屑颗粒将直接接触和黏结,最终形成固结的沉积岩。泥岩初始沉积时的孔隙度可达80%,压实作用使固结泥岩仅是初始沉积体积的20%。砂质沉积物早期的孔隙度约为40%,成岩后砂岩的孔隙度则仅有10%。化学胶结是指通过孔隙水中的化学组分将沉积物颗粒胶结在一起。随着碎屑岩压实过程的不断进行,碎屑颗粒之间相互挤压可产生压溶作用。压溶产生的硅元素将进入孔隙流体,并最终沉淀将碎屑颗粒胶结在一起,形成硅质胶结的碎屑岩。碳酸盐岩中普遍存在的压溶缝合线指示压溶作用在碳酸盐岩成岩过程中也起着关键作用。在许多情况下,沉积岩不仅受上覆沉积体的压实,而且也受周缘构造应力的作用。如果沉积岩内部的水被不断挤出,并且形成无水新矿物,这种情况指示沉积岩已开始向变质岩转化。
变质作用是指原有的岩石由于温度和压力的变化,在基本保持固态或未发生熔融的情况下,其结构构造、矿物组成以及化学成分发生了明显变化。每一种岩石都是由某些特定矿物组合而成,每种矿物都是在一定温度和压力范围内保持稳定。如果岩石所处环境的温度和压力条件发生了变化,原有的矿物将转变为其他矿物,导致原有岩石性质发生了根本改变。由变质作用而产生的岩石被称为变质岩,如泥岩和砂岩可转变为板岩、片岩、片麻岩和角闪岩等;花岗岩和玄武岩可分别转变为片麻岩和角闪岩。变质作用可分为低级变质作用、中级变质作用和高级变质作用,用于表示岩石所经历变质程度的差异。为了准确描述变质过程与温度-压力之间的内在关系,变质相的概念被广泛使用。一个变质相反映一个特定的温度-压力范围,原岩的化学成分决定不同变质相将出现哪些特征矿物组合。依据变质作用发生的空间规模,变质作用也被划分为局部变质作用和区域变质作用。局部变质作用可根据变质成因来描述,如接触热变质作用、动力变质作用、气-液变质作用以及冲击变质作用。区域变质作用则可按照变质环境来描述,如造山变质作用、洋底变质作用、埋藏变质作用等。
内、外地质作用共同控制着地球的演化。内地质作用通过地幔对流、板块运动以及热量传导和辐射,以岩浆活动等形式将地球内部能量释放到地球外层。结合重力势能,内地质作用不仅导致地球内部出现稳定的圈层结构,而且在地球表层塑造出大陆、大洋、山脉、湖泊等地貌景观。外地质作用通过水圈、生物圈、大气圈中各种自然力的相互作用对地球表层进行改造。内地质作用控制地球演化的整体过程,而外地质作用起改造作用。然而,外地质作用对盆地构造、山脉隆升等地质过程也有着重要的影响。巨厚的沉积物会增强盆地基底的沉降幅度;持续的风化作用、河流剥蚀以及大规模滑塌会促使山脉隆升。内地质作用和外地质作用在地球发展过程中构成了一个相辅相成的完整系统。