每日一学 I 石头是怎么形成的？-枞阳县文化馆

每日一学 I 石头是怎么形成的？

时间：2024年07月11日信息来源：本站原创点击：次【加入收藏】【字体：大中小】

在广袤的大地上，无数奇形怪状、色彩斑斓的石头静静伫立，仿佛亘古不变的守护者。每一块石头，都是时间的凝结，是大自然写下的壮丽诗篇。它们沉默而厚重，记录着地球数亿年的历史。

有人说，石头是大自然的艺术品，仿佛天工巧夺，毫无瑕疵。那晶莹剔透的水晶，闪烁着梦幻的光芒；那碧绿的翡翠，温润如玉，让人心生怜爱。还有那些布满斑点的花岗岩、纹路如画的大理石，仿佛一幅幅天然的艺术画卷。而在我们生活的角落，石头更是不可或缺的存在。建筑用的砖石、铺路用的石板、甚至是农业中的肥料，它们都在默默地发挥着重要作用。

石头，这些平凡而神奇的存在，究竟是怎样形成的呢？让我们一起走进这段充满奇妙与奥秘的自然演变之旅。

图一：翡翠（左）、天然宝石水晶（右）

图二：花岗岩（左）、大理石（右）均可作为建筑材料

一、水与火的初次交锋

在人们认识世界的过程中，当科学还没有成为一种有效的工具时，很多人试图从传说中寻找答案。如女娲补天、大禹治水、诺亚方舟等，在诸多中外古文明中都出现过类似有关石头的传说。

图三：中国神话女娲补天

图四：外国神话诺亚方舟

古代学者虽然并没有直接回答“石头是怎样形成的这问题”，但是一些哲学家却曾回答了“万物的的本源是什么这个问题”，古希腊著名的思想家、科学家和哲学家泰勒斯提出，水是世界的本源。据说泰勒斯极度崇尚水，他在对埃及尼罗河水每年的涨退记录进行研究后发现，每次洪水退去都会留下肥沃的淤泥，还有无数的幼虫。于是，泰勒斯得出了这样的结论：“万物源于水。”后来，古希腊又出现了一位名叫赫拉克利特的著名哲学家。他认为，万物的本源是火，世界万物都是由火产生的，即使万物消亡，也要复归于火。按这两位哲学家的思考万物的本源是“水”或者“火”，那么我们的岩石也就是“水”或者“火”生成的。这也是历史上第一次“水火之争”。

二、“水火之争”

地质历史还有一次著名的“水火之争”发生在17-18世纪。

伍德沃德是英国格雷山姆学院的一位医学教授，也是一位地质学家。他爱好收集化石，并保存了很多的化石标本。在17世纪时，宗教势力还很大，人们的意识自觉或不自觉地受到《圣经》诺亚洪水传说的影响。他认为，洪水曾经把地球冲击得分崩离析，地表的岩石、土壤以及各种杂物都被冲垮，所形成的汪洋大海就是一片包含着各种物质的混合物。当洪水退去后，这些物质慢慢沉淀，而这些化石就是这样形成。并将他的想法在《地球自然历史试探》一书中出版。

到了18世纪一些早期学者将他们所观察到的所有岩石（主要是花岗岩和片岩等)均归类为过度简化的硬质结晶“原生岩”序列，并认为它们都是和地球同时形成的。这些岩石又被称为“次生岩”，即富含化石、常产生褶皱或变形的沉积岩层覆盖。于是早期学者的认为,“次生”岩层是诺亚大洪水时期的主要沉积物。“次生”岩层之上是松散的沉积物和沉积岩，被称为“三级岩’，它们被认为形成于大洪水之后。这也就形成了“水成论”的雏形。

最著名的水成论者是德国博物学家亚伯拉罕·戈特洛布·维尔纳。维尔纳是弗赖堡矿业学院的矿物学教授。出生于矿业家族，从小就对矿物学产生了浓厚的兴趣，他不仅狂热地收藏各种矿物，还对岩石进行过深入研究。维尔纳认为，地球上所有的岩石都是从大洋深处“结晶”或“沉淀”出来的。并提出这样一个设想地球最初被一个“原始海洋”包围着，水是最重要的地质力量，所有的岩层都是在海水中结晶、化学沉淀和机械沉积形成的。它们按照先后顺序进行沉积，早沉积的位于下面，越往上的沉积越晚。首先沉积的是花岗岩，被称为“原始层”，它们是覆盖在地球表面的第一批岩石，也是地球上数量最多的岩层。后来，原始海洋的水位逐渐降低，“原始层”露出水面，遭受侵蚀，然后再次沉积这便是第二批岩石，主要为粗砂岩、石灰岩等，为“过渡层”。最后，“过渡层”上面再沉积下来一些含有化石的岩层，为由松散泥沙组成的“冲积层”。1787年，他出版了《岩层的简明分类和描述》一书，书中把萨克逊地区的地层由老到新进行了划分。

图五：亚伯拉罕·戈特洛布·维尔纳

并且据说他讲课风趣幽默，极具个人风格，几乎所有听过他演讲的人都成了他的信徒。维尔纳凭借他的雄辩能力和个人魅力，使其理念在欧洲备大受欢迎，他的信徒遍布欧洲各大院校。即使是伟大诗人兼博物学家歌德也坚信水成论。在《浮士德》第四幕中，有一段水成论者与火成论者之间的对话，其中梅菲斯特(《浮士德》中的魔鬼)显然是邪恶的火成论观点的代言人。

因此很长时间里，水成论占据主导地位，统治着学术界。不过，还是有一些问题用该理论无法解释清楚，也时常受到质疑，甚至是针锋相对的争论。譬如：1774年，法国地质学家尼古拉·德马雷指出，法国南部奥弗涅地区的死火山群的火山锥和已风化的熔岩流表明，它曾是喷发过的活火山。这些玄武岩就被德马雷解释为火成的。

而“火成论”的代表人物则是詹姆斯·赫顿，一位出生爱丁堡的苏格兰天才，据说他从小在当地文法学校上学，后来还考上了爱丁堡大学的医药学专业，并对对医药学和化学课程又十分感兴趣。但最终进入了法律行业，做了一段时间的律师学徒。也许是对兴趣爱好割舍不下，他常常花很多时间去做化学实验，并与朋友一起开发了一种廉价的氯化铵制作方法，这为他取得了不小的收益，后面他又管理自己的农场也有不菲收入。

既有钱又有闲的詹姆斯·赫顿开始了他在地质学的研究，他对地质学表现出了极大的兴趣，经常好奇地观察见到的每一个洼坑、沟谷和河床。最终自学成才，取得了丰硕的成果。

图六：詹姆斯·赫顿

他经过长时间的考察，一次偶然间发现，爱丁堡北部高地凯恩戈姆山脉向南流的蒂尔特河的砂砾中遍布花岗岩卵石和古老变质岩岩块。他由此推断出，河床中一定也有这两类岩石，向上游考察或许能找到二者的交界处。于是，他沿蒂尔特峡谷而上，发现了他一直在寻找的东西:砖红色的花岗岩岩脉切穿年代较早的变质岩，并使其围岩发生蚀变（在现在地质学中这种野外的“穿切”关系也依然用来判断岩石形成的相对早晚）。这表明，当时的花岗岩是在上覆岩层形成以后才侵入的。也就是说，花岗岩的年龄应该比围岩年轻，而且这里出现了熔融现象。这说明，花岗岩是炽热的熔岩冷却之后形成的，而不是从水中结晶出来的。这与当时流行的“水成论”明显不符。

图七：赫顿所发现的花岗岩脉穿切片岩

但是，赫顿需要更有力的证据:熔岩流侵入在水中形成的层状沉积岩的迹象。有次赫顿在爱丁堡南部山丘上漫步时，发现这座高耸于城市之上的山脉-亚瑟王座山，山脉北侧的索尔兹伯里峭壁则是古老火山岩凸出来的断崖。最终他在峭壁的西南坡上发现了他所寻找的东西:玄武质熔岩侵入沉积岩层，使沉积岩变形。这个地方现在非常有名，被称为“赫顿剖面”(Hutton's Section)。在很多地质学课程教授过程中，老师都会定期带学生来这里考察实习。

图八：“赫顿剖面”

然而，地质学的研究过多地依赖于观察，缺乏实验研究，所以当某种新的理论提出以后很难得到证实。不过，前文提到过他曾经热衷于化学验，而化学是理解高温对岩石影响的关键。1768年，赫顿与朋友布莱克一起工作，布莱克推断出了潜热的存在及压力对物质熔点的重要影响。1792年，霍尔（原本是赫顿的反对者，曾与赫顿一起多次到野外考察，并最后通过一系列实验，成为了火成说的支持者）做了一个实验。他将一块玄武岩加热使其融化，再慢慢冷却，结果岩石重新结晶成玄武岩。这是最早的地质学实验，呈现了熔融岩石在自然界中的样子。这对火成论学派是极有力的支持，从而也开创了实验岩石学，“岩石火成论”也由此形成。

“火成论”的主要观点包括：火成作用是主要的地质作用，陆地上的花岗岩和玄武岩是由岩浆形成的；水成作用也是一种重要的地质作用，陆地上的岩石受到风雨和流水的侵蚀，然后流向海洋并沉积下来，固结以后形成岩石，升出海面以后才形成了陆地。这也就意味着，虽然赫顿提出了“火成论”的观点，但并没有完全否认“水成论”。

赫顿本人也将自己的观点整理为《地球理论》一书出版，可是一方面由于赫顿的观点对于当时的人来说依然非常超前，另一方面他那蹩脚的文字和枯燥的叙述实在另他的读者搞不懂，他在说什么。为此，他文笔极佳的好友-爱丁堡大学的数学教授普莱费尔，还特意重新整理赫顿的理念，并著书《关于赫顿地球理论的说明》，才使情况有所好转。

三、石头究竟是如何形成的？

水，是柔情似水的雕刻师。它缓缓流淌，携带着矿物质，经过岁月的沉淀，凝结成一层层坚固的岩石。德国地质学家维尔纳描绘的水成论，如一曲优美的乐章，将水的力量展现得淋漓尽致。火，是地球深处的热情舞者。它炽热而狂野，在地壳深处涌动，时而喷薄而出，冷却后形成坚硬的火成岩。苏格兰地质学家赫顿提出的火成论，则如一场壮丽的焰火，展现了地球内部的无尽活力与创造力。

当然，以如今的眼光来看，水成论和火成论各有其正确之处：水成论在一定程度上解释了化石的成因和地层的排布，但过分强调虚无的“上帝的力量”，并且在证据不足时试图通过臆测进行弥补；火成论很好的解释了岩浆岩的形成原因，并且相较于水成论，它承认了多种动力因素对地质地貌的影响，强调自然的力量。在地球演化过程中，地球内部的热能是引起地质作用的主要能量，而外部能量主要来自太阳辐射能。从这个角度，火成论更具优势。同时，水成论强调洪水发生和地层形成的突然性，火成论强调火山和岩浆作用的持续性，二者又与“匀变论”“灾变论”交织，从这点上看，二者也存在一定的片面性。

依据现代科学的研究，我们将地球上的岩石分为三个大类：火成岩（Igneous rocks）、沉积岩（Sedimentary rocks）、变质岩（Metamorphic rocks）。其中火成岩占了绝大部分，分布在从地面到深达16千米的地方,其是地慢中的岩浆涌入岩石圈或出露地表冷凝成固态形成的；沉积岩是在地表或近地表不太深的地方形成的一种岩石类型。它是由风化产物、火山物质、有机物质等碎屑物质在常温常压下经过搬运、沉积和石化作用，最后形成的岩石。不论那种方式形成的碎屑物质都要经历搬运过程，然后在合适的环境中沉积下来，经过漫长的压实作用，石化成坚硬的沉积岩。变质岩是指在地壳形成和发展过程中，早先形成的岩石，包括沉积岩、岩浆岩，由于后来地质环境和物理化学条件的变化，在固态情况下发生了矿物组成调整、结构构造改变甚至化学成分的变化，而形成一种新的岩石，这种岩岩被称为变质岩。而三者之间也可以进行相互的转化和循环。

图九：三大岩类之间的相互转化/循环

尽管早先的地质学家的结论并不完全正确，但是赫顿一系列地质学家他们对真相的执着、对科学坚定的追求，即使隔着几百年的尘埃，却依然如阳光般闪耀，并指引我们攀向更高的山峰。

（本篇文章转自公众号——中科院物理所）

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(作者：林静玉编辑：hws)

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