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地质学入门(转)

时间:2021/6/3 16:41:31   作者:郑士利   来源:正势利   阅读:15   评论:0
内容摘要:地質學入門對一個初初進入地質系的新鮮人來說,地質學似乎是一門既艱澀又枯燥的學科。在第一個學期開始上普通地質學時,老師會開章明義地說明“地質學是一門研究地球的科學“,以後在講地球的組成時,就會說”地殼是岩石組成的,岩石是構成地殼的基本單位;岩石是礦物的集合體,礦物是構成岩石的基本單位”,於是以後在上實習時,就開始背一些岩...

地質學入門

 

   對一個初初進入地質系的新鮮人來說,地質學似乎是一門既艱澀又枯燥的學科。在第一個學期開始上普通地質學時,老師會開章明義地說明“地質學是一門研究地球的科學“,以後在講地球的組成時,就會說”地殼是岩石組成的,岩石是構成地殼的基本單位;岩石是礦物的集合體,礦物是構成岩石的基本單位”,於是以後在上實習時,就開始背一些岩石、礦物的名稱,什麼花岡岩、閃長岩、輝長岩、橄欖岩、流紋岩、安山岩、玄武岩,什麼雲母、石英、角閃石、輝石、橄欖石、斜長石、正長石等等,背得一個頭兩個大,不知道為什麼明明都是石頭,卻“天下本無事,庸人自擾之”地分成那麼多奇奇怪怪的種類,還要給它們取名字,真是無聊。於是在不瞭解岩石、礦物的分類依據的情況下,為了應付考試,只有硬背,等考試過後不久,就大多還給老師了。差不多要經過一、兩年的光陰,修過岩石學以後,一回生,兩回熟,耳濡目染的結果,才能朗朗上口地說出一些岩石、礦物的名稱,但還是不容易就一種岩石從它的組成與結構鑑定出它正確的名稱。對一個沒有修過地質學的門外漢來講,地質學更是猶如天書般地難於瞭解。也許,地質學之所以讓人望而卻步,是因唯有太多的專有名詞的緣故。這些名詞在一般人的日常生活中不容易看得到或用得到,因此第一次看到這些名詞時,就會令人感到十分陌生。在無法瞭解這些名詞所代表的意義的狀況下,也就無法瞭解地質文章的內容,當然也就無法對地質產生興趣。其實,每一門科學都有其領域內的專有名詞,其所以會有專有名詞的目的主要是為了便利陳述,便利溝通而已。有了專有名詞,我們可以把需要用很多文字加以陳述的事態( state of affair),用簡單的幾個字就足夠陳述我門所要陳述的事態,使文章不至於太過於冗長。專有名詞所代表的意義內涵是固定的,也就是說有它的定義。但要注意,定義是會隨著研究的進步而更動,並不是一成不變的。如果我們能夠瞭解專有名詞是給我們方便,而不是要增加我們的負擔的話,也許,大家對專有名詞就不會那麼排斥了。

 

   要大概地了解地質學的研究內容,其實不是一件很難的事,關鍵在於是否能把握地質學的定義、研究目的、與特色。首先我們先說明地質學的定義及研究目的,再來說明他的特色。

  “地質“ 這兩個字,就字面而言,對不同的人有不同的意義。“地”可能是“土地”,也可能是“地球”,“質”可能是“性質”,也可能是“本質”或“物質”。因此,有的人把“地質”看成是“土地的性質“,有的人看成是“地球的性質”或“地球的本質“.其實,地質是一個由外文翻譯過來的名詞,他的英文是”Geology”.依據原文的意義,”Geo-“是“地球“的意思,“-logy”是“研討”(discourse)的意思,綜合起來,“Geology”的意思就是“研討地球的一門學問”。但不曉得為什麼,翻譯成漢文以後,就稱為地質學,也就是專門研究地球的一門自然科學。國人一般喜好望文生義,比較容易理解“地質”的“地”是代表“地球”,但是“質”所代表的事什麼意義,就莫衷一是了。其實,就字面而言,對“geology”比較好的翻譯是“地理”,但可惜的是“地理”這個名詞已經先有其他的用途了。也許,把geology 翻譯為“地球學”,會比“地質學”或“地學”好一點也說不定。但“地質”這個名詞已經沿用了一百多年,真要改它也不是一件容易的事。對一個地質學家而言,地質研究的目的大致可以分為靜態與動態兩方面。靜態方面的目的,是要了解“現代“這個時期構成地球的物質的組成與結構;動態方面的目的,則是要了解在“過去“的時代裡構成地球的物質的組成與結構如何地變化成現代這種組成與結構的過程.

上面說過,地質是一門專門研究地球的自然科學,照理應該可以翻譯成“地球科學”,也就是英文的“Earth Science”.但是,現代的地球依據它現在的組成與結構,一般分成大氣圈(Atmosphere)、水圈(Hydrosphere)、與岩石圈(Lithosphere).由於研究現代大氣圈與水圈的組成和結構變化的學門已經各自成為專業的科學,分別稱為大氣科學與水文科學,因此,專門研究地球主要以固體構成之岩石圈的組成與結構變化的學門,稱為地質科學(Geological Sciences).

大氣科學與水文科學研究的都是發生在現代的自然變化,對於過去發生在大氣圈及水圈中的變化的研究,只能依據最多幾千年來的歷史文字記錄,對更久遠的過去所發生的變化,則須依靠地質學的理論.另一方面,大氣與水組成與結構的變化速率是如此地快,因此,現在這個時刻的大氣或水文現象與前一個時刻或下一個時刻的現象,都有很大的差別.基本上,要記錄每一個時刻的大氣或水文現象可說是非常地困難,因此,大氣學家或水文學家若是要從現在這個時刻所觀察到的現象去推論前一個時刻大氣或水的組成與結構,以及期間變化的過程,是一件可說是不可能的工作.但是,專門以現在的岩石圈為研究對象的地質學家,就是要從現在的岩石圈現在可以觀察得到的組成與結構的現象,去推論前一個時刻岩石圈的組成與結構.地質學家到底憑什麼能夠做如此的推論呢?這是因為地質學家相信”The present is the key to the past”(現在是打開過去之門的鑰匙)。

 

地質學家是怎麼去了解地球現在的組成與結構,又怎麼從現在的組成與結構去了解造成這種組成與結構的過程呢?

在要了解地球現在的組成與結構之前,我們有必要先了解地質學家是如何去描述地球的組成與結構。一般我們在描述物質的時候,大多使用化學的或材料的名稱,如金、銀、銅、鐵、碳酸鈣、二氧化矽或金屬、木材、土、石等等之類。但是在地質學,卻是用各種不同名稱的石頭來描述地球的組成。更創造出好幾種名稱來描述這些石頭的結構。這些名稱因為不是日常用語,因此對大多數的人都是很陌生的名詞,當然也就不了解、不熟悉這些名詞的含意。在這種情況下,人們要進地質學之門的時候,就碰到一大推這些看起來要死背的名詞,把原本想入門一窺究竟的興趣打得一乾二淨,只得悵然打退堂鼓。自此而後對地質學敬而遠之,不但失去領會地球的奧祕的機緣,而且也就無法了解人類的生活與地球的實質關係。其實,只要稍微運用一些時空的想像力,了解地球組成與結構變化的法則,就可以輕易地打通任、督二脈,功力大增,要理解這些雜七雜八的名詞是易如反掌,要進入地質學之殿堂,也就不用費吹灰之力!

首先,我們觀察到現代地球表面上的物質可以分為生物與無生物。無生物的部份就是石頭(stone)與泥土(clay)。地質學家再進一步詳細觀察一些土壤剖面的結果,發現剖面的上層是鬆散的泥土或石塊,而下層則是完整的、固結得很好的土石,因此運用想像力,結合物理學與化學的知識,推論上層鬆散的土石是下層的土石在現代經過風化作用後的產物。因此將上層的土石稱為表土(regolith),而將下層未風化的石頭稱為岩石(rocks)。地質學家在從現在的組成與結構去推論造成這種組成與結構的歷史過程的時候,常常省略表土的形成過程,而只注重岩石未受風化作用前的形成過程。地質學家特別稱呼在地面上出露的岩石為露頭(outcrop)。因為地質學家認定地球表面出露的岩石只有沈積岩、火成岩與變質岩等三種。這三種岩石的分法主要是依據岩石的形成過程。而岩石的形成過程也是地質學家運用想像力結合物理學與化學的知識推論出的!地質學家想像的事是什麼呢?地質學家想像而且相信的是“ The Present is the key to the Past”。

 

為什麼相信“The present is the key to the past“ 就可以從現在的岩石圈可以觀察到現象去推論過去岩石圈的組成與結構的狀態呢?經驗上告訴我們﹑讓我們相信現在岩石圈的現象﹑就像電影的停格一樣﹑是從過去到現在這個時刻經過種種變化的結果.而且,自古至今,這些變化一直都在進行著。如果我們知道這種種的變化﹑我們就可以從現在的停格去推論前一個停格的樣子一樣,去推論前一個時刻岩石圈組成與結構的樣子.接下來的問題是,究竟岩石圈中會有哪些變化會使其組成與結構改變呢?“The present is the key to the past”就是說“現在,在改變岩石圈組成與結構的種種變化,在過去,不管多久遠,也是由這些種種變化在改變岩石圈的組成與結構”.地質學家將這些變化統稱為地質作用。經由體驗與實驗的結論,地質學家將地質作用分為內部地質作用與外部地質作用(Internal and External Process):

  1 . 內部地質作用(在地球內部進行的地質作用):在岩石圈內部,未與水圈與大氣圈接觸的部位進行的作用。                               

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(1)變質作用(Metamorphism):在地球內部的岩石,受到熱力、壓力的作用,使岩石的礦物組成與結構改變。經過此種作用的岩石稱為變質岩。

(2)岩漿作用(Magmatic Process):在地球內部原本為固體的岩石,因為熱力、壓力的改變,變成熔融狀態的岩漿。岩漿冷卻後形成的固體,稱為火成岩。

(3)變形作用(Deformation Process):地球內部的岩石受力的作用,造成岩石結構的改變,形成裂面、斷層、褶皺。

  2·外部地質作用(在地球外部進行的地質作用):

    (1)風化作用(Weathering):岩石在與大氣、水、生物接觸時,產生化學、物理變化,使得岩石的組成與結構發生改變。

 (2)侵蝕作用(Erosion):將地球外部的物質(風化過或未風化過的岩石)搬離原地的作用。

  (3)沈積作用(Sedimentation):地球外部的物質,隨著風、水、冰川的流動,搬運到一個地點沈積或沈澱下來的作用。           

 

現在大地的形貌,是自然的現代雕塑作品

  雕刻大地的手:自然、上帝、創物者

  雕刻大地的工具:水、冰川、風

  雕刻大地的能源:重力

  雕刻大地的手法:侵蝕

  現代的雕刻作品:現在的地貌

不同的材料,不同的手法,展現不同的作品。

現在陸地的形貌,是自然的現代雕刻作品

海洋、湖泊,是雕刻廢料的垃圾場,是大地形貌的塑造場,也是往後雕刻材料的製造場。

 

 地質學家相信我們現在在地球表面上所看到的岩石,都是曾經經歷過上述地質作用的一種或多種的結果,才造成今日這樣的組成與結構。而且相信這些今日所看到的組成與結構都還保留著他經歷過的地質作用的信息。如果我們能夠知道什麼樣的地質作用會造成怎麼樣的組成與結構的話,我們就可以從現在岩石組成與結構的觀察,去推論它所經歷的地質作用,解讀出它所保留的信息。如果進一步我們能夠解讀這些地質作用發生的順序及年代的話,我們就能編製出這塊岩石的歷史。地質學家是如何地解讀地質作用發生的順序及年代的那呢?從“The Present is the key to the Past” ,地質學家發展出一套定律來解讀地質作用發生的順序(succession of events)及相對的年代(relative time)。這套定律包括:

1.岩層疊置定律( Law of superposition): 任何一套沈積岩岩層,如果沒被斷層作用或褶皺作用過的話,則下層的岩層一定會比上層的岩層早形成,即年代最老的岩層一定在最下面,最年輕的岩層一定在最上面。這個定律早在西元1669年即由Steno 所定出。

2.岩層截切關係定律( Law of crosscutting relationship):當一岩層切入另一岩層當中時,則此切入的岩層形成的年代一定要比被切入者為老。如一火成岩體切(侵)入一套沈積岩當中,則此火成岩的形成年代一定是在沈積岩形成之後。

3.動物族群順序定律( Law of faunal succession):已變成化石的動物群與植物群(faunas and floras)一群接一群的排列是有一定的順序,每一個時代的地層都有與其上或其下的地層不但不同而且獨特的動物或植物化石群。

4.動物族群定律( Law of faunal assemblage): 含有相同動物化石或植物化石族群的岩層,一定是在同一個時代形成的。

 

  雖然地質學的研究,如前所述,志在揭開地球自形成到現在為止組成與結構演變的歷史,而其研究的起點是現在地球表面所觀察到的岩石。有問題的是地球表面的大部分地區是被海洋、湖泊、溪河、土石、植物所覆蓋,真正含有歷史信息的岩石出露的所謂”露頭“並不多,只佔地球表面很少的面積。要如何從這些極少數的露頭去推論出地球表面全部岩石的組成與結構,是地質學家第一個須要解決的問題。為了解決這個問題,地質學家又發展出一些理論,用來推論現在沒有露頭的地區的岩石組成與結構的狀態。這些理論的基本課題大致可分為兩種,一種是關於岩石形成時,岩石是如何地組成與結構及分布的理論,岩石學即是專門在建立、探討這方面的理論;另一種是關於岩石形成後,岩石的組成與結構及分布是如何地改變的理論。構造地質學即是在建立、探討這方面的理論。

  在岩石學中,一般是依岩石的組成與結構將岩時分為三大類,即沈積岩、火成岩、變質岩。其實追根究底,此種分類所依據的主要是岩石的形成過程,岩石的組成與結構只是這種形成過程的結果而已。沈積岩是由一些原本分散的顆粒,經由風、水、或冰川等介質的搬運後,聚集在一起,再經過壓密、膠結作用而形成的。火成岩是由熔融的岩漿在地底或地表直接冷卻形成的。變質岩則是火成岩或沈積岩在地底深處,經過熱力、壓力的作用,把原來是火成岩或沈積岩的組成與結構加以改變所形成的。地質學家歸納現在自然界的觀察及室內的實驗結果,認為不同形成過程所造成的岩石,會有不同的、特殊的組成與結構。因此地質學家一進入地質學之門,就要學習如何去認識這些特殊的組成與結構,從而運用這些知識去鑑定現在所觀察的岩石是屬於哪一類的岩石。由於岩石的分類是依據它的形成過程,因此當我們稱呼一塊岩石為沈積岩時,即意味著我們認為組成這塊岩石的顆粒原本是一些分散在地球表面的個體,只因為經過風、或水、或冰川的搬運,鬆散地聚集在一起,而且往後還曾經再受到壓密、膠結的作用,才緊密地結合成一體。這些顆粒在還未聚集在一起之前,它們可能原本是屬於同一個地層的一分子,但更有可能是屬於不同的地層,因此它們各自的年齡有可能差別不大,但更有可能差別非常之大。在地質學中,所謂岩石的年齡是指組成岩石的顆粒聚集在一起時的時代,並不是指每個顆粒單獨形成的時代。這就像我們計算一個機關的年齡時,是從這個機關的成立開始算起,而不是計算這個機關成員的年齡或年資一樣。因為地質學是一門具有濃厚歷史學色彩的科學,因此在英文的地質文獻中常常會用到“age”這個字,像“the age of the Earth”、“the age of the rock“、“the age of the Formation”、翻譯成中文的話,一般都翻成“地球的年齡“、岩石的年齡“、地層的年齡“。年齡,依照不同的定義,有不同的算法,以人的年齡為例,在西方,是從嬰兒已經發育出人的形狀,離開母親的身體出生的那一刻算起到現在為止所經歷的時間。在台灣,則是從精子和卵子結合的懷孕開始起算,把懷胎十月也算進去,因此一個人的年齡依照西方的算法跟台灣的算法會有一歲的差距。在地質學裡,岩石年齡的算法是比較接近台灣式的算法,是從組成岩石的顆粒以固體的狀態結合在一起的時刻開始算起,到現在為止的時間。因此,沈積岩的年齡是從組成的顆粒聚集在一起時開始算起;火成岩是從岩漿完全凝固成為礦物顆粒或礦物質的時候開始算起;變質岩的年齡則因為變質鹽市從火成岩或沈積岩變質過來的,而有兩種年齡,一種是未變質前原來岩石(火成岩或沈積岩)的年齡,另一種是變質作用時候的年齡。岩石的年齡一般以百萬歲(Ma)(million years before present)為單位,這種以實際歲數表示的年齡,稱為絕對年紀(absolute time)。這種歲數需要利用儀器分析岩石中礦物內同位素的含量,運用放射性定年的理論去加以推算。火成岩的年齡跟變質岩的變質年齡比較可以利用放射性定年法測定出來,沈積岩的絕對年紀則由於其形成過程較為複雜,不容易利用這種方法測定,而且即使可以測定,也只是測定單獨顆粒的年齡,並不是顆粒聚集在一起的歲數。在放射定年法還沒發明之前,地質學常用的定年法,是相對(比較)(relative time)定年法,用比較的方式來決定岩石形成的先後順序,先形成的岩石比較老(older),後形成的岩石就比較新、比較年青(younger)。要決定岩實形成的先後順序必須就在野外的露頭上,運用疊置定律、岩層截切關係定律當場加以判定。如果岩層中含有化石的話,也可以從化石種類的鑑定,依據生物演化理論及生物族群定律判定化石的時代後,再利用這些化石資料來判定含化石的岩層形成的先後順序。因為地質學是一種歷史科學,因此為了方便描述起見,將岩石形成的時代從古至今分為幾個朝代,就像中國歷史自古至今分為虞、夏、商、周、隋、唐、漢、元、明、清、民國一樣。 地質朝代的分法首先是依據生物的有無分為兩個元(eon),即沒有生物存在的隱生元和有生物存在的顯生元。顯生元再依據生物種類的不同,分為古生代、中生代、新生代等三個朝代(era)。每個朝代再分為紀(period),每個紀再分為世(epoch)。每一個朝代、每一紀、每一世都有其世界通用的名號;如新生代(Cenozoic Era) 分為第三紀(Tertiary Period)與第四紀(Quaternary);第三紀由古而新分為古新世(Paleocene)、始新世(Eocene)、漸新世(Oligocene)、中新世(Miocene)與上新世(Pliocene);第三紀的前三個世(古新世、始新世、漸新世)又合稱為古第三紀(Paleogene),後兩個世(中新世與上新世)則合稱為新第三紀(Neogene)。第四紀分為現新世(Pleistocene)與全新世(Holocene)。全新世是地質歷史最新的時代,指的是從一萬年前到現在的時期。在不同的朝代形成的岩石,地質學亦賦予不同的名稱,命名的層序是與朝代的分法相對應的。譬如在古生代形成的岩石稱為古生界(Paleozoic erathem),在新生代的第三紀形成的岩石稱為第三系(Tertiary system),在第三紀的中新世形成的岩石稱為中新統(Miocene series)。

 

學地質學的三部曲:

1.   沒學地質學前,看山是山,看海是海。

2.   學地質學時,看山不是山,看海不是海。

3.   學了地質學後,看山還是山,看海還是海。

 

1.   看山是山,看海是海 (欣賞現代雕刻品之美)

    在還沒學過地質學之前,我門到戶外,看到的是地面的高低起伏,隆起者為山,凹下而有水者為海。我們關注的是山的形狀、海的範圍。

 

2.   看山不是山,看海不是海 (了解雕刻作品的來龍去脈)        

    在學地質學的時候,我們關切的是地面以下的石頭。在地質學家的眼中,地面之所以高低起伏(即地形),只是岩石界與大氣界或水界接觸的界面的形狀而已。換句話說,地形是岩石界的外在表現。地形的變化其實是岩石界變化的結果。岩石界的變化就是我門所謂的地質作用。在戶外,我們先要看的不是山的形狀、海的範圍,而是構成山、構成海底的岩石是怎麼樣的成份與結構。也就是說,我們要看的是山的地質,海底的地質。因此在這個階段,我門是不把山當山看,不把海當海看。

 

3.   看山還是山,看海還是海 (了解自然在這裡造山造海的原因)

    在明瞭了山的地質、海底的地質以後,我們還要進一步去瞭解為什麼這個地區的岩石會隆起成為山、凹下成為海的原因。山與海是現在既存且不可抹滅的事實。因此,我們看山還是要把山當山看,看海還是要把海當海看。



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