自然地理学原理

第 1 章 地壳的物质

地球的外壳由硬度、固结性和透水性不同的复杂多样的岩石构成。岩石的研究主要是地质学家的领域，但是地理学家起码也应对较普通类型的岩石加以关注。他们应当能在野外辨认岩石，并了解一点岩石的化学组成和它们的成因，因为许多岩石是通过仍然在起作用的自然过程产生的。岩石的研究和岩石所揭示的事实，对于理解目前地形是如何形成的有很大的帮助。

也许英国自然结构方面最基本的事实是人们熟悉的这么一个概念，即从蒂斯河河口到埃克斯河河口所连结的一条线将国家大致分为“高地英国”和“低地英国”。北部和西部主要分布古老而坚硬的岩石如古片岩、片麻岩和砂岩、花岗岩体，火山岩和较古老的石灰岩。英国的这个部分除狭窄的沿海平原和谷地外，大部分都是高地。这些岩石高高突起，形成连片的丘陵—— 苏格兰高地的大部分、南部高地、奔宁山脉、坎布里亚、威尔士和西南半岛。土壤薄而贫瘠，沼泽地和粗劣牧场广布；除了相距很远、生产能力高的若干低地外，高地英国的大部分地方人口稀少。

低地英国除东英吉利一些地区外，实际上很不平坦。更确切地说，它是波状起伏的地区；在这个地区内，一排排石灰岩和白垩低丘高踞于抗蚀性弱的粘土侵蚀而成的谷地之上，但是，它们一般不超过海拔 200—230 米（600

—700 英尺）。大部分土壤深厚而肥沃，人口和聚落相当密集。因此，古老抗蚀岩石和年轻较软岩石地区间的基本地质差异是形成它们不同地形的主要原因。

岩石的性质 岩石大部分由矿物颗粒的集合体构成；就“岩石”这个词的确切意义而言，沙、粘土、板岩和花岗岩都是岩石。已知有大约 2，000 种有名称的矿物，但是作为岩石成分的重要矿物相对较少。有些元素，如由碳组成的金刚石和石墨以及硫本身就是矿物，象金、铜那样的金属也是矿物， 但是大多数造岩矿物由两种或两种以上元素的化合物构成。例如，石英是硅的氧化物（二氧化硅，即 SiO2）的一种形态。据估计，地壳 59％的岩石由二氧化硅组成，因为除了它的氧化物形态石英以外，二氧化硅与其他各种氧化物化合，形成最大一类的造岩矿物。这些硅酸盐矿物可分为两类，第一类是铁镁类（在这类矿物中，硅酸盐与铁和镁化合），包括橄榄石、辉石、角闪石和黑云母。这些矿物通常呈黑色，密度大。第二类是非铁镁矿物：白云母、长石（正长石、钠长石和钙长石）和石英。这些矿物通常呈淡色，密度比铁镁矿物小。其他普通造岩矿物有氯化物（如岩盐）、硫化物（如黄铁矿和方铅矿）、铁的氧化物（磁铁矿和赤铁矿）和碳酸盐（特别是碳酸钙，它的结晶形态是方解石）。每一种矿物除了有一定的化学组成外，还具有其他明显的性质和特征——矿物可能呈现的结晶形态、解理或沿某脆弱面或线裂开的倾向、硬度（有从滑石=1 即滑石可用指甲划出印子到金刚石=10 的不同等级）、颜色（但变化很大）、光泽和密度。能够辨别岩石的主要矿物成分是很有实用意义的，而且有一本矿物学教科书以备参考也是很有用的。

岩石分类

地球表面的岩石可按照其形成方式分类。人们认为，在地球坚硬的外壳下面，岩石物质处于极高的温度和巨大的压力之下。当压力局部减轻时，这

些岩石物质便变为流体，通过脆弱线向地表上升（第 3 章）。火成岩是由这种称为岩浆的熔融岩石物质以不同方式凝结而成，因而包括一组“热成”岩石。热成岩石约构成地球上部 16 公里（10 英里）的 95％。沉积岩大部分由以前存在的岩石的残体以不同形式重新聚集和固结而成；它们有时被称为派生岩石。它们还包括动植物有机残体构成的若干岩石，以及以化学作用方式将溶液中物质沉淀而形成的其他岩石。变质岩是以前存在的岩石（既有火成岩又有沉积岩）或因受热或因遭受压力而发生化学或物理变化后，引起不同程度的改变和变动的岩石。

火成岩

火成岩的性质取决于两个主要的特征：第一是岩石由之凝固的岩浆的化学组成；第二是冷却和凝固所发生的自然环境。

化学组成 许多火成岩在化学组成上极为复杂，假如不是全部的话，也是绝大部分已知元素可以在这类岩石中找到。实际上，大概 9 种元素构成了全部火成岩的 99％。按照化学组成对岩石所作分类的有关术语和定义曾有过许多混乱。按照岩石的二氧化硅含量，可确定为 4 个类别（酸性、中性、基性和超基性）。虽然这些术语含糊不清，不准确，而且现在实际上正逐渐被废弃，但为方便起见，它们仍然在使用，例如后面岩石按成因和组成的分类表就是这样。当然，自然地理学家无须象地质学家那样进行复杂分类，按化学组成确定为两大类就够了。第一类包括石英和长石（铝硅酸盐矿物）占优势、淡色和密度小的岩石，如花岗岩、流纹岩和（游离石英较少或没有的） 闪长岩和安山岩。这些岩石合称为“硅铝质”岩。第二类包括主要由铁镁矿物（富含铁和镁）组成、暗色和致密的岩石。例如辉长岩、粗玄岩、玄武岩和橄榄岩。这些岩石是基性和超基性岩，称为“硅镁质”岩。

岩浆的冷却 由熔融岩浆凝固而成的火成岩或侵入地壳，形成呈巨大块体和呈薄片状的侵入岩；或溢出地表，在地表凝固成喷出岩。这些过程统称为火山作用（第 3 章）。在这两种情况下，都有一定的结晶顺序，即岩浆分异作用，每一种硅酸盐矿物都在一个特定的温度下形成，开始形成的是橄榄石（具有简单的结构），最后是石英。因此，单一的岩浆可以产生各种各样的火成岩。

如果侵入的岩浆在地壳深处呈巨大的块体冷却，那么凝固过程便较缓慢，形成的岩石致密，质地粗，结晶颗粒大；这些岩石被称为深成岩，例如花岗岩、闪长岩、辉长岩和橄榄岩。现在有些地质学家不认为所有的花岗岩都是由岩浆直接凝固而形成的火成岩，而认为在有些情况下，是较老的岩石受到了称为花岗岩化的一个过程后改变和改造而成。来自岩浆的辐射贯穿四周的围岩，并通过化学作用将它们转变为花岗岩，不存在任何液态岩浆阶段。但无论如何，把花岗岩看成是一种深成的即深处形成的岩石是较稳妥的。通常在岩浆活动边缘出现的一些极粗粒侵入岩，称为伟晶岩。南达科他州的布莱克山曾发现长 12 米（40 英尺）的晶体。

在沿围岩的裂隙和脆弱线发生侵入的地方，岩浆冷却比在巨大块体中要快，但又比在地表上慢；这就形成多变和中间的类型——半深成岩。称为玢岩的一些岩石是由镶嵌于玻璃质基质的生长完好、明显不同的矿物晶体（斑晶）组成。

通常，由溢出或喷出到地表的岩浆冷却所形成的岩石结晶体小（特别是流纹岩、安山岩和玄武岩），甚至呈玻璃质（黑曜岩）。它们统称为火山岩。

火成碎屑 这是一个小的岩石类型，由火成物质组成，但具有碎屑性。它们从火山口被喷发了出来，包含固体熔岩的碎屑，即火山渣、火山灰和火山尘，称为火山碎屑，但已经固结和压实。

一些重要的火成岩 对于岩石学家来说，他们主要对众多的火成岩感兴趣，而有几种火成岩分布极为广泛，并形成突出的地形。花岗岩（它有许多种类）是块状的深成岩；它颗粒粗，晶粒大，主要由石英、长石、角闪石和黑云母构成；石英颗粒光亮，像玻璃，长石可能有从白色到粉红色的不同颜色，角闪石和云母为黑色，因而岩石外貌粗糙有斑点，形成灰色或粉红色花岗岩。倘若主要的铁镁矿物是云母，便形成黑云母花岗岩或白云母花岗岩。如果岩石由角闪石组成，那么它就形成角闪石花岗岩。这种岩石大多呈现为大块体或由于上覆岩石较软受剥蚀而使岩基暴露（图 29，30，41，42），例如英格兰的西南半岛（图 30）、切维厄特丘陵、阿伦岛北部（图 29）、凯恩戈姆山、斯凯岛东南部、爱尔兰的威克洛丘陵和莫恩山。

辉长岩是一种深成岩，它像花岗岩一样呈块体存在，但属基性组成。它是一种暗灰色甚至黑色的岩石，出现于苏格兰东北部、斯凯岛西南部（图 42， 43，照片 25）和海峡群岛的泽西岛。

玄武岩是熔岩流凝固的产物，分布极为广泛，常常形成巨大的高原（图34 及照片 2）。它是一种黑色或暗色的岩石，具有极细小的晶体并常常含铁； 这就是被风化的玄武岩表面形成铁锈状褐铁矿的原因。

火成岩的节理 许多火成岩有一个特点，即存在着由于冷却引起的张应力所形成的若干节理。这在玄武岩表现得很清楚，玄武岩明显的垂直节理有时形成完美的六方柱体，如在安特里姆郡的贾恩茨考斯韦角（照片 3）、斯塔法岛上的芬哥尔洞和加利福尼亚州东内华达山的德弗尔斯六角柱。怀俄明州魔塔村（照片 20）由响岩—斑岩五方柱体构成。花岗岩也可能有明显的垂直节理，如在勃朗山的沙莫尼峰和南达科他州布莱克山的“针眼”（照片 34）。有时花岗岩有三组成直角的主节理，形成城堡状的石块堆（照片 27）。

沉积岩

火成岩出露于地球表面时，它就遭受到天气、河流、冰盖、海浪的作用等地表雕塑过程，实际上所有这些过程统称为剥蚀（第 4 章）。结果，火成岩便可能碎裂。这种情况可能是由于极为复杂的化学分解作用（因此各种硅酸盐分解为“粘土矿物”和溶解状态的碱，如长石变为高岭土），或者是通过机械崩解作用而发生的。这些物质被搬运到其他地方，然后在陆地或淡水或盐水中堆积或沉积成层（地层），并以不同方式固化或胶结。这个过程称为岩化作用或成岩作用。各地层间的界面是层面，层面通常表示一个沉积阶段已经结束，另一个阶段的开始。如果一个地层在水平面上变薄并消失，就称作尖灭；而一层厚的地层则称为厚层。最小尺度的层理（有时规定厚度不超过 1 厘米）称为薄层（因此有成层作用一语）；2 厘米的岩石可能有 100

或 100 多个层次。怀俄明州的格林河页岩（总厚度 800 米，2600 英尺）以厚

度仅 0.18 毫米（0.007 英寸）的层次沉积下来。估计这些岩石的沉积需要 650 万年，每一薄层是薄薄一层紧实的淤泥，下一次洪水叠加上另一层。

假层理或流层理（尤其在砂岩中出现）是与总的层理成不同角度斜交的薄层。这种型式是水流或风流变化使沙粒沉积的结果。

节理可能在沉积岩固化和压实时产生，常常与层面呈直角相交，从而将岩面分割成大的块体。犹他州宰恩峡谷的棋盘方山（Checkerboard Mesa）之所以有这个名称，是因为节理以极明显的直线和层面相交。

各沉积岩层虽然通常在一水平面上沉积，但很少保持原样，因为地壳运动可能常常使岩层倾斜或翘曲。地层倾斜的角度称为倾角，用地层层面与水平面间夹角的度数表示（图 1）。倾角不一定是地表的坡度，记住这一点是重要的。在一个单斜脊上，倾向坡与后坡可能有明显的差异。真倾角是地层斜面的最大角度；其方向用与真北之间的度数（按顺时针方向）表示。与真倾向成直交的线称为走向。走向与真倾向之间其他任意一条线是视倾向，地层露头的大小部分取决于倾角，因而和缓的倾角导致宽广的露头，而垂直地层的露头不大于地层本身。例如，汉普郡盆地北坡的始新世岩石向南倾斜极缓，因而露头宽度超过 50 公里（30 英里）；但在怀特岛，岩层近于垂直陡立，露头仅几百米。

图 1 岩层术语

沉积岩可按照其形成方式或组成进行分类。按形成方式分类，沉积岩可描述为（i）机械方式形成的沉积岩，（ii）有机方式形成的沉积岩和（iii） 化学方式形成的沉积岩。按组成分类，它们可按照其组成（即它们是主要由粗质地的沙，还是由细粘土、碳酸钙、碳或其他物质组成）划分为几类。将成因和组成两者结合起来的分类是比较合适的，像下列表中所列的就是这样。

按成因和组成进行的岩石分类火成岩

酸性 中性 基性 超基性侵入岩

沉积岩

机械方式形成的沉积岩

1. 砂质——沙、砂岩、粗砂岩

2. 泥质——泥、粘土、泥岩、页岩

3. 砾质——角砾岩、砾岩、冰碛岩、砾石、岩屑堆、砾泥有机方式形成的沉积岩

1. 钙质的——白垩、各种石灰岩（海百合、珊瑚、鲕状、贝壳石灰岩）

2. 铁质的——铁矿石

3. 硅质的——硅藻土

4. 碳质的——泥炭、褐色煤、褐煤、烛煤、烟煤、无烟煤

化学方式形成的沉积岩

1. 碳酸盐——钙华、白云岩（钙和镁的碳酸盐）

2. 硫酸盐——硬石膏、石膏

3. 氯化物——岩盐

 干化作用形成的蒸发岩



1. 硅酸盐——泉华、火石、燧石 ⋯

2. 铁矿石——褐铁矿、赤铁矿、菱铁矿

变质岩



热力或接触变质作用形成坚实性、解理、叶理、复杂的矿物学变化

动力变质作用

由沉积岩变质而成的变质岩

1. 沙质岩——石英岩（由砂岩和粗砂岩变质而成）

2. 泥质岩——板岩、片岩（由粘土、页岩、泥岩变质而成）

3. 钙质岩——大理岩（由碳酸钙变质而成）

4. 碳质岩——石墨（由有机物质变质而成）由火成岩变质而成的变质岩

实际的矿物学变化——普通辉石变为角闪石

——花岗岩变为片麻岩

1. 机械方式形成的沉积岩 这一类沉积岩包括由碎屑沉积物如沙、粉沙、粘土和砾石经压实、干缩或胶结而形成的种种粗质地或细质地岩石，因此，有时用术语碎屑状（Clastic，源自希腊语，意为“碎裂的”）来形容这类岩石。这些物质可能被有胶结作用的含硅、钙或铁物质的溶液所固结。砂质岩石中最普通的矿物是石英，它在黄色或红色砂岩中由铁化合物胶结，在白色砂岩中由硅质或钙质胶结物来胶结。这些砂岩分布广泛，有不同的时代。例如，极老的砂岩存在于德文郡的北部和南部、威尔士东南部，而较年轻的砂岩出现于坎布里亚郡沿海（形成圣彼斯亥，st Bees Head）和伊登河谷， 并下伏于兰开夏郡西南部的大部地区和英格兰中部地区西部的大片地区。英国苏格兰的苏格兰高地西北部一些最古老的岩石是前寒武纪的托里东砂岩。

一种既有砂粒又有小砾石的粗得多、胶结完好的岩石称为粗砂岩，例如奔宁高地部分地区的磨石粗砂岩，而由大的碎屑胶结形成的岩石可能是砾岩

（照片 4），其中砾石为圆形；或者是角砾岩，其中砾石有棱角。

另一种颗粒很细的岩石是由细泥沉积物构成的岩石，其成分大多是细粒石英和云母，例如各种粘土和坚硬的泥岩。英国东南部的溪谷，其底部分布有粘土；灰蓝色里阿斯统粘土分布于科茨沃尔德丘陵以西，暗灰色的启莫里阶粘土和蓝灰色的牛津粘土从多塞特郡经牛津谷分布到约克郡北部，斜穿过英国。黄色或带有褐色的威尔德粘土分布于唐斯和威尔德地区中心之间。伦敦盆地蓝灰色的伦敦粘土在近地表处风化成棕色。还有冰原所广泛沉积的冰碛覆盖层。由沙和粗沙组成的岩石叫做沙质岩，由细粘土颗粒组成的岩石称为泥质岩，由粗大颗粒组成的岩石称作砾质岩。

1. 有机方式形成的岩石 这些岩石由一度活着的有机体的残体构成，其坚硬部分在漫长的时期中不断地进行堆积。分布最广、种类多样的一类是石灰岩类，它们是由基本成分为碳酸钙的完整或散碎的贝壳或骨骼构

成。这些岩石包括贝壳石灰岩（如诺福克郡的“巉岩”）、礁上形成的珊瑚石灰岩、唐斯和沃尔兹白色纯净的软白垩、奔宁山脉常含化石的石炭纪石灰岩、由如鱼卵的圆颗粒组成的科茨沃尔德鲕状石灰岩和称为泥灰岩的钙质粘土（如剑桥的白垩泥灰岩）。

分解中的植物物质所产生的微小细菌有机体，将帮助湖和沼泽中的水化氧化铁沉淀下来。这种“沼铁矿”在瑞典和芬兰很久以来就是重要矿产。呈碳酸亚铁形态的泥铁矿和粘铁矿铁矿石大概是以极为相同的方式在煤系中沉积而成的。

硅质岩可能是由动物（如海绵和放射虫——一种微有机体，其坚硬部分遗留下来成为结构复杂的二氧化硅）和植物（如硅藻）的残体以有机方式形成的。燧石（脆弱易碎、晶体微小的二氧化硅）的结核可能在某些石灰岩和砂岩中出现，火石的结核可能在白垩中发现。巨厚的硅藻土（无数硅藻的残体）层有时像在斯凯岛东北部、坎布里亚郡（Cumbria）的肯特米尔和在加利福尼亚州那样占据着干涸的湖底或过去的沼泽。

碳质岩基本上由与其他元素化合的碳组成。它们由植物体堆积而成，泥炭、褐煤和煤系矿层中不同类型的煤，反映着在压力下它们逐渐变化的各阶段。有各种各样固态、液态和气态的碳氢化合物。树脂、沥青和沥青页岩是固态，矿物原油为液态，天然气是气态。

1. 化学方式形成的岩石 就大部分而言，这些岩石是由盐溶液沉淀或蒸发而成的。所有以降雨形式落到地面的水或者在地表流失，或者渗入地下后又到达地表（第 5 章），它们都携带着溶解状态的盐类。盐类可通过水的直接蒸发，或化学的相互作用，或地下水到达地表时压力减轻而沉淀出来。

沉积下来的碳酸盐就是这些化学方式形成的岩石的实例。河流的底部和洞穴中呈钟乳石和石笋形态的方解石的沉积，是石灰岩地区常见的一个特征。钙质物质为海绵状时，称为石灰华，它的沉积通常与藻类或苔藓的存在有关。有时这种沉积发生于温泉四周，这时产物叫做钙华，它比石灰华坚硬、密实。

白云岩是化学方式形成的碳酸钙和碳酸镁化合物。镁质灰岩便是一例。在英国，这种岩石从诺丁汉郡向北到达勒姆沿海有出露。它形成高高的岭脊， 以西有一陡峭的崖壁；在抵达海岸处已被侵蚀成引人注目的淡黄色悬崖。

其他岩石由硫酸盐从溶液中沉淀出来而形成。例如水化硫酸钙（称为石膏，呈颗粒状则叫雪花石膏）通过内流盆地（如死海）内的蒸发而形成。氯化钠地层（岩盐）不管在地表（如美国西部的大盐湖周围）还是在深处（如伍斯特郡的德罗伊特威奇附近、柴郡的诺斯威奇附近和蒂赛德地区附近）都有广泛的分布。二氧化硅可能在温泉的出水口附近沉淀下来，形成硅质泉华， 如在冰岛和怀俄明州的黄石国家公园就有。结果，许多分散的盐类沉积物在工业上具有重要价值，例如钾碱和硝酸盐。

铁是仅次于铝（按重量占 8.13％）的分布最广泛的金属，每一吨地壳大约含有铁 5 千克（5.06％）。大部分铁矿石的堆积是由于沉积物内的化学沉淀作用而形成的，但是有些铁矿石像瑞典北部磁铁矿那样，是直接由于呈岩浆分异形式的火成活动而形成的。后来，氧化和水化过程改变了它们的组成， 并增加了它们的含铁量。

变质岩

火成岩和沉积岩可能会发生变化，既有物理变化又有化学变化，在岩石内部的这些变化或是形成新的矿物，或是形成新的构造。这些变化可能是由使岩石受到热（热力变化）和压力（动力变化）的地壳运动造成的。这可能具有广泛（区域）的规模，或者仅是局部的规模，前者与大的造山运动有关， 后者与较局部的应力有关。

其他变化可能只是由于热的影响产生的；温度的升高通常是由一大片火成岩的侵入引起，因而致使附近的岩石受到影响。这些影响系产生于岩浆岩与围岩的直接接触（因此叫做热力或接触变质），或者来自火成岩体或外部的化学上活泼的热气或热液的作用。

变质作用的结果极为复杂。热力变质作用能造成熔化或再结晶作用，如粗粒砂岩变为石英岩，或石灰岩变为称作大理岩的粒状结晶岩。新矿物的产生要复杂得多。这在大片花岗岩附近可以看到，这里有时可以区分出一个接触变化带（称为接触变质带）（图 26），由于新矿物的出现，还能看到岩石性状的逐渐过渡。

变质作用有时会造成复杂的矿物学变化，但更常有的变化是岩石颗粒的重新排列，产生沿着与层理无关的平行面裂开的趋势；这叫做板状劈理，在板岩中表现得最清楚。细粒沉积物如页岩变为板岩和片岩；粗粒或结晶岩形成石英岩、片麻岩和麻粒岩。许多岩石表现出叶理，即一种“波状颗粒”或层片结构。例如，大部分片岩具有叶理（照片 5）。

变质岩一般来说是致密而具有抗蚀力的。它们常常在与造山运动有关的地区内形成大片块体；苏格兰高地大部分，以及从布列塔尼到波希米亚贯穿中欧的古地块的巨大部分，都是由变质岩组成的。例如，比利时阿登高原的东部主要由板岩和石英岩组成，这些板岩和石英岩被侵蚀成为被沼泽洼地隔开并覆盖有薄层贫瘠土壤的圆形高地。安格尔西岛是英国的一个特别有趣的例子，其大部分物质是由古片麻岩和片岩组成，是一个过去的高地地区的残余。

岩石的年龄

迄今为止，岩石一直是按照其组成和成因方式的不同加以考虑、分类的。另一个需考虑的重要问题是岩石的年龄；地质学的一个分支（叫做地层学）， 其任务在于研究清楚和排列地球的历史事件，而这些事件是通过对组成地壳的岩石进行系统研究而加以证实的。换句话说，按年龄所列出的岩石表提供了一张方便的地球历史时间表或年表。例如，如果某些地层受到造山运动的影响，那么便有可能确定这些运动的年代和对照世界不同部分的运动结果。另外，某些岩石现正在一定的条件下通过某些过程而形成；如果在过去地质时期形成了类似的岩石，那么可以设想那时具有大致类似的条件。例如，某些砂岩形成于荒漠条件之下；有些石灰岩形成于广泛海侵的时期。

不整合 有时，地质记录的连续性发生中断，中断时沉积物被沉积于长期剥蚀所形成的地表，因而使正常的顺序中断，形成不整合。已经确定了三个不同的类型。在一系列褶皱或翘起地层遭受漫长时期的侵蚀，后来又覆盖上新的沉积岩层的地方，形成角度不整合；上覆岩层以明显的角度覆盖在下伏岩层上。例如，奔宁山脉的基底由受加里东褶皱作用影响而强烈变质的古

老岩石组成，岩层到处都成大角度倾斜。石炭纪石灰岩和较年轻岩石几乎水平地覆盖于层面向下的岩石上（图 45）；存在着缺泥盆纪岩石的一个间断（约有 0.7 亿年）。这在约克郡的霍顿附近的采石场可以看到。

第二个类型是假整合，这与层次的不连续有关，但是较老和较新的地层大致平行。长期的剥蚀蚀去了某些地层，以后在它们上面沉积了新的物质， 但没有发生引起上下岩石间角度变化的任何褶皱作用或其他地壳运动。科罗拉多河大峡谷崖壁横断面（图 71）有两处假整合，第一处是泥盆纪的雷德沃尔石灰岩直接沉积于寒武纪穆阿夫石灰岩（Muav Limestone）之上，说明间断了约 8000 万年，第二处是寒武纪岩石位于受侵蚀的前寒武纪基岩表面。

第三个类型是非整合，即火成岩被侵蚀，后来为沉积物所覆盖。在南非开普敦附近，一种暗色砂岩非整合地覆盖在灰白色花岗岩之上。

相对年龄 由于所有成层的沉积岩层是一层层沉积的，因此在正常情况下，最老的岩石位于底部，每一层上覆岩层都较为年轻，这叫做地层层序律

（或叠覆律）（地壳运动能引起完全倒置，例如地层的倒转褶皱）。第二个明显的事实，是任何岩石比组成岩石的碎屑新。第三个有用的事实，是在许多沉积岩中都发现有化石；这些化石可能是遗存的有机体坚硬部分，也可能是有机体被二氧化硅或碳酸钙准确地取代后的形成物。在许多情况下，每组地层都有特定的一套有机残骸。可以把有关化石的资料与岩石物理、化学组成的分析结合起来研究，从而得出沉积岩是按一定时代顺序进行排列的结论。

绝对年龄 岩石的实际年龄，即地球本身的年龄早已引起人类的兴趣。17 世纪，爱尔兰的大主教厄舍曾极为精确地断言，世界是公元前 4004 年 10

月 22 日下午 8 时创造的。这是从《旧约全书》的年表中通过复杂的数学计算出来的。科学家们逐渐认识到，就地球特征的发展来看，需要把这段时间延长；地球的年龄被追溯到很久很久以前；有些岩石的年龄经确定为距今 34

亿年以上；而地壳肯定至少有 47 亿年。

只是到最近若干年内，绝对年龄测定法才被发明。一个沉积岩亚带的年龄现在通常可以有把握地准确测定到大约 15 万年以内。这听起来也许是很粗

略的，但是假如寒武纪初至今是 24 小时的话，这段 15 万年时间仅 22 秒钟。最早的方法之一是数记像怀俄明州格林河页岩那样的页岩薄层，格林河

页岩每一层（仅 0.18 毫米厚）表示每年增加的淤泥。但是大部分的沉积作用很不均匀，使这种方法无法使用。瑞典地质学家德吉尔（DeGeer）将这个原理应用于专门的问题，这提供了一个计算冰后期时期具一定精确程度的方法。这种方法有赖于对每年冰原边缘溶水湖泊中所沉积的独特的带状层（称为纹泥或韵律层）的数计。每条纹泥有两层沉积物，一层是粗的，沉积于夏季融化期间；另一层是细的，是冬季开始以后，表层水结冰时，水的运动停止后沉积的悬浮物质。纹泥厚度不同，不同的地区可以进行对比；据此，人们已经推断出斯堪的纳维亚的冰后期历史；在北美洲，人们作了类似的工作。

在能找到年龄足够大的树木的地方，计算树的年轮是建立最近时代年表的有用方法，例如在美国西南部，巨杉（thesequoia gigantea， 3000 多年）、黄杉属乔木（Douglas fir）和芒松（达 4600 年）被用来确定年轮指数。每一个年轮都因湿润年和干旱年而不相同，可以此加以区别和计算。这个过程叫年轮法，对于研究史前印第安人，以及过去 3000—4000 年的气候变迁很有用。

用于确定较老岩石年龄最有价值的方法，是以某些不稳定元素以已知速率不断发生放射性衰变为基础。这种性质的元素之一铀（92U238）分布最广， 它呈沥青铀矿形态，以大约百万分之四的比例存在于花岗岩中。它可裂变为同位素铅 P26b；其半衰期（即元素的核一半被衰变所需的时间）为 4.51× 109

（45.10 亿）年。因此，一块含有铀矿的岩石的年龄可以通过查明其中仍然存在的铀与铅同位素含量的比例（所谓铅率）来得出。另外采用的其他比率还有钍/铅、铷/锶和钾/氩。有时同一岩石可能有两个比率。

W.E.利比博士于 1949 年在芝加哥提出把这个原理应用于比 6—7 万年左右更年轻的物质，这一方法称为放射性碳年龄测定。这种方法依赖于这样一个事实，即碳的放射性同位素（叫做碳-14，即 6C14）呈二氧化碳形态（C14O2） 在大气圈循环，最后到达地球表面，被活着的有机体吸收。有机体死去时， 不仅停止吸收碳-14，而且含量以其半衰期 5730±40 年所表明的速率减少。因此，泥炭沼泽中一块木头或一座坟墓中一块骨头的年代可以用相当大的精确度加以确定。这特别有助于冰后期的研究。测定年代的其他方法包括骨化石中氟-磷酸盐比率法、火山灰覆盖层（它是其上下物质的指示地层）年代测定法（火山灰年代学）、岩石内保存的古磁研究、岩芯钻探获得的深海沉积物的研究；通过贝壳和其他残骸证据可以获得温度条件变化的情况，而利用碳-14 技术，可以测定它们的绝对年代。

从地质年代学的观点来看，最有用的方法是测定不同时代火成岩的年龄，并把它们转换成相应时代的沉积记录。横切关系定律着重表明了这样一个较为明显的事实，即火成岩比被它贯穿的任何其他岩石年轻。例如，岩脉比它所贯穿的沉积岩层年轻，岩床比它上下的岩层年轻。偶然会看到一株岩脉切穿另一株岩脉，很明显，后者必定较老。

地质时代表 现在已经逐渐形成了一个一直上溯到大约 6 亿年前的地质时间的年代分类表，即这段时间被划分为三个代，分别称为古生代

（Palaeozoic，源于希腊语，“古生命”的意思）、中生代（Mesozoic，“中生命”的意思）和新生代（Cainozoic，“新生命”的意思）。前两个代有时分别叫做原始纪和第二纪，而新生代是指第三纪，有的权威还把第四纪包括在内。第四纪（直到最近以前，还认为它远不足一百万年）大约与人类在世界上的出现和最后一次大冰川作用的开始相吻合（现在有些权威认为，这次冰川作用从 180—200 万年以前开始发生，最早的人类形态还要早得多）。

实际上，这 6 亿年仅仅占地球形成以来的地质时间的一小部分。但是， 证据是如此之少，以致至今还没有一个可被普遍接受的关于古生代以前漫长时期的划分方案。有些权威使用始生代一语（Eozoic，源于希腊语“生命之初”）表示整个这段时间；其他一些权威把这段时间进一步划分为三个代： 始生代（最老）、太古代和元古代。最简单的方法是把整个这段时间及其岩石叫做前寒武纪和前寒武系。

代以下分为纪，然后分为世，最后分为期。在这些特定时期内形成的岩石本身相应地被分别划归界、系、统、层。这些系统采用的一些名称系源于岩石原来被研究的地点（例如寒武（纪）在威尔士，侏罗（纪）在侏罗山）， 其余的源自岩石类型（白垩纪源于拉丁语白垩）。

目前，界和系的名称在世界上被广泛使用，但有一些变化。例如在美国， 石炭纪被分为两个纪，前期叫密西西比纪，后期叫宾夕法尼亚纪。还是在美

国，第三纪（系）和第四纪（系）被看作是新生代内的纪和系（英国也日益如此）。

花岗岩是最普通的一种岩石，它含有铀元素。所幸的是，花岗岩形成于地球历史的不同时代，特别是与造山时期相关联，因而可以知道其相对年龄。因此可得出结论：如果通过铅比或其他方法能获知岩石的绝对年龄，那么便可用绝对年代编制出岩石的时代表。古生代延续时间是从 5.7 亿年至 2.25

亿年以前，中生代是从 2.25 亿年前到 0.65 亿年前，新生代是在 6500 万年以前，这些一般没有分歧。第四纪开始的精确时间还有争论。本章最后有概括的地质时代表。

岩石的经济地质学

岩石在经济上具有直接或间接的极大价值。风化过程所产生的土壤便在很大程度上取决于基岩的性质。一般来说，老的坚硬岩石上具有薄层、贫瘠的土壤，而较新的岩石上往往发育较深厚、较肥沃的土壤（第 19 章）。

对人类极为重要的整个供水问题与岩石的性质有密切关系：岩石影响地下水循环的方式（第 5 章）、泉的形成、达到含水层水井的挖掘、天然或人工水库的可能性和呈河流形式的径流的数量。很明显，拟用作水库的洼地底部的岩石应该符合不因渗透或由于其他原因而发生漏水的条件。人们常常选择高地的坚硬、致密的岩石，在非钙质岩石从而水质为软性的地区更好。奔宁山脉磨石粗砂岩上的许多高谷地便是如此加以利用的。

许多极重要的物质是从岩石获得的。一类是燃料物质：泥炭、褐色煤、褐煤、烟煤和蒸气煤、无烟煤和矿物石油。另一类有经济价值的物质是建筑材料。有些石灰岩和砂岩提供颗粒和质地均匀的易加工的“软性石”，如波特兰和珀贝克石灰岩和侏罗系“巴斯石灰岩”以及部分三叠纪砂岩。花岗岩主要在苏格兰的彼德里德和阿伯丁，在沙普和康沃尔郡开采。对其他几种装饰用岩石也进行了开采，如蛇纹岩、玢岩和有不同“标记”的石炭纪石灰岩。盖屋顶用的板岩来自细粒的变质岩，这些变质岩具有很清楚的解理，因而岩片能够容易地分开。世界最大的板岩产地位于北威尔士的兰贝里斯和贝塞斯达之间地区，这里开采的是寒武纪板岩，而在斯诺登山以南的布莱奈费斯蒂尼奥格（Blaenau Ffestiniog）开采着奥陶纪板岩，但近年来许多采石场已经关闭。自从伊丽莎白一世女王统治以来，康沃尔郡的德拉博尔采石场一直生产泥盆纪板岩。

有一系列岩石被用来做铺路碎石料。这些石料多半是火成岩——闪长岩、辉长岩和粗玄岩，而花岗岩片石则用作防滑铺面材料。人们所利用的岩石有英格兰中部地区的许多古老侵入体（例如莱斯特郡的芒特索勒尔）、坎布里亚郡的花岗岩和威尔士的火成岩。沉积岩很难令人满意，因为它们容易碎裂；但人们采用某些石炭纪石灰岩。

人们用各种石灰岩生产石灰，以便制作灰浆或用于农业（照片 6）。波特兰水泥系通过灼烧 2/3 石灰岩或白垩和 1/3 粘土的混合物，并将产物碾磨成细粉末而制成。泰晤士河和梅德韦河沿岸的水泥厂使用梅德韦泥和北唐斯白垩；而在拉格比，使用下利亚斯石灰岩；在卢顿和邓斯特布尔，使用奇尔特恩白垩；在莱斯特郡的凯顿，使用鲕状石灰岩；在达勒姆郡的费里希尔使用镁石灰岩。熟石膏从在纽瓦克附近特伦特河谷的考依波统泥灰岩中和在坎

布里亚郡北部开采的石膏获得。

砖是用多种粘土制成的，最有用的粘土是英格兰中部地区的牛津粘土， 这个地区的砖厂位于彼得伯勒、布莱奇利和贝德福德这样一些中心的附近。特种耐火砖是用煤系耐火粘土制成。北斯塔福德郡陶器业采用康沃尔郡的瓷土、多塞特郡的“球土”和当地粗质灰粘土，以及进口原料。

• 10·砾石被广泛地开采，以制造用于建筑工业的混凝土。人们需要沙

（如曼斯菲尔德附近挖掘的红沙）用于高炉的浇铸。英国只发现有粗质玻璃沙，较为优质的靠进口。由岩石获得的其他有用物质包括主要由磨石粗砂岩制成的磨石和磨刀石，以及由细粒熔岩或变质岩制作的油石。

英国生产的盐包括德罗伊特威奇、诺斯威奇、蒂赛德地区和其他地区的二叠系和考依波统泥灰岩中的岩盐。世界各地有许多大盐矿，如突尼斯和摩洛哥的磷酸盐，民主德国的施塔斯富特、阿尔萨斯的未卢斯附近和加拿大萨斯喀彻温省的碳酸钾。在世界许多地方，盐矿体受到巨大压力，像圆拱或塞子那样被迫向上抬起，并使上覆地层隆起，如在得克萨斯、路易斯安那，和珀西亚西南部就有这种情况。这些构造通常与石油和天然气有关，有时与石膏和硬石膏有关。

金属矿石 金属通常以叫做矿石的含金属矿物的形态出现。许多矿石与过去的火成活动有关，因而它们表现为占据岩石裂隙和洞穴的岩脉。这些岩脉的形成极端复杂；矿石可能直接从熔融的岩浆沉积出来，或者可能通过既与岩浆又与围岩起反应的极热气体的活动产生，还可能由于富含矿物的热水溶液上升而形成。另一类矿石是地层中的矿石，如某些铁矿石。铝土矿是铝的主要来源，它们也以水化氧化铝粘土状物质形态存在于地层中，是由原来富含硅酸铝的各种岩石部分分解而形成。

大部分金属以与其他元素化合的形态存在，形成硫化物、氧化物和碳酸盐。例如，铅、锌和银通常以硫化物形态存在，分别称为方铅矿、闪锌矿和辉银矿。锰和锡主要呈氧化物出现，后者称为锡石。铜呈多种多样的矿物存在，实际上大约有 360 种，但是最有用的是扎伊尔的加丹加、赞比亚、智利、加拿大、美国犹他州和内华达州的硫化物矿。铁是地壳广泛分布的成分，最常见的是氧化物形态，如（i）褐铁矿（水化氧化铁），洛林有开采；（ii） 赤铁矿（红色的氧化铁），产于西坎布里亚郡、苏必利尔湖附近的“铁山”， 以及乌克兰克里沃罗格（形态略有不同）；（iii）磁铁矿（黑色的铁氧化物， 出现于瑞典的耶利瓦勒和斯瓦帕瓦拉（Svappavaara）；（iv）菱铁矿（碳酸亚铁），产于英格兰煤系和侏罗系石灰岩（照片 7）。

有时，作用于母矿床的各种侵蚀营力可能把金属矿石、甚至母金属冲走， 并在其他地方沉积下来。由于它们密度大，河流作用对金属进行分选，并把它们聚集在砾石层或河漫滩中，这称为砂矿；金、锡和钼可能以这种方式存在。

岩石按时代的分类

在下表中，岩石按其正常顺序排列，最新的在上部，最老的在下部，这些名称是应用于不列颠群岛的名称，但各系（粗体字）在世界范围内使用。

全新世或现代系

冲积层，泥炭

更新世（2）

冰碛、冰川沙

上新世（7）

碎片（如贝壳沙和砾） 中新世（26）

英国缺失渐新世（38）

第四纪

粘土、灰泥、沙、石灰岩（如本布里奇石灰岩）、褐煤始新世（65）

沙（如萨尼特沙）、粘土（如伦敦粘土）、卵石（如布莱克希思卵石层）

新生代（第三纪）2

白垩纪（136） 白垩

上部海绿石砂 重粘土（粘土） 下部海绿石砂

威尔德层（Wealden）（如威尔德粘土和黑斯廷斯沙（Hastings Sands） 侏罗纪（190）

珀贝克层波特兰层

启莫里叽粘土（Kimmeridge Clay）

科拉利层（Corallian）（贝壳石灰岩和粘土） 牛津粘土

大鲕状岩（石灰岩）

下鲕状岩（石灰岩、粘土和沙）

里阿斯统（Lias）（粘土、沙、灰泥和石灰岩） 三叠纪（225）

瑞提统 3（Rhaetic）（泥灰岩、页岩、石灰岩）

考依波统（Keuper）（泥灰岩和砂岩） 班特统（Bunter）（砂岩和卵石层）

中生代

二叠纪（280）

新红色砂岩、镁石灰岩石炭纪 4（345）

煤系（煤、砂岩、石灰岩、页岩） 磨石粗砂岩

约代尔层（页岩、砂岩、石灰岩） 石炭纪石灰岩

泥盆纪（395）

泥盆纪板岩和石灰岩，老红色砂岩志留纪（440）

页岩、板岩、石灰岩、砂岩（如拉德洛页岩、文洛克石灰岩、兰达弗里砂岩） 奥陶纪（500）

板岩（如斯基多板岩（Skiddaw Slates））、石灰岩（如巴拉石灰岩）、火山岩（如博罗达尔近地表火成岩）

寒武纪（570）

板岩（兰贝里斯板岩）、粗砂岩（哈勒赫粗砂岩）、石英岩和板层（Flags）

古生代

古火成、沉积和变质岩（如托里登安砂岩（Torridonian Sandstone）、刘易西安片麻岩（Lewisian Gneiss））

前寒武纪

括号内的数字系据伦敦地质学会采用的时代表提供的每个系（纪）的下限年代（百万年）。 1.在美国（英国也日益如此），新生代最早的部分叫做古新世，从 6500—5400 万年以前，与始

新世相接。

1. 在 A.霍姆斯采用的修订时代表中，新生代被分为第三纪和第四纪两个纪，前者包括从古新世到上新世（从 7，000—200 万年以前），后者包括更新世和全新世。

2. 有些地质学家把瑞提统看成是三叠系和侏罗系间的过渡。

3. 在美国，石炭系被分为两个系：密西西比系（下部）和宾夕法尼亚系（上部）。