变质动力学

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1、地质学研究新领域变质动力学地质学与化学从一开始就密切相关，后来各自成为独立的学科。20世纪地质学的发展 把化学作为必不可少的手段和方法，二者的结合产生了许多新的生长点。变质动力学是运用化学动力学方法来研究岩石变质反应的速度和结晶作用动力学的一 门新的边缘交叉学科。变质动力学的主要研究内容包括通过研究变质反应过程中矿物组合及其结构构造的变 化来研究反应过程及速率，具体包括晶核作用及晶体生长、渗透实验、扩散效应、局部平衡、 镶嵌平衡研究等。交代反应、退化反应和不完全反应等由于物理化学条件变化引起的变质反 应过程的变化也是变质动力学的重要研究内容。变质动力学的研究方法主要通过电子探针分析和显微构造分

2、析，详细观察变质岩石的显 微构造，特别是残留构造、斑晶环带和各种交代及退化结构。近年来，变质实验岩石学与微 区电子探针分析和显微构造分析相结合，为高压变质作用、固体气体平衡方面的研究做出 了重要贡献。变质岩和变质作用的研究方法是把化学反应动力学、热力学和构造地质学综合 运用变质作用过程研究的一个实例。变质动力学的研究目前还处于开始阶段，例如变质相的P-T界线存在的不一致现象、复 杂的变质反应的研究领域，还有许多工作尚未进行；显微构造及微区物质成分的分析技术还 需要改进与提高；特别是变质作用的化学动力学的经验较少，数据不足，尚停留在一般的叙 述上。层序地层学层序地层学是地层学的一个分支，是根据地

3、震、钻井和露头资料进行地层分布型式、沉积环 境和岩相综合解释的一门科学。层序地层学起源于Mac Jeryey在70年代后期的研究成果，他在数学上模拟和定量表示 了产生全球旋回曲线的海平面、构造沉降和物源供给之间的相互关系。这项工作显示出层序 地层学以统一思想对地层学和盆地演化进行研究所产生的巨大潜力。层序地层学的核心部分是研究全球海平面升降变化对沉积作用的控制。层序及其内部组 成部分体系域是全球海平面升降、地壳沉降以及沉积物供给之间相互作用的产物。全球海平 面升降和构造沉降共同作用的结果，引起海平面的相对变化。在全球海平面升降的控制下， 海平面的相对变化速度是碎屑沉积地层型式和岩相分布的主要控

4、制因素。根据这些相互作用可以建立沉积模式，用以检验人们的认识，预测沉积地层关系和岩相， 进行全球不同地域、不同时代地层间的对比。因此，层序地层学是从四维时空上来认识沉积 记录，从而增强了全球不同地域、不同时代地层间的可对比性和沉积相的可预测性，将沉积 学和地层学推向了一个新的阶段。层序地层学是地震地层学的新发展。它综合利用钻井测井曲线、地震剖面及地表露头三 种资料对盆地的沉积体系域及各岩相作立体解释，并概括为具有三维空间立体概念的沉积模 式。因此，可以说地震地层学已经进入了一个以层序概念为代表的层序地层学的新阶段。同 样，层序地层学的基本理论体系也可以适用于陆相湖泊断陷盆地，但不能机械地套用。

5、因为 湖泊水域小，受构造作用及气候因素的控制明显；同时需要考虑构造沉降、基准面变化、海 泛、沉积物注入速度、气候、物源方向及局部构造运动等因素。目前在国外，对作为全球事件地质学的一个重要组成部分的层序地层学的研究正在不断 深入和发展，不仅在理论上获得了重要的突破，而且在指导与沉积岩有关的矿产勘查方面也 获得了丰硕的成果。在我国有许多学者已迅速开展了我国东部陆相湖泊断陷盆地和地表露头 层序地层学研究，并已取得了初步成果。构造沉积学构造沉积学是大地构造学与沉积学相结合的产物。它以板块构造和沉积学的基本原理为 其理论基础，探讨各类沉积盆地的大地构造背景、盆地的形成条件和机理以及盆地的发展演 化史，它

6、既探讨盆地所处的大地构造背景，这种背景对盆地形成和演化的控制作用；又研究 盆地本身的沉积作用、沉积物特征以及沉积环境的分布和演化特点，从宏观上和整体上认识 这些特征和特点出现的规律性。分类在构造沉积学研究中占有重要位置。为方便研究，地质学家通常根据板块构造背景 将沉积盆地进行分类。如Miall（1984）提出的就是一种最常见和为多数研究者所接受的分 类。这种分类首先根据盆地在板块中的位置将其分为板缘盆地与克拉通内盆地。在板缘盆地 中，又根据板块边缘的性质进一步分为与分离边缘有关的盆地（如裂谷盆地）、与聚敛边缘 有关的盆地（如弧前盆地）、与转换断层有关的盆地（如在雁行断裂体系中的拉裂盆地）和 与

7、大陆碰撞及缝合有关的盆地（如前陆盆地）。这些分类体系的建立，为研究者提供了可作比较的样板或者说是模式，极大地方便了构 造沉积的研究。当然，这些模式绝大多数是以现代的构造条件为基础而建立的，且多以现代 海洋地质的研究结果为依据，因此有其时空局限性。可以说，构造沉积学把沉积学研究提高到了一个新的水平，在这个水平上研究者可以从 全局和整体的范畴对沉积盆地进行考察和研究，使地质学家对沉积盆地的发生发展和沉积作 用过程能够有较全面的认识和更深刻的理解。由于构造沉积学对于人类认识自然和利用自然 具有重大价值，因此可以肯定，它是一个具有光明前景的新学科。事件沉积学20世纪80年代初期，关于稀罕事件的研究已经

8、风靡地质学各个领域，沉积学领域也不 例外。在此之前，沉积学家受均变论哲学的支配，过多地注意了沉积物（层）的韵律性和旋 回性。稀罕事件的研究带来了新思想，扩大了沉积学家的视野。1982 年，Einsele 和 Seilacher 主编的文集Cyclic and Event Stratification问世。论文的 作者们以海相沉积物为例，讨论了沉积层的旋回记录与事件性记录的相互关系与区别。他们 把沉积物区分为两类，一类称旋回沉积物，另一类称事件沉积物。旋回沉积物形成的频率很 高，但被保存的机率很低，而且常被随后的地质作用毁掉或掩藏起来，因而难以被识别。事 件沉积物则易于在地层中识别，它们是在各种

9、地质事件中形成的沉积物，一般包含了侵蚀和 沉积两种作用留下的沉积构造，虽然它们的形成频率不高，但却常被保存下来。事件沉积学认为沉积物都是各种地质事件的记录。正是地质事件的种类与规模的差异导 致了沉积物的多样化，对它们的研究手段也随之不同。白垩纪末的地外物体冲击事件为一种极罕见事件，它在第三系/白垩系的界限沉积层中 留下了痕迹。事件沉积学对这些界限沉积层所进行的稀土元素研究和氧、碳同位素研究，为 研究该稀罕事件做出了重要贡献。构造活动是长期、持续、缓慢的，但它又表现为一系列能量不同的构造事件，这些大大 小小的构造事件不可避免地影响了沉积作用，在造山带中，这种影响尤其明显。因而，探讨 构造事件与沉

10、积作用的相互关系已经成为事件沉积学的一项重要研究内容。礁地质学礁地质学研究的一个重要方面是礁的成因及礁模式的研究。地史时期的生物礁往往与现 代珊瑚礁的成礁过程不同。James（1985）把一般生物礁的形成过程概括为几个阶段，即定 植、拓殖、泛殖和统殖阶段。礁的古生物学包括对造礁生物化石的系统描述、鉴定，研究它们在礁中的数量、种类及 分布等。地史时期较为重要的造礁生物包括古杯动物（早寒武世）、石海绵类（中-晚奥陶 世）、苔藓虫（志留纪）、层孔虫（泥盆纪）、叶状藻类（晚石炭-早二叠世）、串管海绵和纤 维海绵类（二叠纪、中三叠纪）、六射珊瑚（中三叠世、侏罗纪X厚壳蛤类（白垩纪）和各 种钙藻（二叠纪、

11、中三叠世、侏罗纪、第三纪）等。最近十年在研究泥盆纪、二叠纪、三叠 纪各个门类造礁生物化石方面取得了重要成果。礁的古生态研究包括确定不同门类生物相互之间的作用及其与生存环境之间的关系等。 发现于生物礁内的生物通常包括造礁生物和居礁生物两大类，不同造礁生物之间、造礁生物 与居礁生物之间各种复杂作用直接影响礁的发生、发展和衰亡过程，它们构成的生态系统成 为造礁生物古生态学的研究对象和基本内容。礁碳酸岩具有其岩石成分的特殊性。由于生物礁结构的不均一，岩石类型的多样性十分 显著。目前，通过微相分析可以使礁的基本相带，如礁前相、礁核相、礁后相等进一步分解 为特征显著的若干微相，成为揭示礁的组分、结构、成岩

12、作用及演变过程的重要依据。礁与一般碳酸盐沉积的不同取决于其形成的地球化学环境。生物礁形成后，通常经历成 岩作用及其一系列次生变化，这在元素组合、含量和分布特征方面均有反应，礁的地球化学 研究包括对元素分布规律、元素与一定矿物、岩石组分的关系，以及有机地球化学研究等。 80年代起，礁的地球化学研究不断深入，已成为划分礁与周缘沉积物，确定地层深部隐伏 礁的重要手段。全球变化学全球变化学是研究地球系统整体行为的一门科学。它把地球的各个层圈（如大气圈、水 圈、岩石圈和生物圈）作为一个整体，研究地球系统过去、现在和未来的变化规律和控制这 些变化的原因和机制，从而建立全球变化预测的科学基础，并为地球系统的

13、管理提供科学依 据。全球变化科学的产生和发展是人类为解决一系列全球性环境问题的需要，也是科学技术 向深度和广度发展的必然结果。今天，全球环境问题的严重性主要在于人类本身对环境的影响已经接近并超过自然变化 的强度和速率，正在并将继续对末来人类的生存环境产生长远的影响。这些重大全球环境问 题已经远远超过了单一学科的范围，迫切要求从整体上来研究地球环境和生命系统的变化， 从而提出了地球系统的概念，即由大气圈、水圈、岩石圈和生物圈组成的一个整体。同时，观测技术的发展，特别是卫星遥感技术，提供了对整个地球系统行为进行监测的 能力；计算机技术的发展为处理大量的地球系统的信息，建立复杂的地球系统的数值模式提

14、 供了工具。全球变化学的理论基础是地球系统科学，它是研究地球系统各组成部分之间的相互作用，以 及发生在地球系统内的物理、化学和生物过程之间的相互作用的一门新兴学科。全球变化学现阶段主要研究内容如下：（1）全球大气化学与生物圈的相互作用。主要研究全球大气化学过程是如何调制的？（2）全球海洋通量研究。主要研究海洋生物地球化学过程对气候的影响，及其对气候 变化的影响。（3）全球水文循环过程的生物学特征。主要研究植被与水循环物理过程的相互作用。（4）全球变化对陆地生态系统的影响。主要研究气候、大气成分变化和土地利用类型 变化对陆地生态系统的结构和功能的影响及其对气候的反馈。（5）全球变化史的研究。重建

15、2000年来，以及一个完整冰期一间冰期循环的全球环境 变化，了解它们与地球内部或外部作用力的关系。另一方面，全球变化的研究又具有十分明确的应用目标，它的研究成果将直接用于地球 自然资源的合理开发利用，农林牧副渔的合理布局，水、土、气污染的控制以及全球环境问 题上的重大决策，为保护和改善几代人的生存环境作出贡献，具有全局性的战略意义。 矿床地球化学矿床地球化学是在矿床学和地球化学基础上发展起来的一门分支学科，是以地球化学的 原理和方法，一方面研究矿床及其组成部分中的化学元素及其同位素的化学组成，化学作用 和化学演化；另一方面还要研究矿床形成以前的成矿过程和矿床形成后的保存和演化问题。 实质上，矿

16、床地球化学就是研究成矿作用的地球化学。20世纪最后二十年，金矿床地球化学成果较多，金矿大多无成矿专属性；我国绿岩带 型金矿成矿时代远比加、澳等国晚，为中生代；金矿床中金多呈独立矿物形式存在；我国沙 金矿床密集区多分布在高寒地带，说明金的化学搬运是重要的；金在低温条件下可以活化、 迁移并富集成矿；有机质及生物对某些金矿类型的成矿具有重要作用。矿床地球化学学科的发展，目前出现了一些对整个学科起带动作用的新生长点：1. 矿床形成的多成因论，在成矿物质来源，成矿作用和成矿过程等方面不是单一的， 而是多成因的。这一认识已引起国内外矿床地球化学界公认，过去认为成因比较单一的矿床 类型有可能是多成因的，如铜

17、镍化物矿床、花岗岩的成矿作用等；2. 金属矿床、非金属矿床、盐类矿床、煤、石油、天然气等矿产资源之间存在着有机 联系。长期以来，地学界对金属矿床、非金属矿床、煤、石油、天然气等矿产资源分别是由 不同部门、按不同专业分别进行研究的，很少考虑它们之间还存在什么内在的有机联系。这 种分割处理的局面在我国表现更为突出，但现在从不同角度进行研究，发现在金属矿床、非 金属矿床，盐类矿床、煤、石油、天然气等矿产资源之间相互存在着有机联系。随着时间的 推移、研究工作的深化，更多的、非表面的联系将会不断被发现；3. 成矿作用具有演化的特点，总的演化趋势是由简单到复杂，既在地质历史早期，成 矿作用本身及所涉及元素

18、与成矿物质较简单、较少，随着时间的推移就变得愈加复杂和多样 化。矿床地球化学之所以能不断发展，其根本原因是，一方面矿床地球化学与寻找国民经济 建设中所必需的矿产资源紧密相关，另一方面是矿床地球化学可以促进地球科学的发展，在 理论上有重要意义。当前，我国正在进行的超大型矿床、低温地球化学和热水沉积成矿作用 等研究，必将使矿床地球化学朝着更为宽广和更加深入的方向发展。磁性矿物学磁性矿物学以各类岩石中所含磁性载体即赋于岩石以稳定剩余磁性的矿物为对象，研究 矿物成分、晶体结构、磁学状态及其在不同物理化学条件下的变化。自然界的各类岩石中最常见的磁性矿物有铁钛、铁锰氧化物及氢氧化物、铁的硫化物以 及铁、钻

19、、镍、合金等等。科学家们认为，这些矿物的磁学状态除铁钻镍及其合金之类属铁 磁性外，其余则属反铁磁性（如钛铁矿、赤铁矿、钛尖晶石及陨硫铁等），或铁氧体性（如 磁铁矿、磁赤铁矿、锰尖晶石等）。其中铁氧体性的磁铁矿、磁赤铁矿的磁性最强。处在不同物理、化学条件下获得剩磁的各类岩石有着不同的磁性载体。例如，大多数火 成岩的磁性载体是钛磁铁矿和铁赤铁矿，纯铁和铁镍合金不多见，但月球岩石的磁学性质却 与所含铁及其合金有关；深海沉积的主要磁性载体为钛磁铁矿。最新研究结果发现，某些大 陆及海洋沉积的主要磁性载体可能是细菌磁铁矿。因此，生物起源的磁性矿物可能比原来想 像的更普遍。此外，有些磁性矿物是通过自生和成岩

20、作用形成的，但从根本上说，各类岩石 所获稳定剩磁大多来源于携带剩磁的磁性矿物颗粒。所以火成岩中的钛铁氧化物一直是磁性 矿物学研究的重点对象。磁性矿物在各种温度条件下发生氧化现象，这对磁性矿物的组合及结构都有一定的影 响。此外，磁性矿物的化学变化有时会导致明显的磁性变化，即所谓的化学变化的磁效应。 虽然这种效应有时不明显，但某些岩石的重磁化现象确实应认为是由自然界中发生的化学变 化所带来的。研究矿物的磁学性质、测定磁学参数的方法和仪器经数百年的发展至今正日趋完善。今 天人们可以利用各种类型的光学及电子显微镜对人工合成及天然样品进行磁畴结构的观测， 此外，电子探针、X衍射、化学分析等手段都适于矿物

21、成分的鉴定。面向新千年，磁性矿物学研究的结果不仅是磁学、古磁学、岩石磁学等基础、应用基础 研究的必不可少的基本数据，而且在磁性材料的开发应用中，特别是记录材料的研制中，有 关矿物磁学性质的研究无疑具有广泛的应用前景。岩体工程地质力学岩体工程地质力学是在工程地质学的理论基础上以及大量的工程实践中发展而来的，它 是工程地质学和岩体力学相互渗透、相互融合的结果，是地质研究和力学分析相结合的产物。工程地质学以野外地质测绘为基础，注重工程地质条件的定性评价，而岩体力学是以材 料力学为基础，强调严格的力学试验和数学计算。这两门学科单独地都不能完善地解决岩体 稳定性评价问题，必须强化学科融合，发展一门边缘学

22、科来解决这个问题。岩体工程地质力学是从工程地质学的观点出发，运用地质力学的理论和方法研究岩体特 性的形成和演变规律，同时运用岩体力学的理论基础和方法研究岩体在受力条件下变形破坏 的机制、物理状态和力学属性，最后结合工程要求，作出岩体稳定分析计算和评价。岩体工程地质力学的基本观点是：岩体是经受过变形，遭受过破坏的地质体，要研究 在受力条件改变时，现状的地质体再变形和再破坏的规律；岩体为不连续结构体，岩体结 构控制岩体变形和破坏规律，结构的控制作用远远大于岩体组成成分的控制作用；岩体赋 存环境条件可改变岩体结构力学效应规律;在岩体结构控制下岩体具有多种力学介质和力 学模型，力学机制复杂多样。岩体工程地质力学的研究方法是应用地质学的勘测调查和力学分析计算相结合的方法。 特别强调地质构造的研究，这种研究是以地质力学的研究方法为基础，即分析断裂构造形成 的力学机制与空间分布配套的规律，注意分析构造应力场。岩体工程地质力学研究的最终目的是：评价和研究岩体的稳定性。岩体稳定性是个相对 概念，即不同的工程建筑所要求的稳定标准是不一样的。稳定性研究涉及范围很广，稳定性 评价研究工作还包括预测预报的研究。