第一章 土壤学中的地质学基础.doc

第一章 土壤学中的地质学基础主要教学目标： 本章是土壤学的基础，内容始终贯穿于整个土壤学课程。主要要求学生掌握主要造岩矿物和常见岩石，且对地质作用有一定的了解。由于本章名词多且内容抽象枯燥，因此在教学过程中必须借助多媒体教学和实习实验来完成。 那么为什么要研究地质学基础呢？ 地质学主要研究地球的组成、构造、发展历史和演变规律。在当前阶段主要研究固体地球的最外层即岩石层。土壤学中地质学基础主要学习造岩矿物、岩石和地质作用。地壳是地球外部由固体岩层所构成的外壳，而岩石是构成整个地壳的基本物质，土壤矿物质是由各种矿物所组成的岩石风化而来的。因此地壳的组成、运动和地貌的产生与土壤矿物质有密切的关系。而土壤矿物质的成分和性质又对土壤的形成过程、理化和生物学性质，以及养分状况和肥力水平等有很大的影响。主要内容：第一节 矿物学知识第二节 岩石学知识第三节 地质作用主要讲解内容第一节 矿物学知识一、概述 矿物是人类生产资料和生活资料的重要来源之一。合成纤维由石灰岩加工制成，而石灰岩是由方解石这种矿物组成的。盐湖中产出的石盐，入药的辰砂、磁石、石膏，做香皂、牙膏用的滑石，栽花用的蛭石，冶炼成钢的赤铁矿也是矿物。二、矿物的概念 矿物是地壳中的化学元素在各种地质作用下所形成的自然均质体。 地质作用指火山爆发，地震，岩石风化等。1、类型 根据矿物形成原因可分为： 原生矿物由地壳内部岩浆冷却后形成的矿物。 次生矿物由原生矿物进一步风化形成的新的矿物。如方解石是有碳酸钙溶液沉淀而来的；高岭石是由钾长石风化来的。2、矿物数量 世界上矿物有3000多种，常见的有50多种，而和土壤形成有关的造岩矿物有2030多种三、矿物的主要特征 主要根据矿物的一些物理性质来区分，这是最简单最实用的方法，也是林业工作者常用的方法。1、颜色 矿物的颜色是最容易引起注意的。分为三种： 自色矿物本身所固有的颜色 它色矿物中混入杂质，带色的气泡所导致的颜色。 假色由矿物表面氧化膜、光线干涉等作用引起的颜色。 2、条痕：矿物粉末的颜色。它可以消除假色，减弱他色，保存自色。比颜色更具有意义。赤铁矿颜色可能有赤红、黑灰等色，但其条痕为樱红色；黄金和黄铁矿，颜色大体相同，但黄金条痕为金黄色，黄铁矿为黑色或黑绿色。 3、光泽：矿物表面对光线反射所呈现出的光亮。可分为三类： 金属光泽：具有金属的光亮，如黄铜矿、黄铁矿等 非金属光泽：可细分为：金刚光泽，如金刚石；脂肪光泽，如石英；玻璃光泽，如正长石、方解石；珍珠光泽，如白云母、滑石等；丝绢光泽，如石膏、石棉等。 半金属光泽：如赤铁矿。4、硬度： 矿物抵抗外力刻划的能力。硬度采用相对大小来衡量。常用摩氏硬度级 1 2 3 4 5 滑石 石膏 方解石 萤石 磷灰石 6 7 8 9 10正长石 石英 黄玉 刚玉 金刚石 在野外工作中，常用指甲2.5,铜板3.0,小刀5.5,玻璃5.5,钢锉6.5.5、解理: 矿物在外力的作用下,沿一定方向裂开。可分为:极完全解理完全解理中等解理不完全解理极不完全解理 6、断口：在外力作用下，破裂成不平坦、不规则的断面。7、其它特性：弹性；与盐酸反应的程度；磁性等。 注意：鉴别矿物一般仅需要矿物本身比较典型的几个特征。四、矿物的分类。矿物的分类方法很多，当前常用的是根据矿物的化学成分类型分类：共分5类：（一）自然元素矿物 这类矿物较少，包括人们熟悉的矿物，如金、自然银、自然汞、自然铜、硫磺、金刚石、石墨等。金刚石（Diamond），颜色丰富多彩：无色、白色、灰色、黄色、红色、脸色、绿色或黑色，条痕是白色。主要用于钻探研磨方面，还广泛用于微波、激光、三极管、高灵敏度温度计等尖端技术方面。同时是一种价值不菲、众所瞩目的宝石。在已知矿物中为最硬的一种，不能被任何其他矿物刻划。透明金刚石琢磨后称钻石。在我国的山东、辽宁、湖南省沅水流域、贵州、西藏等都有丰富的金刚石资源。（二）硫化物类矿物本类是金属元素与硫的化合物。大约有200多种，许多铜、铅、锌、钼、锑等金属矿床，就是由这类矿物富集而成的。1、辰砂（HgS）又叫朱砂，颜色和条痕为朱红色，硬度22.5，比重为8.098.20，新鲜面具金刚光泽。暴露在空气中比较稳定，为重要的炼汞矿物。2、黄铁矿Fe S2 颜色为浅黄色，条痕为黑色，硬度66.53、黄铜矿CuFeS2 颜色为金黄色条痕黑色，硬度3.54黄铜矿与黄铁矿、金的颜色基本一致，容易相混，但黄铜矿与黄铁矿的条痕为黑色，而金的条痕为金黄色；另外硬度不同，金硬度为2.53，很容易用小刀刻划。4、雄黄（Realgar）成分AsS 加热后会释放出强烈的大蒜味，雌黄溶于硝酸后，硫可溶解出来。5、雌黄（Orpiment）成分As2S3 加热后会释放出强烈的大蒜味。（三）氧化物及氢氧化物类矿物这类矿物分布相当广泛，共180多种。包括重要造岩矿物石英以及铁、铝 锰、铬、钛等的氧化物或氢氧化物。1、石英：是最常见的矿物之一。占地壳重量的12.6%，其含量仅次于长石。晶体为六方柱状，或锥状，在晶面上有明显的条纹。此外，还有还有一些致密的块状集合体或隐晶质矿物集合体。颜色种类多，有白色、灰色、紫色、红色、黄色黑色等，常见的是无色透明。石英的硬度7，用小刀刻不动。石英的晶体具有典型的玻璃光泽，隐晶质的石英矿物具有脂肪光泽。对土壤肥力的作用：纯石英不含养分，在土壤中主要以砂粒存在，可以改善粘重土壤的通透性。无色透明的晶体为水晶，透明，具有玻璃光泽。紫水晶含有锰离子；烟水晶含有机质；芙蓉石含铁锰。由二氧化硅胶体沉积而成的隐晶质矿物，白色、灰白色者称玉髓；白、灰、红等不同颜色组成的同心层状称玛瑙；不纯净、红绿各色称碧玉；黑、灰各色者称燧石。含有水分、硬度稍低、具脂肪或蜡状光泽为蛋白石。2、赤铁矿：Fe2O3 常呈鲕状、肾状，颜色为赤红色，条痕为樱红色，半金属光泽。3、磁铁矿：Fe3O4 条痕为黑色，有很强的磁性。4、褐铁矿：FeO（OH）nH2O 常呈肾状、土块状，颜色呈褐色至黑色，但条痕比较固定为黄褐色，半金属光泽到土状光泽。5、刚玉（Corundun）成分为Al2O3 颜色多变，条痕为白色，玻璃光泽或金刚光泽。6、红宝石（Ruby）刚玉的红色变种，条痕为白色。7、蓝宝石（Sapphire）刚玉的蓝色变种，条痕为白色。（四）含氧盐类矿物为金属元素与各种含氧酸根的化合物，种类多，数量很大。一）硅酸盐类矿物 这类矿物有800多种，约占已知矿物的1/3。占地壳重量的3/4。是构成地壳的主要造岩矿物。1、正长石：K2O.Al2O3.6SiO2 又叫钾长石，肉红色或浅黄白色，晶体为短柱状（在岩石中为不完整的短柱状颗粒），常具有卡斯巴双晶或穿插双星，硬度6。正长石容易风化形成高岭石，为土壤提供钾。2、斜长石：由钠长石（Na2O. Al2O3.6SiO2）和钙长石（ CaO. Al2O3.6SiO2）组成。 在岩石中为板状或细柱状的颗粒，在晶面上可见聚片双晶（细而长的双晶纹）。灰白色，硬度6.5左右，为土壤提供钙。 正长石是因两组解理面直交而得名；斜长石是因两组解理面斜交（86o）而得名； 正长石和斜长石及其各变种，称为长石类矿物，约占地壳重量的50%，是分布最广的第一重要造岩矿物。3、辉石：（Ca，Na）（Mg，Fe，Al）(Si，Al)2O6绿黑色，短柱状或近似粒状，硬度56，玻璃光泽。为土壤提供钙、铁、镁等养分。4、角闪石：（Ca2Na）（Mg，Fe）4(Al,Fe）(Si，Al)4O11OH2黑绿色，长柱状或近似细长条状，硬度56，玻璃光泽。为土壤提供钙、铁、镁等养分。5、云母：通常呈片状或鳞片状，具有扑玻璃光泽或珍珠光泽。硬度23，极完全解理，薄片有弹性。具有高度的不导电性。常见的种类有：（1）白云母,KAl2AlSi3O10OH2 无色，可为土壤提供钾。（2）黑云母：K(Mg，Fe)3AlSi3O10OH2 黑色，为土壤提供钾、铁、镁等养分。（3）金云母：KMg3AlSi3O10OH2 金黄褐色，具有半金属光泽。6、橄榄石：橄榄绿色，立方形晶粒，断口常为贝壳状，硬度6.57。 可为土壤提供铁、镁等养分。7、高岭石：是一种粘土矿物，白色、浅灰色或浅红等，硬度，12.5。有吸水性（可粘舌），遇水有可塑性。高岭石及其近似矿物和其它杂质的混合物，通称为高岭土。是制陶瓷的主要原料。二）碳酸盐类矿物 1、方解石：CaCO3 主要是由CaCO3溶液沉淀或生物遗体沉积形成的。晶体菱形，乳白色，完全解理（锤击成菱形碎块因此得名方解石），硬度3，与盐酸强烈冒泡。无色透明者称冰洲石，是重要的光学材料。2、白云石：CaCO3MgCO3 结晶形状和解理同方解石，晶面和解理面弯曲（方解石为平直），其粉末遇盐酸冒泡但很微弱。3、孔雀石Cu CO3OH2 和蓝铜矿经常共生在一起。孔雀石的颜色和条痕为翠绿色，蓝铜矿的颜色和条痕为天蓝色，可作装饰品和艺术品。三）硫酸盐类矿物1、石膏：CaSO42H2O 晶体为纤维状、板状等，白色，硬度2，完全解理。透明的石膏，叫透石膏；纤维状的集合体叫纤维石膏；粒状石膏的集合体称雪花石膏。第二节 岩石学知识一、岩石概述 自然界的矿物并不都是独立存在的,而经常是有规律的以集合体形式存在.岩石：由一种或多种矿物有规律组合而成的矿物集合体.根据岩石产生的原因,可分为三大类:岩浆岩由熔融的岩浆上升到地壳不同深度或喷出地表冷凝结晶而成。 沉积岩在地表条件下，各类岩石风化破坏后的产物，经搬运、沉积、成岩作用形成的岩石。变质岩各类岩石，在地球内力作用下，经过变质作用形成的岩石。二、岩浆岩又叫火成岩1、概念：当岩浆上升侵入地壳或喷出地表冷却后形成的岩石 岩浆：形成于地壳深处或上地幔中，由两部分组成：一部分是以硅酸盐熔浆为主体，在一定条件下凝固后形成各种岩浆岩；另一部分是挥发成分，主要是水蒸气和其他气态物质。 岩浆的化学成分用氧化物表示，主要成分是二氧化硅、三氧化二铝、氧化镁、氧化亚铁、氧化钙、氧化钾等。其中二氧化硅含量最大。根据二氧化硅的相对含量，分为酸性岩浆（65%）、中性岩浆（5265%）、基性岩浆（4552%）和超基性岩浆（2mm；如果碎屑棱角明显，则成为角砾状结构。 砂质结构：成分为矿物碎屑，直径为20.05mm。可细分为粗砂20.5 mm，中砂0.50.25 mm，细砂0.250.10 mm，微细砂0.100.05 mm。粉砂质结构：成分为矿物碎屑，直径为0.050.005mm。泥质结构：成分以粘土为主，直径64mm的粗火山碎屑固结而成。 火山角砾岩：主要由粒径为2mm64mm的火山碎块固结而成。凝灰岩：主要由直径2mm的火山灰或火山碎屑固结而成，可有黄、灰、白、棕、紫等不同颜色。（2）沉积碎屑岩 砾岩由直径大于2mm的碎屑颗粒胶结组成。碎屑称为砾。如砾带棱角，则称角砾岩。具砾状结构。 砂岩由20.05mm的砂粒胶结组成，具砂质结构。根据矿物成分可分为石英砂岩和长石砂岩。颜色取决于矿物成分和混入的其它成分。砂岩的物理特性好，但养分缺少。 页岩属粘土岩类。由颗粒直径0.005mm的微细颗粒组成，成分主要是粘土矿物和少量细小的石英颗粒。致密状泥质结构，颜色多样，手感很细滑，不透水，泡不软。（3）碳酸盐类 石灰岩含方解石大于50%，遇稀HCl反应强烈。 白云岩白云石大于50%，粉末遇稀HCl冒泡。四、变质岩：1、概念 在地球内力作用下，各类岩石经过变质作用形成的岩石。变质作用是在一定温度、压力等条件下进行的，风化作用是在一般温度、压力等条件下进行的。引起变质作用的因素有三种： 温度：来源于地热、岩浆热、摩擦热。关于引起变质作用的温度的上下限不太一致，在有水流存在时，上限为700900度，下限为150200度。 压力：有静压力、定向压力二种。静压力又叫围压，具有均向性。定向压力是一种侧向压力，可使岩石变形或破碎、重结晶，使矿物定向排列。 热气和热液：热气和热液中的化学物质，引起变质岩矿物和化学成分的变化。2、变质岩的结构 变晶结构由于重新结晶所形成形成的结构。 包括等粒变晶结构、斑状变晶结构和鳞片状变晶结构。 变余结构部分还保留原岩的结构。3、变质岩的构造（1）变成构造：又分为片理构造和块状构造二种： 片理构造岩石中的矿物排列定向。是变质岩中最常见、最带有特征性的构造。矿物平行排列所成的面称为片理面，它可以是平的，可以是波浪状的。可分为以下几类： 板状构造：由微小矿物晶体定向排列成平行板状，板面平整微具光泽。 千枚构造：由细小片状矿物定向排列而成，片理面具丝绢光泽，具有小弯曲和皱纹。矿物晶粒微细，用肉眼无法识别。 片状构造：矿物呈鳞片状或柱状，平行排列，形成薄层片状，片理面粗糙。片麻构造：由较粗的粒状矿物组成，它们和一定数量的柱状、片状矿物定向排列，形成断续条带状。块状构造岩石中的矿物无定向排列。（2）变余构造4、几种主要的变质岩 板岩变质程度低，由页岩、粉砂岩等变质而来，板状构造或变余构造，有微弱光泽。 千枚岩变质程度较板岩深，千枚状构造，片理面具丝绢光泽，在岩石端面上可见到许多平行排列的薄片。 片岩：可由各种岩石变质形成，片状构造，鳞片状变晶结构。主要由片状或柱状矿物如云母、滑石、角闪石定向排列而成。 片麻岩：岩石中的柱状和粒状矿物分别呈定向排列，具有片麻构造，等粒状变晶结构。矿物种类有石英，正长石，云母，角闪石。 大理岩：云南的大理而得名。由石灰岩和白云岩等碳酸盐类变质而来，块状构造，等粒状变晶结构，白色或具各种条纹，方解石大理岩遇盐酸剧烈冒泡，而白云石大理岩则反应微弱。石英岩：由石英砂岩变质而来，块状构造，等粒状变晶结构，矿物组成为石英，纯石英岩多为乳白色，具脂肪光泽。第三节 地质作用一、概述1、地质作用 使地球的物质组成、内部构造和地表形态发生变化的作用，总称为地质作用。2、地质营力 引起地质作用的自然力称为地质营力。可分为地质内营力和地质外营力。地质内营力由地球内部的能引起，主要有地内热能、重力能、地球旋转能等；地质外营力主要由太阳能、潮汐能和生物能引起。3、地质作用的分类 地质内力作用：地震、变质作用、岩浆活动和构造运动； 地质外力作用：风化作用、剥蚀作用、搬运作用、沉积作用和成岩作用。二、地壳的内营力作用和地貌1、地壳的升降运动和地貌 引起海陆面积的变化。地壳上升，大陆面积扩大，海洋面积逐渐缩小；地壳下降，大陆面积逐渐缩小扩大，海洋面积逐渐扩大。2、地壳的褶皱运动与地貌 褶皱运动：是指原来水平或近似水平的岩层变成褶皱而隆起形成山脉的运动。褶皱后岩层形成一个弯曲，称为褶曲，有背斜和向斜两种形式。3、地壳的断裂运动与地貌地壳的断裂运动是岩层的连续性受到破坏，而产生断裂和错位现象。岩层断裂后产生断裂面。断裂运动分为节理和断层两大类：节理就是断裂两侧的岩块沿着破裂面没有发生明显位移的断裂运动。在岩石中有规律、从横交错的裂隙就是节理。断层：岩块岩块沿着破裂面发生了明显位移的断裂运动。可形成地垒、地堑等。三、地壳的外营力作用和地貌1、流水的地质作用和地貌（1）斜坡水流的侵蚀作用和地貌降雨水流沿自然坡面向下流动，可造成土壤片蚀，在低洼地可形成细沟侵蚀。（2）暂时性洪流作用与地貌暴雨和大量积雪瞬间形成的洪流，在通过山谷流出山口和沟口之后，形成洪积扇。暂时性的水流也可形成侵蚀沟。（3）河流的地质作用和地貌河流是改造地表地貌最主要的地质营力。河流所经过的线装凹地称为河谷。河谷由河床、河漫滩、谷坡、砂洲和阶地组成。河流对河谷和河床不断进行着下切侵蚀作用，使河流加深。另外河流还使河面不断加宽。2、地下水的地质作用和地形 地下水存在于岩石孔隙和裂隙中。含有一定数量的CO2 对碳酸盐类岩石产生溶蚀、剥蚀、搬运、沉积等作用。地下水的溶蚀作用可形成岩溶地形，常见岩溶地形有：（1）溶沟和石芽.发育高大，沟坡近于垂直的峰林称石林。（2）溶洞.如广西桂林的七星岩、芦笛岩等，是著名的旅游胜地。溶洞中有大量的地下室沉积物如石笋、石钟乳、石柱等。（3）落水洞三、黄土和黄土地貌1、黄土：典型黄土的质地为粉沙颗粒，呈灰黄色或黄棕色，疏松多孔，有明显的垂直节理。并含有大量的碳酸钙。主要集中与黄土高原。2、黄土地貌：主要有塬、墚、峁等侵蚀地貌。 四、化石保存在地层中的地质时期的生物遗体或遗迹。遗体如动物骨骼、硬壳遗迹如动物的足印、虫穴、蛋类、人类石器等。并不是所有古生物都能保存下来成为化石。生物成为化石需具有三个条件：首先，生物本身具有硬壳、骨骼等不易毁坏的硬体部分。只有在一定条件下，硬体和软体才一齐被保存下来。第二，生物死后必须尽快地被沉积物所掩埋，这可避免遗体的氧化腐烂或被其他动物吞食。第三，埋藏下来的生物遗体必须在较长时间内经历一定的填充（如疏松多孔的贝壳、骨骼等被水溶液中的CaCO3、SiO2等所填充）、置换（如有机分子被CaCO3、SiO2等分子所代换）或升馏（如植物叶子、昆虫的角质外壳中的氢、氧等成分挥发逸出）等作用才能成为化石。如三叶虫化石、恐龙化石、木化石（或硅化木）等。本章重点：主要是常见造岩矿物和岩石的签别特征。造岩矿物主要