岩石圈的物质组成

PAGEPAGE5专题14岩石圈的物质组成上海中学叶栋教学目的知道岩石圈的范围，理解岩石圈在自然环境中的重要意义。掌握按成因岩石的三大分类及其与人类生产、生活的关系。通过阅读“岩浆岩形成示意图”，分析侵入岩，喷出岩的不同形成条件及其特点。通过阅读“沉积岩层”剖面图和“化石”专栏，分析沉积岩形成的条件及其主要特征。知道变质岩的形成的条件及其主要特征。知道组成地壳的化学元素，矿物、矿产的概念，常见的造岩矿物。通过让学生收集、鉴定和展示岩石、矿物标本，学会肉眼鉴定矿物的简单方法，学会识别主要的岩浆岩、沉积岩和变质岩。知道土壤的概念，土壤的物质组成及其与土壤肥力的关系，土壤的剖面构造特征。理解土壤的形成过程和气候对土壤形成的影响。通过阅读“中国土壤分布”图，理解中国土壤类型的地域差异性及其成因。掌握土壤资源的意义和人类对土壤的形成和发展的影响。通过岩石、矿物、土壤等有关的教学，培养学生科学的资源观和环境观，认识自然资源及其合理开发利用的重要性。通过岩石、矿物的鉴定和识别活动，引导学生主动参与到地理学习中来，开展探究式的学习活动。引导学生从生活实际出发，善于观察、发现、了解和研究生活中的地理，培养善于思索、勇于创新的精神，提高设计和进行科学研究的能力和严谨的科学态度。教材分析处于地球内部构造最外层的岩石圈是地理环境的重要组成部分，由于位置的特殊性，岩石圈既与地球外部圈层直接相接触，受到来自地球大气、水、生物等外力作用的影响。如大气中的氧与二氧化碳等成分、大气运动与热力变化作用于地表的岩石、参与岩石的破坏与形成过程；水的循环与生物的作用参与地表形态塑造的过程等。岩石圈又与地球内部圈层相交接，受到来自地球内部内力作用的影响，如地壳运动、火山、地震等。从而综合性地影响着地表的物质组成和形态结构。另一方面，岩石圈又在不同程度上影响着大气圈、生物圈与水圈，如岩石圈表层的高低起伏，直接影响着气候、生物等的生长、水体的储积等，并形成相应的垂直地带性分布规律，使自然环境显得更复杂多样。作为地理环境的组成部分，岩石圈表层是地球上生命赖以生存的物质基础，是人类活动主要的场所，构成岩石圈的岩石、矿物和土壤是人类生活、生产不可缺少的自然资源。“岩石”、“矿物”、“土壤”不仅是岩石圈的物质组成，也是岩层中地壳运动、岩浆活动、地震等地质现象发生的基本单元。因此，本单元教材也是下一单元教材的准备。本单元教材主要从合理利用地质资源和保护地质环境的角度，介绍岩石圈内岩石、矿物、土壤的类型、特点及其与人类活动的关系。本单元教材分“岩石”、“矿物”、“土壤”三大部分。另配有“化石——地球历史的见证”、“北京郊区的活山与死山”、“宝石”等专栏阅读材料。在“岩石”这段内容中，教材介绍了岩石圈的范围，岩石三大成因类型及其对人类的意义，侵入岩，喷出岩的不同形成条件及其特点，沉积岩、变质岩形成的条件及其主要特征。让学生认识岩石的三大成因类型及其对人类的意义是本单元的教学重点，识别主要的岩浆岩、沉积岩和变质岩是本单元教学的难点。在“矿物”这段内容中，教材介绍了组成地壳的主要化学元素，矿物、矿产的概念和常见的造岩矿物。了解组成地壳的主要化学元素和识别主要造岩矿物是本单元教学的重点。教材中配有“岩石和矿物的识别”的思考与实践活动，供有条件的学校开展室内岩石、矿物标本鉴定、野外考察活动或地质小组课外活动时参考。在“土壤”这段内容中，教材介绍了土壤的概念，土壤的物质组成及其与土壤肥力的关系，土壤的剖面构造特征，土壤的形成过程和气候对土壤形成的影响，中国土壤类型的地域差异性，土壤资源的意义和人类对土壤形成和发展的影响。其中，中国土壤类型的地域差异性及其成因和人类对土壤形成和发展的影响是本单元的教学重点和难点。教学建议本单元可安排1.5课时，“岩石”、“矿物”为1课时，“土壤”为0.5课时。本单元的教学，可从地球内部三大圈层的划分、岩石圈的范围开始，并概略地指出，岩石圈是由岩石组成的，岩石是由矿物组成的，矿物是由化学元素组成的。在“岩石类型”部分的教学中，要使学生通过读图了解岩浆岩、沉积岩以及变质岩的形成过程。在讲解岩浆岩时，要指出岩浆在冷却凝结成岩过程中，由于冷凝时所处的部位不同而形成侵入岩与喷出岩。教师可出示花岗岩和玄武岩的标本，或指导学生看教材中的图片，让学生仔细观察两类岩石在结构上的主要区别，结合岩浆岩的形成过程，使学生了解侵入岩由于是岩浆在地壳中冷凝结晶成岩，冷却十分缓慢，因而矿物晶粒较粗，如花岗岩中的矿物晶体可轻易地用肉眼分辨；而玄武岩则属喷出岩，是岩浆在地表迅速冷却凝结，没有充足时间结晶，往往形成致密的、用肉眼无法辨认其矿物颗粒的隐晶质结构，甚至是玻璃质结构。在讲解沉积岩时，教师可出示沉积岩具有层理构造的教学图片，指导学生阅读“化石——地球历史的见证”专栏，使学生了解沉积岩在形成过程中的两个显著特征。教师可出示砂岩、页岩、石灰岩的标本，或指导学生看教材中的图片，使学生认识沉积岩主要种类，并指出煤也是沉积岩。在讲解变质岩时，教师可出示片岩、片麻岩标本，使学生认识变质岩形成过程中的片柱状矿物定向排列（片理构造、片麻状构造）的情况。出示大理岩标本，指出它是由石灰岩变颜色常为白色、灰色、淡红色和黄色等。如果含有90%以上的石英砂粒，则称为石英砂岩，质地坚硬，纯者可用做玻璃原料。页岩主要由颗粒细小的粘土矿物组成。具有明显的页理构造，可以分裂成薄片，好象书页，故称页岩。页岩颜色因含杂质而呈黑、灰、红、绿、黄等色。质地致密，常形成不透水层。抗风化能力弱，在地形上往往形成低山沟谷。石灰岩主要由方解石组成，致密性脆，硬度不大，小刀可以刻动。一般为灰白色，因含有杂质颜色变深，呈现黄、褐、灰黑等色。遇稀盐酸起泡。石灰岩易受溶蚀，在暖热多雨的石灰岩地区，常发育成奇峰异洞。在钢铁冶金，烧石灰，制水泥等方面都要用到石灰岩。主要变质岩大理岩是石灰岩经过重结晶变质而成。矿物成分以方解石为主，白云石次之。等粒变晶结构，块状构造，在断面上可以看到闪亮发光的小方解石颗粒。大理岩遇稀盐酸起泡。色泽美观，硬度不大，容易雕刻，是工艺和建筑上广泛应用的装饰石材。云南大理是我国大理岩著名的产地，大理岩即因此而得名。板岩由页岩和粘土岩变质而成。主要矿物成分有绢云母、石英粒、绿泥石、粘土等，颗粒极细，不易辨认。颜色多种多样，有灰、黑、灰绿、紫、红等色。岩性致密均匀，容易劈成薄板，称为板理构造。质地坚硬，击之有清脆响声。板岩可以做石板、缸盖和屋瓦等。片岩主要由片状、柱状矿物如云母、绿泥石、滑石、角闪石等组成，它们可以形成云母片岩、绿泥石片岩等。片状和柱状矿物在压力作用下沿一定方向排列形成片理构造。片理面凹凸起伏，具较强的丝绢光泽，沿片理极易劈开。片岩多由沉积岩或某些火成岩而成，是一种变质较深的岩石。片麻岩这是变质很深的岩石，多由岩浆岩和沉积岩变质而成。晶粒较粗，片状、柱状矿物（云母、角闪石等）和粒状矿物（长石、石英等）相间定向排列，黑白相间，形成断续条带状，称为片麻构造。岩性较硬，但极易风化破碎。这种岩石分布地区，常代表年龄最古老的地带。片麻岩在我国北方分布较广。主要岩浆岩分类鉴定表超基性岩基性岩中性岩酸性岩SiO2含量%<4545—5252—65>65颜色黑—绿黑黑灰—灰灰—灰绿灰白—肉红矿物成分指示矿物石英无无少，<5%较多正长石无无极少20—40%斜长石<15%>50%>50%<30%主要暗色矿物及其含量比橄榄石（主）辉石（次）>95%辉石（主）橄榄石（次）角闪石（次）40—50%角闪石（主）黑云母（次）辉石25—40%黑云母（主）角闪石（次）<25%岩石产状构造结构岩石类型喷出岩气孔流纹块状隐晶质斑状金伯利岩玄武岩安山岩流纹岩石英斑岩侵入岩浅成岩气孔块状细粒斑状苦橄玢岩辉绿岩辉绿玢岩闪长岩花岗斑岩深成岩块状中粒粗粒橄榄岩辉岩辉长岩闪长玢岩花岗岩三大类岩石的分布、产状、结构、构造和矿物成分岩浆岩沉积岩变质岩分布情况按重量岩浆岩和变质岩：95%5%按面积岩浆岩和变质岩：25%75%最多的岩石花岗岩、玄武岩、安山岩、流纹岩页岩、砂岩、石灰岩片麻岩、片岩、千枚岩、大理岩产状侵入岩喷出岩层状产出多随原岩产状而定结构大部分为结晶的岩石：粒状、斑状等部分为隐晶质碎屑结构（砾、砂、粉砂）泥质结构化学岩结构（微小结晶粒状、鲕状、致密状等）变晶结构（粒状、斑状、鳞片状等）构造多为块状构造喷出岩常具气孔、流纹等构造层理构造常含生物化石大部分具片理构造（片麻状、条带状、片状、千枚状、板状）部分为块状构造（大理岩、石英岩、角岩等）矿物成分石英、长石、橄榄石、辉石、角闪石、云母等石英、长石等外，富含黏土矿物、方解石、有机质等石英、长石、辉石、角闪石、云母等外，常含变质矿物，如石榴子石、滑石、石墨、红柱石等土壤指地球表面陆地上能生长植物的疏松表层，是地理环境的组成要素之一。处在岩石圈、水圈，大气圈和生物圈相互紧密接触地带的土壤圈，是地理环境系统的一个子系统。土壤是在自然条件和人为因素作用下发生、演化的。作为一个自然体，它是岩石的风化物在生物、气候、地形、时间等成土因素综合作用下的产物。岩石风化后形成的疏松碎屑物是形成土壤的基本物质，不同的成土母质形成的土壤的物理、化学特性也不同。自人类开创农业后，土壤是农业生产的基本生产资料之一。人类的农业生产等活动，不仅影响着土壤形成的方向和过程，而且通过垦殖耕作、灌溉、施肥等，可以根本改变土壤性质，甚至培育出新的土壤类型。图1土壤的组成图土壤的组成组成土壤的物质主要是矿物质、有机质、水分、空气和土壤微生物等，其中矿物质和有机质组成固体颗粒，由空气，水分占据着土壤固体颗粒间的孔隙。图1土壤的组成图土壤矿物质是岩石风化或搬运、沉积的土壤固体部分，约占土壤整体重量的95％以上和容积的38％以上，是组成土壤的基础物质。有风化过程中未改变化学组成的原始成岩矿物和风化、成土过程中形成的新生矿物两类。组成元素很复杂，约有10多种，其中以氧、硅、铝、铁所占的含量比例最多。矿物质经风化分解后，能释放出植物所需的钾、磷，钙、镁等养分，对土壤肥力有密切的关系。土壤有机质是土壤中来源于动、植物体的所有非矿物质的总称，多集中在表层，是土壤的重要组成部分。主要来源于动、植物和微生物的残体及其排泄物，还有人工施用的有机肥料等，其含量多少，是衡量土壤肥力高低的重要标志。可分腐殖质和非腐殖质两类，其中腐殖质约占土壤有机质总量的大部分。有机质的基本成分是纤维素、木质素、蛋白质、淀粉、糖类、油脂等。不同的土壤有机质含量不同，有的土壤，如泥炭土，有机质含量可高达70～80％，而沙质土、荒漠土，有机质含量可低至千分之几。在土壤有机质分解为简单化合物的过程中，其中间产物再经微生物参与下发生生物化学作用，合成一种新的含氮多的高分子有机化合物——腐殖质。简单地说，腐殖质是一种暗色、酸性、富含氮素的有机胶体物质，是土壤中特有的较稳定的高分子有机化合物。它除富含氮和其他各种养分外，还具有适中的粘结性，较强的吸收代换性能以及缓冲能力等许多特点，对土壤的理化性质和生物学性质有重要影响。所以，腐殖质是土壤中特有的组成成分，是使土壤不同于成土母质的最典型特征。腐殖质在形成之后也在进行缓慢的分解，释放出各种养分，即进行矿质化过程，为植物生长提供有效的养分。但这种过程进行的过于强烈时，养分分解过快，易造成养分的流失。当这种过程进行的过慢时，养分释放过慢，造成养分的供不应求。土壤水指占据土壤固体颗粒间孔隙中的水分，有液态水、气态水、固态水三种形式。液态水又可分为单靠土壤颗粒吸附在土粒表面的吸湿水、包围在吸湿水外层的薄膜水、在土壤毛管孔隙中的毛管水以及重力水等4种主要类型。它们主要来源于大气降水，灌溉水和地下水及大气中的水汽遇冷在土壤中形成的凝结水等。不同土壤中水的含量变化很大。土壤水对土壤的发生、发育起着重要的作用，土壤中的营养物质必须溶于土壤水中才能被植物吸收，土壤水还参与土壤中有机质、矿物质的积累、转化和迁移。土壤空气指占据着土壤固体颗粒间孔隙中的空气，有土壤孔隙中呈自由状态的空气，溶解在土壤水中呈溶解状态的空气，被土粒吸附的呈吸附状态的空气等。土壤空气组成成分与大气相似，但其中氧的含量比大气少，而二氧化碳和水汽较多。不同土壤中空气的含量变化很大，土壤结构的通气状况，直接影响土壤空气的组成及数量。结构不好或水分过多、通气不良的土壤，易积累大量的二氧化碳，影响植物生长。土壤质地土壤质地按土壤固体颗粒粗细程度及其组合比例可分沙土、壤土、粘土三类。沙土粒径0．05～1毫米的砂粒占50～70％及以上，蓄水能力弱，养分含量小，保肥能力较差，土温变化大，但透水性、通气性良好，易于耕作。粘土粒径0.001毫米以下的粘粒占30～40％及以上，保水和保肥能力较好，含有丰富的养分，土温较稳定，但通气、透水性较差，耕作较困难。壤土粒径0.01～0.05毫米的粗粉粒占40％上下，质地介于粘土与沙土之间，是较理想的农业土壤。土壤结构土壤中的固体颗粒往往不是以单粒状态存在，而是形成大小不同，形状各异的团聚体。土壤中的团聚的结合状况称为土壤的结构。土壤结构的好坏，对土壤肥力的变化，微生物的活动和耕作性能等都有很大影响。土壤结构的类型有：团粒结构，块状结构，柱状及棱柱状结构，片状结构四类。其中团粒结构最为理想，能保证土壤水、气和养分间有适宜的组合状况，有利于农业生产。土壤肥力指土壤为植物生长供应和协调营养条件及环境条件的能力，是土壤的本质属性。它是土壤本身的物质组成、结构、各种过程和性质及其与外界环境相互关系的综合功能的反映。土壤肥力因素有水、肥、气、热等，其中为植物生长提供必要的水分和营养成分的为营养因素。对植物根系生长起直接或间接作用的通气状况、土壤温度及土壤质地和结构等物理条件，酸碱度等化学条件及生物条件等为环境条件因素。各肥力因素相互联系、相互制约。衡量土壤肥力的标准，主要看其对供应作用与协调各肥力因素中的持续性、随时间的均匀性、充足性和数量的适度性。土壤肥力可分自然肥力、人工肥力和经济肥力等。协调土壤肥力的途径，主要有调节土壤养分、水分，调控土壤酸碱度，改变土壤物质组成、结构及土体构造类型等。中国土壤分类简表

土纲土类热带和亚热带的富铝土（红壤）砖红壤、赤红壤、红壤、黄壤、燥红土温暖湿润地区的淋溶土（棕壤）黄棕壤、棕壤、暗棕壤、漂灰土、灰色森林土林灌地区的半淋溶土（褐土）褐土、灰褐土、土、绵土千里草原的钙层土黑钙土、栗钙土、棕钙土、灰钙土、黑垆土干旱地区的石膏—盐层土（漠土）灰漠土、灰棕漠土、棕漠土、龟裂土难长庄稼的盐碱土盐土、碱土各色各样的岩性土紫色土、黑色石灰土、红色石灰土、磷质石灰土、风沙土、火山灰土平原地区的半水成土草甸土、潮土、砂礓黑土、灌淤土、黑土、白浆土低洼地的水成土沼泽土、泥炭土水稻土水稻土世界屋脊上的高山土亚高山草甸土、高山草甸土、亚高山草原土、高山草原土、高山漠土、高山寒漠土中国土壤的水平地带性分布中国土壤的水平地带性分布，在东部湿润、半湿润区域，表现为自南向北随气温带而变化的规律，热带为砖红壤，南亚热带为赤红壤，中亚热带为红壤和黄壤，北亚热带为黄棕壤，暖温带为棕壤和褐土，温带为暗棕壤，寒温带为漂灰土，其分布与纬度基本一致，故又称纬度水平地带性。在北部干旱、半干旱区域，表现为随干燥度而变化的规律，东北的东部干燥度小于1，新疆的干燥度大于4，自东而西依次为暗棕壤、黑土、灰色森林土（灰黑土）、黑钙土、栗钙土、棕钙土、灰漠土、灰棕漠土，其分布与经度基本一致，故又称经度水平地带性。这种变化主要与距离海洋的远近有关。距离海洋愈远，受潮湿季风的影响愈小，气候愈干旱；距离海洋愈近，受潮湿季风的影响愈大，气候愈湿润。由于气候条件不同，生物因素的特点也不同，对土壤的形成和分布，必然带来重大的影响（图2）。中国主要土壤类型土壤名称分布地区形成条件一般特征砖红壤海南岛、雷州半岛、西双版纳和台湾岛南部，大致位于北纬22°以南地区。热带季风气候。年平均气温为23～26℃，年平均降水量为1600～2000毫米。植被为热带季雨林。风化淋溶作用强烈，易溶性无机养分大量流失，铁、铝残留在土中，颜色发红。土层深厚，质地粘重，肥力差，呈酸性至强酸性。赤红壤滇南的大部，广西、广东的南部，福建的东南部，以及台湾省的中南部，大致在北纬22°至25°之间。为砖红壤与红壤之间的过渡类型。南亚热带季风气候区。气温较砖红壤地区略低，年平均气温为21～22℃，年降水量在1200～2000毫米之间，植被为常绿阔叶林。风化淋溶作用略弱于砖红壤，颜色红。土层较厚，质地较粘重，肥力较差，呈酸性。红壤和黄壤长江以南的大部分地区以及四川盆地周围的山地。中亚热带季风气候区。气候温暖，雨量充沛，年平均气温16～26℃，年降水量1500毫米左右。植被为亚热带常绿阔叶林。黄壤形成的热量条件比红壤略差，而水湿条件较好。有机质来源丰富，但分解快，流失多，故土壤中腐殖质少，土性较粘，因淋溶作用较强，故钾、钠、钙、镁积存少，而含铁铝多，土呈均匀的红色。因黄壤中的氧化铁水化，土层呈黄色。黄棕壤北起秦岭、淮河，南到大巴山和长江，西自青藏高原东南边缘，东至长江下游地带。是黄红壤与棕壤之间过渡型土类。亚热带季风区北缘。夏季高温，冬季较冷，年平均气温为15～18℃，年降水量为750～1000毫米。植被是落叶阔叶林，但杂生有常绿阔叶树种。既具有黄壤与红壤富铝化作用的特点，又具有棕壤粘化作用的特点。呈弱酸性反应，自然肥力比较高，棕壤山东半岛和辽东半岛。暖温带半湿润气候。夏季暖热多雨，冬季寒冷干旱，年平均气温为5～14℃，年降水量约为500～1000厘米。植被为暖温带落叶阔叶林和针阔叶混交林。土壤中的粘化作用强烈，还产生较明显的淋溶作用，使钾、钠、钙、镁都被淋失，粘粒向下淀积。土层较厚，质地比较粘重，表层有机质含量较高，呈微酸性反应。暗棕壤东北地区大兴安岭东坡、小兴安岭、张广才岭和长白山等地。中温带湿润气候。年平均气温-1～5℃，冬季寒冷而漫长，年降水量600～1100毫米。是温带针阔叶混交林下形成的土壤。土壤呈酸性反应，它与棕壤比较，表层有较丰富的有机质，腐殖质的积累量多，是比较肥沃的森林土壤，寒棕壤（漂灰土）大兴安岭北段山地上部，北面宽南面窄。寒温带湿润气候。年平均气温为-5℃，年降水量450～550毫米。植被为亚寒带针叶林。土壤经漂灰作用（氧化铁被还原随水流失的漂洗作用和铁、铝氧化物与腐殖酸形成螯合物向下淋溶并淀积的灰化作用）。土壤酸性大，土层薄，有机质分解慢，有效养分少。褐土山西、河北、辽宁三省连接的丘陵低山地区，陕西关中平原。暖温带半湿润、半干旱季风气候。年平均气温11～14℃，年降水量500～700毫米，一半以上都集中在夏季，冬季干旱。植被以中生和旱生森林灌木为主。淋溶程度不很强烈，有少量碳酸钙淀积。土壤呈中性、微碱性反应，矿物质、有机质积累较多，腐殖质层较厚，肥力较高。黑钙土大兴安岭中南段山地的东西两侧，东北松嫩平原的中部和松花江、辽河的分水岭地区。温带半湿润大陆性气候。年平均气温-3～3℃，年降水量350～500毫米。植被为产草量最高的温带草原和草甸草原。腐殖质含量最为丰富，腐殖质层厚度大，土壤颜色以黑色为主，呈中性至微碱性反应，钙、镁、钾、钠等无机养分也较多，土壤肥力高。栗钙土内蒙古高原东部和中部的广大草原地区，是钙层土中分布最广，面积最大的土类。温带半干旱大陆性气候。年平均气温-2～6