读懂岩石：我们星球的隐藏故事_[英]扬·扎拉斯维奇/著董汉文严立龙李广旭/译；中国国家地理·图书出品_9787571029142

岩石是时间机器，也是地球历史的见证者。本书可以看作一次地质实地考察，作者带我们穿越地球上令人难以置信的岩层和它们所承载的历史，教我们破译身边的岩石从后院的石头到山脉，并逐层追溯地球的历史。
从史前地球大陆板块的移动，到当代人类的影响，再到太空探索的未来表面，本书涉及了一系列非凡的主题，包括钻石火山，古老的海岸线、河流、沙漠和珊瑚礁，动物如何改变岩石，泥浆的制作，城市岩层，人造岩石和矿物，当前的石灰岩危机以及技术化石等。
书中的230幅精彩图片捕捉了地球的强大力量、雄伟景观和厚重历史。岩石承载了恐龙时代的地貌景观和消失的海洋的记忆，展示了地球绿化和自然力量影响的证据，并传达了有关气候和能源消耗的线索。

引言

我们地球的直径约 13000 千米，表面由一层薄薄的水（如海洋、湖泊和河流）以及更薄的土壤层和植被组成，往上为大气圈。不过，地球的主体是岩石，可以说水、空气、土壤以及生命的出现完全依赖于岩石。岩石是地球生命的基石。当我还是个孩子的时候，虽然对这些一无所知，但我发现这些岩石极其迷人。它们似乎是通往世界的大门，其不可思议甚至超越了好莱坞编剧的狂热想象。我在河床上摸索，发现了许多神秘的矿物和数百万年前死去的动植物化石。我当时就被吸引住了，即便在后来从事了多年与岩石相关的工作后，我仍然被它们那无限的多样性和丰富性所吸引。

岩石向我们讲述着过去世界的故事。它们悄然记录着那些远古的陆地和海洋，默默留存着关于恐龙和巨型海洋爬行动物、三叶虫和珊瑚，甚至还有原始地球里那些无尽的微生物曾赖以生存的一切。但这些故事可以延伸得更远。利用从岩石中获取的线索，我们可以勾勒出曾经流淌在早已干涸的河流和海洋中的水流速度和强度，可以重现高速雪崩或陨石撞击所释放的能量，可以沿着岩浆流经的通道进行追踪，还能观察地下几千米处的岩层数百万年来，地球深处的液体以极其缓慢的速度流动，携带矿物质充填于沙砾间，沉淀成微小的矿物花园。岩石中蕴藏着无穷的故事，只要你肯花一些时间，带着好奇心去破解岩石表面的线索，我相信你也可以发现它们、读懂它们。

现如今是认识岩石的黄金时代，我们可比生活在石器时代的祖先们幸运得多。那时的地表到处都是森林和草地，他们所使用的石头都是从黑暗的洞穴或危险的悬崖上凿出来的。现在，我们可以轻松穿越各种开阔的地貌景观，也更容易看清楚它们的岩石组成。当我们漫步在乡镇和城市中，更是被各种建筑物和人行道上的石板所包围。这些用于装饰的岩石，通常

被切割成块，并且表面抛光，更便于我们观察其内部的复杂特征。可以说，即使是马路上一块小小的鹅卵石，也记录着地球故事的片段。这真是一个岩石富饶之地。

我们现在也在制造大量的人造石，如混凝土、砖、陶瓷和其他新型混合材料，它们的出现迅速改变着地球表面。我们对这些人造石太熟悉了，以至于有时候会忽略它们，但它们仍然是行星演化史上一个非凡的发展。我们的想象力还可以飞得更远，跟随正在探索太阳系的航天器所携带的相机和传感器，近距离观察到地球以外行星和卫星上的岩石，甚至能看到其

他天体上的岩石。

在这本书中，我们将漫步在各种各样或近或远的岩石景观中，发掘那些有趣的故事：古代和现代的，巨大和微观的，隐藏和暴露的。只要掌握了一些基础知识，就可以从岩石中读懂这些故事。现在就让我们先了解一下岩石的最基本特征吧。

什么是岩石，岩石又能告诉我们什么？

简单来说，岩石是由一种或多种天然矿物组成的，而矿物则是一类特殊的固态化合物。这是一个非常宽泛的定义，它拓宽了本书主题的范围，超出了人们对岩石一词的常见理解。人们通常认为岩石非常坚硬，会用坚如磐石这样的成语来形容不可动摇的人和事物。但是我们都知道，沙滩上松散的沙粒与极其坚硬的古老砂岩是完全不能相提并论的，对于后

者需要使用铁锤才能将其敲碎。当然了，古老的岩石不一定就更坚硬，你甚至可以用手指就能捏碎一些风化的砂岩，而现代海滩的沙子也可以快速自然地粘合成坚硬的海滩岩。你会发现，海滩岩常常能将废弃的饮料瓶和薯片袋等包裹起来，制造出一种全新的科技化石。因此，在解读岩石时，最好的故事既可以通过观察古老砂岩获得，又可以在现代海滩和河流

中的沙子上找寻，并厘清它们之间的关系这些都是同一个宏大故事的组成部分。

建立这些联系是我们理解过去的关键。我们试图利用将今论古的方法，将岩石中记录的信息与现代同类事物进行类比，以此来还原地质历史时期曾经发生的故事。比如海滩和河流里的沙子，还有火山喷发事件及其喷出的熔岩和火山灰等，这些可以帮助我们理解古老的火山岩。同样地，我们可以通过观察现代动植物及其形成的生态系统，来理解从岩石中发现的化石。事实上，我们熟知的地理学和生物学的很多内容都与对岩石的解读密切相关（同时也可以研究其化学和物理学）。由此可见，探究岩石（或者说试图读懂它们），是一项非常系统的工作。这就是为什么在本书中，我们既要重点关注现在在地球上仍能看到的过程，又要关注保存在岩层中的化石。二者同样重要，缺一不可。

当然，岩石的大部分形成环境是我们无法接近的。比如，岩浆房的内部、火山喷发口、地下 20 千米或更深处的山根，即便利用现代先进技术，我们也无法参观甚至接近这些地方。因此，我们可以把将今论古这句经典短语颠倒过来，即以古论今，保存下来的过去的遗迹是目前正在发生之事的指南，这句话适用于任何地方的现象，无论是我们步之所及之处还是难以到达的危险地带。我们对现代岩浆房的了解，对在火山爆发期间或是在造山带深处究竟发生了什么，大部分都是基于现在地表的证据和岩石，对它们进行观察、采样和分析相对更容易、更安全。它们是地球上发生的大量未知地质事件的见证者，也是我们可以看到和询问的证人。

因此，这些岩石充当了我们人类理解地球上不为人知事物的桥梁，也是促成进一步探究和探索的催化剂。例如，地球上的大多数沉积岩都形成于海底，那里是我们人类无法轻易到达的环境。但为了探索古海洋地层的现近出露特征，科学家开始探索海底，他们在浅水中穿戴水肺和潜水服，在黑暗的深海中使用深潜探测器。为了模拟岩石形成的极端环境，科学家

付出了更大的努力，他们利用特制的熔炉来研究岩石是如何熔化、岩浆是如何结晶的；他们还利用小但强大的压砧，重现钻石等矿物在地下数百千米处形成时的超高压力。我们可以利用这些研究成果来理解我们所看到的各种岩石，帮助我们构建它们所代表的景观，如海底地貌和地球深部结构等。

此外，岩石还可以帮助我们展望地球的未来，正所谓过去是预测未来的钥匙。我们正在共同塑造地质学的未来，尤其是通过制造越来越广泛的合成岩石和矿物，这正是我们将要探索的。

岩石中记录着大量故事

地球上分布着很多不同类型的岩石，本书中，我们将重点介绍其中的一部分。地质学家根据岩石的成因将岩石分为不同的类别，大体上有火成岩、沉积岩和变质岩等。在此基础之上又可以进一步细分，例如沉积岩包括砂岩、泥岩和石灰岩，而其中每一种岩石又可分为不同的种类，如砂岩就包括风成砂岩、富含黏土的杂砂岩等。这种详细的岩石分类表明，每一种岩石类型都只讲述了一个特定的故事，但这种说法或多或少仅适用于分类时所使用的特定指标，例如砂岩中的粒度、形状或黏土含量等。实际上，在那块砂岩中还包含着更丰富的证

据，可以证明它是如何形成的，而且这个过程跨越了很长的时间。

因此，砂岩中的每个颗粒都曾经来源于另一块岩石也许是在遥远的过去从某个悬崖上剥蚀下来的花岗岩；也许是一块变质岩，比如构成某个消失已久的造山带的一部分的片麻岩；或者甚至是先前就已经存在的一块砂岩，它的颗粒被风化、剥蚀，后经河流和海流搬运，最终在很远的地方形成新的砂质沉积物。这些颗粒包含了许多线索，地质学家可以通过在显微镜下观察其内部结构，或是对其进行地球化学分析，梳理出它们漫长的演化史。对于那些更深层次的演化历史和许多不同种类且消失已久的地貌，上述认识可以帮助我们更好地理解其中的丰富性和复杂性，这些奥秘很可能就蕴藏在小小的沙粒当中，可谓一沙一世界。

其实岩石最初形成的地质瞬间非常关键，比如，当沙粒在某个海滩、某个沙漠或海底聚到一起时，形成了一层沉积物，然后被埋藏、硬化，后来可能形成坚硬的岩层。最初的那些形态会保留下来，成为恢复古环境的重要证据。一旦我们学会解读这些线索，就可以重建远古时期的地质环境。

而这仅仅是开始，地层一旦被埋藏，将发生一系列相变。随着埋藏加深，它会慢慢进入地壳，在那里温度和压力都会上升。于是，在原岩的基础上，岩石形成了新的结构，在一定温压条件下会转变为变质岩，甚至会发生熔融。在岩石从深部向地表慢慢出露的过程中，也会产生新的结构和构造，这个过程非常漫长，可能持续数百万甚至数十亿年。

因此，当我们谈及一块岩石时，关键是要先确定我们所研究的故事到底处于其演化过程中的哪一段。即使是一块普通的岩石，它的故事也可以是无止境的。当然，主要还是因为岩石本身就非常古老，每块岩石都记录着丰富的历史。因此，获得岩石的年龄是研究其演化历史的关键。

岩石的年龄

地球非常古老。现有的研究表明，地球大约有超过 45 亿年的历史，我们是如何知道这一点的呢？这个问题其实并不简单，揭示其答案的证据隐藏在地球内部的岩石中，而人类为此花费了很长的时间和很多的努力。

大约三个世纪前，现代科学刚刚出现。那时的学者开始调查周围的岩层，发现其实地球历史比人类历史长得多。他们认识到，有些岩石中保存着动植物化石，而且其代表的生物不同于当时已知的任何现生物种。这并不算是一个直接的发现，因为当时这方面的研究非常少，世界上的许多地方还没有被探索，科学家们并不能立即确定这些化石中的生物是否还

生活在全球其他地区。随着对全世界各地的不断探索，科学家们越来越确定，这些化石中的生物在现今地球上是不存在的（尽管还是发现了一些活化石）。就这样，人们逐渐认识到，其实早在人类出现之前，早已灭绝的史前动植物王朝就已经存在了。

这段历史到底有多长呢？ 19 世纪的人们是无法回答的，因为当时没有任何方法可以直接测定岩石和化石的年龄。人们做了一些巧妙的尝试，比如，计算海洋需要多长时间才会变咸，但是这个方法存在很大的缺陷，因为海洋中的盐既可以从海水中析出形成盐层，也可以从河流中汇入，这样一来海洋的盐度就不能作为史前时期的衡量标准。因此，人们通常会将

这个问题进行转换：史前动物和植物经历了多少代？这个问题可以得到相对准确的答案，但必须经过许多人的大量工作。当地质学被确立为一门自然科学后，早期地质学家的首要任务之一就是系统地研究地层，一方面是为了寻找煤炭和铁矿石等资源，另一方面是为了收集地层中的动植物化石并对其进行分类。

这是一项艰巨的任务，地层往往由于构造运动而发生褶皱和错位，而且很多地方或多或少被土壤和植被所覆盖，使得追踪不同地层变得极具挑战性。可喜的是，有些地方的地层呈现出清晰的层理，看起来就像一块整齐而清晰可见的蛋糕，例如美国的科罗拉多大峡谷。早期的地质学家通过类似这样的露头，总结出重要的地层判别准则较老的地层会被较年轻的地层所覆盖，体现了沉积层之间的持续互相掩埋，这就是我们所说的地层层序律，又称地层叠覆律，至今它仍然是我们研究地球历史的基础。

然而，即使像大峡谷这样看似简单、连续的地层层序，也往往存在巨大的地层沉积间隔，因此它们所记录的地球历史非常碎片化，就像一本书中的大部分页面被撕掉了一样。这些缺失的页面可能在其他地方保存完好，但要想找到它们，并将地球的全部历史置于正确的时间序列中并不容易，这是一个巨大且需要持续进行的拼图游戏，因为我们地球的演化历史是庞大而极其复杂的。

到了 19 世纪中晚期，地球生物演化史的主要特征已经基本清楚，随着古老物种的灭绝和新物种的出现，如此反复，最终形成了现存的生命形式。这种生命演替模式具有普遍性，地质学家以此来区分地质年代。例如，包含丰富化石的最古老岩石被用来定义寒武纪，其最典型的特征就是其中包含大量三叶虫化石，它们是现代螃蟹和龙虾的已灭绝的亲戚。其他时期也是结合了相应化石群的出现和消失来定义的，最终形成至今仍在使用的地质年代表（the Geological Time Scale，GTS）。

地质年代表的基本框架在一个多世纪前就确定了，至今基本保持不变，例如寒武纪、石炭纪、侏罗纪等。当时的地质学家已经知道史前时间远远超过人类历史，但并不清楚它所代表的是几百万年还是更长的时间跨度。物理学家坚持时间尺度较短的观点，理由是时间跨度过长的话地球内部早就应该完全冷却下来了。但地质学家不同意，根据巨厚的岩层和地球生命的诸多变化，他们认为地球生物学上的这些变化需要更多的时间来适应。19 世纪的地质学家威廉·巴克兰（William Buckland）凭直觉做出了一个令人难忘的大胆推测，他认为从英国侏罗纪岩石中发现的恐龙和海洋爬行动物（绝不是最古老的化石）一定生活在一亿年前。

直到 19 世纪末，放射现象的发现成为解决这一难题的关键。这种新发现的能量源可以使地球内部长期保持熔融状态，不仅如此，地质学家还可以利用放射性原理来计算岩石的年龄。一旦知道了放射性元素的半衰期，如从放射性铀的同位素衰变成稳定的铅同位素的时间，那么就可以通过分析有多少铀衰变成铅来计算含铀矿物的年龄。利用这一技术突破，科学家很快就发现地球的年龄不是几百万年，而是几十亿年。通过分析与不同地质时期的化石有关的放射性矿物（例如一些与史前生物同期的火山喷发所形成的矿物），地质年代表也变得越来越精确。结果显示，巴克兰所推测的侏罗纪地层实际上约有 1.8 亿年的历史，由此可见他当时的猜想并不离谱。

目前，多种放射性同位素测年法已得到发展和应用，其中有些适用于非常古老的岩石，比如铀铅测年法；而有些则适用于更年轻的岩石和沉积物，比如放射性碳同位素测年法只能追溯到 6 万年前的地质事件。随着岩石测年方法的精确度不断提高，地质年代表也在不断校准与更新。

石头的用途

常言道，地球是我们赖以生存的家园，我们所使用和依赖的物质皆取之于地球，若非从土壤里种植而来，那便来自岩石。这话一点不夸张，因为所有农作物和树木植被生长所需要的土壤正是由岩石风化而来。

最直接的例子就是建筑石材，它是人类最早使用的地质资源之一，现在已经形成了巨大的全球性行业。岩石可以用作建筑物和墙壁的主体构架，也可以用来建造覆层、地砖、浴室、厨房地板和工作台面。岩石不仅帮助我们建立了生活的物质框架，同时也提供了非常丰富的不同类型的石材，供人们研究和观赏。

更为显而易见的是，天然岩石也为我们周围的许多人造石提供了原材料，如混凝土、砖块、沥青、陶瓷和石膏等。这些人造石的规模极其庞大，已经成为地球地质学不可或缺的一部分，因此这一系列的新型岩石也将在本书中进行介绍。

我们使用的所有金属也都来自岩石，例如铁、铝、铜、钛、钒等。这些金属是建筑物的重要组成部分，它们的出现成为地球的一种新特征，并且它们已经随着宇宙飞船到达太阳系的各个角落。詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）上的铍镜就是一个引人注目的例子，它能帮助我们探测到更遥远的行星和宇宙中最初的一批星系。我们之所以可以开采到这么多金属，是因为地球上的岩石富含金属矿石，也许比太阳系中任何其他天体都要富集。有些航天企业家把目光投向小行星带，也许是舍近求远了。

有时，我们也会在岩石上和内部进行建造，这些建筑物的稳定性直接取决于我们对岩石属性的理解。在暴雨时，软岩可能会变成泥石流，而硬岩会出现裂缝，可能会引起滑坡和崩塌。还有一些岩石会被地下水溶解，时间久了会导致地面塌陷，大规模地陷甚至会将上面的房屋或汽车吞掉。由此可见，并非所有岩石都坚不可摧，我们要清楚这些潜在风险，并且进行监测，才能确保我们生活在其中时的安全。自工业革命以来，我们开采了大量的煤、石油和天然气，岩石逐渐成为能源的主要来源。这些化石燃料，实际上相当于储存了数亿年来的古代阳光的能量，在很大程度上为我们生活的现代互联世界的建设提供动力。此外，还有大量的能源来自核能，这同样离不开岩石，比如铀就来源于岩石中的铀矿石。

如今，化石燃料的使用带来诸多问题，如大气中二氧化碳含量急剧上升，以及由此导致的全球变暖、海洋酸化等，我们必须从其他种类的岩石中寻找可能的解决办法。即使将我们的经济建立在可再生能源（如太阳能和风能）的基础上，也将需要大量的自然资源，例如制造风力涡轮机就需要至关重要的稀土元素。处理空气中过量的二氧化碳是有可能的，我们可

以将其捕集、提纯后，再注入地下已经枯竭的油气储层，这实际上是在使用同样的地质工程技术，把当初开采碳氢化合物的过程反向操作了。

如果任由岩石留在自然状态下，它们也会与大气中的二氧化碳反应，从而形成碳酸盐矿物，最终降低全球温度，扭转全球变暖的局面。然而，这个过程极其缓慢，需要数千年甚至更长的时间，因此仅靠岩石本身无法解决我们当前面临的气候问题。

几十亿年以来，岩石一直是地球的主要温度调节器，与地表的液态水和生物圈（地球的生命皮肤）协同作用。这种基于岩石的气候控制是三十多亿年来地球保持宜居的关键。了解上述这些岩石相关的知识，可以帮助地球保持更长久的宜居，不仅是对人类而言，还包括其他所有生命。这便是我们需要更好地了解复杂而美丽的岩石外壳的另一个理由。

岩石：我们生活的基础

在太阳的照射下，地球提供了生命所需的一切，不仅为我们人类，也为45亿多年来存在过的所有其他物种。

当我们走在城市中心，随处可见岩石的使用，特别是那些装饰在建筑物上的石材漂亮的花岗岩、石灰岩和砂岩石板。但是，我们城市大部分基础设施中的砖、混凝土和砂浆是通过岩石重组制成的这构成了一种体量巨大的新型地质学，本书后面将探讨这个概念。这些建筑里的玻璃是用特殊类型的砂岩制成的，而里面的钢材来自富含铁的巨大岩石矿床，这些矿床大多形成于数十亿年前，当时我们的星球正在经历一次古老的转变。铜、铅、锌、锡等金属来自岩石中不同类型的矿石，这些矿石是通过复杂的方式和过程形成的，其多样性和丰富性是我们这个独特而复杂的岩石星球所独有的。

我们用于建造和运行这些建筑的能源，以及连接它们的管道运输系统，也以这样或那样的方式来自岩石。煤、石油和天然气仍然为我们提供大部分能源，它们来自岩石；事实上，煤本身就是一种岩石。核能发电所需要的铀来自另一种形式的岩石矿床。如果我们试图直接从太阳获取能量，就会需要太阳能电池板也需要从岩石中提取特定种类的矿物来制造。我们对岩石的依赖是绝对的，也是不可避免的。

我们和其他物种的生活也与岩石密不可分。我们在土壤上种植农作物，而土壤是岩石分解的产物，为农作物生长提供了大部分的营养物质。组成植物体的关键成分碳的来源是二氧化碳，它是植物从大气中获取的，但在植物进化之前，二氧化碳是从地球的岩石中产生的，主要通过火山喷发排出。事实上，在地球历史的大部分时间里，二氧化碳与岩石经历了一个复杂的交换系统，这确保了植物所需的二氧化碳不会太多也不会太少。更重要的是，二氧化碳还确保了地球气候的稳定，但这种稳定现在正由于人类滥用岩石资源受到威胁。

因此，构成我们身体的物质钙、碳、磷和所有其他元素，通过各种各样的途径，也都来自岩石。岩石是非常迷人的，其重要性也是毋庸置疑的。现在我们已经学会了读懂岩石的方法，了解了地球是如何形成的，现在又是如何运行的。在接下来的章节中，我们将探索隐藏在岩石中的秘密。

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