【地球迴圈】1.岩石迴圈：均變主義和回收利用

均變論
岩石迴圈

隆起、風化和侵蝕
沉積岩
“煮熟”的岩石

北美的一個案例

你知道麼？

自然迴圈之間的相互作用，產生了我們在全球範圍內看到的動態景觀，甚至可以改變全球氣候。地球上一個重要的迴圈是岩石迴圈，它既沒有開始也沒有結束。透過岩石迴圈，地球的物質只是從一種形式變為另一種形式。

關鍵概念

岩石迴圈是地球物質隨時間從一種形式變為另一種形式的一系列過程。
均變論的概念是說，今天起作用的地球過程在整個地質時期都發生過，這有助於在十八世紀發展岩石迴圈的概念。
岩石迴圈中的過程以許多不同的速率發生。
岩石迴圈是由板塊構造和水文迴圈之間的相互作用驅動的。

周圍景觀一直在變化，但變的速度各地都不同。如果住在海岸附近，你會看到海岸線的形狀每天、每月、每年都在變化；內陸地區的變化就不那麼明顯——河流可能每100年左右才會氾濫並改變河道；如果住在活躍的斷層帶或火山附近，你會經歷地震和火山噴發這些不頻繁發生但災難性的事件。

縱觀人類歷史，不同的人群對這些變化有各種各樣的解釋。早期的希臘人人為地震是波塞冬神在表達憤怒，這就能解釋地震為何不可預測。納瓦霍人（Navajo）認為地表過程是天空和地球這兩個相反卻互補的實體之間的相互作用。17世紀歐洲大多數基督徒認為，地球從創世之初就基本沒有變化。當博物學家在阿爾卑斯山高處發現海洋生物化石時，許多虔誠的信徒認為這些化石是聖經舊約所記載的諾亞洪水帶來的。

均變論

18世紀中期，蘇格蘭醫生詹姆斯·赫頓（James Hutton）詳細觀察家附近的河流。這些河流每年都會氾濫成災，在洪泛區沉積一層薄薄的沉積物。赫頓挑戰了對聖經的字面解釋。他認為以這種方式沉積100米的沉積物需要數百萬年時間，而聖經中記載的洪水只有幾個星期。赫頓將此稱為“均變論”（principle of uniformitarianism）：今天發生的過程與過去發生的過程相同，這些創造我們看到的景觀和岩石。相比之下，根據當時普及的聖經中的解釋，創造景觀的過程已經完成，不再起作用。

圖1：這張圖片顯示了詹姆斯·赫頓（James Hutton）最初設想的岩石迴圈。

赫頓認為，均變論發揮作用的時間跨度很長，因此必須由地球不斷回收材料。如果沒有回收利用，山脈被侵蝕（或者用赫頓的話來說陸地被腐蝕），沉積物將被輸送到海洋中，最終地球表面將完全平坦，並覆蓋著一層薄薄的水。因此，那些沉積在海中的沉積物必須經常被抬升回來，形成新的山脈。回收利用從根本上背離了地球基本不變的普遍觀念。如圖1所示，赫頓首先將岩石迴圈視為由地球內部熱機驅動的過程。熱導致沉積在盆地中的沉積物轉化為岩石，熱導致山脈隆起，熱在一定程度上促成了岩石風化。雖然赫頓關於岩石迴圈的許多想法是模糊（例如“轉化為岩石”）且不準確的（例如“熱導致腐蝕”），但他邁出了重要的第一步，將不同的過程組合成一個簡單、連貫的理論。

赫頓的想法並沒有立即被科學界接受，主要是因為他不樂意發表。他是一個思想家，卻不是一個好的作家——1788年出版後，很少有人能夠理解他高度技術性和令人困惑的文字。他去世後，約翰·普萊費爾（John Playfair）的《赫頓地球理論插圖》（1802年）和查爾斯·萊爾（Charles Lyell）的《地質學原理》（1830年）相繼出版，讓赫頓的想法變得更加容易理解。到那時，歐洲的科學革命已經讓人們廣泛接受“地球在不斷變化”這個曾經如此激進的想法。

20世紀60年代出現板塊構造理論，人們對岩石迴圈有了更全面的理解（參見“板塊構造I” 模組）。現代的岩石迴圈概念與赫頓的概念在幾個重要方面有著根本的不同：我們現在在很大程度上理解板塊構造活動決定了隆起發生的方式、地點、原因，我們知道熱量是透過放射性衰變在地球內部產生的並透過對流移動到地球表面。均變論、板塊構造、岩石迴圈共同為觀察地球提供了一個強大的視角，使科學家能夠回顧地球歷史並對未來做出預測。

岩石迴圈

岩石迴圈由一系列恆定的過程組成，透過這些過程，地球物質隨著時間的推移從一種形式變為另一種形式。就像在水迴圈和碳迴圈中一樣，岩石迴圈中的一些過程發生在數百萬年內，而另一些過程發生得更快。岩石迴圈沒有真正的開始或結束，但從岩漿開始探索很方便。圖2是岩石迴圈原理圖。

圖2：岩石迴圈的示意圖。在這張草圖中，方框代表地球材料，箭頭代表轉換這些材料的過程。這些程序在箭頭旁邊以粗體命名。岩石迴圈的兩種主要能量來源：太陽為風化、侵蝕、運輸等地表過程提供能量，地球內部熱量為俯衝、熔化、變質作用等過程提供能量。該圖的複雜性反映了岩石迴圈的真實複雜性。請注意，在此過程中的任何步驟都有很多可能性。圖片 ©Anne E. Egger 博士 CC BY-NC-SA 4.0

岩漿或熔融岩石僅在地球的某些位置形成，它們主要是沿著板塊邊界。（一個普遍的誤解是地球的整個內部都是熔化的，但事實並非如此。有關更完整的說明，請參閱“地球結構”模組。岩漿冷卻時會結晶，就像水冷卻時產生冰晶一樣。我們在冰島等地看到這個過程：岩漿從火山噴發並在地球表面冷卻，在火山的側面形成一種稱為“玄武岩”（basalt）的岩石（圖3）。但大多數岩漿從未到達地表，它會在地殼內冷卻。在冰島地表以下的地殼深處，沒有噴發的岩漿冷卻形成輝長岩（gabbro）。由冷卻的岩漿形成的岩石稱為火成岩：如果它們在地表以下冷卻（如輝長岩），則為侵入式火成岩（intrusive igneous rocks）；如果它們在地表以上冷卻（如玄武岩），則為擠壓式火成岩（extrusive igneous rocks）。

圖3：2021年，熔岩從冰島的Fagradalsfjall火山流出，該火山正在冷卻形成稱為玄武岩的擠壓火成岩。圖片 © CC-BY-SA-4.0 Mokslo Sriuba

隆起、風化、侵蝕

像玄武岩這樣的岩石會立即暴露在大氣和天氣中。在地球表面以下形成的岩石（如輝長岩）必須被抬升，所有上覆物質必須透過侵蝕去除，以便它們暴露出來。無論哪種情況，一旦岩石暴露在地球表面，風化過程就開始了。與空氣、水和生物有機體相互作用引起的物理和化學反應會導致岩石分解。一旦岩石被分解，風、流動的水和冰川就會透過一種稱為侵蝕的過程將岩石碎片帶走。流動的水是最常見的侵蝕因素——泥濘的密西西比河、亞馬遜河、哈德遜河、里奧格蘭德河，所有這些河流每年都會攜帶大量沉積物到海洋，這些沉積物來自源頭的山脈風化和侵蝕。這些河流攜帶的沉積物沉積並不斷埋藏在洪泛區和三角洲。事實上，美國陸軍工程兵團一直忙於將沉積物從密西西比河中疏浚出來，以保持航道暢通（見圖4）。

圖4：美國密西西比河到達墨西哥灣的衛星影像。棕色表示河流攜帶的沉積物正在沉積在河流三角洲中。圖片 © CC BY-SA 3.0 IGO ESA

沉積岩

在自然條件下，新的沉積物的重量產生的壓力壓實了較老的埋在下頭的沉積物。當地下水流經這些沉積物時，方解石（ calcite）和二氧化矽（silica）等礦物質會從水中沉澱出來並覆蓋在沉積物顆粒上。這些沉澱劑填充顆粒之間的孔隙空間並充當水泥，將單個顆粒粘合在一起。沉積物的壓實和膠結形成了砂岩（sandstone）和頁岩（shale）等沉積岩，這些沉積岩現在正在密西西比河三角洲的最底部等地形成。

由於沉積物的沉積通常以季節或年度週期發生，因此我們經常看到沉積岩中保存的層在暴露時儲存下來（圖5）。然而，為了讓我們看到沉積岩，它們需要被抬升並因侵蝕而暴露出來。大多數隆起發生在板塊邊界上，其中兩個板塊相互移動並造成壓縮。因此，我們看到含有海洋生物化石的沉積岩（因此一定是沉積在海底的）暴露在喜馬拉雅山脈的高處——這就是印度板塊進入歐亞板塊的地方。

圖5：美國大峽谷中暴露的沉積岩。

“煮熟”的岩石

如果沉積岩或侵入火成岩沒有被隆起和侵蝕帶到地球表面，它們可能會經歷更深的掩埋並暴露於高溫高壓。岩石因此開始發生變化。由於暴露於熱、壓力、熱流體而在地球表面以下發生變化的岩石稱為“變質巖”（metamorphic rocks）。地質學家經常將變質岩稱為“煮熟的岩石”，因為它們的變化方式與蛋糕麵糊在加熱時變成蛋糕的方式大致相同。蛋糕麵糊和蛋糕含有相同的成分，但它們的質地卻截然不同。砂岩（沉積岩）和石英岩（變質岩）也是同樣關係。在砂岩中，單個沙粒很容易看到，甚至經常被擦掉；在石英岩中，沙粒的邊緣不再可見，用錘子很難打破，更不用說用手擦掉了碎片。

岩石迴圈中的一些過程（如火山噴發）發生得非常迅速，而另一些過程（如山脈的隆起和火成岩的風化）發生得非常緩慢。重要的是，岩石迴圈有多種途徑。任何種類的岩石都可以被抬升並暴露於風化和侵蝕；任何種類的岩石都可以被掩埋和變質。正如赫頓正確地推測的那樣，這些過程已經發生了數百萬年和數十億年，創造了我們所看到的地球：一個動態的行星。

北美的一個案例

岩石迴圈不僅僅是個理論。我們可以在世界各地的許多不同地點看到這些過程，規模大小各異。例如，北美的喀斯喀特山脈（Cascade Range）在相對較小的區域內說明了岩石迴圈的許多方面，如圖6所示。

圖6：岩石迴圈動畫（執行動畫以檢視俯衝帶中岩石迴圈中發生的過程以及不同型別的岩石形成的位置）。

美國西北部的喀斯喀特山脈位於一個收斂的板塊邊界附近，主要由海水飽和的玄武岩組成。胡安德富卡板塊（Juan de Fuca plate）正在被拉著俯衝到北美板塊下方。隨著板塊深入地球，熱量和壓力增加，玄武岩變質成一種非常緻密的岩石，稱為榴輝巖（eclogite）。玄武岩中的所有海水都被釋放到上覆的岩石中。但它不再是冷海水，而是被加熱並溶解了高濃度的礦物質，具有反應性或揮發性都很強。這些揮發性流體降低了岩石的熔化溫度，導致在靠近板塊邊界的北美板塊表面以下形成岩漿。其中一些岩漿從聖海倫斯山等火山噴發，冷卻形成一種稱為安山岩（andesite）的岩石，還有一些岩漿在地表下冷卻，形成一種稱為閃長巖（diorite）的類似岩石。

在喀斯喀特山脈，來自太平洋的風暴造成強降雨，風化和侵蝕安山岩。小溪將安山岩的風化碎片帶到哥倫比亞等大河，最終到達太平洋，沉積物在那裡沉積。深海海溝附近沉積物的不斷沉積，導致砂岩等沉積岩的形成。最終，一些砂岩被帶入俯衝帶，迴圈再次開始。

岩石迴圈與板塊構造以及其他地球週期都有著千絲萬縷的聯絡。沉積物的風侵蝕、沉積、膠結都需要水，水在水文迴圈中進出，與岩石的接觸。因此，乾燥氣候下（如西南沙漠）的風化速度比在熱帶雨林中要慢得多（有關更多資訊，請參閱“水文迴圈：地球上的水體和水通量”模組）。有機沉積物掩埋後，碳脫離大氣，這是碳迴圈長期地質成分的一部分（參見我們“碳迴圈：地質、生物、人類活動的影響”模組）。今天有許多科學家正在探索如何利用這一過程掩埋化石燃料燃燒產生的額外二氧化碳。山脈的隆起透過阻擋盛行風和誘發降水，極大地影響全球和當地的氣候。所有這些週期之間的相互作用產生了我們在全球看到的各種動態景觀。

資料來源：

Anne E. Egger， Ph.D. “The Rock Cycle” Visionlearning， Vol. EAS-2 （7）， 2005.

https://www.visionlearning.com/en/library/earth-science/6/the-rock-cycle/128

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