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1. 请问大师这圆球是什么石头?
2. 岩石矿物学

一、请问大师这圆球是什么石头?

叫做球状岩。

你看

结核石，形成于距今2.5亿年至5.4亿年的寒武纪早期---结核石（铁胆石），一般摩尔为4—5，它是在地壳中的沉积物沉积或堆积之后的一个漫长的成岩过程中所进行的物以类聚的化学作用下，由某种或几种矿物质聚集而生长成的球状、连球状或不规则状矿物团块。

这就是普通的河卵石打磨出的圆球状的石头，没有任何收藏价值。

石结核，在沉积岩中常含有与围岩成分有明显区别的某些矿物质团块，称为结核。其形状有球状、椭球状、透镜体状、不规则状等。其内部构造有同心圆状、放射状等。其大小不一，从数厘米到数十厘米甚至数米。其分布有的呈层状，有的顺层呈串珠状。根据成因，可以分为：

    （一）原生结核    指在沉积过程中某些矿物质或化学成分，围绕它种物质质点层层凝聚而成的结核。如石灰岩中含有燧石结核，砂岩中含有铁结核，此外还有黄铁矿、菱铁矿、磷灰石等结核，现代海底有大量的铁锰结核。这种结核体一般不穿过层理。

　　（二）后生结核    指岩石生成以后，含矿物质的溶液从层间淋滤渗入，围绕某些中心沉淀，或者与岩石中某些物质进行交代而成的结核。其特点是结核穿过层理。黄土中的石灰结核属于后生结核。

　　由于风化作用，可以形成类似结核的团块，称为假结核。例如有些岩石被纵横裂隙分割成许多几何形状的小块，然后含氢氧化铁的溶液沿裂缝渗入，并溶解岩石，最后被分割的岩石小块变成被褐铁矿包围的假结核形状。

二、岩石矿物学

（1）矿物中的自组织有序结构

地质作用过程实质上是一种物理-化学过程，常可见到在矿物中出现特殊的有序现象，如组分或相、原子和缺陷等呈现出一定的规则性和周期性。根据体系环境的特点，矿物中的有序现象大致可分为如下几种：①熔体析出矿物的有序现象，如斜长石和石榴子石的振荡环带、调制结构，电气石的色带，锡石环带等；②溶液结晶矿物中的有序现象，如石盐的环带、方解石的分区条带等；③水-岩作用形成的有序现象，如多边蛇纹石五重对称、粘土矿物中的间层结构等；④胶体沉淀结晶矿物中的有序现象，如玛瑙中的同心纹、方解石和赤铁矿中的鲕粒构造、燧石结核等；⑤放射性作用形成的有序现象，如锆石因放射性元素的衰变而形成条带，又如辐照黄玉的色带等；⑥应力作用形成的有序现象，如石英颗粒中的位错环、位错网，石灰石、石英中的压溶线（缝合线），冲击波下的矿物压缩错断等；⑦急冷条件（如淬火）下的有序现象，如单金属或合金和岩浆喷发于水中出现的出溶分异结构、准晶结构等等。因此，矿物的有序现象从原子到大晶带，从结构面到结构层形貌，从生长溶蚀到反应，从一维到三维空间，从连续、间断到过渡类型均有不同的表现形式，如矿物化学成分分区条带、同位素分带、缺陷分带、生长分带等。

上述的有序现象生成过程复杂，用传统的热力学相平衡如温度、压力的变化来解释适用性不广，如衰变条带、缝合线、振荡线不是简单地由外界环境的周期性引起的，而是由体系内部的物理化学过程的非线性动力学行为引发的。这些周期性变化是体系中各单元相互作用后自发形成的。这种非平衡条件下的内部过程的非线性动力学状态的形成和维持需要耗散能量。

某些矿物中的自组织有序现象是在矿物处于一种非线性的动力学体系中形成的。例如玛瑙中的同心纹形成是由于SiO₂胶体和色素离子动态体系中，SiO₂沉积具有多态性特征，这种多态性特征起因是色素离子如Fe^3＋，Cr^3＋等浓度振荡及其存在一个化学位阈值，当纯净SiO₂沉积时，体系中色素离子累积；当达到一个阈值后，色素离子参与SiO₂沉积；然后体系又处于色素离子欠缺和累积的阶段，这样就形成了玛瑙的同心纹；由于阈值的存在所引起的跳跃性，使条纹间界线清晰。同理，也可以解释同心鲕粒在碳酸钙、泥质和有机质之间的动力学振荡，而不是一般沉积学所分析的水体环境的振荡。又如应力作用形成的位错环、位错网、位错螺旋等实质上是理想结晶面发生了移动，这种移动方式的多态性是由于应力波引发的。平衡态的矿物受到应力作用时，每个质点的化学键力会反作用于外来应力，因而质点上的外来应力逐渐累积；当累积达到一定阈值后（如键强），质点上的应力会突然释放，同时质点位移，应力波振荡一次；如果应力集中在某一个面上会导致矿物晶体产生滑移；因此，阶梯式滑移实质上是矿物质点和应力处于一种振荡动力学体系的产物。如果质点扩散在应力波推动下明显发生则出现压溶“缝合线”。“缝合线”的不规则性则可能源自阻尼式振荡。

矿物中的自组织现象是一种非平衡的有序结构，其生成的根本原因是非平衡条件下晶面组成对界面流体组成的非线性反馈作用，正是由于这种反馈作用所引发的过饱和（累积）-成核-亏损（欠缺）-再饱和（累积）的周期性反复才导致矿物晶面的多态性特征。矿物的循环也是有序的辩证过程：无序→有序→混沌→高级有序；矿物有序现象的成因可用耗散结构来解释。

（2）李泽冈环带及时、空有序结构

李泽冈（Liesegang）在进行化学实验时发现，在某些介质中，当KI与AgNO₃发生沉淀反应时，适当的条件可使形成的沉淀呈周期性空间分布的规律，这种现象称李泽冈环。地质上的这类现象非常多见，如玛瑙的环带、结核的环带、球状构造等。

一个除化学反应外正经历着扩散的物质的速率方程为：

式中：D为运移介质的扩散系数；f（c）代表化学反应的速率。若从一个均匀的样品开始，定态时

，设对定态有涨落α存在，则：

。

假定一定的边界条件，可得：

。

当

为负时，

就会衰减，定态保持稳定；若

为正，含有

的项将随时间增长，导致几个峰和谷形成，形成浓度 c 的空间振荡变化，即振荡性空间成分分带。

对于生长的单个矿物晶体，它的生长主要受控于三种效应，即界面反应、物质的扩散输运和热传导。一般说来，第三种效应对晶体生长影响较小，而前两者是导致晶体生长的主要控制因素。设该晶体由端员组分组成固溶体，晶体在非平衡条件下的反应生长可导致晶面多重定态共存，而在此基础上的扩散控制生长则可导致振荡性矿物环带的出现，形成典型的时间有序结构。

线性稳定性理论分析表明，曲线QP段对应着不稳定状态，因此，化学体系在图4.1中将沿P→P′→Q→Q′→P的轨迹运动。设体系中某种组分的空间平均浓度为x₀，当某一时刻晶体表面层中x的浓度低于x₀时，x被晶体反推而在界面前方累积起来，这样它在紧靠界面层的薄层体中的浓度越来越高，于是晶体表面状态沿分支（1）向上移动，在Q点，相应的晶体表面状态会突然从分支（1）跳跃到分支（2）；在分支（2），x＞x₀，组分x优先进入生长晶体状态沿分支（2）逐渐下降，此后体系又从分支（2）突然跃回到分支（1），上述过程反复进行，便形成生长晶体的振荡性环带（时间有序）。

图4.1 化学体系的多重定态

（3）球状岩和岩浆岩韵律层理

在某些深成岩中，两种矿物围绕着某些中心呈同心层韵律分布，外形呈圆球或椭球体结构，称为球状构造，相应的岩石称为球状岩。这种构造分布于全世界30多个国家，约100余处产地。球状构造在花岗岩中最为常见，约占球状岩总量的43%。其次为闪长质球状岩，约30%。再次为辉长质岩石，约占15%。铬铁矿和超镁铁质岩石约占8%。球状岩一般由球形核心和围绕着核心的韵律型壳组成，它的结构类似于李泽冈环，直径约为5～30cm，韵律型同心状壳一般都相互平行，球状构造多为二组分硅酸盐熔体自球体中心向外连续结晶的产物。

在岩浆岩中，常出现颜色或粒度不同的矿物、岩石成带排到，或者是暗色与浅色的矿物、岩石彼此逐层交替；或者是较粗粒与较细粒结构的矿物、岩石彼此逐层交替，从而在岩石中呈条带状彼此平行或近于平行分布。带状构造主要发育在基性和超基性岩体中。

（4）若干矿物中的韵律型带状构造

1）云母的环带构造：在花岗岩里，白云母和黑云母形成韵律型带状或环状构造。例如，我国四川伟晶岩的白云母带状构造，表现为（001）晶片上白云母和黑云母相间排列的同心分带。其晶体核心是白云母，外围由不同宽度（0.05 ～2mm）的黑云母与白云母条带组成。黑云母和白云母相互交替生长的结合面是平行（001）上的各个晶面。

2）条纹长石：钾长石-钠长石，钾长石-斜长石系统中的条纹长石是人们十分熟悉的，深成岩或普通花岗岩类岩石中，条纹长石是由熔体结晶过程形成的。火山喷出岩中的斜长石斑晶中也有斜长石和钾长石的韵律环带。此外，还有钠长石和微斜长石组成的环带状条纹长石，每一条环带又由两个次级环带组成。某些样品中的环带多于75条。

3）玛瑙：玛瑙是由隐晶质石英组成的环带聚集体。环带的各层在成分和颜色上均有所差异，并显示出周期性变化。玛瑙的环带常由薄的褪色带中夹杂无色的环带构成，无色带由螺旋生长的贫铝石英纤维组成，而褪色带则由非螺旋生长的石英纤维组成，螺旋石英纤维和非螺旋石英纤维在光性和结构上均有很大差异，是两个不同的相。

4）斜长石完全互溶固溶体的振荡环带构造：斜长石晶体中发育有丰富的环带构造。尤其是在中性斜长石中，环带构造最为发育。斜长石是由钠长石和钙长石两个端员组分组成的完全类质同象系列的矿物。环带的各组韵律之间成分突变，界线清晰，钙长石的含量从核部到边缘表现为波状起伏。

5）矿物晶体中痕量元素的振荡环带：岩浆或热液成因的矿物中常出现微量元素的振荡环带，如辉石族矿物常发育成环带构造，某样品的离子显微探针分析表明，Sc、Ti、V、Cr、Sr和Zr元素的浓度在较大范围内形成周期性振荡环带。人们应用晶体生长实验证实了微量Mn在方解石晶体中的振荡环带确系自激发生的自组织现象，并在阴极电子激光显微镜下拍摄了方解石晶体中显示明暗交替环带的照片。

6）钙球与鲕粒：钙球是产于灰岩中的一类沉积型的球状岩。它是由泥晶质方解石和亮晶质方解石因重结晶分异而形成。在岩石和矿石中，许多矿物往往具有同心层状的鲕粒结构，其特征是有一个成核中心和绕核生长的同心层，直径范围约为0.1～2mm，同心层由几圈至近百圈成分和结构不同的韵律带构成，韵律带的振荡波长为10 ^-2 ～10 ^-4 mm数量级。

（5）粘土矿物和稀土矿物中结构单元层的混层

交代结晶过程中，粘土矿物中结构单元层常出现规则或不规则混层。混层往往是由两层不同矿物沿c轴堆垛而成。绿泥间蜡石是一种由二、三八面体的锉绿泥石和三八面体的叶蜡石沿c轴方向交替堆垛的混层矿物。高分辨电镜观察表明绿泥间蜡石的规则混层是在结晶生长过程中形成的。钠金云母是一种由滑石和钠黑云母沿c轴方向交替堆垛的非周期性混层矿物。滑石和钠黑云母是倾斜于（001）面交替结晶生长的。一些累托石和稀土碳酸盐矿物也是由规则和不规则混层组成的。

（6）含绿泥间蜡石

绿泥间蜡石的结晶，在每个晶层内部始终保持如平衡结构那样的原子层次有序，在各晶层间可以存在局域结构延续性，这种结构可被称为分子层次的自组织有序结构。分子层次自组织有序结构具有确定的结构式，可以证明其属独立矿物种的特有规则间层衍射花样，以及有分子尺度的振荡周期。因此，它是位于平衡结构和宏观时空有序结构之间的一种特有的热力学结构态。在高分辨电镜下已经观察到，绿泥间蜡石晶畴及锂绿泥石晶畴的边缘可以分别存在1～2条锂绿泥石（1.42 nm）和叶蜡石（0.92 nm）的晶格条纹。它们均与所在晶畴的晶格纹相互严格平行，其间不存在彼此交代或成核生长的现象。这是晶体（晶畴）结晶过程中生长面附近溶液中各组分浓度振荡引起的微分凝现象。总之绿泥间蜡石的结晶属分子水平的自组织有序结构，它是成分间于两晶层之间的过饱和含Al 硅酸盐溶液在非平衡态、非线性条件下的结晶产物。

（7）玄武岩的柱状节理自组织成因解释

玄武岩柱状节理是发育于玄武岩中的一种原生张性破裂构造，它的形态往往呈一种规则的多边形长柱体，且常以六边形为主。美国加利福尼亚东部的Devils Postpile和爱尔兰的Ciant's Causeway具有世界上著名的玄武岩柱状节理构造。我国不少玄武岩分布地区（如南京六合桂子山、福建镇海牛头山以及云南腾冲团田等地区）也发育了一定规模、形状十分规则的柱状节理。

地质学家认为柱状节理起因于岩浆冷凝过程的自组织，当熔岩在冷凝过程中瑞利数大于临界值（657.51）时，岩浆发生Benard对流，形成六方网格型对流元胞。继续冷却时，熔岩本身的能量不足以克服岩浆内黏滞力，因而停止对流，此时，岩浆中每一对流环内部的各部分密度有明显差别，六方对流元胞中心密度很小，并沿着法线向外依次升高，因此，一旦停止对流，熔岩必然进行密度均衡，从而形成一个冷缩中心，其位置与原对流中心吻合，必然在原对流花样的每一六角形边处发生张裂，从而在两个相邻冷缩中心的连线方向上产生张应力。柱状节理就是通过无数由三组彼此相交120 °、呈规则分布的张节理的形成并从上往下逐层冷凝收缩而实现的。若岩浆成分、冷凝速率等存在不均一性，则形成非六方网格状的多角形柱状节理。

（8）花岗岩球状构造自组织成因解释

一些火成岩，如花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩，甚至基性侵入岩中，有时包含有球状构造（Orbicular）的卵状体。球状花岗岩是由许多个球状体组成的，球状体直径一般为几厘米到1m之间，其内部由同心圆状、明暗交替的矿物环组成。地质学家利用耗散结构理论，运用Benard对流模型，研究了花岗岩球状构造形成的动力学机理，认为当瑞利数超过临界值时，均匀的岩浆非平衡状态失稳而形成耗散结构。若推导过程中假设岩浆房顶面呈向上突起的半球形，则形成的结构为围绕其中心呈韵律环带的自组织结构。

（9）成岩过程中自组织现象的反馈机制类型及其分类

自组织现象的形成必须具备自反馈机制以及非平衡、非理想和非线性条件。可以认为：自组织是远离平衡时，体系从所有涨落产生的有序化模式中选择一种，并使其放大、增强，成为一种宏观可辨的有序现象的能力。而自反馈是增强、放大涨落和引起定态失稳并形成稳定的宏观有序结构的关键环节，故可根据自反馈类型，对岩石中自组织现象作分类。主要自反馈机制及对应的自组织现象见表4.1。

表4.1 自反馈机制及对应的自组织现象

续表

岩石中的自组织现象可以在不同的时空尺度上以不同的级序出现，如从矿物中组分的振荡分带到地幔对流。成岩过程自组织现象研究的任务在于揭示岩石中这些有序现象的形成机理，从而阐明成岩过程的内在机制。故首先需要进行岩石的详细的野外和室内工作，通过深入细致的观测，了解岩石中自组织现象的宏观和微观（甚至超微尺度）特征、分布的时空尺度、形成的物化条件。自组织现象的研究之所以能深化对岩石成因的认识，主要在于它能促使地质工作者更深入、更细致地观察，更进一步认识各种岩类及岩石内部不同种类矿物之间的内在联系和依存关系，更深入地分析成岩过程的各种物化参量之间的内在关系，并在不同的时空尺度上建立成岩过程的总体模型。自组织理论在岩石学研究中应用时的总体思路包括如下4个方面，即体系的物质组成、地质作用类型、地质作用过程和地质作用产物的时空结构研究。具体研究过程包括如下几个步骤：

1）体系性质的确定。这是自组织理论应用的前提，即通过详细的岩石学、矿物学、地球化学等研究并与区域岩石学和构造学研究成果相结合，确定成岩过程的复杂（非线性和非理想）性、开放性和非平衡性。

2）寻找岩石中自组织现象并对其作静态分析。这是研究中的关键环节。在探寻过程中，尤其应注意寻找和分析带状、环状、层状构造，韵律结构，鲡状、豆状、结核状、环状构造以及一些不规则构造。在做静态分析时，尤其应找出那些由传统地质学理论无法圆满解释的特征。

3）建立动力学模型，并对时空自组织现象作动力学分析。建立动力学模型，并用分支理论对有序的时空自组织现象作宏观的和唯象的分析以及用涨落理论对自组织现象产生的微观原因和动力学机制进行研究。在建模前，必须对形成有序的时空结构和微观机制（如反应、扩散、渗流、溶解等）作仔细分析和筛选，找出起关键作用的机制；建模时本着“先易后难”的原则，模型分析一般先采用稳定性分析和奇异摄动分析，因为这两种方法不用解具体的动力学方程即可大致了解模型的可能结果；最后是模型的数学分析，并把模拟结果与地质实际对比并进而修正模型。

4）模型的验证，包括野外验证，计算机数值模拟和实验验证，并用此模型对地质作用中的各种现象及有序结构的成因作解释和预测。

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