引言

我們地球的直徑約 13000 千米，表面由一層薄薄的水（如海洋、湖泊和河流）以及更薄的土壤層和植被組成，往上為大氣圈。不過，地球的主體是巖石，可以說水、空氣、土壤以及生命的出現完全依賴于巖石。巖石是地球生命的基石。當我還是個孩子的時候，雖然對這些一無所知，但我發(fā)現這些巖石極其迷人。它們似乎是通往世界的大門，其不可思議甚至超越了好萊塢編劇的狂熱想象。我在河床上摸索，發(fā)現了許多神秘的礦物和數百萬年前死去的動植物化石。我當時就被吸引住了，即便在后來從事了多年與巖石相關 的工作后，我仍然被它們那無限的多樣性和豐富性所吸引。

巖石向我們講述著過去世界的故事。它們悄然記錄著那些遠古的陸地和海洋，默默留存著關于恐龍和巨型海洋爬行動物、三葉蟲和珊瑚，甚至還有原始地球里那些無盡的微生物曾賴以生存的一切。但這些故事可以延伸得更遠。利用從巖石中獲取的線索，我們可以勾勒出曾經流淌在早已干涸的河流和海洋中的水流速度和強度，可以重現高速雪崩或隕石撞擊所釋放的能量，可以沿著巖漿流經的通道進行追蹤，還能觀察地下幾千米處的巖層數百萬年來，地球深處的液體以極其緩慢的速度流動，攜帶礦物質充填于沙礫間，沉淀成微小的礦物花園。巖石中蘊藏著無窮的故事，只要你肯花一些時間，帶著好奇心去破解巖石表面的線索，我相信你也可以發(fā)現它們、讀懂它們。

現如今是認識巖石的黃金時代，我們可比生活在石器時代的祖先們幸運得多。那時的地表到處都是森林和草地，他們所使用的石頭都是從黑暗的洞穴或危險的懸崖上鑿出來的。現在，我們可以輕松穿越各種開闊的地貌景觀，也更容易看清楚它們的巖石組成。當我們漫步在鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市中，更是被各種建筑物和人行道上的石板所包圍。這些用于裝飾的巖石，通常

被切割成塊，并且表面拋光，更便于我們觀察其內部的復雜特征�？梢哉f，即使是馬路上一塊小小的鵝卵石，也記錄著地球故事的片段。這真是一個巖石富饒之地。

我們現在也在制造大量的人造石，如混凝土、磚、陶瓷和其他新型混合材料，它們的出現迅速改變著地球表面。我們對這些人造石太熟悉了，以至于有時候會忽略它們，但它們仍然是行星演化史上一個非凡的發(fā)展。我們的想象力還可以飛得更遠，跟隨正在探索太陽系的航天器所攜帶的相機和傳感器，近距離觀察到地球以外行星和衛(wèi)星上的巖石，甚至能看到其

他天體上的巖石。

在這本書中，我們將漫步在各種各樣或近或遠的巖石景觀中，發(fā)掘那些有趣的故事：古代和現代的，巨大和微觀的，隱藏和暴露的。只要掌握了一些基礎知識，就可以從巖石中讀懂這些故事�，F在就讓我們先了解一下巖石的最基本特征吧。

什么是巖石，巖石又能告訴我們什么？

簡單來說，巖石是由一種或多種天然礦物組成的，而礦物則是一類特殊的固態(tài)化合物。這是一個非常寬泛的定義，它拓寬了本書主題的范圍，超出了人們對巖石一詞的常見理解。人們通常認為巖石非常堅硬，會用堅如磐石這樣的成語來形容不可動搖的人和事物。但是我們都知道，沙灘上松散的沙粒與極其堅硬的古老砂巖是完全不能相提并論的，對于后

者需要使用鐵錘才能將其敲碎。當然了，古老的巖石不一定就更堅硬，你甚至可以用手指就能捏碎一些風化的砂巖，而現代海灘的沙子也可以快速自然地粘合成堅硬的海灘巖。你會發(fā)現，海灘巖常常能將廢棄的飲料瓶和薯片袋等包裹起來，制造出一種全新的科技化石。因此，在解讀巖石時，最好的故事既可以通過觀察古老砂巖獲得，又可以在現代海灘和河流

中的沙子上找尋，并厘清它們之間的關系這些都是同一個宏大故事的組成部分。

建立這些聯系是我們理解過去的關鍵。我們試圖利用將今論古的方法，將巖石中記錄的信息與現代同類事物進行類比，以此來還原地質歷史時期曾經發(fā)生的故事。比如海灘和河流里的沙子，還有火山噴發(fā)事件及其噴出的熔巖和火山灰等，這些可以幫助我們理解古老的火山巖。同樣地，我們可以通過觀察現代動植物及其形成的生態(tài)系統，來理解從巖石中發(fā)現的化石。事實上，我們熟知的地理學和生物學的很多內容都與對巖石的解讀密切相關（同時也可以研究其化學和物理學）。由此可見，探究巖石（或者說試圖讀懂它們），是一項非常系統的工作。這就是為什么在本書中，我們既要重點關注現在在地球上仍能看到的過程，又要關注保存在巖層中的化石。二者同樣重要，缺一不可。

當然，巖石的大部分形成環(huán)境是我們無法接近的。比如，巖漿房的內部、火山噴發(fā)口、地下 20 千米或更深處的山根，即便利用現代先進技術，我們也無法參觀甚至接近這些地方。因此，我們可以把將今論古這句經典短語顛倒過來，即以古論今，保存下來的過去的遺跡是目前正在發(fā)生之事的指南，這句話適用于任何地方的現象，無論是我們步之所及之處還是難以到達的危險地帶。我們對現代巖漿房的了解，對在火山爆發(fā)期間或是在造山帶深處究竟發(fā)生了什么，大部分都是基于現在地表的證據和巖石，對它們進行觀察、采樣和分析相對更容易、更安全。它們是地球上發(fā)生的大量未知地質事件的見證者，也是我們可以看到和詢問的證人。

因此，這些巖石充當了我們人類理解地球上不為人知事物的橋梁，也是促成進一步探究和探索的催化劑。例如，地球上的大多數沉積巖都形成于海底，那里是我們人類無法輕易到達的環(huán)境。但為了探索古海洋地層的現近出露特征，科學家開始探索海底，他們在淺水中穿戴水肺和潛水服，在黑暗的深海中使用深潛探測器。為了模擬巖石形成的極端環(huán)境，科學家

付出了更大的努力，他們利用特制的熔爐來研究巖石是如何熔化、巖漿是如何結晶的；他們還利用小但強大的壓砧，重現鉆石等礦物在地下數百千米處形成時的超高壓力。我們可以利用這些研究成果來理解我們所看到的各種巖石，幫助我們構建它們所代表的景觀，如海底地貌和地球深部結構等。

此外，巖石還可以幫助我們展望地球的未來，正所謂過去是預測未來的鑰匙。我們正在共同塑造地質學的未來，尤其是通過制造越來越廣泛的合成巖石和礦物，這正是我們將要探索的。

巖石中記錄著大量故事

地球上分布著很多不同類型的巖石，本書中，我們將重點介紹其中的一部分。地質學家根據巖石的成因將巖石分為不同的類別，大體上有火成巖、沉積巖和變質巖等。在此基礎之上又可以進一步細分，例如沉積巖包括砂巖、泥巖和石灰?guī)r，而其中每一種巖石又可分為不同的種類，如砂巖就包括風成砂巖、富含黏土的雜砂巖等。這種詳細的巖石分類表明，每一種巖石類型都只講述了一個特定的故事，但這種說法或多或少僅適用于分類時所使用的特定指標，例如砂巖中的粒度、形狀或黏土含量等。實際上，在那塊砂巖中還包含著更豐富的證

據，可以證明它是如何形成的，而且這個過程跨越了很長的時間。

因此，砂巖中的每個顆粒都曾經來源于另一塊巖石也許是在遙遠的過去從某個懸崖上剝蝕下來的花崗巖；也許是一塊變質巖，比如構成某個消失已久的造山帶的一部分的片麻巖；或者甚至是先前就已經存在的一塊砂巖，它的顆粒被風化、剝蝕，后經河流和海流搬運，最終在很遠的地方形成新的砂質沉積物。這些顆粒包含了許多線索，地質學家可以通過在顯微鏡下觀察其內部結構，或是對其進行地球化學分析，梳理出它們漫長的演化史。對于那些更深層次的演化歷史和許多不同種類且消失已久的地貌，上述認識可以幫助我們更好地理解其中的豐富性和復雜性，這些奧秘很可能就蘊藏在小小的沙粒當中，可謂一沙一世界。

其實巖石最初形成的地質瞬間非常關鍵，比如，當沙粒在某個海灘、某個沙漠或海底聚到一起時，形成了一層沉積物，然后被埋藏、硬化，后來可能形成堅硬的巖層。最初的那些形態(tài)會保留下來，成為恢復古環(huán)境的重要證據。一旦我們學會解讀這些線索，就可以重建遠古時期的地質環(huán)境。

而這僅僅是開始，地層一旦被埋藏，將發(fā)生一系列相變。隨著埋藏加深，它會慢慢進入地殼，在那里溫度和壓力都會上升。于是，在原巖的基礎上，巖石形成了新的結構，在一定溫壓條件下會轉變?yōu)樽冑|巖，甚至會發(fā)生熔融。在巖石從深部向地表慢慢出露的過程中，也會產生新的結構和構造，這個過程非常漫長，可能持續(xù)數百萬甚至數十億年。

因此，當我們談及一塊巖石時，關鍵是要先確定我們所研究的故事到底處于其演化過程中的哪一段。即使是一塊普通的巖石，它的故事也可以是無止境的。當然，主要還是因為巖石本身就非常古老，每塊巖石都記錄著豐富的歷史。因此，獲得巖石的年齡是研究其演化歷史的關鍵。

巖石的年齡

地球非常古老�，F有的研究表明，地球大約有超過 45 億年的歷史，我們是如何知道這一點的呢？這個問題其實并不簡單，揭示其答案的證據隱藏在地球內部的巖石中，而人類為此花費了很長的時間和很多的努力。

大約三個世紀前，現代科學剛剛出現。那時的學者開始調查周圍的巖層，發(fā)現其實地球歷史比人類歷史長得多。他們認識到，有些巖石中保存著動植物化石，而且其代表的生物不同于當時已知的任何現生物種。這并不算是一個直接的發(fā)現，因為當時這方面的研究非常少，世界上的許多地方還沒有被探索，科學家們并不能立即確定這些化石中的生物是否還

生活在全球其他地區(qū)。隨著對全世界各地的不斷探索，科學家們越來越確定，這些化石中的生物在現今地球上是不存在的（盡管還是發(fā)現了一些活化石）。就這樣，人們逐漸認識到，其實早在人類出現之前，早已滅絕的史前動植物王朝就已經存在了。

這段歷史到底有多長呢？ 19 世紀的人們是無法回答的，因為當時沒有任何方法可以直接測定巖石和化石的年齡。人們做了一些巧妙的嘗試，比如，計算海洋需要多長時間才會變咸，但是這個方法存在很大的缺陷，因為海洋中的鹽既可以從海水中析出形成鹽層，也可以從河流中匯入，這樣一來海洋的鹽度就不能作為史前時期的衡量標準。因此，人們通常會將

這個問題進行轉換：史前動物和植物經歷了多少代？這個問題可以得到相對準確的答案，但必須經過許多人的大量工作。當地質學被確立為一門自然科學后，早期地質學家的首要任務之一就是系統地研究地層，一方面是為了尋找煤炭和鐵礦石等資源，另一方面是為了收集地層中的動植物化石并對其進行分類。

這是一項艱巨的任務，地層往往由于構造運動而發(fā)生褶皺和錯位，而且很多地方或多或少被土壤和植被所覆蓋，使得追蹤不同地層變得極具挑戰(zhàn)性�？上驳氖�，有些地方的地層呈現出清晰的層理，看起來就像一塊整齊而清晰可見的蛋糕，例如美國的科羅拉多大峽谷。早期的地質學家通過類似這樣的露頭，總結出重要的地層判別準則較老的地層會被較年輕的地層所覆蓋，體現了沉積層之間的持續(xù)互相掩埋，這就是我們所說的地層層序律，又稱地層疊覆律，至今它仍然是我們研究地球歷史的基礎。

然而，即使像大峽谷這樣看似簡單、連續(xù)的地層層序，也往往存在巨大的地層沉積間隔，因此它們所記錄的地球歷史非常碎片化，就像一本書中的大部分頁面被撕掉了一樣。這些缺失的頁面可能在其他地方保存完好，但要想找到它們，并將地球的全部歷史置于正確的時間序列中并不容易，這是一個巨大且需要持續(xù)進行的拼圖游戲，因為我們地球的演化歷史是龐大而極其復雜的。

到了 19 世紀中晚期，地球生物演化史的主要特征已經基本清楚，隨著古老物種的滅絕和新物種的出現，如此反復，最終形成了現存的生命形式。這種生命演替模式具有普遍性，地質學家以此來區(qū)分地質年代。例如，包含豐富化石的最古老巖石被用來定義寒武紀，其最典型的特征就是其中包含大量三葉蟲化石，它們是現代螃蟹和龍蝦的已滅絕的親戚。其他時期也是結合了相應化石群的出現和消失來定義的，最終形成至今仍在使用的地質年代表（the Geological Time Scale，GTS）。

地質年代表的基本框架在一個多世紀前就確定了，至今基本保持不變，例如寒武紀、石炭紀、侏羅紀等。當時的地質學家已經知道史前時間遠遠超過人類歷史，但并不清楚它所代表的是幾百萬年還是更長的時間跨度。物理學家堅持時間尺度較短的觀點，理由是時間跨度過長的話地球內部早就應該完全冷卻下來了。但地質學家不同意，根據巨厚的巖層和地球生命的諸多變化，他們認為地球生物學上的這些變化需要更多的時間來適應。19 世紀的地質學家威廉·巴克蘭（William Buckland）憑直覺做出了 一個令人難忘的大膽推測，他認為從英國侏羅紀巖石中發(fā)現的恐龍和海洋爬行動物（絕不是最古老的化石）一定生活在一億年前。

直到 19 世紀末，放射現象的發(fā)現成為解決這一難題的關鍵。這種新發(fā)現的能量源可以使地球內部長期保持熔融狀態(tài)，不僅如此，地質學家還可以利用放射性原理來計算巖石的年齡。一旦知道了放射性元素的半衰期，如從放射性鈾的同位素衰變成穩(wěn)定的鉛同位素的時間，那么就可以通過分析有多少鈾衰變成鉛來計算含鈾礦物的年齡。利用這一技術突破，科學家 很快就發(fā)現地球的年齡不是幾百萬年，而是幾十億年。通過分析與不同地質時期的化石有關的放射性礦物（例如一些與史前生物同期的火山噴發(fā)所形成的礦物），地質年代表也變得越來越精確。結果顯示，巴克蘭所推測的侏羅紀地層實際上約有 1.8 億年的歷史，由此可見他當時的猜想并不離譜。

目前，多種放射性同位素測年法已得到發(fā)展和應用，其中有些適用于非常古老的巖石，比如鈾鉛測年法；而有些則適用于更年輕的巖石和沉積物，比如放射性碳同位素測年法只能追溯到 6 萬年前的地質事件。隨著巖石測年方法的精確度不斷提高，地質年代表也在不斷校準與更新。

石頭的用途

常言道，地球是我們賴以生存的家園，我們所使用和依賴的物質皆取之于地球，若非從土壤里種植而來，那便來自巖石。這話一點不夸張，因為所有農作物和樹木植被生長所需要的土壤正是由巖石風化而來。

最直接的例子就是建筑石材，它是人類最早使用的地質資源之一，現在已經形成了巨大的全球性行業(yè)。巖石可以用作建筑物和墻壁的主體構架，也可以用來建造覆層、地磚、浴室、廚房地板和工作臺面。巖石不僅幫助我們建立了生活的物質框架，同時也提供了非常豐富的不同類型的石材，供人們研究和觀賞。

更為顯而易見的是，天然巖石也為我們周圍的許多人造石提供了原材料，如混凝土、磚塊、瀝青、陶瓷和石膏等。這些人造石的規(guī)模極其龐大，已經成為地球地質學不可或缺的一部分，因此這一系列的新型巖石也將在本書中進行介紹。

我們使用的所有金屬也都來自巖石，例如鐵、鋁、銅、鈦、釩等。這些金屬是建筑物的重要組成部分，它們的出現成為地球的一種新特征，并且它們已經隨著宇宙飛船到達太陽系的各個角落。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）上的鈹鏡就是一個引人注目的例子，它能幫助我們探測到更遙遠的行星和宇宙中最初的一批星系。我們之所以可以開采到這么多金屬，是因為地球上的巖石富含金屬礦石，也許比太陽系中任何其他天體都要富集。有些航天企業(yè)家把目光投向小行星帶，也許是舍近求遠了。

有時，我們也會在巖石上和內部進行建造，這些建筑物的穩(wěn)定性直接取決于我們對巖石屬性的理解。在暴雨時，軟巖可能會變成泥石流，而硬巖會出現裂縫，可能會引起滑坡和崩塌。還有一些巖石會被地下水溶解，時間久了會導致地面塌陷，大規(guī)模地陷甚至會將上面的房屋或汽車吞掉。由此可見，并非所有巖石都堅不可摧，我們要清楚這些潛在風險，并且進行監(jiān)測，才能確保我們生活在其中時的安全。自工業(yè)革命以來，我們開采了大量的煤、石油和天然氣，巖石逐漸成為能源的主要來源。這些化石燃料，實際上相當于儲存了數億年來的古代陽光的能量，在很大程度上為我們生活的現代互聯世界的建設提供動力。此外，還有大量的能源來自核能，這同樣離不開巖石，比如鈾就來源于巖石中的鈾礦石。

如今，化石燃料的使用帶來諸多問題，如大氣中二氧化碳含量急劇上升，以及由此導致的全球變暖、海洋酸化等，我們必須從其他種類的巖石中尋找可能的解決辦法。即使將我們的經濟建立在可再生能源（如太陽能和風能）的基礎上，也將需要大量的自然資源，例如制造風力渦輪機就需要至關重要的稀土元素。處理空氣中過量的二氧化碳是有可能的，我們可

以將其捕集、提純后，再注入地下已經枯竭的油氣儲層，這實際上是在使用同樣的地質工程技術，把當初開采碳氫化合物的過程反向操作了。

如果任由巖石留在自然狀態(tài)下，它們也會與大氣中的二氧化碳反應，從而形成碳酸鹽礦物，最終降低全球溫度，扭轉全球變暖的局面。然而，這個過程極其緩慢，需要數千年甚至更長的時間，因此僅靠巖石本身無法解決我們當前面臨的氣候問題。

幾十億年以來，巖石一直是地球的主要溫度調節(jié)器，與地表的液態(tài)水和生物圈（地球的生命皮膚）協同作用。這種基于巖石的氣候控制是三十多億年來地球保持宜居的關鍵。了解上述這些巖石相關的知識，可以幫助地球保持更長久的宜居，不僅是對人類而言，還包括其他所有生命。這便是我們需要更好地了解復雜而美麗的巖石外殼的另一個理由。

巖石：我們生活的基礎

在太陽的照射下，地球提供了生命所需的一切，不僅為我們人類，也為45億多年來存在過的所有其他物種。

當我們走在城市中心，隨處可見巖石的使用，特別是那些裝飾在建筑物上的石材漂亮的花崗巖、石灰?guī)r和砂巖石板。但是，我們城市大部分基礎設施中的磚、混凝土和砂漿是通過巖石重組制成的這構成了一種體量巨大的新型地質學，本書后面將探討這個概念。這些建筑里的玻璃是用特殊類型的砂巖制成的，而里面的鋼材來自富含鐵的巨大巖石礦床，這些礦床大多形成于數十億年前，當時我們的星球正在經歷一次古老的轉變。銅、鉛、鋅、錫等金屬來自巖石中不同類型的礦石，這些礦石是通過復雜的方式和過程形成的，其多樣性和豐富性是我們這個獨特而復雜的巖石星球所獨有的。

我們用于建造和運行這些建筑的能源，以及連接它們的管道運輸系統，也以這樣或那樣的方式來自巖石。煤、石油和天然氣仍然為我們提供大部分能源，它們來自巖石；事實上，煤本身就是一種巖石。核能發(fā)電所需要的鈾來自另一種形式的巖石礦床。如果我們試圖直接從太陽獲取能量，就會需要太陽能電池板也需要從巖石中提取特定種類的礦物來制造。我們對巖石的依賴是絕對的，也是不可避免的。

我們和其他物種的生活也與巖石密不可分。我們在土壤上種植農作物，而土壤是巖石分解的產物，為農作物生長提供了大部分的營養(yǎng)物質。組成植物體的關鍵成分碳的來源是二氧化碳，它是植物從大氣中獲取的，但在植物進化之前，二氧化碳是從地球的巖石中產生的，主要通過火山噴發(fā)排出。事實上，在地球歷史的大部分時間里，二氧化碳與巖石經歷了一個復雜的交換系統，這確保了植物所需的二氧化碳不會太多也不會太少。更重要的是，二氧化碳還確保了地球氣候的穩(wěn)定，但這種穩(wěn)定現在正由于人類濫用巖石資源受到威脅。

因此，構成我們身體的物質鈣、碳、磷和所有其他元素，通過各種各樣的途徑，也都來自巖石。巖石是非常迷人的，其重要性也是毋庸置疑的�，F在我們已經學會了讀懂巖石的方法，了解了地球是如何形成的，現在又是如何運行的。在接下來的章節(jié)中，我們將探索隱藏在巖石中的秘密。