均变论

18世纪中期，苏格兰医生詹姆斯·赫顿（James Hutton）详细观察家附近的河流。这些河流每年都会泛滥成灾，在洪泛区沉积一层薄薄的沉积物。赫顿挑战了对圣经的字面解释。他认为以这种方式沉积100米的沉积物需要数百万年时间，而圣经中记载的洪水只有几个星期。赫顿将此称为“均变论”（principle of uniformitarianism）：今天发生的过程与过去发生的过程相同，这些创造我们看到的景观和岩石。相比之下，根据当时普及的圣经中的解释，创造景观的过程已经完成，不再起作用。

图1：这张图片显示了詹姆斯·赫顿（James Hutton）最初设想的岩石循环。

赫顿认为，均变论发挥作用的时间跨度很长，因此必须由地球不断回收材料。如果没有回收利用，山脉被侵蚀（或者用赫顿的话来说陆地被腐蚀），沉积物将被输送到海洋中，最终地球表面将完全平坦，并覆盖着一层薄薄的水。因此，那些沉积在海中的沉积物必须经常被抬升回来，形成新的山脉。回收利用从根本上背离了地球基本不变的普遍观念。如图1所示，赫顿首先将岩石循环视为由地球内部热机驱动的过程。热导致沉积在盆地中的沉积物转化为岩石，热导致山脉隆起，热在一定程度上促成了岩石风化。虽然赫顿关于岩石循环的许多想法是模糊（例如“转化为岩石”）且不准确的（例如“热导致腐蚀”），但他迈出了重要的第一步，将不同的过程组合成一个简单、连贯的理论。

赫顿的想法并没有立即被科学界接受，主要是因为他不乐意发表。他是一个思想家，却不是一个好的作家——1788年出版后，很少有人能够理解他高度技术性和令人困惑的文字。他去世后，约翰·普莱费尔（John Playfair）的《赫顿地球理论插图》（1802年）和查尔斯·莱尔（Charles Lyell）的《地质学原理》（1830年）相继出版，让赫顿的想法变得更加容易理解。到那时，欧洲的科学革命已经让人们广泛接受“地球在不断变化”这个曾经如此激进的想法。

20世纪60年代出现板块构造理论，人们对岩石循环有了更全面的理解（参见“板块构造I” 模块）。现代的岩石循环概念与赫顿的概念在几个重要方面有着根本的不同：我们现在在很大程度上理解板块构造活动决定了隆起发生的方式、地点、原因，我们知道热量是通过放射性衰变在地球内部产生的并通过对流移动到地球表面。均变论、板块构造、岩石循环共同为观察地球提供了一个强大的视角，使科学家能够回顾地球历史并对未来做出预测。

岩石循环

图2：岩石循环的示意图。在这张草图中，方框代表地球材料，箭头代表转换这些材料的过程。这些进程在箭头旁边以粗体命名。岩石循环的两种主要能量来源：太阳为风化、侵蚀、运输等地表过程提供能量，地球内部热量为俯冲、熔化、变质作用等过程提供能量。该图的复杂性反映了岩石循环的真实复杂性。请注意，在此过程中的任何步骤都有很多可能性。图片 ©Anne E. Egger 博士 CC BY-NC-SA 4.0

图3：2021年，熔岩从冰岛的Fagradalsfjall火山流出，该火山正在冷却形成称为玄武岩的挤压火成岩。图片 © CC-BY-SA-4.0 Mokslo Sriuba

• 隆起、风化、侵蚀

• 沉积岩

在自然条件下，新的沉积物的重量产生的压力压实了较老的埋在下头的沉积物。当地下水流经这些沉积物时，方解石（ calcite）和二氧化硅（silica）等矿物质会从水中沉淀出来并覆盖在沉积物颗粒上。这些沉淀剂填充颗粒之间的孔隙空间并充当水泥，将单个颗粒粘合在一起。沉积物的压实和胶结形成了砂岩（sandstone）和页岩（shale）等沉积岩，这些沉积岩现在正在密西西比河三角洲的最底部等地形成。

由于沉积物的沉积通常以季节或年度周期发生，因此我们经常看到沉积岩中保存的层在暴露时保存下来（图5）。然而，为了让我们看到沉积岩，它们需要被抬升并因侵蚀而暴露出来。大多数隆起发生在板块边界上，其中两个板块相互移动并造成压缩。因此，我们看到含有海洋生物化石的沉积岩（因此一定是沉积在海底的）暴露在喜马拉雅山脉的高处——这就是印度板块进入欧亚板块的地方。

• “煮熟”的岩石

如果沉积岩或侵入火成岩没有被隆起和侵蚀带到地球表面，它们可能会经历更深的掩埋并暴露于高温高压。岩石因此开始发生变化。由于暴露于热、压力、热流体而在地球表面以下发生变化的岩石称为“变质岩”（metamorphic rocks）。地质学家经常将变质岩称为“煮熟的岩石”，因为它们的变化方式与蛋糕面糊在加热时变成蛋糕的方式大致相同。蛋糕面糊和蛋糕含有相同的成分，但它们的质地却截然不同。砂岩（沉积岩）和石英岩（变质岩）也是同样关系。在砂岩中，单个沙粒很容易看到，甚至经常被擦掉；在石英岩中，沙粒的边缘不再可见，用锤子很难打破，更不用说用手擦掉了碎片。

岩石循环中的一些过程（如火山喷发）发生得非常迅速，而另一些过程（如山脉的隆起和火成岩的风化）发生得非常缓慢。重要的是，岩石循环有多种途径。任何种类的岩石都可以被抬升并暴露于风化和侵蚀；任何种类的岩石都可以被掩埋和变质。正如赫顿正确地推测的那样，这些过程已经发生了数百万年和数十亿年，创造了我们所看到的地球：一个动态的行星。

北美的一个案例

图6：岩石循环动画（运行动画以查看俯冲带中岩石循环中发生的过程以及不同类型的岩石形成的位置）。

美国西北部的喀斯喀特山脉位于一个收敛的板块边界附近，主要由海水饱和的玄武岩组成。胡安德富卡板块（Juan de Fuca plate）正在被拉着俯冲到北美板块下方。随着板块深入地球，热量和压力增加，玄武岩变质成一种非常致密的岩石，称为榴辉岩（eclogite）。玄武岩中的所有海水都被释放到上覆的岩石中。但它不再是冷海水，而是被加热并溶解了高浓度的矿物质，具有反应性或挥发性都很强。这些挥发性流体降低了岩石的熔化温度，导致在靠近板块边界的北美板块表面以下形成岩浆。其中一些岩浆从圣海伦斯山等火山喷发，冷却形成一种称为安山岩（andesite）的岩石，还有一些岩浆在地表下冷却，形成一种称为闪长岩（diorite）的类似岩石。

在喀斯喀特山脉，来自太平洋的风暴造成强降雨，风化和侵蚀安山岩。小溪将安山岩的风化碎片带到哥伦比亚等大河，最终到达太平洋，沉积物在那里沉积。深海海沟附近沉积物的不断沉积，导致砂岩等沉积岩的形成。最终，一些砂岩被带入俯冲带，循环再次开始。

岩石循环与板块构造以及其他地球周期都有着千丝万缕的联系。沉积物的风侵蚀、沉积、胶结都需要水，水在水文循环中进出，与岩石的接触。因此，干燥气候下（如西南沙漠）的风化速度比在热带雨林中要慢得多（有关更多信息，请参阅“水文循环：地球上的水体和水通量”模块）。有机沉积物掩埋后，碳脱离大气，这是碳循环长期地质成分的一部分（参见我们“碳循环：地质、生物、人类活动的影响”模块）。今天有许多科学家正在探索如何利用这一过程掩埋化石燃料燃烧产生的额外二氧化碳。山脉的隆起通过阻挡盛行风和诱发降水，极大地影响全球和当地的气候。所有这些周期之间的相互作用产生了我们在全球看到的各种动态景观。

资料来源：

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