詩意礦物學5——石英：遊記

2024-05-11國風

系列前言：研究地質的前輩常把礦物比作解讀地球的文字，筆者也常常思索每種礦物究竟意味著何種文體。它們應該並非全是嚴肅的科學論文，應該也有貼近我們日常生活以及浪漫主義的一面。本系列科普希望以文藝/趣聞為載體向大家介紹多種常見礦物，建立起礦物和生活、科學和詩意的聯系。

詩意礦物學5——

石英：遊記

「是的，我會踏著浪花歸來。

也許死亡會將我隱藏，

沈默會把我覆蓋，

但我將再次追尋你們的理解，

我的追尋不會徒勞無益。

（【先知】紀伯倫）」

——題記

如果要評選一種地表最常見的礦物，石英（SiO2）一定是名副其實的頭名——它存在於海浪拍打的沙灘、晶簇、土壤（圖2）、首飾……它既可以奉獻自己，組成花崗巖成就喜馬拉雅的山巔；又能委曲求全，被生物改造沈澱在馬利安納的溝底。若要把礦物擬人化，輾轉在崇山峻嶺、江河湖海裏的石英一定是礦物裏的「地質學家」了。它會像眾多熱愛探索的地學工作者一樣，發發推播、寫寫遊記，記錄自己難忘的旅程嗎？

圖1 砂質沙灘

圖2 砂質土壤

灼熱的故鄉

城市裏的最常見的石英可能是花崗巖建材中的半透明顆粒（圖3）以及水晶（幹凈美觀的石英晶簇）制成的精致飾品。這些石英把故鄉的面貌印刻在了自己的化學成分中：由於組成石英的元素只有矽和氧，它的產生通常只能在巖漿經歷了分異演化而達到矽飽和之後。因此我們很難在地外小天體的隕石中找到大顆粒石英的痕跡，只有像地球這般活躍的行星才可能透過廣泛和持續的巖漿作用形成厘米尺度以上的石英。在此基礎上，又只有局限的溫度和壓力條件能使石英充分的成長，出落得幹凈漂亮，達到寶石的品質（圖4）。

圖3 花崗巖建材，半透明有油脂感的礦物為石英

圖4 寶石級紫水晶晶簇

細心的石英不會把對故鄉的描寫一筆帶過，更多的資訊被它整理收納，小心翼翼的藏在了自己的微量元素含量中。科學家透過測定石英中的鈦含量結合多種晶體學參數，能推匯出石英從巖漿結晶時對應的溫度。規則生長的石英還會留下樹木年輪一樣的環帶（圖5），我們借助電子顯微鏡便能翻開石英的一頁頁遊記，暢想石英的故鄉。

圖5 樹木的年輪和石英在電子顯微鏡下的環帶

多變的冒險

工業用的石英原料多是經歷了變質作用形成的石英巖（圖6）。它們在地質冒險中或是被壓力擠扁變形、或是與熔體反應變質、或是同流體交代改造，多變的地質作用重設了它們的內容。冒險的旅程需要妥協，高壓會使石英的晶形發生轉變，在顯微鏡下發生斷裂膝折或是重新定向（圖7）；流體的加入甚至會讓石英溶解，漂泊到新的位置重新結晶。

圖6 石英巖，石英含量＞90%

圖7 顯微鏡下的石英片巖，

石英（圖中呈黑、白、灰色）呈定向排列

在外貌變化之外，石英的「心聲」則更詳實的訴說著旅行的故事——石英的晶格缺陷可能會容納一些外來的物質，形成包裹體，直接記錄下「旅程中的缺憾」（圖8）。地質科研工作者透過測試分析石英中包裹體的形態、化學成分以及同位素特征，便能反演出它曾經歷的歷史，窺見成礦作用的地質秘密。

圖8 油膽包裹體水晶（上），顯微鏡下石英的包裹體（下）

冒險的旅程還會伴隨著同伴的加入，雲母格外喜歡和石英並列，形成各種型別的變質巖。相得益彰的同伴關系興許會使石英再一次熠熠生輝，如最近爆火的「砂金石」（又稱「東陵玉」）便是由於石英摻雜鉻雲母和其他微小礦物讓其帶有了顏色和特殊的光學效應（圖9）。而反之，同伴間「被迫妥協」的連線結合則會導致變質後的雲母石英片巖等巖石格外易裂（圖10）。

圖9 綠色砂金石，常作為翡翠的替代品

圖10 易呈板片狀斷裂的含石英片巖

圓滿的重逢

「再堅固的巖石也經不起流水的反復沖刷」，石英組成的巖石也會在流水狂風等自然力的作用下風化崩解，被運移到遠方流浪。然而在運移的過程中，不穩定的礦物會先淘汰，重的礦物會先沈降，又由於石英是地表條件下最穩定的礦物之一，密度也相對較小，所以隨著搬運的距離加長，石英在物料中的占比會不斷提升。在流水搬運的條件下，礦物的棱角還會被磨得越來越圓，粒度變得越來越細。這也使得許多河流的下遊，成了瑪瑙（與石英化學成分相同，但結構不同）等矽質寶玉石的產地（圖11）。

圖11 瑪瑙

而倘若被搬運後的礦物最後沈積在了江/河/湖/海底，在漫長的地質時間中被壓實、反應，再次形成了巖石。它們經歷的傳奇旅程並不會憑空消失，因為石英的形狀、大小、含量已經為這段歷史撰寫了傳記。沈積學工作者正是對這些巖石進行研究測試，透過對礦物關系、成分、年齡等關鍵資訊的分析，閱讀巖石的遊記，推測它們的地質旅程。興許曾經棱角分明的兩簇水晶，被水流沖刷破碎，最後又在浪花和洋流的見證下重逢，膠結成一塊新的巖石（圖12）。