◎ 马志飞

编者按:矿物是大地的瑰宝、自然的精灵,它们千姿百态,五彩斑斓,犹如盛开的鲜花绽放出最美丽的色彩。令人感到好奇的是,它们为什么会五颜六色?这背后究竟有什么样的秘密呢?

矿业界特邀科普作家马志飞为大家带来《矿物的形色之谜》系列,本篇为该系列第二篇。

第一篇详见:矿物世界为何五彩斑斓?(点击即可阅读)

在中国地质博物馆正门右前方的广场上,矗立着一块巨大的水晶,它高1.7米,最大宽度1.7米,厚1米,重达4.35吨,1958年8月发现于我国江苏省东海县房山乡柘塘村,在当时的世界上堪称最大的水晶晶体,号称“水晶王”,后来被送到北京珍藏于中国地质博物馆,堪称“镇馆之宝”。

矿物晶体如何形成(矿物晶体究竟能长多大)(1)

大家或许会感到疑惑:水晶为何能长得如此巨大?自然界中的矿物晶体到底能长多大?究竟是什么因素在控制着它们的生长呢?

晶体与非晶体

在解开这些秘密之前,我们需要先了解一些基本的概念,比如说晶体与非晶体。

我们大家都知道,物质有三种基本状态:气体、液体和固体,对于固体物质而言,它的内部结构会有很大的差别,有一部分固体物质中原子或离子的排列具有三维空间的周期性,这些物质都有自发地成长为几何多面体外形的固有特性,也就是说当它们自然凝结的、不受外界干扰而形成的物质都有自己独特的、呈对称性的形状,即所谓的晶形,比如食盐呈立方体、冰呈六角棱柱体,而且还有固定的熔点和稳定的化学组成。这样的物质被称为晶体,各种金属、合金、陶瓷、水泥制品等绝大多数的固态化合物都是晶体,常见的晶形有立方体、四面体、八面体、菱形十二面体、四角三八面体等,根据晶形的不同,自然界中的晶体通常可以分为七个不同的晶系,分别为等轴晶系、六方晶系、四方晶系、三方晶系、斜方晶系、单斜晶系、三斜晶系。

矿物晶体如何形成(矿物晶体究竟能长多大)(2)

但是,还有一部分物质它们内部的原子或离子不是有规则的周期性排列,不能自发地成长为几何多面体,没有一定的外形,也没有固定的熔点,比如玻璃、塑料已经地质作用中由火山熔岩快速冷凝而形成的黑曜石、珍珠岩等都属于这类物质,它们被称为是非晶体。

所以,在晶体与非晶的对比之下我们可以发现,晶体的生长具有明显的规律可循,它们的生长就像人的胚胎一样,按照相对固定的方式从一个小小的晶芽慢慢成长壮大。矿物晶体既有在岩浆中直接生长的,也有在来自于岩浆的蒸汽或热水溶液中生长的,还有一些是由于地表风化作用形成的,这是一个涉及到物质微观结构变化的过程,我们仅仅通过肉眼是难以观察到的,但随着它的不断壮大,我们就能够发现它的规律。

矿物晶体如何形成(矿物晶体究竟能长多大)(3)

矿物晶体的生长

地球上大部分矿物晶体都形成于岩浆之中,随着岩浆的冷凝,各种不同的矿物会按照熔点的高低不同而先后结晶出来。在这个过程中,晶体的大小与温度冷却的速率有很大关系,一般是冷却的速率越快所形成的晶体往往越小,倘若冷却速度过快的话甚至难以形成晶体,而成为非晶质体,比如黑岩石就是因为岩浆冷却过快而形成的玻璃质岩石,它内部没有晶体结构。简单地说,就是晶体的结晶和生长需要一定的温度条件和充裕的时间。

但是,岩浆变化频繁,实际上能形成超大单晶体的情况并不多见。比如说金刚石,它在十分苛刻的高温高压条件下历经了数亿年时间才得以形成,温度要求在900~1300℃,压力为4.5~6.0Gpa(大约相当于4.5~6.0万个标准大气压),时间约10亿到33亿年,地点是地下140至190公里深处的地幔,所形成的金刚石颗粒往往都很小。世界上最大的金刚石“库利南”原重仅仅只有3106克拉,几乎相当于一个成年男子的拳头大小。再比如橄榄石,它是一种常见的造岩矿物,也是岩浆结晶时最早形成的矿物之一,通常存在于橄榄岩、玄武岩、辉长岩等铁镁质岩石中,地球上的各种喷出岩中都含有橄榄石,但是目前世界上最大的一颗橄榄石也只有310克拉重,现珍藏于美国华盛顿的史密斯学院博物馆里。

矿物晶体如何形成(矿物晶体究竟能长多大)(4)

橄榄石,产于阿富汗

还有一部分矿物生长在岩石裂隙或者岩洞中,含有某种物质的过饱和溶液逐渐沉淀、结晶而成为矿物晶体,因受到各种外界条件的影响,内部结构也会有所差异。比如玉髓和水晶,虽然它们的主要成分都是二氧化硅,同属于石英家族,但它们的结构相差甚远。水晶是二氧化硅结晶完美时的石英,内部具有十分规则的晶体结构,用肉眼都能够分辨晶体颗粒,所以被称为显晶质结构。而玉髓内部的矿物晶体极为细小,用肉眼根本无法分辨出矿物颗粒,甚至在偏光显微镜下也难以分辨,所以被称为隐晶质矿物。在自然界中,如果有合适的物理条件和化学条件,玉髓可以转变为微晶石英,然后再发生重结晶作用转变为石英。当外界条件非常适宜时,石英可以长得很大,中国地质博物馆门前的“水晶王”便是极好的例证,迄今为止它仍是我国排名第一的单体水晶,但是在世界上还有更大的。世界吉尼斯记录中所记载的“最昂贵的浴缸”,在伦敦著名的哈罗兹百货公司销售,标价为84.5万美元,它是一块完整的水晶制品,长约2米,重约2吨,是从一块重达10吨的水晶中直接切割出来的,非常令人震撼。

矿物晶体如何形成(矿物晶体究竟能长多大)(5)

三维空间内的变化

矿物晶体的生长,其实是在三维空间内的变化,也就是由X轴、Y轴、Z轴组成的空间。但是,不同的矿物具有不同的生长习性,有些矿物喜欢朝着一个方向生长,比如说辉锑矿,结果就形成了柱状矿物,还有辉铋矿,它也是朝着一个方向生长,不过它更细,呈现出针状。还有一些是喜欢朝着XY平面方向生长,比如云母,它的矿物集合体为叶片状,可以被一层一层地揭开,所以被人们形象地称之为“千层纸”。还有一些在三维空间内没有什么优势的生长方向,比如方铅矿,四四方方,十分规整,还有石榴子石,大多为五角十二面体,就像石榴子一样呈颗粒状。岩石和矿物生长需要一定的空间,如果空间不够大或者含有矿物成分比较复杂的话,它们就喜欢在一块生长聚集到一起。比如这一块石英、白云石、黄铁矿,它们就都共生在一起,挤得密密麻麻,这就形成一种晶簇。

矿物晶体如何形成(矿物晶体究竟能长多大)(6)

辉锑矿晶簇,产于广西

如果说矿物有足够的生长空间的话,它可以长得很大,而且大得惊人。北美洲墨西哥奇瓦瓦市,有一个名为奈卡矿的多金属矿,2000年4月,正当采矿工人在地下300米深处挖掘巷道时,突然有人发现了一个巨大的洞穴,有足球场一般大小,高度相当于两层楼,走进洞穴发现这里到处长满了“利剑”,长的超过人的身高,短的也有几十厘米,都是半透明的柱状物,置身其中就像是走进了一座水晶宫殿。其实,这里面的矿物并不是水晶,而是石膏晶体。石膏的晶体通常呈板状,少数会长成长柱状,颜色一般为白色,如果混入了其它杂质则可能表现为灰色、褐色甚至红色,虽然无色透明的石膏看起来很像水晶。进一步的研究发现,如此罕见的石膏晶体是由于沉淀作用形成的。奈卡矿附近地下有古老的断层,地下岩浆的高温将周边的地下水加热,顺着断层向上涌出,溶解了岩石中大量的钙和硫酸盐矿物,本来就是中空的洞穴里面充满了这种富含矿物质的热水。随着温度的不断降低,在54℃左右,热水中的矿物质开始沉淀并结晶,虽然结晶生长的速度极其缓慢,每一百年才能增长一根头发丝的宽度,但经过几十万年的时间,最大的已经长到了11米长,直径4米,重达55吨!

矿物晶体如何形成(矿物晶体究竟能长多大)(7)

实际上,我们在现实生活中很少能见到这样的情况,平时所见到的大部分矿物晶体不仅个头很小,而且质量也不好,很多都是“歪瓜裂枣”,这是为什么呢?因为矿物在生长的过程中经常会受到一些外来因素的影响,比如地震、火山喷发,或者是一些地下流体的震荡,使它的生长环境受到破坏了,于是就形成了并不完美的矿物晶体。总而言之,矿物晶体的生长需要充足的物质原料供料、适当的温度和压力条件以及合适的生长空间,当然,还需要极其漫长的时间,所以我们现在看到的每一块矿物晶体,它们的背后都有一段极不平凡的成长故事。

作者简介

马志飞,地质勘探高级工程师,北京科普作协会员,在《中国科学报》《中国矿业报》《南方周末》《地球》等多家报刊杂志发表大量科普作品,著有《石头记》《玻璃地球》《小石头里的大秘密》等,译著《发现珍稀宝石与矿物》《给忙碌青少年讲地球科学:重新认识生命家园》,参编《新科技知识干部读本》《公民科学素质系列读本》多部图书。曾荣获2017年国土资源部优秀科普图书奖、2018年第九届吴大猷科学普及著作奖佳作奖、2020年中国自然资源作家协会第六届“中华宝石文学奖”科普作品奖、2021年自然资源部优秀科普图书奖。

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