夏日炎炎，最近南方多地體感溫度高達40℃，連出門都要備上十二分的勇氣，人都要曬化了。不禁遐想，假如我有一身抗高溫的衣服……你知道嗎？在五彩斑斕的礦物世界中，有一位「巾幗英雄」。她的鎧甲可不一般，即使是地殼深處600多度的高溫，也仍然堅挺頑強。試想要是將這衣服穿到我們身上，那再炎熱的天氣都不怕了！以上都是玩笑了，至於為什麽稱她為「巾幗英雄」？她的鎧甲又有什麽奇特之處呢？且聽我細細道來。
1 鐵骨錚錚美嬌娥
她大多數時候穿一身紅色鎧甲，擁有著石榴果肉一樣的外形，因此被叫做石榴石。別看她晶瑩剔透，皮膚光滑，她可不是個嬌滴滴的女孩子。她的摩氏硬度可達6.5-7.5，比牙齒的硬 度還要高，倘若你錯把石榴石當石榴吃，那可要小心你的門牙了！
圖1 石榴石常見的晶體結構
圖2 形似石榴的石榴石飾品（右）
她是矽酸鹽的一種，具有島狀的晶體結構，通常呈菱形十二面體、四角三八面體、六八面體等晶體結構（圖1 ），這也賦予了她非凡的抗風化磨蝕能力，即使經歷了數百萬年的風吹雨打，也依然保存著完好的容貌。組成她的化學元素十分復雜，體內可含有鈣(Ca)、鎂(Mg)、鐵(Fe)、錳(Mn)以及鈦(Ti)、鉻(Cr)、釩(V)、鋁(Al)、鋯(Zr)等元素，從而顯現出不同的顏色。例如，當石榴石中含有釩和鉻離子時，她的鎧甲甚至會變為綠色（圖3 ）；而含鐵量低的錳鋁榴石，呈橙色-黃色（圖4 ），這些都是石榴石寶石家族中的稀品。她的光芒橫掃拍賣市場，早在2009年，一枚梨形的沙弗萊吊墜便以170500瑞士法郎（按當年人民幣匯率折算約102萬）成交，放眼整個礦物界也算得上是傾國傾城的美人了！說起她的鎧甲，其實很特別，除了變換顏色，還可以儲存記憶呢！那麽，如此奇怪的戰衣，貌美的女子又是如何長成的呢？
圖3 「沙弗萊」——鉻釩鈣鋁榴石
圖4 「芬達石」——含鐵量低的錳鋁榴石
2 前世——浴火重生
她並非出自礦產豐盈的富饒之家，也非風和景明的田間地頭，高壓、高溫的惡劣環境 便是她的誕生之地，也難怪她會有如此錚錚傲骨了！ 石榴石的成因主要有三種： 變質、熱液以及巖漿成因，而變質成因在其中占據主導地位，是最為常見的類別。 最普遍也是最多的石榴石見於變質成因中俯沖作用所產生的榴輝巖（ 圖5 ）中，它的身世成謎，雖來自地球深處，卻能在地表為我們所看見。 那麽，它一開始就長在地球深處嗎？ 它又是如何被帶到地表的呢？ 要搞清楚這些問題，首先要明白什麽是「俯沖」，什麽是「變質」。
圖5 榴輝巖中的石榴石
圖6 麻粒巖中的石榴石
2.1
俯沖——「蛋殼」的相向運動
我們知道如果把地球比作一枚雞蛋，地球由外到內可以分為地殼、地幔和地核，分別對應一枚雞蛋的蛋殼、蛋清和蛋黃。在上地幔內有一個緩慢流動的軟流圈，軟流圈以上的地幔部份我們將它叫做巖石圈地幔，它與地殼合稱為巖石圈（圖7 ）。當巖石圈有足夠大的規模，便將它稱作「板塊」，這些板塊之間並不是緊密相連的，存在著一定的裂隙。它們被馱在軟流圈之上緩慢運動，時而分離，時而碰撞。可以想象將兩塊碎掉的雞蛋殼放在蛋清上面，晃動蛋清，蛋殼也會隨之運動，要註意的是，這兩塊蛋殼組成、形狀、密度並非一致，正如巖石圈的組成並非均一，因此兩塊蛋殼的受力並不相同。因此，當板塊間發生相向運動時，較重的板塊下插於較輕的板塊之下，地質學上，我們把這個運動叫做「俯沖」，通常存在陸-陸俯沖（圖8 ）和洋-陸俯沖兩種類別。這時，巖石圈中存在的礦物還不是石榴石，只是生成石榴石的原礦物，它們隨板塊俯沖被帶到了地幔深處。看到這裏，你可能會好奇——原礦物又如何變成石榴石的呢？
圖7 地球切面內部結構示意圖
圖8陸-陸俯沖過程中生長的石榴石 （註： 圖中顯示只是個例）
2.2
變質——「工廠」的重組加工
這就要說到「俯沖工廠」的加工了！在地球內部也就是地幔和地核部份，儲存著大量熱能，地球內部越往深處，壓力越大，相應的溫度也越高。在俯沖作用過程中，來自地殼的「冷」物質被帶到「熱」的地幔深處，整個俯沖過程有如一座加工廠，將原本的礦物做了壓縮、變形、脫水等處理，礦物原本的形態結構發生改變，變成了新的礦物，巖石的組構也發生了變化，這便稱為「變質」。在合適的溫度和壓力條件下，石榴石也由原礦物變質而成，開始生長（圖8 ）。而後，如果向下俯沖的板片不斷下沈、脫水，其密度大於軟流圈時，就會重力失穩，下部發生斷離，掉入軟流圈中。而上部的巖石圈板塊有如繃著的橡皮筋突然被撤掉一端的拉力，發生回撤，變質的巖石也隨之被帶到地表（圖9 ）。其中的石榴石歷經了高溫，抗住了磨蝕，將守護著的地球數百萬年的記憶從地幔深部帶到地表，為我們所看到。她不畏高溫高壓的艱苦環境，不懼風吹雨打的磨練摧殘，用自己頑強的身軀，守護著地球的記憶，記錄著上百個百萬年的地球故事，叫她一聲英雄，也當得！
那麽，她又是如何守護記憶的呢？
圖9 東大別地區榴輝巖的折返模型
3 有記憶的「鎧甲」
究其原因，還要歸結到它的「記憶鎧甲」。 像樹木的年輪一樣有寬有窄、有深有淺，元素在石榴石中也不總是均勻分布的，它們的含量時高時低，賦予石榴石美好面容的同時還記錄著她所經歷的往事。
圖10 X射線下的石榴石中Mn元質環帶
3.1
主量元素記錄溫壓環境
石榴石生長過程中所經歷的溫壓條件不同，所含的主量元素如Fe，Mg，Ca，Mn等的含量也會發生變化，從而在X射線分析圖譜中呈現元質環帶（圖10右 ）。正如樹木的年輪可以記錄它所生存的氣候環境，這些環帶也可以記錄石榴石生長過程的環境條件。例如，隨巖石形成溫度的升高，石榴石中Mg元素含量升高，Mn元素含量降低，Fe／Mg比值與溫度呈負相關；而Ca元素的含量則隨壓力的升高而升高。在石榴石生長過程中，元素在石榴石中不斷擴散，溫度越高，元素「跑」的越快，當溫度 > 650 ℃時，這些元素可能會在石榴石中均勻分布，這時擁有著「記憶」的環帶便會消失。那麽，此時的鎧甲就不能保存記憶了嗎？
3.2
微量元素記錄生長過程
要知道，除主量元素外，石榴石中的微量元素也存在環帶。相比主量元素，石榴石中的的微量元素很難受到熱擴散作用的影響。其中的微量元質環帶可以指示與石榴石的生長或重結晶相關的礦物化學反應。
一方面，在石榴石生長的同期存在其他礦物生長。在巖石中，石榴石與其他礦物的元素之間並不能達到擴散平衡，因此礦物之間會「競爭」元素。按照元素對礦物的「喜好」程度，進行元素的分配。新的礦物生成或原本的礦物分解都會導致元素的再分配，由此我們就可以推斷礦物的生長和重結晶資訊。例如，由於磷灰石、褐簾石或獨居石等礦物中富含輕稀土元素，石榴石中輕稀土的突然富集可能反映了這些礦物的分解。另一方面，石榴石由其他礦物變質而來，微量元素可以記錄原礦物的微量元素特征，從而反應石榴石的變質期次。例如，如果石榴石從核部到邊部存在明顯的中稀土富集，可能暗示了該階段石榴石主要由角閃石（富含中稀土元素）變質而成（圖11 ）。
圖11 角閃石生成石榴石圖解（Gd、Tb、Dy、Ho為中稀土元素）
3.3
放射性同位素記錄變質時間
那麽石榴石何時出生，我們又是怎麽知道的呢？原來，石榴石中存在著一些放射性同位素體系，例如釤-釹（Sm-Nd）、鑥-鉿（Lu-Hf）、銪-鉛（U-Pb）等，它們是成對的「母子體」，母體同位素（如Sm、Lu）可以經過放射性衰變生成子體（Nd、Hf）。在一定時間內，衰變的原子數與現存的母體原子數成正比。如此，我們便可以透過這個衰變規律計算石榴石出生的時間。例如，Li等透過對大別造山帶榴輝巖中的石榴石進行Sm-Nd 定年，獲得了（221±5）Ma的年齡，這項報道首次限制了超高壓變質峰期的時間。Cheng等從相鄰的榴輝巖中獲得了類似的石榴石Sm-Nd年齡，並且得到了更老的石榴石Lu-Hf年齡，為（240.0±5.0）Ma（圖12 ），認為該石榴石的Lu-Hf年齡代表了石榴石開始生長的時間。
圖12 Sm-Nd，Lu-Hf等時線記錄的年齡
值得一提的是，石榴石在生長過程中可能會捕獲一些礦物、熔體以及流體等物質，我們叫做「包裹體」。石榴石像一個抗高溫高壓的保護器皿，將這些包裹體牢牢守護，它們被保護在石榴石中，同時又見證著石榴石的形成，成為指示她成因的證據。這些主微量元素及包裹體指示石榴石的出生時間和溫度、壓力等環境變化的同時，也記錄著整個巖石或地體發生變質作用的實況，有如記憶盒子一般，被石榴石戰士守護著，靜等著有一天被我們發現，為我們揭開地球深部的謎團。
故事講到這裏，想必你對這位英雄的出身、經歷、和性格都有了大概的了解。 出得廳堂，入得戰場，她是英雄，也是美人，有著頑強的毅力，在珠寶界也璀璨奪目。 她鮮衣怒馬，不畏艱難，記錄著地球故事。 如今，對於這位英雄的探究還在繼續深入，她能承受多高的溫度，又能記錄多少地球的故事呢？ 這需要先進的技術指引，也需要人類的潛心研究。 只要我們對於科學問題善於發現，勤於思考，地球的奧秘總有一天可以解開！
參考文獻
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註：圖1. 2. 3. 4.來自網絡搜尋:百度圖庫.
來源：石頭科普工作室
原標題：她的「鎧甲」可以抗高溫
編輯：停雲
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