摘自中國湖南國際礦物寶石博覽會
在中國地質博物館正門右前方的廣場上,矗立著一塊巨大的水晶,它高1.7米,最大寬度1.7米,厚1米,重達4.35噸,1958年8月發現於江蘇省東海縣房山鄉柘塘村,在當時的世界上堪稱最大的水晶晶體,號稱「水晶王」,後來被送到北京珍藏於中國地質博物館,堪稱「鎮館之寶」。
大家或許會感到疑惑:水晶為何能長得如此巨大?自然界中的礦物晶體到底能長多大?究竟是什麼因素在控制著它們的生長呢?
晶體與非晶體
在解開這些秘密之前,我們需要先了解一些基本的概念,比如說晶體與非晶體。我們大家都知道,物質有三種基本狀態:氣體、液體和固體,對於固體物質而言,它的內部結構會有很大的差別,有一部分固體物質中原子或離子的排列具有三維空間的周期性,這些物質都有自發地成長為幾何多面體外形的固有特性,也就是說當它們自然凝結的、不受外界干擾而形成的物質都有自己獨特的、呈對稱性的形狀,即所謂的晶形,比如食鹽呈立方體、冰呈六角棱柱體,而且還有固定的熔點和穩定的化學組成。這樣的物質被稱為晶體,各種金屬、合金、陶瓷、水泥製品等絕大多數的固態化合物都是晶體,常見的晶形有立方體、四面體、八面體、菱形十二面體、四角三八面體等,根據晶形的不同,自然界中的晶體通常可以分為七個不同的晶系,分別為等軸晶系、六方晶系、四方晶系、三方晶系、斜方晶系、單斜晶系、三斜晶系。
但是,還有一部分物質它們內部的原子或離子不是有規則的周期性排列,不能自發地成長為幾何多面體,沒有一定的外形,也沒有固定的熔點,比如玻璃、塑料已經地質作用中由火山熔岩快速冷凝而形成的黑曜石、珍珠岩等都屬於這類物質,它們被稱為是非晶體。所以,在晶體與非晶的對比之下我們可以發現,晶體的生長具有明顯的規律可循,它們的生長就像人的胚胎一樣,按照相對固定的方式從一個小小的晶芽慢慢成長壯大。礦物晶體既有在岩漿中直接生長的,也有在來自於岩漿的蒸汽或熱水溶液中生長的,還有一些是由於地表風化作用形成的,這是一個涉及到物質微觀結構變化的過程,我們僅僅通過肉眼是難以觀察到的,但隨著它的不斷壯大,我們就能夠發現它的規律。
礦物晶體的生長
地球上大部分礦物晶體都形成於岩漿之中,隨著岩漿的冷凝,各種不同的礦物會按照熔點的高低不同而先後結晶出來。在這個過程中,晶體的大小與溫度冷卻的速率有很大關係,一般是冷卻的速率越快所形成的晶體往往越小,倘若冷卻速度過快的話甚至難以形成晶體,而成為非晶質體,比如黑曜石就是因為岩漿冷卻過快而形成的玻璃質岩石,它內部沒有晶體結構。簡單地說,就是晶體的結晶和生長需要一定的溫度條件和充裕的時間。但是,岩漿變化頻繁,實際上能形成超大單晶體的情況並不多見。比如說金剛石,它在十分苛刻的高溫高壓條件下歷經了數億年時間才得以形成,溫度要求在900~1300℃,壓力為4.5~6.0Gpa(大約相當於4.5~6.0萬個標準大氣壓),時間約10億到33億年,地點是地下140至190公里深處的地幔,所形成的金剛石顆粒往往都很小。世界上最大的金剛石「庫里南」原重僅僅只有3106克拉,幾乎相當於一個成年男子的拳頭大小。再比如橄欖石,它是一種常見的造岩礦物,也是岩漿結晶時最早形成的礦物之一,通常存在於橄欖岩、玄武岩、輝長岩等鐵鎂質岩石中,地球上的各種噴出岩中都含有橄欖石,但是目前世界上最大的一顆橄欖石也只有310克拉重,現珍藏於美國華盛頓的史密斯學院博物館裡。
還有一部分礦物生長在岩石裂隙或者岩洞中,含有某種物質的過飽和溶液逐漸沉澱、結晶而成為礦物晶體,因受到各種外界條件的影響,內部結構也會有所差異。比如玉髓和水晶,雖然它們的主要成分都是二氧化矽,同屬於石英家族,但它們的結構相差甚遠。水晶是二氧化矽結晶完美時的石英,內部具有十分規則的晶體結構,用肉眼都能夠分辨晶體顆粒,所以被稱為顯晶質結構。而玉髓內部的礦物晶體極為細小,用肉眼根本無法分辨出礦物顆粒,甚至在偏光顯微鏡下也難以分辨,所以被稱為隱晶質礦物。在自然界中,如果有合適的物理條件和化學條件,玉髓可以轉變為微晶石英,然後再發生重結晶作用轉變為石英。當外界條件非常適宜時,石英可以長得很大,中國地質博物館門前的「水晶王」便是極好的例證,迄今為止它仍是我國排名第一的單體水晶,但是在世界上還有更大的。世界吉尼斯記錄中所記載的「最昂貴的浴缸」,在倫敦著名的哈羅茲百貨公司銷售,標價為84.5萬美元,它是一塊完整的水晶製品,長約2米,重約2噸,是從一塊重達10噸的水晶中直接切割出來的,非常令人震撼。
三維空間內的變化
礦物晶體的生長,其實是在三維空間內的變化,也就是由X軸、Y軸、Z軸組成的空間。但是,不同的礦物具有不同的生長習性,有些礦物喜歡朝著一個方向生長,比如說輝銻礦,結果就形成了柱狀礦物,還有輝鉍礦,它也是朝著一個方向生長,不過它更細,呈現出針狀。還有一些是喜歡朝著XY平面方向生長,比如雲母,它的礦物集合體為葉片狀,可以被一層一層地揭開,所以被人們形象地稱之為「千層紙」。還有一些在三維空間內沒有什麼優勢的生長方向,比如方鉛礦,四四方方,十分規整,還有石榴子石,大多為五角十二面體,就像石榴子一樣呈顆粒狀。岩石和礦物生長需要一定的空間,如果空間不夠大或者含有礦物成分比較複雜的話,它們就喜歡在一塊生長聚集到一起。比如這一塊石英、白雲石、黃鐵礦,它們就都共生在一起,擠得密密麻麻,這就形成一種晶簇。
如果說礦物有足夠的生長空間的話,它可以長得很大,而且大得驚人。北美洲墨西哥奇瓦瓦市,有一個名為奈卡礦的多金屬礦,2000年4月,正當採礦工人在地下300米深處挖掘巷道時,突然有人發現了一個巨大的洞穴,有足球場一般大小,高度相當於兩層樓,走進洞穴發現這裡到處長滿了「利劍」,長的超過人的身高,短的也有幾十厘米,都是半透明的柱狀物,置身其中就像是走進了一座水晶宮殿。其實,這裡面的礦物並不是水晶,而是石膏晶體。石膏的晶體通常呈板狀,少數會長成長柱狀,顏色一般為白色,如果混入了其它雜質則可能表現為灰色、褐色甚至紅色,雖然無色透明的石膏看起來很像水晶。進一步的研究發現,如此罕見的石膏晶體是由於沉澱作用形成的。奈卡礦附近地下有古老的斷層,地下岩漿的高溫將周邊的地下水加熱,順著斷層向上湧出,溶解了岩石中大量的鈣和硫酸鹽礦物,本來就是中空的洞穴裡面充滿了這種富含礦物質的熱水。隨著溫度的不斷降低,在54℃左右,熱水中的礦物質開始沉澱並結晶,雖然結晶生長的速度極其緩慢,每一百年才能增長一根頭髮絲的寬度,但經過幾十萬年的時間,最大的已經長到了11米長,直徑4米,重達55噸!
實際上,我們在現實生活中很少能見到這樣的情況,平時所見到的大部分礦物晶體不僅個頭很小,而且質量也不好,很多都是「歪瓜裂棗」,這是為什麼呢?因為礦物在生長的過程中經常會受到一些外來因素的影響,比如地震、火山噴發,或者是一些地下流體的震盪,使它的生長環境受到破壞了,於是就形成了並不完美的礦物晶體。總而言之,礦物晶體的生長需要充足的物質原料供料、適當的溫度和壓力條件以及合適的生長空間,當然,還需要極其漫長的時間,所以我們現在看到的每一塊礦物晶體,它們的背後都有一段極不平凡的成長故事。