大自然的聚寶盆與寶藏
105/01/05
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黃武良｜
臺灣大學地質科學系
劉淑蓉｜
臺灣大學師資培育中心
大自然賜與人類的寶藏，為什麼總是藏在少數特定的岩石中？如鑽石多源自金柏利岩，翡翠僅限於高壓變質岩中，而祖母綠及一起生成的金綠寶石、碧璽、鋰輝石、黃玉、石英、雲母、螢石等，多產自有大自然聚寶盆之稱的偉晶花崗岩中。這種花崗岩內礦物晶體特大，且晶形良好，一般長度約2～5公分，也可達1公尺以上。究竟花崗岩在什麼樣的情況下會結晶生成大礦物晶體？
後期岩漿的奇蹟
花崗岩如何形成，18世紀曾引起地質學上有名的「水成」與「火成」學派之爭。今日已知道，灼熱的花崗岩岩漿從地殼深處上湧，流至約二十幾公里深處逐漸冷卻結晶，再經由造山運動抬升至地表為人類所用。
偉晶花崗岩是花崗岩岩漿在地殼中凝固成花崗岩後，由殘留的岩漿結晶而成。這些殘留岩漿富含許多早期結晶礦物不易容納的離子，也就是只在當其濃縮到足夠濃度時本身才會結晶出的特種礦物。這類岩石成為大自然的聚寶盆，蘊藏著珍奇的寶石礦物如綠柱石、金綠寶石、電氣石、黃玉、鋰輝石、石榴子石、螢石、亞馬遜石等，以及富含鈹、鋰、鉭、鈮、鈾、鉍、鉬、鎢和稀土元素等，是工業及戰略不可或缺的資源。這些元素為什麼不被早期凝固的礦物所接受？
天生我才必有用
花崗岩岩漿在凝固過程中，主要是長石、雲母、石英等各類造岩礦物先結晶出來。先結晶的礦物可以從岩漿中優先挑選所需要且最適合的離子，選剩的則殘留在後期岩漿中。
礦物晶體的結構中各類原子有一定的排列方式，其架構的基本單位是以矽為中心、氧為四角的四面體，即形成矽酸根離子。這架構中有不同形狀、大小的空間由陽離子所填充，這些空間的形狀經常是以陰離子為角的多面體。何種陽離子最適合進入何種空間，主要取決於陽離子的價數及離子半徑大小。
每一種礦物都有最適合它的陽或陰離子。礦物在結晶時，周遭其他不同但相容的離子也可俟機進入晶體取而代之。所謂相容，必須離子大小相差不超過15％，或價數相差不超過1個單位，或電場不太強，或電負度差不太大等。因此，許多特殊離子會與早期結晶的礦物不相容。
花崗岩後期岩漿所殘留的離子多數不符合相容條件，一般稱為不相容元素，無法進入造岩礦物，只能殘留且逐漸富集在後期的岩漿或熱液中。然而，天生我才必有用，當它們的濃度達到一定的程度時，大自然終於幫它們找到歸宿，開始結晶出一些特殊的礦物，大器晚成自此身價百倍。
大晶體的生成
礦物晶體的大小，關鍵在於礦物質在岩漿或水溶液中的飽和度。若過飽和，就容易播種較多的晶核，然後各自生長成許多晶體，因為營養分散，各單晶體能夠生長的大小就受到限制。倘若剛達到飽和，播種的晶核數較少，營養較集中，因此可生長成大晶體。後期岩漿所含的不相容元素量少不易過飽和，是形成超大晶體的主要原因。
工業界近半世紀以來，已能在幾星期或幾個月內，在類似偉晶花崗岩熱液中合成寶石用的祖母綠、工業用石英等大晶體。但在天然高溫高壓下，岩漿或熱液中晶體的絕對生長速率至今尚難直接量測。
偉晶花崗岩的晶體在很小的溫度梯度及斷續的營養源供應的天然條件下，雖然無法測量，但推測其生長速率可能經過非常漫長的歲月甚或百萬年，與礦物的種類及周遭環境有關。
偉晶生長的推手
岩石學家發現，花崗岩岩漿在無水狀態下的全熔溫度約為攝氏1,200 ~ 1,250度，但含高壓的水可以降低其熔點。原始岩漿在20 ~ 30公里處約含3％的水，其溫度約為攝氏800 ~ 1,100度。當岩漿逐漸演化結晶出不含水的固態礦物後，岩漿中的水分逐漸增加，最多可達7 ~ 15％，視壓力（深度）而定。這類低溫、高壓、含水量多的岩漿，比重小易流動，沿著斷層或裂隙往上侵入淺處的圍岩中，或以岩脈出現，成為偉晶花崗岩。
岩漿一般從裂隙兩邊開始凝固，中間殘留的岩漿含有較多量的助熔成分（水分、氟、鋰、硼、磷等），黏滯性小，結晶生長所需養分容易擴散補充，加以助熔成分本身可加速結晶生長，因而生長的結晶大。此外，由於含助熔或不相容元素成分多，所結晶的礦物也較異類。後期岩漿含水量較多，一旦壓力下降，超臨界熱液就從岩漿中析離逸出成氣泡，讓礦物有空間自由生長形成外形良好的大晶體。
岩漿完全凝固後，殘留的超臨界熱液或地下水滲入灼熱的岩體加熱後的熱液，仍可溶解多量的矽質等礦物質和豐富的不相容元素，供養晶洞中晶體繼續生長。熱液也常填充成岩脈或注入斷層、裂隙中形成礦脈，造成熱液礦床，或與圍岩作用形成蝕變礦化帶。淺處常見的石英脈也是如此造成的。
花崗岩在地球表面的分布相當普遍，但偉晶花崗岩並不多，有經濟價值的礦區更是少見。著名的除了巴西外，有阿富汗、加拿大及美國。
其實，偉晶岩不限於花崗岩，其他如閃長岩和輝長岩也可形成類似的偉晶岩體，但不普遍，產出的寶物也不同。
價值不斐的寶物
寶石礦物中如祖母綠、翡翠、紅藍寶石、亞歷山大石等，最常見的是結晶中的鋁被微量的鉻或鐵離子所取代，因而色彩繽紛。
礦物名稱是綠柱石的祖母綠，其產生除了綠柱石的生成條件外，還得有鉻、釩、鐵等致色離子存在的環境。當鉻、釩、鐵離子接近時，綠柱石中少量的鋁離子就會讓位，而成就綠柱石繽紛的色彩。
可惜鉻、釩、鐵等在一般酸性花崗岩漿中的量少，即使有也已被早期結晶的礦物用完，因此多數須從周圍岩石中獲得。含鉻、鐵、鎂成分多的超基性岩（橄欖岩、蛇紋岩）或基性岩（玄武岩、輝長岩）自然成為生成祖母綠的首選圍岩，因而地球上祖母綠的礦床多在偉晶花崗岩與超基性岩體接觸帶。這種組合相當不容易，說明了為何尋綠柱石易，覓祖母綠難。不過有一例外，世界最重要（占60％）的祖母綠產地哥倫比亞，其礦床與偉晶花崗岩並沒有關聯，而是由黑色頁岩中的熱液所形成，成因複雜，是很特殊的礦床。
寶石級的綠柱石除祖母綠外，還有帶海藍色含微量鐵的海藍寶石，以及罕見的粉紅色綠柱石–含錳的摩根石。
金綠寶石也是產於偉晶花崗岩中的貴重寶石，與綠柱石同樣含鈹、鋁，但不含矽，其生長環境比祖母綠更難得。花崗岩岩漿一般含過量矽質，尤其是晚期的偉晶花崗岩岩漿，矽質無所不在，最後常結晶成大量的石英。在這樣多矽的環境中，要生長不含矽的礦物是奇蹟，因此世界上只有很少的地區如烏拉山、斯里蘭卡等生產金綠寶石。
有一種金綠寶石稱為亞歷山大石，在陽光下是綠色，在鎢燈或燭光下呈現紅棕色，因此有「白晝裡的祖母綠，黑夜裡的紅寶石」之稱。這是由於金綠寶石中微量的鉻離子會吸收部分波長的光線，因而只能透出或反射藍綠或紅橙光。白天時，光線的藍綠光強而紅光弱，加上眼睛對綠光較敏感，因此感覺綠色。夜晚，白熱絲燈光中紅光強而藍綠光弱，因而呈現紅色。
另有一種金綠寶石會產生貓眼現象，是正宗的貓眼石。因金綠貓眼石含有規則排列的針狀金紅石，當光線入射蛋面的寶石時，經由這些針狀物反射聚光，在垂直於針狀排列的方向形成一亮帶。
碧璽是電氣石的一種。電氣石是十分特殊的礦物，但在偉晶花崗岩中常見，一般是黑色，呈六方或三方的柱狀晶體。它具備獨特的熱電效應與壓電效應，也就是在溫度或壓力變化時會產生電流，科學家從對它們的研究中發展出許多的理論、材料及應用。
黃玉（topaz）不是玉，是單晶寶石，不只有黃色，也有七彩顏色，因此有時直譯為托帕斯石。黃玉與石英、綠柱石是經常生長成大晶體的礦物。
科技及戰略物資
2008年，美國國家科學研究委員會發表〈21世紀軍需原物料的管理〉報告。2010年，《科學》期刊刊登〈電子材料〉一文後，引起各國對高科技工業原物料可能供應中斷風險的重視。同年，歐盟認定20種經濟關鍵原物料，大陸也開始對多項原料包括稀土的出口限制，引起各國對其違反WTO規範的質疑。
各國重視的電子原物料種類大同小異，其中鈹、鋰、鉭、鈮、銣、銫、鋯、銻、鎢、錫、稀土元素以及螢石、石英等，主要或部分源自偉晶花崗岩中的礦物。
