石頭很硬可是很溫柔

 
2018/11/13 曹恕中 | 經濟部中央地質調查所     639
岩石就像記錄著地球歷史的一本日記,仔細閱讀從古到今的岩石,就可以建構地球自形成以來所經歷的種種地質作用及環境變遷。

 

又硬又溫柔

 

石頭是岩石的俗稱,一般都認為它很硬,因此不知變通的人會被批評為腦袋硬得像石頭,俗語也常有:某人是擋路的絆腳石啦,或是掉在什麼坑的石頭啦等說法,給人石頭是又硬又臭的印象。然而,石頭也可以有浪漫的一面,比如散布在河床或海邊,讓玩石者瘋狂著迷。

 

岩石是組成地球固體部分的最基本材料,在我們生活周遭四處可見,提供人類生存活動的基石。萬丈高樓必由土地起,所有的建築物、橋梁、道路等工程都必須蓋在岩石或岩石風化的土壤上。民生社會中的工業、土木工程業及建築業也都少不了石頭,例如金屬元素以及水泥、砂石、石材等工業及建築原料,都是從岩石而來。

讀者可能會覺得奇怪,岩石何來溫柔?事實上,在很高的溫度及壓力下,堅硬的岩石也會變得像玩具黏土般地柔軟,再加外力就會產生「塑性變形」。山裡常見堅硬的岩層變成彎曲狀的「褶皺構造」,就是最好的例子。但是,這裡借用溫柔一詞形容岩石,不是要介紹岩石表面的柔軟,而是岩石那非常豐富的內在美。

 

就像一個擁有豐富學識的人,岩石的內在美在於擁有高度的科學價值,可以提供研究人員豐富的地質科學資訊。從岩石自身的特性、成因演化、經歷過的環境,到整個地球的歷史,都可以透過岩石的內在美一點一滴地閱讀出來。

 

礦物─岩石內在美的源頭

 

岩石的基本組成是礦物或是岩屑、化石等顆粒,這些顆粒好像生物的細胞,緊緊相鄰組成堅硬的岩石。礦物是岩石組成中最大宗的物質,有時這些礦物顆粒頗大,肉眼可見其形貌,但大多數的細節仍須藉由顯微鏡觀察,才能一窺岩石的堂奧。

 

礦物本身是由各種元素的原子依循一定規則排列,經化學鍵結合而形成特有的外形,稱為結晶體。一般來說,礦物的外觀和其組成原子的排列型式有非常密切的關係。而由結晶體規則的外形,也可以反推原子大致是如何排列的。

 

在學理上,礦物的認定要符合4個條件:由天然的無機作用所形成、是固體狀態、原子的排列組合具有高度規則性、具有確定且均質的化學成分。因此冰川的冰是礦物,液態的水和汞(水銀)就不是礦物了。貝類外殼的碳酸鈣、人體產生的磷酸鈣等結石,由於是有機作用生成,依上述的定義則不屬礦物,然而隨科學發展,傳統的礦物定義已有朝廣義解釋的趨勢。

目前地球上已確認並給予名字的礦物,大概有四千多種。根據中央地質調查所出版的《台灣之礦物》專書,台灣發現的礦物有251種,其中不乏珍貴獨特的礦物,如台灣的北投石、明礬石、硫砷銅礦、文石4種礦物,甚至於民國86年被中華郵政公司選為新郵票發行的主題。

 

岩石的基本組成礦物稱為造岩礦物,其中最大的族群就是矽酸鹽礦物,它是由氧原子和矽原子依據物理化學的鍵結定律,緊密結成的矽氧四面體,可視為是建構礦物結晶體最基本的建築磚塊。矽氧四面體可以是單一四面體,或由四面體之間分享氧原子,連結成為鏈狀、環狀、層狀、框架狀等結構,之間的空隙再由鋁、鐵、鎂、鈣、鈉、鉀、氫氧根等離子充填,就形塑成各式各樣的矽酸鹽礦物。

 

地殼中有8種重要的造岩礦物,包括7個矽酸鹽礦物:石英、長石、輝石、角閃石、橄欖石、雲母及黏土礦物,再加上另外一個很重要的非矽酸鹽類─碳酸鹽礦物。此外,在礦化的地區,常見到許多重要的非矽酸鹽種類的礦物,例如硫酸鹽及硫化物,結合了許多金屬元素,例如金、銅、鐵、鉛、鋅等,成為人類賴以發展的重要礦產資源。台灣的九份、金瓜石就曾是世界著名的硫化金銅礦區。

 

礦物學和岩石學一直都是地質科學中重要的基礎學科。接下來就要重點介紹岩石內在的礦物如何反映堅硬岩石的溫柔面。

 

礦物光學─五彩繽紛的光之舞

 

研究岩石內在美的第一步是鑑定礦物。目前最傳統也是最直接經濟的方法就是把岩石黏在玻璃片上,磨製成厚度0.03釐米的「岩石薄片」,然後放在偏光顯微鏡的旋轉台上,讓單一振動方向的偏光由下方入射,觀察光線穿透礦物晶體時產生的特定光學現象,以之進行礦物種類的鑑定,這門學問稱為光性礦物學。另外,利用顯微鏡觀察岩石薄片,描述岩石微觀的特徵,把岩石分門別類,進而探討岩石成因的學科,則稱為岩象學。

可見光本身是電磁波,在穿透礦物晶體時,光的電場振動方向受到晶體內原子鍵結電場的影響,改變了光在礦物內部的折射率,也就是改變了光原有的運動速度和方向。尤其是光進入大部分的礦物時,由於原子在三度空間排列不同,電場強度也隨之不同,有時會產生雙光線(快光、慢光)。當雙光線穿出礦物表面(即岩石薄片上方)再度重疊時,因為兩光線波長的差異(相差),若再配合顯微鏡上下兩道偏光方向相互垂直的濾鏡,在目鏡中就會看到礦物呈現五彩繽紛的干涉色。

 

干涉色並不是礦物原有的顏色,而是雙光線交互作用的結果。此外,轉動顯微鏡上的薄片時,還會出現消光、多色性等有趣的光學現象。由於每種礦物有其特定的原子組成(化學成分)及原子排列(結晶構造),使得每一種礦物都有其特定的光學性質,光學現象便成為鑑定礦物的重要特徵。

 

岩象學─尋找隱藏的演化痕跡

 

當漫步在野外走近一個岩石露頭,或者在海灘撿起一顆鵝卵石時,岩石的顏色、組成礦物顆粒的大小或礦物顆粒的排列方式,都是第一個可以感受的印象。如果更進一步利用偏光顯微鏡鑑定礦物種類和其細部的岩象特徵,就可以得到第一手的岩石紀錄,岩象觀察可說是每個地質科學系學生都要學習的基本功夫。

 

岩石的岩象談的就是岩石的組成顆粒,岩象分析除了鑑定礦物外,還要描述細微的岩理,除了礦物的種類、數量外,還包括岩石整體的顆粒度大小、外形、結晶度、圓度、顆粒間的接觸關係,以及顆粒的排列方向等特徵。此外,礦物的結晶特徵如環帶、解理、雙晶,這些顆粒和結晶特徵在岩石學則統稱為岩理。

 

岩石的每一項岩理特徵都有其獨特的意義,可以告訴我們許多岩石的內涵,包括岩漿成因和演化、礦物結晶生長過程、變質溫度壓力環境的變化、外在大地應力方向、沉積物搬運的歷程或沉積環境的物理化學改變等。地質學家甚至可以從岩石推演出地球自古至今曾經發生的大小地質事件,諸如岩漿活動、沉積作用、變質作用、成礦作用、造山運動等。若再補上地質時間的量測,就可以建立起整個地球從無到有的演化歷史,這也是岩石內在美的真實價值。

 

舉個例子,礦物環帶的成因就是礦物生長時記錄了岩漿冷卻的過程。此外,安山岩有一個獨特的岩理,就是斑狀組織;看到斑狀組織,就可以斷定岩漿經歷了兩個冷卻階段。當岩漿庫還在比較深的位置時,礦物有時間慢慢結晶生長成大顆粒的斑晶,一旦熾熱的岩漿噴發至地表,就會急速冷卻成為細粒的「基質」,包圍著原來在岩漿庫生長的斑晶。安山岩被人們俗稱為「麥飯石」,正是常見白色的斜長石顆粒大到肉眼可見,外觀就像白色的米粒嵌在石頭中。

 

觀察和描述岩理之後,接著就是解析岩理所隱藏的訊息,然後建立初步的岩石成因模式。推敲成因模式,應該是研究岩石最有趣的事了。當然一個完整的岩石成因模式,還必須透過高精密的地球化學分析方法,蒐集主要元素、微量元素、同位素含量等資訊,待完整的岩石紀錄獲得後,才能綜合解釋及討論。

 

岩石的分類─石頭家族

 

研究岩石當然要從岩石的分類開始,岩象資訊是岩石分類的重要根據。岩石依照形成的原因,可分成3大類:火成岩、沉積岩、變質岩。火成岩的原始岩漿可來自上百公里深的「地函」物質;沉積岩反映地球表面與水有關的種種地質作用;變質岩則經歷了「地殼」不同深度的溫度壓力的淬鍊。不同的岩石也許外觀看似相仿,述說的故事可能完全不同。

火成岩是所有岩石的始祖,由熾熱澎湃的高溫岩漿直接冷卻,其組成礦物都是在岩漿冷卻時結晶,礦物生長時會填滿所有空隙,因此每個顆粒緊密鑲嵌,有如古代建築物的卡榫。採集新鮮的火成岩標本很辛苦,用地質錘敲打會發出清脆聲響,不時迸出火花,其堅硬可想而知。

 

沉積岩是高山來源區內受侵蝕風化的岩石碎屑經流水或風的搬運,最後堆積在低窪盆地成為疏鬆的碎屑狀沉積物。隨著堆積的厚度及荷重逐漸增加,疏鬆沉積物經過壓密和膠結的岩化作用終成了沉積岩。

 

沉積岩是靠膠結等作用把分離沉積物顆粒壓密固化,並非像火成岩般是由礦物晶體鑲嵌,因此相對火成岩和變質岩的硬岩,沉積岩屬於軟岩。在同一地點,接受相同的風化侵蝕,火成岩會很明顯凸出於地表。

任何一種已經存在地表或地殼淺處的岩石,因地質作用再度深埋到地球深處時,為了適應新的溫度壓力,原來岩石的礦物會重組成新的變質礦物,便生成變質岩,隨後再經由造山運動抬升回到地表。

 

除了溫度和壓力是變質作用主要的驅動力量外,大地環境施予岩石的應力,也會使片狀的雲母或長條狀的角閃石等礦物順著應力排列,在岩石內就形成線狀或帶狀的特徵。這些線條狀構造統稱為葉理,是變質岩重要的岩理。如果溫度及時間足夠,原先生成的葉理甚至會被扭曲變形而產生多組葉理,由此可以推論,這岩石應遭遇了好幾階段的變形歷史。許多奇石上的似人、似物、似風景或印象/抽象風的圖案混然天成,其實應力就是巧雕這些豐富多樣外觀變質岩的那隻魔手。

 

岩石不死 凋零重組又再生

 

三大岩類雖各有其成因,彼此卻又息息相關,相互傳承。簡單地說,地函物質產生岩漿上湧到地殼淺部或表面冷卻成火成岩,一旦出露地表後,藉由接觸水和空氣會風化成碎屑,再由重力和水流帶往盆地堆積形成沉積岩。之後的板塊運動則把地表岩石又拉回地函,在潛返過程中,地球內部的高溫高壓把它們轉換成變質岩,之後一部分抬升回到地表,再度接受風化侵蝕,一部分又回到地函,再融熔成岩漿上湧,這就是「岩石循環」的故事。

 

台灣島的地質現況及岩石分布,其最主要的動力來自東部的歐亞板塊與菲律賓海板塊火山島弧之間的隱沒和碰撞作用。台灣雖小,何其有幸,越過美麗平直的花東縱谷就是跨越地球的板塊界線。

 

一顆石頭所包含的訊息,可以從採集的地點透過野外產狀、岩象觀察、分析及實驗,反推出岩石所經過的環境變遷歷程,乃至每一顆礦物的結晶開始。因此,岩石就像記錄著地球歷史的一本日記,仔細閱讀從古到今的岩石,就可以建構地球自形成以來所經歷的種種地質作用及環境變遷。

 

除了記錄地球歷史外,岩石的應用取決於岩石的內部特性。岩石強度、硬度等性質,與礦物種類、數量、結合方式等「礦物組合」的綜合性物理化學性質息息相關,因此在工程建設上,尋找堅硬穩定的基礎岩盤及工法設計方面,微觀的岩象特徵也是非常重要的資訊。

 

岩石有這麼豐富的內在美,雖然它很硬,卻溫柔又美麗。