顯微鏡下的巖石世界

盧靜

石頭，在我們的生活中隨處可見(jiàn)，它們組成了高聳的山脈、幽深的河谷、堅(jiān)實(shí)的大地，是我們生存空間的基石。

各種各樣的石頭被地質(zhì)學(xué)家稱(chēng)為巖石，它們記錄了地球46億年的形成與演化歷史。構(gòu)成巖石的是礦物，它們是各種離子、原子、分子按照一定的規(guī)則“組裝”在一起的物質(zhì)，是連接微觀世界和宏觀世界的橋梁。

研究人員把巖石制成薄片放在偏光顯微鏡下觀察，就可以準(zhǔn)確識(shí)別出組成巖石的各種礦物，并由此打開(kāi)一扇通往巖石微觀世界的大門(mén)。

偏光顯微鏡的“魔法棒”

顯微鏡主要是由像望遠(yuǎn)鏡一樣的鏡頭（目鏡和物鏡）、放置巖石薄片的物臺(tái)和發(fā)光的光源組成。

偏光顯微鏡和普通的生物顯微鏡不同，它有上、下兩個(gè)偏光鏡以及單偏光、正交偏光和錐光3種工作系統(tǒng)。

那么巖石薄片是怎么制成的呢？首先，需要將巖石切割成像牛軋?zhí)谴笮〉膲K體，單面磨光后用特殊的膠水粘在載玻片上，再磨薄至約0.03毫米的厚度，粘上蓋玻片，一個(gè)巖石薄片就做好了。

使用偏光顯微鏡觀察巖石薄片時(shí)，光從顯微鏡下部透過(guò)物臺(tái)上的小孔穿過(guò)薄片中的礦物，發(fā)生折射、反射、干涉等一系列光學(xué)現(xiàn)象，再進(jìn)入“望遠(yuǎn)鏡”，最后進(jìn)入我們的眼睛。由此，我們可以觀察到各種各樣的奇妙光學(xué)現(xiàn)象，這些現(xiàn)象是礦物的各種光學(xué)性質(zhì)的反映。

自然界中大部分巖石可能都是黯淡無(wú)光、平凡無(wú)奇的，但是被制成巖石薄片放在偏光顯微鏡下觀察卻是另外一番景象，它們立刻變得色彩繽紛、熠熠生輝。

偏光顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖

例如，矽（xī）線巖（下圖）經(jīng)過(guò)偏光顯微鏡這個(gè)“魔法棒”的“點(diǎn)撥”，從一個(gè)平凡的灰姑娘變成了光彩照人的公主（右圖）。

這個(gè)神奇的轉(zhuǎn)變是怎么發(fā)生的呢？這是因?yàn)槲€巖中的礦物在偏光顯微鏡的正交偏光系統(tǒng)下產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，披上了“干涉色”這件五彩斑斕的外衣而變得美麗。

下面就讓我們看看顯微鏡下的巖石還有哪些神奇的現(xiàn)象吧！

礦物會(huì)“變色”

在單偏光系統(tǒng)下，我們只使用顯微鏡的下偏光鏡，可以觀察到礦物的顏色。旋轉(zhuǎn)顯微鏡物臺(tái)時(shí)，巖石薄片隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，有些礦物的顏色會(huì)發(fā)生變化。例如：下圖中，旋轉(zhuǎn)物臺(tái)90度，麻粒巖中的紫蘇輝石由淺綠色慢慢變?yōu)榱藴\紅色。繼續(xù)旋轉(zhuǎn)物臺(tái)90度，紫蘇輝石又從淺紅色變回淺綠色。它只是轉(zhuǎn)一個(gè)90度的“轉(zhuǎn)身”，卻像變色龍一樣變了色，這是為什么呢？

要解答這個(gè)問(wèn)題，我們首先要清楚什么是礦物在顯微鏡下的顏色。

由7種單色光（紅、橙、黃、綠、藍(lán)、青、紫）組成的白光，透過(guò)礦物后會(huì)被部分或全部吸收，沒(méi)有被吸收的那部分色光，透出礦物混合而成的顏色就是我們看到的礦物在顯微鏡下的顏色。

這里我們不得不提一下，礦物根據(jù)其光學(xué)性質(zhì)可以分為非均質(zhì)體和均質(zhì)體兩類(lèi)。非均質(zhì)體礦物的光學(xué)性質(zhì)在各個(gè)方向上是不同的，我們轉(zhuǎn)動(dòng)物臺(tái)改變了光進(jìn)入礦物晶體的方向，不同方向上對(duì)光的吸收程度不同，因此所呈現(xiàn)出的顏色也不同，這種現(xiàn)象叫作多色性。這時(shí)礦物的顏色深淺往往也有變化，稱(chēng)為吸收性。而均質(zhì)體礦物在各個(gè)方向上的光學(xué)性質(zhì)是相同的，那么大家猜猜看，多色性和吸收性會(huì)不會(huì)出現(xiàn)在均質(zhì)體中呢？

礦物會(huì)“隱身”

在正交偏光系統(tǒng)下，同時(shí)使用上、下兩個(gè)偏光鏡，而且上、下偏光鏡的振動(dòng)方向相互垂直（即正交）。轉(zhuǎn)動(dòng)物臺(tái)，大部分礦物會(huì)出現(xiàn)忽明忽暗的情況，一會(huì)兒閃閃發(fā)亮，一會(huì)兒卻變得黑暗，似乎是消失不見(jiàn)了，有些礦物還會(huì)完全消失。

正交偏光下這種礦物“隱身”的現(xiàn)象被稱(chēng)為消光。這是因?yàn)槲锱_(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到礦物的某一特殊光性方位時(shí)，透出礦物的光不能穿過(guò)上偏光鏡，礦物就會(huì)“隱身”。

旋轉(zhuǎn)物臺(tái)360度，非均質(zhì)體礦物會(huì)發(fā)生4次“隱身”；均質(zhì)體則始終處于“隱身”狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫作全消光。

左圖的榴輝巖，在單偏光下可以看到它主要由淺綠色的綠輝石和淺粉色的石榴子石組成；在正交偏光下，作為非均質(zhì)體的綠輝石會(huì)發(fā)生4次明暗交替，而作為均質(zhì)體的石榴子石則完全不見(jiàn)蹤影。

礦物會(huì)被“吃”掉

在顯微鏡下觀察巖石薄片會(huì)發(fā)現(xiàn)，有些巖石中的原生礦物被后來(lái)的次生礦物一點(diǎn)一點(diǎn)地“吃”掉。這些次生礦物或是沿原生礦物的邊部包圍，或是從中心向四周“突進(jìn)”，把原生礦物分割成多個(gè)“隔海相望”的“島嶼”（下圖左）或是一座“孤島”，直至全部吞噬，取而代之，但仍保留原生礦物的外部形態(tài)的假象（下圖右），這種地質(zhì)作用被稱(chēng)為蝕變。

實(shí)際上，原生礦物并不是真的被“吃”掉了，而是因?yàn)橥饨绛h(huán)境的改變而發(fā)生變化，形成了新的礦物。

礦物也有“年輪”

在顯微鏡下觀察巖石薄片時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，有些礦物從內(nèi)向外具有一圈一圈的環(huán)帶，猶如樹(shù)木的年輪一樣，常見(jiàn)于普通角閃石（上圖左）、斜長(zhǎng)石（上圖右）、鉀長(zhǎng)石、石榴子石、霓輝石等礦物。

樹(shù)木的年輪記錄著其生長(zhǎng)過(guò)程中不同季節(jié)、不同氣候環(huán)境的變化，那么礦物的環(huán)帶是否也具有同樣的作用呢？答案是肯定的。礦物在生長(zhǎng)過(guò)程中，外界的溫度、壓力、化學(xué)成分發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致礦物成分上的變化，進(jìn)而形成光性特征有差異的一圈圈環(huán)帶。

礦物也有“雙胞胎”

天然產(chǎn)出的礦物晶體既可以單個(gè)生長(zhǎng)，也可以由兩個(gè)或多個(gè)同種晶體按不同的方位生長(zhǎng)在一起，好像是人類(lèi)的雙胞胎或多胞胎，被稱(chēng)為雙晶。

“雙胞胎”有的是由兩個(gè)晶體并排生長(zhǎng)在一起，如普通角閃石的簡(jiǎn)單雙晶（右圖上）；有的是由兩個(gè)晶體相互穿插生長(zhǎng)，猶如“十”字，如十字石的十字雙晶（右圖下）。而“多胞胎”是由多個(gè)晶體彼此平行地生長(zhǎng)在一起，常見(jiàn)斜長(zhǎng)石的聚片雙晶；或是多個(gè)晶體呈環(huán)狀生長(zhǎng)在一起，如堇青石的六連晶。

本文介紹的只是巖石顯微世界的滄海一粟，更多精彩的內(nèi)容需要大家親自觀察和探索！

（責(zé)任編輯 / 陳琛? 美術(shù)編輯 / 周游）