石榴石及其科学意义

石榴石及其科学意义

文：嵇少丞

在2016年10月10日魁北克华人教授协会的“观石赏枫”郊游中，Grenville 构造省变质沉积岩中红色的石榴石晶体给各位教授与女士们留下深刻的印象。

石榴石，英语中叫Garnet， 法语叫Grenat，是一组具立方晶系对称性的矿物晶体，因其晶体形态酷似石榴籽而得名。在青铜时代，石榴石就已经被人类用作宝石。 考古发现，古埃及人特别喜欢用石榴石美化他们的服饰， 作为权力与地位的象征。2500年前古希腊人已经把石榴石镶到手镯上。石榴石是古以色列人第一位大祭司（High priest）亚伦所佩带的彩色胸兜上的十二颗宝石之一，代表犹大支派。在古希腊神话中，哈底斯在交还珀耳塞福涅时给她吃下一些石榴籽，令她必须在一定时间内回到冥界，因此石榴石一直代表忠诚、真实及坚贞。在1842年法国奥布省Pouan发现的地下宝藏库中，石榴石与一个公元5世纪的日尔曼人英雄的骸骨一同埋葬。在英国莱斯特郡曾发现了一个制造与公元5世纪的黄金石榴石吊饰。在一个公元6世纪的法兰克人墓穴中，发现了一个用石榴石做成的夹发针。在公元16世纪，人们迷信石榴石可以保护人类的心脏免受毒素及瘟疫的影响。即使现在，石榴石也常被用于手镯及胸针。

另外，《圣经》里有挪亚方舟用石榴石照明的故事。在《古兰经》中， 也有石榴石照亮了第四个天堂的描述。

石榴石按其化学成分可被分为如下几种：

钙铝榴石（Pyrope），

铁铝榴石（Almandine）、

锰铝榴石（Spessartite）、

钙铁榴石（Andradite）、

钙锰铝榴石（Spessartine）、

钙铝榴石（Grossular，

变种有沙弗来石（tsavorite）及肉桂石（hessonite））及钙铬榴石（Uvarovite）。

石榴石形成两个固溶体系列：

1.    红榴石-铁铝榴石-锰铝榴石

2.    钙铬榴石-钙铝榴石-钙铁榴石

我们在蒙特利尔北面Laurentides山里看到的就是钙铝榴石，呈红色，化学式为Ca3Fe2(SiO4)3。

石榴石是通用化学式为X3Y2(SiO4)3的硅酸盐矿物。X的地方通常被二价正离子（Ca2+, Mg2+, Fe2+）占据，而Y的地方被三价的正离子（Al3+, Fe3+,Cr3+）占据，配合一个正八面体或由[SiO4]4−提供的四面体框架。石榴石常具正十二面体的结晶习惯。石榴石中， 化学键力较强，其摩氏硬度高达6.5至7.5。铁铝石榴子石的分子式：Fe3Al2(SiO4)3

石榴石是研究岩石变形历史关键性的矿物，因为石榴石具有热力学的稳定性， 能够有效地抵抗成岩候的化学交代或风化蚀变作用， 故可以记录高温变形的历史， 例如，岩石经受剪切旋转的变形历史，故本人曾形象地把旋转的石榴子石称之为石头中的“风火轮”。

风火轮，中国神话故事中哪吒的兵器之一，双轮暗藏风火之势，可作交通工具，上天入地，无所不能。有诗为证：“两朵莲花现化身，灵珠二世出凡尘。手提紫焰蛇牙宝，脚踏金霞风火轮。豹皮囊内安天下，红锦绫中福世民。历代圣人为第一，史官遗笔万年新。” 天然岩石之中亦有类似“风火轮”这样的构造，您若不信，请看下图。

岩石中的“风火轮”，是地壳岩石曾经发生高温塑性旋转剪切变形的证据。（a）变质岩中右旋的石榴子石。（b）石榴子石中Mn含量分别图，从红到兰Mn含量降低，Mn含量的变化指示石榴子石的生长与右旋历史。（c~f）构造岩中石榴石变斑岩的生成与右行旋转解释图，生长着的石榴子石变斑晶在旋转长大过程中逐渐裹进周围塑性变形基质的面理。

旋转是宇宙中普遍的物理现象，星系在旋转，地球在旋转，固体地核在旋转、液体地核在旋转，地幔也在旋转（对流）。固态地壳的旋转相对难些、慢些，主要发生在剪切带特别是大型韧性剪切带中，岩石在漫长的地质历史中的旋转过程通过内中立方对称晶系的矿物——石榴子石在逐渐生长的过程中把正在旋转的周围介质的面理或线理不断裹进体内而真实地记录下来，那些依次被旋裹进入石榴子石体内和那些尚留在其体外的面理，构成“风火轮”的旋光。既然旋转发生在400°C以上高温环境，故叫它“风火轮”亦非常确当。

岩石中 “风火轮”在构造地质学的行话中叫雪球构造（Snowball）。在地壳的固体岩石中，旋转剪切的平均速率其实很慢，每百万年才旋4~5°，但这对山脉来说已经很快了， 例如，喜马拉雅山脉在西藏呈东西向走向，而到了滇西北（横断山和云南三江地区）就转成南北向了，这样近90°的旋转仅需要不到两千多万年的时间。原来，岩石圈板块的运动也是“脚踏风火轮”式的，其“金霞”可以穿透上地壳，产生轰鸣的强烈地震。岩石中 “风火轮”的科学意义还真不少呢。