秘鲁石头（石头大家族）

地球上先有石头，后有人类......

趣说地质学--“石头”大家族

作者：王清晨/中国科学院地质与地球物理研究所（已退休）

石头和我们人类有不解之缘。

地球上先有石头，后有人类。

《西游记》中大闹天宫的孙猴子就是从石头里蹦出来的，而人类能完成从猿猴到人的进化，就是靠了和石头打交道。

“人猿揖别，只几个石头磨过。”

地质学上所说的“石头”是一个大家族。人类对这个大家族的认识是逐步深入的。

1 人类早期对石头的感性认识

人类文明发展的第一个阶段就是“石器时代”。

远古时期的人类为了生存和发展，一直在利用石头作为工具和用具。

古人类在打制和磨制各种石器的过程中，认识到石头的软硬、韧脆等物理性质。

例如，我国的蓝田人、北京人所用石器大都由硬度较大的石英质矿物和岩石制成，后来的山顶洞人又掌握了在硬度不大但具有一定韧性的石头上钻孔的技能。

他们可能叫不出这些石头的名称，但对这些石头在物理性质上的差别已经有了不少感性认识。

后来，人类逐步掌握了从石头中提炼铜、铁等金属的技能，用它们制造新一代的工具，社会也随之进步到“青铜器时代”和“铁器时代”。

文字的发明促进了知识的积累速度和数量，人类对于石头的认识开始系统化。

古希腊的哲学家和博物学家亚里士多德（公元前384～前322年）在《气象学》中提出，世界万物都是由火、土、气、水四种元素组成的，火在上，土在下，中间是气和水。

每种元素都是燥、湿、冷、热这四种基本特性中两种特性的组合。

他把石头分成两类，一类是铁、铜、金等“金属”，另一类是不能被熔化的“石化矿物”，如雄黄、赭石、辰砂等。

“金属”的成因是水汽的蒸发，而“石化矿物”的成因是燥和热的释放。

听着很玄妙吧？

亚里士多德的思想成为日后炼金术中物质转化的理论依据。

亚里士多德有个学生，叫泰奥弗拉斯托斯（公元前372～前286年），也是位哲学家和博物学家。

他写了本《石头论》，是目前已知最早的有关岩石和矿物的专门著作。

书中把石头分成金属、岩石和粘土三类，描述了70多种矿物的颜色、硬度、结构，可燃性、可溶性等物理性质。

泰奥弗拉斯托斯（公元前372～前286年）

古罗马的老普林尼（公元27～79年）出版了百科全书《博物志》。

这是一部巨著，其中第33～37卷中收录了大量关于岩石、土壤、金属和宝石等知识，包括对石英、钻石、翡翠等矿物晶体的系统描述。

石英

钻石

翡翠

阿拉伯的阿尔·比鲁尼（公元973～1050年）于1048年出版《识别贵重矿物的资料汇编》，对阿拉伯地区发现的一些矿物和天然金属进行了描述，并精确地测定过18种宝石和金属的比重。

我国宋代杜绾（生卒年不详）写了本《云林石谱》（约公元1118～1133年成书）。

书中描述了116种石头的产地、产状、品位和物理性质。杜绾对于石头的坚硬程度划分得相当精细。

共分成8个等级：甚软、稍软、稍坚、不甚坚、坚、颇坚、甚坚、不容斧凿。

杜绾：《云林石谱》李时珍：《本草纲目》

明代李时珍（1518～1593年）在实地调查的基础上，历时27年，完成了192万字的《本草纲目》，被尊为“医圣”。

书中把药物分成木、草、虫、禽、金石等16部，记载了许多矿物和岩石的形态、性质、产地、及识辨标志。

一些常见的矿物，如长石、石英、云母、方解石、滑石、磁铁矿等，都在其中。

当然，李时珍是当药材描述的，所以还讲解了它们的药性。

把矿物当药用的，并不是只有我国的古人。差不多和李时珍同期，瑞士巴塞尔大学有一位医学教授，名叫帕拉塞尔苏斯（1493～1541年）。

他就把矿物质当药物，用来给人治病，被称为医药化学运动的始祖。

2 从炼金术到矿物学

自从亚里士多德提出“四元素”说，炼金术在古希腊得到蓬勃发展。

那时的人们把金和银看做是贵金属，铜、铅、锡等是贱金属。

早期的炼金术师们相信通过一定的冶炼、合成技术，能把贱金属变成黄金。

他们的技艺也的确达到了相当高的水平，造出的假金子足以乱真。

正是在这种历史背景下，才有了阿基米德去检验真假金王冠的故事。

阿基米德检验真假金冠

国王让工匠给他做了一顶纯金的王冠。

但是在做好后，国王疑心工匠私吞黄金，在王冠了掺了假金子，而这顶王冠确又与当初交给金匠的纯金一样重。

要检验做出的王冠是不是纯金的，又不能破坏王冠，这个问题难倒了国王和诸位大臣。

于是，国王请来阿基米德。

后面的故事大家都知道了。

为解决这个难题，阿基米德发现了被称为阿基米德原理的浮力定律。

我们中国古代有一种“炼丹术”，是古人为追求“长生”而炼制丹药的方术。“丹”指的是丹砂，学名“硫化汞”。

“炼丹术”起源于战国后期，秦始皇二十几岁时就迷上了“长生药”，养了一批炼丹方士。

“炼丹术”从此盛行，8世纪以后传入阿拉伯，继而传入欧洲，成为“炼金术”的一个分支，专门制备长生不老的药物。

炼金术师们相信，“炼金术”提纯贱金属，是一个经由死亡、复活而完善的过程，象征了炼金人的灵魂由死亡、复活而完善。

中国古代的炼丹术

德国有一位医生，叫阿格里科拉（1494～1555年），他受同龄人帕拉塞尔苏斯的影响，也对用矿物给人治病很感兴趣，并且逐渐对矿物本身发生了兴趣。

他利用在矿区行医的机会，系统考察了采矿、冶炼等过程，写出了一本专著，叫《论金属》。

书中较详细地描述了一些矿物的形态、颜色、光泽、透明度、硬度、解理、味、嗅等特征，把矿物与岩石区别开来。

书中还总结了当时采矿工人的实践知识，记录了当时采矿和冶炼的方法。

他还讨论了矿床成因，利用当时的人体解剖学知识，阐述了侧分泌成矿思想。

详尽的描述和精致的插图，使这部专著极受欢迎。《论金属》一书出版时，阿格里科拉已经去世一年。

但是，他的矿物学和矿床学理论在欧洲产生了深远的影响，他本人也由此被誉为“近代矿物学之父”。

欧洲文艺复兴以后，地质学从博物学中独立出来，矿物学成为地质学的一个分支。

按照现代概念，矿物是自然界天然产出的物体，是质地均匀的固体。

这就是说，用物理的方法把一种矿物分解成微小的颗粒后，各颗粒仍然是化学成分相同的物质。

这是矿物与岩石的根本差别。

矿物内部的质点是原子或离子，在三维空间是有序排列的。

因此，矿物都属于晶体。

晶体内部质点的种类不同，排列的方式和间距不同，所以具有不同的晶体结构。

甚至当内部质点种类相同时，由于排列的方式和间距不同，也会形成不同的晶体结构，从而成为不同的矿物。

这种现象叫“同质多像”。

例如，同是碳原子，当形成六边形层状结构时，就成为石墨；而当形成立方晶体结构时，就成为金刚石。

石墨晶体中，同一层中碳原子的间距是0.142纳米，层与层的间距是0.335纳米。

金刚石晶体中，每一个原子周围都有4个相邻原子，形成正四面体，原子间距都是0.155纳米。

“距离产生美”。矿物内原子间距越小，结合得就越紧密，就越难被破坏，硬度就越大，熔点就越高。

因此，金刚石是自然界中硬度最大的矿物，而石墨在各层之间很容易滑动，具有润滑性。

石墨的六边形层状结构 金刚石的立方晶体结构

几种“同质多像”矿物的温度-压力稳定区间

碳原子能够形成石墨和金刚石这两种差别极大的晶体结构，是由于它们形成时的温度和压力条件不一样。

金刚石只有在压力达到3GPa以上时才能形成。这相当于地下100多公里深处的压力。

金伯利岩是从地幔深处直接喷出到近地表的岩石，其中往往富集金刚石，形成钻石矿。

金伯利岩和钻石矿

这种同质多像在自然界并不少见。

例如，我们平时常见的石英，在压力达到2.5GPa以上时会变成柯石英，压力如果再大，达到8GPa时，就会变成斯石英，它们的化学成分都是

SiO₂。

形成的压力越大，矿物的密度就越大，石英的密度是2.65 g/cm³，柯石英的密度是3.01 g/cm³，斯石英的密度是4.29 g/cm³。

红柱石在压力大时会变成蓝晶石，温度高时会变成硅线石，它们的化学成分都是Al₂SiO₅。

SiO2的同质多像，括号中的数字是矿物的密度（g/cm³）

Al₂SiO₅的同质多像

地球上已经发现的矿物有3000多种，分成单质和化合物两大类。

单质是由一种元素组成的矿物，如金刚石（C）、石墨（C）、自然金（Au）、自然铜等（Cu）。

化合物是由阳离子和阴离子组成的，如石英（SiO₂）、斜长石（KAl[Si₃O₈]）、方解石（CaCO₃）、黄铁矿（FeS₂）等。

按照阴离子的成分差别，再把化合物矿物进一步分为硫化物、卤化物、氧化物、氢氧化物和含氧盐矿物等类别。

这些矿物单独或组合起来，构成了岩石。

地壳岩石中常见的矿物只有十几种，包括钾长石、斜长石、石英、白云母、黑云母、角闪石、辉石、橄榄石和方解石等。

地球上还有矿物没被发现呐！

如果见到一个矿物的化学组成或结晶学性质与任何已存在的矿物种明显不同，这个矿物就有可能是一种新矿物。

国际矿物学协会（IMA）新矿物与矿物命名委员会（CNMMN）经常按照相关原则认定新的矿物种。

到2017年底，这个委员会认定的新矿物已经有5200多种了，其中有130多种是在我国发现的，而用我国古今科学家命名的新矿物有30多种。

例如，以古代科学家命名的有张衡矿和李时珍石

以现代科学家命名的有陈国达矿、毛河光矿、袁复礼矿、何作霖矿、李璞硅锰矿、彭志忠石、张培善石、杨主明云母、陈鸣矿等

体现了我们中国矿物学研究在国际上的地位和影响。

什么时候能把这些新矿物写进新一代的教科书呢？

3 18世纪开始的岩石学

阿格里科拉的出色研究使矿物从“石头”大家族中分化出去了，“石头”家里顿时冷清了不少。

不过，200多年后，“石头”家又重新热闹起来。

18世纪末，地质学界发生了“水火之争”（见本网站《地质学中的“水火之争”》）。

德国弗莱堡矿业学院教授维尔纳（A. G. Werner，1749～1817年）在1787年出版了《岩层的简明分类和描述》，成为“水成论”的代表人物。

在维尔纳的“水成岩”中，不仅有砂岩、灰岩、煤层，而且有玄武岩、片麻岩和花岗岩。

“岩石”成了它们的统称，这些岩石的名字都是“古已有之”的。

“石头”大家族中没了矿物，却多了岩层和岩体。

“火成论”对“水成论”的挑战依据是观察到的岩石外观和产状，如，玄武岩层连着火山口，花岗岩脉穿插进片岩，长满牡蛎的岩石表面盖上了火山灰，等等。

可以说，“火成论”和“水成论”之间的论战，一方面靠宏观证据，一方面靠逻辑思辨。

从解释岩石成因角度看，“火成论”和“水成论”打了个平手：“火成岩”和“水成岩”都是客观存在的。

那么，怎么样对岩石进行分类？

只靠宏观证据行不行？

山有层状的和非层状的，岩层的上下叠置关系早被史丹诺打上了年代新老的烙印（见本网站《地质学中的“圈地运动”》）。

维尔纳时代的地质学家们对岩石的分类总是先划分出地质年代，再考虑岩石标本的性质。

这种分类方法显然会导致混乱。

1827年，法国地质学家A. Brongniart明确提出，岩石分类中不应该考虑年代属性。

岩石的种类应该用肉眼就能区分。于是，地质学家的目光转向岩石中的矿物。

岩石多是矿物的集合体，有的岩石中只有一种矿物，叫“单矿岩”

例如，石英岩由石英组成，灰岩和大理岩由方解石组成；由两种以上矿物组成的岩石叫“复矿岩”，如花岗岩由石英、长石和云母等组成。

有些岩石是由天然玻璃组成的，如，黑曜岩就是一种火山玻璃。

当然，只靠肉眼去分辨岩石中的矿物和含量是很困难的，玄武岩中的晶体就非常细小，用放大镜都没办法识别。

石英岩由石英组成 被称为“汉白玉”的大理岩由方解石组成

榴辉岩由石榴子石和绿辉石组成 片麻岩由长石、石英和云母组成

单岩和复矿岩

1828年，苏格兰地质学家尼柯尔（William Nicol，1770～1851年）发明了偏光棱镜，并且发明了制作显微镜观测薄片技术，使地质学家们有可能在偏光显微镜下观察岩石。

1849年，英国地质学家索比（H. Sorby，1826～1908年）改进了岩石薄片的制作技术。

他把岩石磨制成厚度为0.025毫米的薄片，对岩石和矿物进行了大量观测。

1858年，他发表了专辑“论晶体的显微构造”，使显微岩石学得到很大发展，从而被誉为“显微岩石学之父”。

显微镜下观察到的岩石

德国地质学家柯塔（B. von Cotta，1808～1879年）在1862年建议，应该首先考虑岩石的形成原因，然后再去考虑岩石的矿物组成。

于是，他提出了岩石成因三分法，把岩石分为火成岩、沉积岩和变质岩三大类。

这种分类一直沿用至今。

岩石学终于诞生了！

“石头”大家族被“岩石”大家族取而代之。

对沉积岩层的研究进入到地层学领域，对沉积岩石的研究成为沉积岩石学，对花岗岩体的研究成为岩浆岩石学的一部分。

1870年至1920年期间，对岩石性质和分类的研究掀起高潮，世界各国的地质学家竞相提出岩石划分和命名方案，造成了岩石名称的泛滥，单是火成岩的名称就有1000多个！

现在学习岩石学的学生应该感到幸运，这些名称大多数都废弃不用了！

现代岩石学正在按照三大岩类各自独立的方向发展着，分别研究岩浆岩、沉积岩和变质岩的组成、共生组合，产状分布、成因机制、与矿产的关系、以及与全球构造的关系，等等。

从这些研究内容来看，岩石学是地质学中一个极为基础的分支学科，它的研究成果将会服务于能源与矿产资源的寻找，服务于地球动力学研究。

4

结语

“岩石”大家族取代“石头”大家族，这是科学进步的必然。

而科学进步是没有止境的。在岩石学研究中，还有很多问题值得深入思考。

例如，三大岩类的划分严谨吗？

花岗岩被划分到岩浆岩名下的侵入岩中。但是，关于花岗岩的成因就曾经争论了200年。

现在地质学家认识到，岩浆作用和变质作用都能形成花岗岩。

另外，沉积岩的形成经过了深埋地下的成岩作用。

但是，变质岩也是在深埋到地下形成的

那么，沉积岩和变质岩的深埋界限在哪里？

这很难用埋藏深度去划分。

尽管一般把200℃作为成岩作用的上限，但是，对6000米以下超深层石油天然气的最新勘探结果表明，一些盆地中产油层的温度已经超过了230℃，甚至达到290℃，那里仍然赋存着轻质油。

从有机质转变为石油天然气，这显然属于成岩作用的范围。

再有，进入21世纪后，地质学研究与社会发展需求的联系越来越紧密，对矿产资源和化石能源的需求、对地质灾害预测和减灾的需求、对人类生存环境保护的需求为地质学发展提出了新的课题。

作为地质学的一个分支学科，岩石学同样面临新的课题

需要考虑如何为非常规油气资源勘探服务？

如何揭示环境污染机理？

如何协助解决核废料处理和二氧化碳深埋封存工程中的难题？

在地质学发展为地球与行星科学的今天，岩石学有了新的扩展空间。

地幔岩石学的研究、月岩学的研究，陨石学的研究，宇宙岩石学的研究，等等，都在向地质学家的年轻一代招手。

（注：本文旨在科普，文中的图片引自公共网络和专业文献，并略作修改。版权属原作者，并向原作者致谢。）

END

美编：杜欣雨

校对：张 崧

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