科學

【中土世界考】有像阿肯寶石一樣美麗的石頭嗎?

字號+溯鷹 來源:果殼網 2015-02-02 15:36 我要評論() 收藏成功收藏本文

“此有渾圓之石,反射千面晶芒;璨若白銀沐火,勝似水潤朝陽,又如皚皚白雪,映照浩瀚群星;抑或月海細雨,滋潤皎潔絲光。”

阿肯寶石的“藝術想象圖”。圖片:Donato

在提及阿肯寶石(Arkenstone),傳說中的山之心(Heart of the Mountain)的時候,索林·橡木盾(Thorin II Oakenshield)如是描述道。

這樣的描述真美,可是完全不給你任何較真的空間。我們似乎根本無法把這顆矮人的至寶和真實世界里的寶石聯系起來:化學式未知,理化特性未知,地質成因未知,因為是被矮人切磨拋光過的,連通過晶面推測晶體結構的路也被堵死。阿肯寶石變幻莫測的色彩,或許是給我們留下的為數不多的線索之一。根據這一點,我們可以在自然界里找到很多石頭,與這塊傳說中的寶石媲美。四大寶石太貴,我們不妨從地球巖石圈里含量最多的石頭——長石來說事兒。

長石(Feldspar),七大造巖礦物之首,三大巖類的絕對主角,也就是鉀、鈉、鈣、鋁的架狀硅酸鹽(Tectosilicates)。這是一種在地表堪稱泛濫的石頭,泛濫到隨便撿起十塊石頭里面可能七八塊都有長石。哪怕跑上月球,還是泛濫——你每天晚上看到的明亮的月陸就是由無數的長石堆起來的。長石不是一種固定成分,而是一堆這長石那長石組成的大家族。這個大家族可以劃歸為兩個固溶體系列(里面的金屬離子比例可以任意調和,大致可拿酒精跟水的關系做比方),分別是由鉀-鈉兩種堿金屬所組成的堿性長石(Alkaline feldspar,KAlSi3O8- NaAlSi3O8)系列,以及鈉-鈣兩者所組成的斜長石(Plagioclase,NaAlSi3O8-CaAl2Si2O8)系列。

光用術語來描述,似乎聽起來挺枯燥的,咱也得給它包裝一番吧。先看這塊:

“此石,乃封印虹神之日光矩陣,以剔透之軀,交織虹彩格架,精密規則,暗含千般機理;又如熾紅旭日,浸沐金色薄云。此石本名玄奧,于泰西語境,乃無棱無角之意。”

澳大利亞特產的虹彩晶格日長石。圖片:boingboing.net

帶有“沙金效應”的太陽石原石及拋光后制成的蛋面寶石。圖片:gia.edu/ Robert Weldon/Becky Booker

這是常見石頭?沒錯,這就是常見的石頭。只不過咱們平時見到的大部分長石都沒有像這樣“長成精”罷了。這是奧長石類的日長石(Oligoclase var. Sunstone)。這段話里其實出現了兩種樣貌各不相同的日長石,一種是產自澳大利亞的虹彩晶格日長石(Rainbow lattice sunstone),另一種則是裹著紅心兒,泛著絲絲金光的美國俄勒岡日長石(該州的州石)。怎么樣,這可是如假包換的自然結晶,一點兒也不比虛構的石頭差吧?

“幽藍魅惑,滑過絲絹柔軀;淡淡熒彩,交映月海銀光。此石名冰,有寒意凜然,意象俱佳,仿若置身梟鳴之夜。”

產自朝鮮,帶有藍色光輝的月光石。圖片:flickr.com/fluor doublet

這次是冰長石類的月長石(Adularia var. Moonstone)。它本身有著柔和滑潤的色澤,如果在特定的方向看,表面和內部會泛起淺藍色的瑩瑩“月光”,當然這里其實可以吐槽月光并不是藍的,而且月海里只有玄武巖,反照率其實跟煤球兒差不多——但是人家要的是深夜的氣氛嘛。

“那永久的凍土,刻印著曙光女神的饋贈。北極光拂過暗夜群星,在終焉之地的亙古之巖,詮釋著歐若拉的眷護。”

?拉長石會反射出藍紫色和金黃色。圖片:shutterstock.com

這是“終焉之地”——芬蘭(Finland)所特產的一種好東西,斜長石六大類里的拉長石(Plagioclase var. Labradorite)是也。雖然名為“拉布拉多之石”但卻跟某種同名汪星人沒有任何關系。這種石頭能夠隨著觀察方向的不同而呈現出極光般變幻莫測的多彩光澤,當色彩強烈時,甚至被稱為光譜石。另外,拉長石的典型產地可不僅僅只有那個“終焉之地”,非洲馬達加斯加的拉長石也挺出名的。

無論是日長石的虹彩晶格、月長石的幽蘭暈彩,還是拉長石的極光色澤,不過是晶體在特定的方面所表現出的性質罷了。而所謂“晶體”,則是根據化學鍵為紐帶而天然排列成的離子矩陣,而所謂“離子矩陣”,乃是離子在空間中可以沿特定方向呈無限展布的結構。從每一個點,到每一條線,到每一個面,從布拉維法則到面角守恒定律,一個個離子高度有序地堆砌,最終建構成了在宏觀上表現為標準幾何形態的自然晶體。

先說日長石。日長石那太陽般光澤的形成,與解理(cleavage)的關系很大。所謂“解理”,指的是礦物能夠沿某些方向輕易裂開成光滑平面的性質。離子晶體在某些方向上化學鍵相對薄弱,造成的結果便是,在這些具體方向上,晶體的強度也弱,再加上晶體中每一個晶格都是高度同樣的,于是就能沿這些方向輕易裂開成平整的平面。日長石之所以發散出金紅色的光澤,便是因為內部無數開裂的解理縫中,充填著大量微小的片狀自然銅(Cu)晶體。所以說白了,日長石的金紅色其實是里面銅雜質的顏色,但偏偏由于解理是一種高度定向的性質,銅晶體的排列也自然高度定向,于是就說明了為什么只有將日長石旋轉到一定方向才能看到那迷人的色澤了。這種效應叫做砂金效應(Aventurescence),得名自砂金石(Aventurine)——18世紀時,人們偶然間(a ventura)幸運地發現了金沙石的制造工藝。

日長石的顯微照片,正是圖中那些的小小的盤狀結構造成了日長石的砂金效應。圖片:gia.edu

有些時候,日長石里的銅晶體可以結晶得十分巨大,便仿佛一支畫筆,在透明的長石內部將那異常規整的解理面給勾勒了出來,此時所形成的,便是那十分魔性、一如工匠鑄造的虹彩晶格了。

接下來是月長石。上面提到,長石是一種固溶體譜系。月長石的夢幻暈彩,也就是所謂的冰長石暈彩效應(Adularescence),則是得益于固溶體的出溶。月長石是堿性長石的固溶體,當外界條件變化比如溫度降低時,固溶體內的Na和K會從完全兼容的狀態走向各自分家,此時,兩種成分端元——KAlSi3O8和NaAlSi3O8就會沿著結晶面一層摞一層,相互交錯地生長。它們之間的互層甚至能薄到比可見光的波長還薄!這樣一來,假如有光線射進這摞層層堆疊的晶體時,便會發生明顯的衍射和干涉效應,從而為月長石帶來夢幻般的光澤。由于這種層疊現象同樣是沿著長石的某個具體晶面而排列的,所以月長石暈彩同樣也只能晃動到一定角度才能看到。

月長石{001}解理面的掃描電鏡圖像,圖中寬度為8微米。從后到前的縱行窄帶就是層疊著的鈉長石和鉀長石薄片。圖片:oxford-instruments.com

拉長石暈彩效應(Labradorescence)其實和月長石差不多,就不多介紹了。唯一的不同在于月長石屬于鉀長石系列,而拉長石則是斜長石系列——內部的出溶聚片乃是NaAlSi3O8和CaAl2Si2O8。成分不同,光學性質自然就不同,拉長石的暈彩一如極光,而月長石則皎潔朦朧。

真實世界里的石頭,可能有電影里的效果嗎?

但是如果你已經看過《霍比特人》電影,你就會發現在導演彼得·杰克遜的眼里,阿肯寶石不止是色彩變幻那么簡單,不止色彩斑斕,而且還會發出淡淡的光芒。

山下之王索爾(Thrór)手中的阿肯寶石。圖片:《霍比特人》電影截圖

電影中阿肯寶石的色彩變幻似乎缺乏長石的那種晶體質的規律感,因此我們不得不祭出一種非晶質的寶石——蛋白石(Opal)。蛋白石的主要成分是二氧化硅——這是和長石一樣大眾臉的東西。二氧化硅的結晶體石英是和長石一起穩坐地表泛濫礦物之首的存在。而與石英不同的是,除了它是非晶質結構之外,蛋白石的化學成分里還含有3%到21%的水。

蛋白石有不同顏色的底色,而這種透明的白歐泊似乎與電影中的阿肯寶石最為近似。圖片:gia.edu

面對這樣的色彩,你打算高喊“這不科學”?淡定淡定,蛋白石是二氧化硅的膠體,光線在穿透膠體時的確可能會發生很多“這不科學”的效應——在無數攝影作品中大秀存在感的丁達爾效應、為指星筆帶來清晰光路的瑞利散射效應都屬于這一范疇,此外,這里還有獨特的蛋白石暈彩效應(Opalescence)。當光線穿過蛋白石,由于內部大量二氧化硅的水合物無序分布,會導致特定波長的光被吸收,被散射,然后活生生給你分解出幾道不同顏色的光再射出來。這就形成了斑駁陸離,一如彩繪玻璃般的色彩。幾十年前,人類才意識到“攝影是用光的藝術”,人家巖石圈啊,幾十億年前知道這回事兒了。

至于發光,其實也真不是什么稀罕事兒。反正自然界任何物質只要不是絕對零度都會產生熱輻射,熱輻射的本質是電磁波,可見光呢也是電磁波,所以只要你眼睛能接收的電磁波頻譜足夠大,那么你眼里的任何物質都將自行發光。當然,即便是把條件限制在可見光波段,我們還有有著夜明珠美譽的螢石(Fluorite)。熒光性(Fluorescence,別條件反射一口說成螢石暈彩效應了)一詞個正來自于螢石。熒光性的原理其實很簡單,用外界的入射光來激發物體,被激發的物體又重新把光發射出來:具有熒光性的物質在接受入射光的能量之后,其原子內部的電子將從基態躍遷到激發態,而后電子從激發態退回基態時,又會將多余的能量以光子的形式“返還”出來,這就是熒光性的本質。

因為含有較多的稀土元素,在紫外光的激發下,英格蘭達勒姆郡羅杰里礦的螢石會發出濃郁的藍色熒光。圖片:comcast.net

都說藝術源于現實高于現實,用人話說,就是“不論腦洞再大,終究還是能在現實世界中找到構建它的素材”。好在我們的自然界里,有著取之不盡用之不竭的炫酷素材。即使是阿肯寶石真的存在于我們這個世界里,面對它的時候,礦物學家應該也只是面不改色地給它的那些光學效應安個“arkenstonescence”的名字而已吧。(編輯:老貓)

文章題圖:《霍比特人2:史矛革之戰》劇照

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