矿物晶体究竟能长多大？

　　马志飞
　　编者按：矿物是大地的瑰宝、自然的精灵，它们千姿百态，五彩斑斓，犹如盛开的鲜花绽放出最美丽的色彩。令人感到好奇的是，它们为什么会五颜六色？这背后究竟有什么样的秘密呢？
　　矿业界特邀科普作家马志飞为大家带来《矿物的形色之谜》系列，本篇为该系列第二篇。
　　第一篇详见：矿物世界为何五彩斑斓？（点击即可阅读）
　　在中国地质博物馆正门右前方的广场上，矗立着一块巨大的水晶，它高1。7米，最大宽度1。7米，厚1米，重达4。35吨，1958年8月发现于我国江苏省东海县房山乡柘塘村，在当时的世界上堪称最大的水晶晶体，号称水晶王，后来被送到北京珍藏于中国地质博物馆，堪称镇馆之宝。
　　大家或许会感到疑惑：水晶为何能长得如此巨大？自然界中的矿物晶体到底能长多大？究竟是什么因素在控制着它们的生长呢？
　　晶体与非晶体
　　在解开这些秘密之前，我们需要先了解一些基本的概念，比如说晶体与非晶体。
　　我们大家都知道，物质有三种基本状态：气体、液体和固体，对于固体物质而言，它的内部结构会有很大的差别，有一部分固体物质中原子或离子的排列具有三维空间的周期性，这些物质都有自发地成长为几何多面体外形的固有特性，也就是说当它们自然凝结的、不受外界干扰而形成的物质都有自己独特的、呈对称性的形状，即所谓的晶形，比如食盐呈立方体、冰呈六角棱柱体，而且还有固定的熔点和稳定的化学组成。这样的物质被称为晶体，各种金属、合金、陶瓷、水泥制品等绝大多数的固态化合物都是晶体，常见的晶形有立方体、四面体、八面体、菱形十二面体、四角三八面体等，根据晶形的不同，自然界中的晶体通常可以分为七个不同的晶系，分别为等轴晶系、六方晶系、四方晶系、三方晶系、斜方晶系、单斜晶系、三斜晶系。
　　但是，还有一部分物质它们内部的原子或离子不是有规则的周期性排列，不能自发地成长为几何多面体，没有一定的外形，也没有固定的熔点，比如玻璃、塑料已经地质作用中由火山熔岩快速冷凝而形成的黑曜石、珍珠岩等都属于这类物质，它们被称为是非晶体。
　　所以，在晶体与非晶的对比之下我们可以发现，晶体的生长具有明显的规律可循，它们的生长就像人的胚胎一样，按照相对固定的方式从一个小小的晶芽慢慢成长壮大。矿物晶体既有在岩浆中直接生长的，也有在来自于岩浆的蒸汽或热水溶液中生长的，还有一些是由于地表风化作用形成的，这是一个涉及到物质微观结构变化的过程，我们仅仅通过肉眼是难以观察到的，但随着它的不断壮大，我们就能够发现它的规律。
　　矿物晶体的生长
　　地球上大部分矿物晶体都形成于岩浆之中，随着岩浆的冷凝，各种不同的矿物会按照熔点的高低不同而先后结晶出来。在这个过程中，晶体的大小与温度冷却的速率有很大关系，一般是冷却的速率越快所形成的晶体往往越小，倘若冷却速度过快的话甚至难以形成晶体，而成为非晶质体，比如黑岩石就是因为岩浆冷却过快而形成的玻璃质岩石，它内部没有晶体结构。简单地说，就是晶体的结晶和生长需要一定的温度条件和充裕的时间。
　　但是，岩浆变化频繁，实际上能形成超大单晶体的情况并不多见。比如说金刚石，它在十分苛刻的高温高压条件下历经了数亿年时间才得以形成，温度要求在900～1300，压力为4。5～6。0Gpa（大约相当于4。5～6。0万个标准大气压），时间约10亿到33亿年，地点是地下140至190公里深处的地幔，所形成的金刚石颗粒往往都很小。世界上最大的金刚石库利南原重仅仅只有3106克拉，几乎相当于一个成年男子的拳头大小。再比如橄榄石，它是一种常见的造岩矿物，也是岩浆结晶时最早形成的矿物之一，通常存在于橄榄岩、玄武岩、辉长岩等铁镁质岩石中，地球上的各种喷出岩中都含有橄榄石，但是目前世界上最大的一颗橄榄石也只有310克拉重，现珍藏于美国华盛顿的史密斯学院博物馆里。
　　橄榄石，产于阿富汗
　　还有一部分矿物生长在岩石裂隙或者岩洞中，含有某种物质的过饱和溶液逐渐沉淀、结晶而成为矿物晶体，因受到各种外界条件的影响，内部结构也会有所差异。比如玉髓和水晶，虽然它们的主要成分都是二氧化硅，同属于石英家族，但它们的结构相差甚远。水晶是二氧化硅结晶完美时的石英，内部具有十分规则的晶体结构，用肉眼都能够分辨晶体颗粒，所以被称为显晶质结构。而玉髓内部的矿物晶体极为细小，用肉眼根本无法分辨出矿物颗粒，甚至在偏光显微镜下也难以分辨，所以被称为隐晶质矿物。在自然界中，如果有合适的物理条件和化学条件，玉髓可以转变为微晶石英，然后再发生重结晶作用转变为石英。当外界条件非常适宜时，石英可以长得很大，中国地质博物馆门前的水晶王便是极好的例证，迄今为止它仍是我国排名第一的单体水晶，但是在世界上还有更大的。世界吉尼斯记录中所记载的最昂贵的浴缸，在伦敦著名的哈罗兹百货公司销售，标价为84。5万美元，它是一块完整的水晶制品，长约2米，重约2吨，是从一块重达10吨的水晶中直接切割出来的，非常令人震撼。
　　三维空间内的变化
　　矿物晶体的生长，其实是在三维空间内的变化，也就是由X轴、Y轴、Z轴组成的空间。但是，不同的矿物具有不同的生长习性，有些矿物喜欢朝着一个方向生长，比如说辉锑矿，结果就形成了柱状矿物，还有辉铋矿，它也是朝着一个方向生长，不过它更细，呈现出针状。还有一些是喜欢朝着XY平面方向生长，比如云母，它的矿物集合体为叶片状，可以被一层一层地揭开，所以被人们形象地称之为千层纸。还有一些在三维空间内没有什么优势的生长方向，比如方铅矿，四四方方，十分规整，还有石榴子石，大多为五角十二面体，就像石榴子一样呈颗粒状。岩石和矿物生长需要一定的空间，如果空间不够大或者含有矿物成分比较复杂的话，它们就喜欢在一块生长聚集到一起。比如这一块石英、白云石、黄铁矿，它们就都共生在一起，挤得密密麻麻，这就形成一种晶簇。
　　辉锑矿晶簇，产于广西
　　如果说矿物有足够的生长空间的话，它可以长得很大，而且大得惊人。北美洲墨西哥奇瓦瓦市，有一个名为奈卡矿的多金属矿，2000年4月，正当采矿工人在地下300米深处挖掘巷道时，突然有人发现了一个巨大的洞穴，有足球场一般大小，高度相当于两层楼，走进洞穴发现这里到处长满了利剑，长的超过人的身高，短的也有几十厘米，都是半透明的柱状物，置身其中就像是走进了一座水晶宫殿。其实，这里面的矿物并不是水晶，而是石膏晶体。石膏的晶体通常呈板状，少数会长成长柱状，颜色一般为白色，如果混入了其它杂质则可能表现为灰色、褐色甚至红色，虽然无色透明的石膏看起来很像水晶。进一步的研究发现，如此罕见的石膏晶体是由于沉淀作用形成的。奈卡矿附近地下有古老的断层，地下岩浆的高温将周边的地下水加热，顺着断层向上涌出，溶解了岩石中大量的钙和硫酸盐矿物，本来就是中空的洞穴里面充满了这种富含矿物质的热水。随着温度的不断降低，在54左右，热水中的矿物质开始沉淀并结晶，虽然结晶生长的速度极其缓慢，每一百年才能增长一根头发丝的宽度，但经过几十万年的时间，最大的已经长到了11米长，直径4米，重达55吨！
　　实际上，我们在现实生活中很少能见到这样的情况，平时所见到的大部分矿物晶体不仅个头很小，而且质量也不好，很多都是歪瓜裂枣，这是为什么呢？因为矿物在生长的过程中经常会受到一些外来因素的影响，比如地震、火山喷发，或者是一些地下流体的震荡，使它的生长环境受到破坏了，于是就形成了并不完美的矿物晶体。总而言之，矿物晶体的生长需要充足的物质原料供料、适当的温度和压力条件以及合适的生长空间，当然，还需要极其漫长的时间，所以我们现在看到的每一块矿物晶体，它们的背后都有一段极不平凡的成长故事。
　　作者简介
　　马志飞，地质勘探高级工程师，北京科普作协会员，在《中国科学报》《中国矿业报》《南方周末》《地球》等多家报刊杂志发表大量科普作品，著有《石头记》《玻璃地球》《小石头里的大秘密》等，译著《发现珍稀宝石与矿物》《给忙碌青少年讲地球科学：重新认识生命家园》，参编《新科技知识干部读本》《公民科学素质系列读本》多部图书。曾荣获2017年国土资源部优秀科普图书奖、2018年第九届吴大猷科学普及著作奖佳作奖、2020年中国自然资源作家协会第六届中华宝石文学奖科普作品奖、2021年自然资源部优秀科普图书奖。