巖石就像記錄著地球歷史的一本日記,仔細閱讀從古到今的巖石,就可以建構地球自形成以來所經歷的種種地質作用及環境變遷。
又硬又溫柔
石頭是巖石的俗稱,一般都認為它很硬,因此不知變通的人會被批評為腦袋硬得像石頭,俗語也常有:某人是擋路的絆腳石啦,或是掉在什麼坑的石頭啦等說法,給人石頭是又硬又臭的印象。然而,石頭也可以有浪漫的一面,比如散布在河床或海邊,讓玩石者瘋狂著迷。
巖石是組成地球固體部分的最基本材料,在我們生活周遭四處可見,提供人類生存活動的基石。萬丈高樓必由土地起,所有的建築物、橋梁、道路等工程都必須蓋在巖石或巖石風化的土壤上。民生社會中的工業、土木工程業及建築業也都少不了石頭,例如金屬元素以及水泥、砂石、石材等工業及建築原料,都是從巖石而來。
讀者可能會覺得奇怪,巖石何來溫柔?事實上,在很高的溫度及壓力下,堅硬的巖石也會變得像玩具黏土般地柔軟,再加外力就會產生「塑性變形」。山裡常見堅硬的巖層變成彎曲狀的「褶皺構造」,就是最好的例子。但是,這裡借用溫柔一詞形容巖石,不是要介紹巖石表面的柔軟,而是巖石那非常豐富的內在美。
就像一個擁有豐富學識的人,巖石的內在美在於擁有高度的科學價值,可以提供研究人員豐富的地質科學資訊。從巖石自身的特性、成因演化、經歷過的環境,到整個地球的歷史,都可以透過巖石的內在美一點一滴地閱讀出來。
礦物─巖石內在美的源頭
巖石的基本組成是礦物或是巖屑、化石等顆粒,這些顆粒好像生物的細胞,緊緊相鄰組成堅硬的巖石。礦物是巖石組成中最大宗的物質,有時這些礦物顆粒頗大,肉眼可見其形貌,但大多數的細節仍須藉由顯微鏡觀察,才能一窺巖石的堂奧。
礦物本身是由各種元素的原子依循一定規則排列,經化學鍵結合而形成特有的外形,稱為結晶體。一般來說,礦物的外觀和其組成原子的排列形式有非常密切的關係。而由結晶體規則的外形,也可以反推原子大致是如何排列的。
在學理上,礦物的認定要符合4個條件:由天然的無機作用所形成、是固體狀態、原子的排列組合具有高度規則性、具有確定且均質的化學成分。因此冰川的冰是礦物,液態的水和汞(水銀)就不是礦物了。貝類外殼的碳酸鈣、人體產生的磷酸鈣等結石,由於是有機作用生成,依上述的定義則不屬礦物,然而隨科學發展,傳統的礦物定義已有朝廣義解釋的趨勢。
巖石的基本組成礦物稱為造巖礦物,其中最大的族群就是矽酸鹽礦物,它是由氧原子和矽原子依據物理化學的鍵結定律,緊密結成的矽氧四面體,可視為是建構礦物結晶體最基本的建築磚塊。矽氧四面體可以是單一四面體,或由四面體之間分享氧原子,連結成為鏈狀、環狀、層狀、框架狀等結構,之間的空隙再由鋁、鐵、鎂、鈣、鈉、鉀、氫氧根等離子充填,就形塑成各式各樣的矽酸鹽礦物。
地殼中有8種重要的造巖礦物,包括7個矽酸鹽礦物:石英、長石、輝石、角閃石、橄欖石、雲母及黏土礦物,再加上另外一個很重要的非矽酸鹽類─碳酸鹽礦物。此外,在礦化的地區,常見到許多重要的非矽酸鹽種類的礦物,例如硫酸鹽及硫化物,結合了許多金屬元素,例如金、銅、鐵、鉛、鋅等,成為人類賴以發展的重要礦產資源。臺灣的九份、金瓜石就曾是世界著名的硫化金銅礦區。
巖石的分類─石頭家族
研究巖石當然要從巖石的分類開始,巖象資訊是巖石分類的重要根據。巖石依照形成的原因,可分成3大類:火成巖、沉積巖、變質巖。火成巖的原始巖漿可來自上百公裡深的「地函」物質;沉積巖反映地球表面與水有關的種種地質作用;變質巖則經歷了「地殼」不同深度的溫度壓力的淬鏈。不同的巖石也許外觀看似相仿,述說的故事可能完全不同。
巖石不死凋零重組又再生
三大巖類雖各有其成因,彼此卻又息息相關,相互傳承。簡單地說,地函物質產生巖漿上湧到地殼淺部或表面冷卻成火成巖,一旦出露地表後,藉由接觸水和空氣會風化成碎屑,再由重力和水流帶往盆地堆積形成沉積巖。之後的板塊運動則把地表巖石又拉回地函,在潛返過程中,地球內部的高溫高壓把它們轉換成變質巖,之後一部分抬升回到地表,再度接受風化侵蝕,一部分又回到地函,再融熔成巖漿上湧,這就是「巖石循環」的故事。
除了記錄地球歷史外,巖石的應用取決於巖石的內部特性。巖石強度、硬度等性質,與礦物種類、數量、結合方式等「礦物組合」的綜合性物理化學性質息息相關,因此在工程建設上,尋找堅硬穩定的基礎巖盤及工法設計方面,微觀的巖象特徵也是非常重要的資訊。
巖石有這麼豐富的內在美,雖然它很硬,卻溫柔又美麗。