显微镜下的岩石世界

卢静

石头，在我们的生活中随处可见，它们组成了高耸的山脉、幽深的河谷、坚实的大地，是我们生存空间的基石。

各种各样的石头被地质学家称为岩石，它们记录了地球46亿年的形成与演化历史。构成岩石的是矿物，它们是各种离子、原子、分子按照一定的规则“组装”在一起的物质，是连接微观世界和宏观世界的桥梁。

研究人员把岩石制成薄片放在偏光显微镜下观察，就可以准确识别出组成岩石的各种矿物，并由此打开一扇通往岩石微观世界的大门。

偏光显微镜的“魔法棒”

显微镜主要是由像望远镜一样的镜头（目镜和物镜）、放置岩石薄片的物台和发光的光源组成。

偏光显微镜和普通的生物显微镜不同，它有上、下两个偏光镜以及单偏光、正交偏光和锥光3种工作系统。

那么岩石薄片是怎么制成的呢？首先，需要将岩石切割成像牛轧糖大小的块体，单面磨光后用特殊的胶水粘在载玻片上，再磨薄至约0.03毫米的厚度，粘上盖玻片，一个岩石薄片就做好了。

使用偏光显微镜观察岩石薄片时，光从显微镜下部透过物台上的小孔穿过薄片中的矿物，发生折射、反射、干涉等一系列光学现象，再进入“望远镜”，最后进入我们的眼睛。由此，我们可以观察到各种各样的奇妙光学现象，这些现象是矿物的各种光学性质的反映。

自然界中大部分岩石可能都是黯淡无光、平凡无奇的，但是被制成岩石薄片放在偏光显微镜下观察却是另外一番景象，它们立刻变得色彩缤纷、熠熠生辉。

偏光显微镜结构示意图

例如，矽（xī）线岩（下图）经过偏光显微镜这个“魔法棒”的“点拨”，从一个平凡的灰姑娘变成了光彩照人的公主（右图）。

这个神奇的转变是怎么发生的呢？这是因为矽线岩中的矿物在偏光显微镜的正交偏光系统下产生干涉现象，披上了“干涉色”这件五彩斑斓的外衣而变得美丽。

下面就让我们看看显微镜下的岩石还有哪些神奇的现象吧！

矿物会“变色”

在单偏光系统下，我们只使用显微镜的下偏光镜，可以观察到矿物的颜色。旋转显微镜物台时，岩石薄片随之转动，我们会发现，有些礦物的颜色会发生变化。例如：下图中，旋转物台90度，麻粒岩中的紫苏辉石由浅绿色慢慢变为了浅红色。继续旋转物台90度，紫苏辉石又从浅红色变回浅绿色。它只是转一个90度的“转身”，却像变色龙一样变了色，这是为什么呢？

要解答这个问题，我们首先要清楚什么是矿物在显微镜下的颜色。

由7种单色光（红、橙、黄、绿、蓝、青、紫）组成的白光，透过矿物后会被部分或全部吸收，没有被吸收的那部分色光，透出矿物混合而成的颜色就是我们看到的矿物在显微镜下的颜色。

这里我们不得不提一下，矿物根据其光学性质可以分为非均质体和均质体两类。非均质体矿物的光学性质在各个方向上是不同的，我们转动物台改变了光进入矿物晶体的方向，不同方向上对光的吸收程度不同，因此所呈现出的颜色也不同，这种现象叫作多色性。这时矿物的颜色深浅往往也有变化，称为吸收性。而均质体矿物在各个方向上的光学性质是相同的，那么大家猜猜看，多色性和吸收性会不会出现在均质体中呢？

矿物会“隐身”

在正交偏光系统下，同时使用上、下两个偏光镜，而且上、下偏光镜的振动方向相互垂直（即正交）。转动物台，大部分矿物会出现忽明忽暗的情况，一会儿闪闪发亮，一会儿却变得黑暗，似乎是消失不见了，有些矿物还会完全消失。

正交偏光下这种矿物“隐身”的现象被称为消光。这是因为物台转动到矿物的某一特殊光性方位时，透出矿物的光不能穿过上偏光镜，矿物就会“隐身”。

旋转物台360度，非均质体矿物会发生4次“隐身”；均质体则始终处于“隐身”状态，这种现象叫作全消光。

左图的榴辉岩，在单偏光下可以看到它主要由浅绿色的绿辉石和浅粉色的石榴子石组成；在正交偏光下，作为非均质体的绿辉石会发生4次明暗交替，而作为均质体的石榴子石则完全不见踪影。

矿物会被“吃”掉

在显微镜下观察岩石薄片会发现，有些岩石中的原生矿物被后来的次生矿物一点一点地“吃”掉。这些次生矿物或是沿原生矿物的边部包围，或是从中心向四周“突进”，把原生矿物分割成多个“隔海相望”的“岛屿”（下图左）或是一座“孤岛”，直至全部吞噬，取而代之，但仍保留原生矿物的外部形态的假象（下图右），这种地质作用被称为蚀变。

实际上，原生矿物并不是真的被“吃”掉了，而是因为外界环境的改变而发生变化，形成了新的矿物。

矿物也有“年轮”

在显微镜下观察岩石薄片时可以发现，有些矿物从内向外具有一圈一圈的环带，犹如树木的年轮一样，常见于普通角闪石（上图左）、斜长石（上图右）、钾长石、石榴子石、霓辉石等矿物。

树木的年轮记录着其生长过程中不同季节、不同气候环境的变化，那么矿物的环带是否也具有同样的作用呢？答案是肯定的。矿物在生长过程中，外界的温度、压力、化学成分发生变化，会导致矿物成分上的变化，进而形成光性特征有差异的一圈圈环带。

矿物也有“双胞胎”

天然产出的矿物晶体既可以单个生长，也可以由两个或多个同种晶体按不同的方位生长在一起，好像是人类的双胞胎或多胞胎，被称为双晶。

“双胞胎”有的是由两个晶体并排生长在一起，如普通角闪石的简单双晶（右图上）；有的是由两个晶体相互穿插生长，犹如“十”字，如十字石的十字双晶（右图下）。而“多胞胎”是由多个晶体彼此平行地生长在一起，常见斜长石的聚片双晶；或是多个晶体呈环状生长在一起，如堇青石的六连晶。

本文介绍的只是岩石显微世界的沧海一粟，更多精彩的内容需要大家亲自观察和探索！

（责任编辑 / 陈琛  美术编辑 / 周游）