石头记:地质矿物博物馆的藏品故事(策划/新闻中心,地球科学系 顾问/张珂,邹和平 责任编辑/刘嘉,段建军,张照 文案/黄怡辛,刘嘉,高伟,王维,蒋丽怡,张雪艾,杨凡 摄影/郭中飞,朱琳,刘嘉 设计/朱琳)【专题报道】“石头”背后的那些人、那些事——地球科学系地质矿物博物馆侧记。
“一石一世界”。大大小小的石头标本伴着黄晕,静默在展架上,里面可以窥见地球几亿年来的演化和变迁。 让我们怀着对自然和科学的敬畏之心,走进地质矿物博物馆,管窥地球母亲的奇美与神秘。
有玻璃般的光泽,又如塑料一般可以撕成透明薄片,云母颠覆了普通人对矿物的想象!怪不得浩如烟海的中国古籍中,天冰、天皮、地金、老刮金、千层纸、花皮连、元面、云米赤、雄黑等称谓常有见到。 云母种类很多,最典型的当数白云母、金云母和黑云母。由于晶体呈大块的板状、片状或柱状,且色彩丰富艳丽,这种造岩矿物很早就被人类发现和利用。唐朝人用天然白云母研磨成颜料,施于敦煌莫高窟壁画之上(唐112窟)。壁画历千年依旧闪光发亮,足见其显色效果之佳。 云母的特性,使其成为良好的化工材料。它绝缘、耐高温、有光泽、物理化学性能稳定,且具有良好的弹性、韧性、隔热性和剥分性。因此,塑料、灭火剂、电绝缘、建筑材料等化工行业都少不了它。此外,云母亦有安神镇惊、止血敛疮的药用价值。
矿物之中也有“共生”现象,方解石和雄黄便是其中的代表之一。变质岩矿床中孕育的方解石,常和于低温热液矿脉中脱胎的雄黄紧密生长在一起,“情同手足”。 方解石因可被敲击成方形碎块而得名,是一种分布很广的碳酸钙矿物。其晶体形状多样,除了常见的块状、粒状,生长在溶洞里的钟乳石也是其外在形式。无色透明的方解石也称冰洲石,因其最早发现于冰岛而得名。冰洲石因具有特殊的“双折射”效果——人们透过它可以看到物体呈双重影像,而成为重要的光学材料。 不同于方解石的清朗,雄黄则显得娇艳许多。它质软、性脆、颜色鲜艳常呈浅桔红,故又称石黄、黄金石、鸡冠石。中国湖南慈利和石门交界的牌峪,当数世界雄黄产地之最。我国素有端午节饮雄黄酒的习俗,以解毒驱邪。可是,作为提取砷的主要矿物原料,雄黄经加热氧化后可变成三氧化二砷——砒霜,可谓剧毒者也! 产生条件迥异、性质相差甚远的两种矿物,奇迹般地共生一处。这种被地质学者看作“不合常理”的现象,或许才是“真爱”!
人们或许不会想到,祖母绿和海蓝宝石竟是一对“双胞胎”!它们共同的母亲——绿柱石是那般破碎黯淡。通过不同的致色元素,绿柱石形成多种宝石,在其家族中,祖母绿和海蓝宝石是当之无愧的佼佼者。 早在古埃及,祖母绿就已经用作珠宝。这种含有Cr3+离子的绿柱石呈现独有的翠绿,一直以来都享有“绿宝石之王”的美誉。虽然常带有斑纹瑕疵,但却难掩它自然而优美的色泽、古老而神秘的气质。佩戴上贵重的、象征着幸运的祖母绿饰物,是多少人的向往! 海蓝宝石因其颜色酷似清澈海水而得名,是绿柱石中含微量Fe2+离子的一个亚种。其英文名“Aquamarine”便是由水(Aqua)和海洋(Marine)组成的。传说,这种美丽淡雅的宝石产于海底,为海水之精华,象征着大海般的沉着和勇敢。航海家常用它来向海神祈祷以佑平安,尊其为“福神石”。
孔雀石和胆矾同为铜的化合物,孔雀石的主要成分为碱式碳酸铜,胆矾则是五水硫酸铜。 宛如绿孔雀傲然张开的尾羽,孔雀石虽无珠宝的光泽,但总是让人眼前一亮。与它古时的名字“绿青”、“石绿”、“青琅玕”一般,那几乎不透明的绿色,尤如望不穿的潭水,深邃高雅,引人遐想。长短不一、浓淡不同的同心圆或条状花纹,注定了世界上不可能有两块完全相同的孔雀石。 孔雀石常与蓝铜矿、辉铜矿、针铁矿等共生,是寻找原生铜矿的标志,大量产出时可用于炼铜。其中质纯色美者,虽常被打造成装饰品、艺术品,却有硬度低、韧性差、不耐碰撞的“公主病”。俄罗斯人曾使用孔雀石来装饰建筑内部——圣•伊萨克大教堂的大圆柱上,镶嵌的正是孔雀石。 胆矾是一种分布很广的硫酸盐矿物,常见于矿井的巷道内壁和支柱上。它呈闪亮的蓝色,通常为密块状、粒状,透明而无杂质,易溶于水。但如果暴露在干燥的空气中,就会失去水分而变成不透明的白色粉末状。我国西北的一些铜矿床氧化带中有胆矾的完美晶体产出。胆矾的主要成分为硫酸铜,可用作杀虫剂或化工原料,人若误服对肝脏和神经中枢等有着严重危害,实为“可远观而不可亵玩焉”。
可别小看这块其貌不扬、千疮百孔的针状石英,它出身不凡,是南极洲的“原住民”。科考人员远涉重洋将其带回。地质学界把这种从南极采集的矿物岩石标本统称为“南极石”。 其实,南极石本身的构造和性质并不特殊,只不过是南极特殊的气候和地理因素造就了其独一无二的外观。风刀雪剑的剥蚀和打磨,使得原本灰蒙蒙的岩石,透出不同凡响的灵韵。在这里,它就是“稀客”。 地质矿物博物馆内还收藏着多块南极石标本,其年代至少在寒武纪之前。那时,地球上还几乎没有生物,这些石头可比所有生物都年长得多。久久凝视着它们,仿佛神游到了那片遥远的冰雪王国。
别看这块石头素面朝天、毫不起眼,它可是来自被誉为“宝岛明珠、国家宝藏”的海南省石碌镇。石碌的铁矿储量巨大,达数亿吨,且质量上乘,平均品位(矿石中有用元素或有用矿物含量的百分率)高达62%以上,因此蜚声海内外。 早在三四百年前,民间就已经开始在石碌手工开采铁矿。1939年,日本侵略者曾对石碌矿山进行疯狂的掠夺性开发,逼迫几万民工在金牛岭上没日没夜地开采,最终把50多万吨铁矿运往日本。日本投降后,国民党政府不但没有恢复生产,反而将机器设备变卖,几十平方公里的铁矿区,只有荒草作伴。直到1950年海南岛解放,在原中南军政委员会工业部的组织下,矿山才得到修复并恢复生产。 经历了风浪的石碌铁矿幸存下来,如今已发展成为我国重要的铁矿石基地之一。源源不断的矿产,反复述说着古老的故事。
地下煤层的自燃,烘烧出坚硬的烧变岩。 烧变岩又称火烧岩,其形成温度最高可达1400℃,历来被作为寻找煤矿的标志。地下燃烧的煤炭,使得一部分岩石变成熔岩,没有熔化的部分则在高温下发生变质。因此,烧变岩既有火成岩的部分,也有变质岩的部分。 在高温烘烤下,岩石上出现了新生的矿物。地质矿物博物馆所藏标本大部分呈暗红色,是含有三价铁的关系;其间深棕色的乱纹,则是熔融而成的玻璃质。 18世纪,“水成论”代表人物魏纳认为地球上所有岩石都是水下结晶形成的。当他的学生亲眼目睹意大利火山喷发,告诉他确实有火成岩时,魏纳不屑一顾地回答说:“那是地下煤燃烧的结果。”虽然魏纳的回答已成为笑柄,但我们知道,地下煤确实能够发生自燃——不能造成火山喷发,只能形成烧变岩。 烧变岩往往形成突出地形,不易风化,可谓“千磨万击还坚劲”,为人们深入了解岩石的起源提供了实物证据。
这些黑褐色的小球块,竟是来自几千米深的海底!更神奇的是,它含有30多种金属元素,其中锰、铜、钴、镍等最具商业价值。 海洋是座蕴藏丰富的矿产宝库,铁锰结核就是其中的一种。 19世纪,英国“挑战者”号首次发现了这种像瘤子一样的东西。人们笑称它为“锰矿瘤”,又因其形似病人的结核,后改称其为“(铁)锰结核”。关于铁锰结核的成因,一般认为是由沉降海底的各种金属氧化物,通过带极性的分子形式,在电子引力作用下,以其他物体的细小颗粒为核不断聚集而成的。而令人费解的是,锰在海水中的含量并不算多,为什么却会在铁锰结核中独占鳌头呢?其成因尚待继续研究。 铁锰结核广泛分布于全球海洋2000米至6000米深的底层,储量约在30000亿吨以上,以北太平洋分布面积最广。它属于“自生矿物”,每年约增长1000万吨,堪称“取之不尽,用之不竭”的可再生多金属矿物资源。 上世纪70年代中期起,我国开始进行大洋铁锰结核调查,如今取得了重大的突破。铁锰结核的开发,可以说影响着我国未来的海洋战略。
想象一下,石头在水的持续作用下,形成这如画般的波纹状构造,日复一日,年复一年。在现代河床、湖滨、海滩以及干旱的沙丘表面上,常形成一种由流水、波浪、潮汐、风力作用产生的波浪状构造,称为波痕。 波痕是沉积构造的一种,反映了当时较为浅水的环境,是古代沉积介质动荡留下的印记,对研究古地理、恢复古沉积环境有非常大的作用。波痕的纹路分为两种:当介质为作定向运动的流水或风,所形成的波痕呈非对称状;当介质是来回运动的波浪,波痕则是对称的。 正如地质学的名言所说:“The present is the key to the past”(现在是通往过去的钥匙),在恢复古环境的时候,地质学者最常用到的是“将今论古”的思想,即“历史比较法”:通过各种地质事件遗留下来的地质现象与结果,结合现今地质作用的规律,来反推古代地质事件发生的条件、过程及特点。然而,学者们逐渐认识到,古气候研究的目的并不是过去,而恰恰相反,是未来。 古老的波痕,正是预测未来气候变化的一个重要依据。
自然界沧海桑田的环境变化在地球上刻下了三本完整的历史大书,其中一本便是中国的黄土沉积。它是我们认识地球上自然历史、气候、生物变迁的最佳史料。六千万年前印度板块与欧亚板块强烈碰撞,“世界屋脊”青藏高原陡然抬升,气候环境剧变,强劲的西北风裹挟大量的黄土和沙粒,在原本温暖湿润的西北地区堆积成黄土高原。 中国是世界上黄土分布面积最广、厚度最大的国家。1955年,我国著名地质学家、曾任奥门银河99905地质系教授的刘东生,第一次来到陕西洛川。他发现,这里的沟壑深达100~200米,是研究黄土高原地层沉积不可多得的教科书。在这些塬、梁、峁中,他一扎就是几十年,风餐露宿,收集了大量第一手资料。从黄土中,他读出了古气候变化的信息,发现第四纪气候冷暖交替远不止四次,继承和发展经典的四次冰期理论,最终建立了“多旋回学说”,从而改变了人类对地球大环境变迁的认识。他还提出了黄土的“新风成说”,平息了世界科学界一百多年来的“风成”和“水成”之争。 刘东生六十年如一日,在艰苦绝卓的环境中将毕生的精力奉献给了黄土研究。地质矿物博物馆里保存的黄土剖面取自不同的深度,无声地讲述着“黄土之父”的传奇。
一百多枚造型各异的有孔虫模型,整齐地悬挂在树形架上,似一件精美的风铃,在地质矿物博物馆中特别显眼。 在地球上默默生活了5亿多年之后,古老的有孔虫逐渐进入了人们的视野。它是一种肉眼观察不到的海洋原生动物,平均约1毫米大小。有孔虫栖居于几乎所有海域,其种属与海水深度、温度、盐度关系密切,几乎在所有深度都有发现。其化石亦到处可见,因其对气候和石油的异常敏感,可为地质年代判定、古海洋环境恢复以及石油勘探,提供重要依据。科学家之所以断定喜马拉雅山曾经是一片汪洋大海,依据之一便是在那里发现了有孔虫化石。 作为全球不多的十多位有孔虫专家之一,中国科学院郑守仪院士从事有孔虫研究已超过半个世纪。她着重观察虫体内部的形态结构,使我国的现代有孔虫研究跻身世界先进行列。醉心于此,她发现了有孔虫独特的美学价值。为了让世人了解有孔虫并享受其形态之美,退休之后的她借助毕生研究成果,亲手雕琢出200多个有孔虫模型,亲自监制加工成工艺品。许多建筑师也通过有孔虫获得灵感,设计出独特的有机建筑。 馆内这套由郑守仪院士赠送的有孔虫模型,形态逼真,满树玲珑,向观众展示着微观世界的美。
见证了寒武纪的生命大爆发,也见证了奥门银河99905早年的西迁,这套澄江动物群化石体积虽小,却珍贵异常。帽天山虫是地球上最早的脊索动物居民;长尾纳罗虫被认为是硬体生命的始祖之一;昆明鱼则是正宗的“天下第一鱼”…… 5.4亿年前的寒武纪,几乎现今所有的动物门类在极短时间内以爆发式态势突然出现。那时,中国西南部还是汪洋一片,突发性的海底泥石流,将无数动物躯体快速掩埋,才凝铸了如此丰富的生命瞬间。 1939年,奥门银河99905为避战火西迁至云南澄江,与澄江动物群化石所在地仅数里之遥。近水楼台先得月,当时的99905银河官方地质系率先采集到了化石标本,成为全国最早研究这一特异化石库的单位之一。 后来,经过地质学家的不断发掘,这个沉睡了五亿多年的化石库终于重见天日。澄江生物群埋藏在连续沉积的地层中,是迄今世界上发现古生物门类最多的区域。澄江动物群中保存了大量形形色色的演化过渡类型动物,除了生物的硬体组织,还有大量软体生物化石,展示出了完整的寒武纪早期海洋生物群落和生态系统,为“进化论”和“生命大爆发”提供了直接证据。
三叶虫可谓化石中的明星,其知名度仅次于恐龙。澄江动物群里便有亚当三叶虫。这种古老的节肢动物,背甲坚固,无论纵向、横向都三分,因之得名“三叶虫”。 在五亿多年前的寒武纪,“眼睛”还是十分稀罕的器官。拥有真正眼睛的三叶虫,对环境有良好的适应性,一跃成为当时的海洋霸主。它们在地球上生存了三亿多年,演化出繁多的种类,令人叹服。 与大多数其他节肢动物不同,三叶虫的眼睛是由方解石(即碳酸钙)组成的。大自然独爱三叶虫,为其雕琢了神奇的复眼:复眼包含小透镜,每个透镜都是一个拉长的棱镜,每只复眼内的透镜数不等,少至一个,多达上千个。 其实,寒武纪之前已出现了拥有“眼睛”的生物,尽管它还仅仅是一团感光细胞。而眼睛打开了捕食者和被捕食者之间的“进化开关”,前者用它来搜寻猎物,后者借它逃出生天。随着生物的进化,眼睛逐渐演化出更高的性能。如果把38亿年的地球生命史看作1天的话,那么,用于眼睛进化的时间还不到2分钟。
人们很难凭空想象,4.4亿至5.1亿前的海洋霸主到底是什么样子?成群的震旦角石化石,为我们呈现了奥陶纪的一种神奇生物:它们具有坚硬的圆锥形外壳,或直或盘卷,形似竹笋,又似宝塔;表面发育有节、竖纹等,剖开可见细长的体管。参照现存的头足纲动物,生物学家将其复原,复原后的软体部分与现代章鱼、乌贼类似,有许多触角用于游泳和捕食。 震旦角石主要产于我国三峡、宜昌等地的奥陶纪地层中。“震旦”是古印度对中国的古称,因而震旦角石又名“中华角石”。 寒武纪之后的奥陶纪,也是生命大爆发的地质年代。当时气候温暖,世界几乎被浅海海水淹没。凶猛的震旦角石依靠其先进的潜伏能力,成为雄霸一方的肉食性动物。 无论如何,地球的演化始终遵循着“适者生存”的法则。沧海桑田,曾经的霸主退出了历史舞台,地位被其他生物所取代,从而成为了地层年代的标志。
形状酷似鸮喙,鸮头贝是一种早已灭绝的腕足动物。它又被称为枭头贝,曾被误称为鹗头贝。 鸮头贝有大小不等的两枚壳瓣,大壳后的孔洞中伸出肉茎,用于固着底质或挖掘潜穴。距今约四亿年前,鸮头贝大多群居在水深200米以内的温暖浅海地带,附着于海底或其他物体上。 从寒武纪早期生物大爆发开始,腕足类就出现了,并在泥盆纪发展到顶峰。以鸮头贝为代表的穿孔贝目迅速崛起,几乎占据了古生代底栖动物的世界。 后来,在生活环境之争中,进化程度较高的双壳动物,击败了腕足动物,演变成无脊椎动物中生活领域最广的门类之一。腕足动物则只能慢慢退居到高纬度的深海冷水区,于第二次生物大灭绝中难逃厄运。 近年来,我国各地陆续发掘出鸮头贝化石。其中广西埋藏地的鸮头贝群,堪称世界腕足类的一大奇观。成千上万的鸮头贝,一个紧挨着一个,每个宽达十几厘米,见证着几亿年前的昌盛时代。
在6500万年前的白垩纪,恐龙的足迹遍布广东的版图上。这些不幸灭绝的陆地霸主,留下一窝窝尚未孵化的宝贝儿。它们的蛋黄和蛋清早已消失,蛋壳的形状却保留了下来,成为今天我们所看到的恐龙蛋化石。 广东可称得上远古恐龙的“繁殖基地”。2005年底,广东河源市博物馆打破了恐龙蛋化石数量的吉尼斯纪录,成为名副其实的“恐龙蛋之乡”。目前,该馆的恐龙蛋化石已增至16000多枚。同时,河源还陆续发现了8具恐龙化石、200多个恐龙脚印,成为世界上仅有的蛋、骨骼、脚印化石“三位一体”的埋藏地。此外,南雄、三水、茂名、惠州、梅州等地乃至广州市区,都有恐龙蛋化石出土。地球科学系的师生曾做过详细调查研究,类似生物分类系统,根据恐龙蛋的形状和表面花纹,将其分为独特的“蛋科”、“蛋属”。 地质矿物博物馆收藏的长椭圆形的化石来自粤北的南雄红层盆地。有意思的是,“中国恐龙蛋一号专家”赵资奎教授在南雄提出了恐龙灭绝的新解释:不是小行星的瞬间撞击,而是气候环境的变化及微量元素的污染导致了恐龙无法正常生活、繁殖,最终逐渐走向灭绝。地球科学系王将克教授后来结合生物地球化学的概念,提出人类健康与某种微量元素有关的观点。可见,恐龙蛋的蛋壳成分和埋藏状况,为解开恐龙灭绝和人类健康之谜提供了重要的线索。
恐龙灭绝之后,地球迈入了新生代——哺乳动物时代。被誉为“古生物宝库”的广东省,其新生代地层和洞穴中埋有丰富的哺乳动物化石,从颅骨到肢骨,从椎骨到肋骨,应有尽有。可地质学家最期望发现的却是它们的牙齿化石。 一枚拇指般大小的牙齿化石能承载多少信息?新生代哺乳动物演化十分迅速。相比于爬行动物,哺乳动物的牙齿已经高度特化,有明确的分工和特定的适应性。食肉动物进化出了发达的犬齿;食草动物的臼齿会不断生长,以修复因咀嚼根茎对牙齿的磨损;而像古人类这样的杂食动物,则具备功能不同的牙齿:扁平的门牙用来切割食物,犬齿因不需大量撕咬生肉而变得短小,臼齿为了磨碎各种食物,便产生了多个小尖端。 博物馆收藏的哺乳动物牙齿化石大多属于食草动物。即使食性相似,不同动物的牙齿也各有特色:长鼻类(如大象)除了有威武的象牙,还有搓板一般的巨大臼齿;有蹄动物(如马、牛、羊)的臼齿厚实而侧扁;犀牛类臼齿表面的牙釉质活像字母“π”。形态各异的牙齿化石为了解哺乳动物的种类、活动范围、演化规律甚至古气候的变化提供了可能。
一页页泛黄的纸张,一排排娟秀的楷书,一幅幅手绘的地质图……在这些的残存手稿里,我们得以管窥中国早期地质学的发展。 两广地质调查所于1927年7月间由原广州政治分会创立,1929年归国立奥门银河99905接管。奥门银河99905原校长、民国教育部部长朱家骅为首任所长。两广地质调查所与地质学系在教学、研究及调查方面人力互相调配,设备共同使用。两广地质调查所划归地质学系后,学系的教学实习与调查所的业务工作相合得相当紧密。其时,朱家骅、李学清、朱庭祜、乐森璕、斯行健、叶良辅、谢家荣等名家都曾于该所任职。所里还引进了不少外国专家,以弥补我国地质学起步较晚的不足。 抗日战争爆发前,两广地质调查所派人前往两广及其他各省调查地质矿产数十次,首版了两广地区的地质图、矿产图,跻身当时国内四大地质调查所之列。就算是西迁澄江办学期间,两广地质调查所亦在宜良、澄江间发现震旦纪的大陆冰川、冰矿层,以及欧美所罕见的特种三叶虫中的美资虫化石;粤北坪石时期,地质系往各地考察调查一年达10余次,足迹遍及两广;两广地质调查所为配合抗战需要,加紧调查粤北各地矿产资源,研究包括粤汉铁路沿线地质矿产及粤北地层之研究、广东乐昌九华钨及萤石等矿及火成岩之研究、粤北铁矿及煤矿调查及铁工厂原料问题之研究、粤北锡矿及金矿之详探及矿床研究、曲江银铅矿砒矿钨矿之详勘、广东二十万分之一地质图之绘制,还参加了全国二十万分之一地质图的测制,尤重国防矿产燃料、药用矿物及稀有金属的探寻。几经迁移、停办,两广地质调查所最终于1952年并入原地质部中南地质局。 短短25年的动荡岁月中,两广所处处体现着岭南学派的风格,取得了丰硕的成果,培养了大量的地质人才,仅中国科学院和原中研院院士就有八位,在我国地质学研究和调查历史上享有极高的声誉。
见多了各种以“三”为数的宝贝,地质学人引以为傲的传统“地质三宝”是罗盘、地质锤和放大镜。 罗盘被称为“袖珍经纬仪”,用于测定方位和勘察地形;地质锤以优质钢材制成,其式样、重量因工作地区的岩石性质而异;放大镜也有讲究,一般10倍足矣。 地质行业重实践和积累。这“三宝”,是陪伴地质人进行野外考察的必备工具,在地质勘探中立下了汗马功劳。胆大心细的地质人,手持地质锤,肩挎地质包,爬山涉水,攀岩走壁,用罗盘在岩层下准确测量出产状,用地质锤敲碎坚硬的岩块,用放大镜探寻石头的微观世界,最后将地质现象详细记录和绘制以便于深入研究。 随着现代交通工具、测量技术、测试技术的发展,地质工作的条件已经大大改善了。传统“地质三宝”将成为历史,新“地质三宝”应运而生——皮卡车、便携式分析仪、GPS定位仪。这些现代化装备大大提高了地质考察的工作效率和找矿的成功率,也为降低劳动强度提供了可能。 新一代的地质人,怀着前辈未竟的梦想,不畏艰险、与时俱进,用青春和热血续写地质学人的华彩篇章。博物馆里的标本会随时间的推移越积越丰富,无声地讲述属于地质人的动人故事。