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大自然的红色恋曲:矿晶色彩的秘密

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侠客地理 2021-09-24 11:41

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威尔逊1994年画的甜蜜之家菱锰矿
供图/刘光华

大自然有一种美丽的风情

并不易见到

它,既普通到奠基我们脚下的沃土

又珍稀于埋藏地下深处

虽然它的组分是无机物

却有着与有机生命一样的

孕育、生长、变异、终老的全过程

它还凝结了地球母亲内心的脉动和

成长经历的信息

它,就是地球深处的惊艳“生命”

矿物晶体

受美国著名矿物学家、艺术家温德尔•威尔逊(Wendell E.Wilson)矿物晶体艺术绘画启发,我想另辟一种科普与艺术结合的方式展现矿物晶体之美。

从矿物晶体之美的物理、化学内涵,矿物晶体之美的沧桑经历,以及大自然矿物晶体与神奇动物、缤纷植物的美丽邂逅等多个角度,探讨矿物晶体的演变规律,传递大自然矿物生命的绚丽片段。

圣佩德罗科拉利托斯的幻想之辰砂
供图/刘光华

“赤橙黄绿青蓝紫,谁持彩练当空舞?”据说人类的眼睛能分辨的颜色多达1000万种,色彩是大自然动人心魄、万物相吸最基础的特征。

花鸟鱼虫、风雨雷电,自然万物因变幻无穷的色彩和千奇百怪的形态而活泼生动、荡人心魄。

矿物晶体的色彩、形态既不输于这些基本特质,其“生命”过程更有着壮阔的地质背景、生长规律和人文情怀,蕴含着独特、神秘的别样风情。

暂以毛主席的诗词为蓝本,从色彩切入,按照“赤橙黄绿青蓝紫”的次序,本篇先从红色道来。

红色矿物

矿物色彩的秘密

矿晶绘画

“日出江花红胜火,春来江水绿如蓝。”红色源于太阳光三原色之一,在色谱学中红色是最为闪亮和热烈的,代表着浓烈、激情、勇气……

在国人眼里,红色更是凝聚着新中国波澜壮阔的革命成长史,也是老百姓最喜欢的喜庆色,既是婚嫁必选色,也是事业好运首选色,以红色宝石作为扮美装饰,常常吸睛度极高。

天然呈现红颜色的矿物晶体可不少,比较常见的有刚玉(红宝石)、电气石(碧玺)、尖晶石、辰砂、石榴石,菱锰矿、赤铜矿等,还有一些是在晶体长成后被环境“染”红的,如红水晶、红方解石等等。这些红色矿物晶型各异,光泽不同,硬度差异大,当然因其稀缺性和用途不同,价值更是天壤之别。但神奇的是,令这些宝物呈现艳丽红色的关键,却是基本一致的,色彩的秘密就在这里!

碧玺

原来,令矿物晶莹璀璨、万紫千红的关键,是位于元素周期表中过渡族的钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜等元素,它们就像矿物晶体里驻着的一干色彩魔术师,百变戏法让晶体熠熠生辉!

玫瑰色方解石

中国地质博物馆馆藏

对矿产有一点了解的人都知道,这些元素都是重要的金属矿产资源,是支撑现代工业的关键物质,但它们为矿物装点色彩上的非凡技艺,却鲜为人知。

这些元素个个身藏绝技,通常,它们混在供应矿物生长的气液流体中欢腾游戏,一旦与体格(原子半径)、技能(离子价态、外层电子数)般配的元素大部队相遇,它们就和数量最多、最强壮的元素兄弟紧紧抱在一起,形成稳定的分子团,分子团有规则地团团相接,直到长成漂亮的晶体,这位魔术师就成功地把自己融入晶体,把它偏好的颜色变成炫彩的晶体战果。

辰砂

比如锰元素,在自然状态下偏好红色,它和碳、氧元素结合成稳定的碳酸锰分子团,巧妙地搭建成菱锰矿板状晶体,锰元素的红色偏好就化身菱锰矿晶体的红色-粉红色容颜,这种进入矿物主要成分元素显示的颜色,也称为矿物的自色。

菱锰矿

大家知道矿产资源是稀缺资源,只在成矿条件好的地质体中局部富集,这些元素魔术师在自然界中多为微量分布的小众。

因为小众且善变,大多数情况下,它们分散游荡在固体、流体中,常常不受待见地被一团团晶格兄弟排斥在外,挤不进主流阵容。

但因为这些魔术师都是过渡族元素,活泼的外层电子结构赋予它们化学键活跃且易呈多价离子的特性,所以在亲水性、化合物占位、显色、磁性等方面的本领“千变万化”,一旦发现分子团有短键、晶格上有空位,特别是体态相貌相似的队友缺席,它们就伺机而动。

或是伪装成队友拼命占领这个缺陷,以类质同像方式替换,上演一出儿“狸猫换太子”,或是卸掉若干电子,瘦身后潜入晶格,慢慢以少胜多,颠覆原来晶体的色彩取向,于是,非主流元素的一场“颜色革命”便大功告成。

“魔术师”占位晶格示意图
制图/王铎

元素魔术师使矿物呈现五光十色的戏法还很多,比如三氧化二铝是组成刚玉的分子团,晶体纯净时的刚玉是无色的,但当有微量的铬代替铝时就呈现出红色,升级为红宝石了,而当微量的铁、钛占据了晶格,则呈现出蓝色,变身蓝宝石了。

蓝宝石
摄影/毕皓月

“达碧兹”红宝石摄影/李盈青

不但不同元素可以让同一矿物显示不同色彩,比如锰偏好红色,钛偏好蓝色,而铜偏好绿色,就是同一元素,因为价态不同,也能变幻多种颜色。

同为铁元素,二价铁离子多为绿色,三价铁离子为黄色或红色,二价锰为粉红色,而六价锰离子则是绿色的,同样是让刚玉变红的铬元素,三价时则多呈绿色,也是它让祖母绿、翡翠呈现出鲜艳欲滴的绿色!

祖母绿
摄影/毕皓月

红色尖晶石和绿色浅闪石

摄影/李彦伟

这类着色也称为矿物的他色。大多数红色矿物的红色并不是主成分的作用,而是在矿物晶体生长过程中,铁、锰、铬、钛等元素魔术师变幻身姿、巧夺天工,袭夺了矿物晶格有利位置,赋予了这款宝物红色的灵魂!

色彩魔术师虽然数量并不多,但在扮靓透明矿物时可是扮演了顶顶重要的角色,因而统称为“致色”元素。

在找矿人眼中,对地质露头的漂亮颜色则特别敏感,在山下远远望到红色、绿色、黄色露头就特别兴奋,不管多累、山多高,也要爬上去看个究竟!因为红色露头很可能是铁、锰矿物风化产物,预示着露头下面可能有铁矿、锰矿、铅锌等金属矿藏,而绿色露头,必定与铜矿密切相关。

据在西藏找矿的朋友们说,在铜矿富集区的地表,经常能见到如孔雀羽毛般漂亮的蓝绿色岩石、水华,映衬着碧水,装点了山川,指引着地质找矿人。

铜绿风化-驱龙铜矿的孔雀河露头
供图/唐菊兴

铜矿孔雀河

供图/唐菊兴

铁帽—我国最大铜金矿铁格隆南供图/唐菊兴

画笔下的红色矿物

我曾试图探索艺术与矿物晶体相结合的科普之路,用色粉画法描摹插图。

色粉画源于西方绘画传统,是用各色粉笔在粗糙的纸上创作的画种,大约有五百年的历史了。因为它兼具油画和水彩的艺术效果,色彩丰富,笔触自然,表达风景、人物繁简皆可,而且用具简单、执画修改方便,所画即所见,深受西方画家推崇,20世纪三十年代由徐悲鸿等引入我国。

今天呈现给大家的这幅画,画了两种美丽的红色精华,一款来源自广西苍梧县矿山的红色菱锰矿晶体,一款是飞翔在滇、桂丛林中的红羽小鸟——“太阳鸟”。

太阳鸟是雀形目、太阳鸟科、太阳鸟属的通称,全球有14种,它们体态娇小,身长仅有几厘米至十几厘米,两性异色,雄鸟羽毛一般都有鲜艳、明亮的颜色,并伴有少见的金属光泽,体羽常具红彩,腰腹多金黄,头颈常呈蓝绿金属光泽,因而与蜂鸟有许多相似之处,也有“东方蜂鸟”之称。

停在花朵上的太阳鸟

我画的这种应该是“黄腰太阳鸟”雄鸟,背部、胸部是艳丽的红色,非常耀眼,与菱锰矿晶体的红很相衬,而后颈部的一小丛靛蓝色羽毛,则是亮丽的金属光泽。

这种美丽的鸟主要生活在云南、广西的常绿阔叶林中、竹林或村边开阔的小树林中,性活泼,喜爱穿梭跳跃在乔木上层的花丛枝叶间,靠吮吸兰香花蜜生活。

无机矿物晶体的色彩受流体成分控制,由地质作用造就;鸟类的色彩则源于在大自然中生存、繁殖,不断进化、演化,是生物适应自然、融入自然进化的结果。

羽毛的彩色颜色既来源于食物中的叶绿素、胡萝卜素、虾青素等色素物源(当然致色元素也可能参与其中),也可能源于羽毛特殊的毛发构造,在阳光下显现锖色、金属光泽等色泽,蜂鸟就是兼具色素和构造色两种羽毛色彩的少数动物之一。

选择描摹这两款天然宝贝,一是因为它们都有天然漂亮的红色,二是它们都是原产于我国的大自然宝库,无论是通透的晶体,还是靓丽的羽毛,皆是颜色家族中最具红色代表性的珍贵资源,在自然界中这两款美物不可能相遇,但在画中,把太阳鸟的视线投向红色矿物晶体,在苍翠的背景下,它们红艳艳地彼此相望、相映成趣,演绎一幅大自然的红色恋曲。

菱锰矿与太阳鸟
创作/高平

大自然是灵动的,有一种跃动是固液流体触碰中原子与原子的漫长相拥、攀援。

大自然是奇妙的,有一种绚丽是深藏在大地深处,闪烁在电子跃迁、离子置换光影之中。

大自然是有生命的,有一种生命是冲破重压后的绽放,海枯石烂后的永生。

大自然是多彩的,就像艳丽的太阳鸟、红润的菱锰矿那样,在灿烂阳光下,那抹鲜红跨越了有机、无机,装点着万紫千红的大自然。

美不胜收的矿物晶体,需要我们细细探究,用画笔不停地描摹,邀约美丽的生物与你相遇、共舞,探索矿物晶体和艺术结合的科普之路。

刚玉
中国地质博物馆馆藏

本文 首发于《地球》2021年第4期,有删节修订

责编| 刘 丹

排版|温宜妮

审核|卞跃跃

本文系【地球杂志】原创内容

侠客地理授权转载

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