超塑性的地幔礦物

地球古生代的海洋岩石中散布著微小的牙形石口器化石。
這些重要的指標化石被誤解了一百多年，牠們屬於地球上最早的一批捕食性脊椎動物：一類外觀狀似鰻魚、在海洋中存在超過兩億八千五百萬年的動物。

原本不被當成動物的牙形石

在牙形石（conodonts）首次被發現後的一百多年裡，人們只將牠們視為微小的礦物形狀。

就像顯微鏡底下的雪花，牠們有許許多多令人驚嘆的形式：鉤形與扇形、梳狀、種子狀圓球、星形與有節的螺旋狀。這些比米粒還小的奇怪化石出現在寒武紀，一直到三疊紀岩層都還有牠們的蹤跡，遺留下像是麵包屑般的隱密痕跡。

直到一具保有軟組織的精美牙形石化石出土，古生物學家才終於發現這些奇怪的形狀到底是什麼。原來，這些東西是一種狀似鰻魚卻沒有下頷的動物的礦化口器。

有些物種不比指甲長，有些長度則將近半公尺（二十英寸）。

更重要的是，牠們是脊椎動物，這讓我們更加認識地球的脊椎動物是如何演化出現。在三疊紀，海平面產生變化、海洋酸化，以及其他新興海洋生物的出現，讓牠們難以承受，才導致牠們的滅絕。

由於這個絕妙的動物群體在生命史上續了很長一段時間，成為重要的指標化石，得以解釋深度時間與幾千年來岩石形成的歷史。

透過顯微鏡才發現牙形石是動物

一八五六年，波羅的海德意志人生物學家海因茨．克里斯蒂安．潘德爾（Heinz Christian Pander, 1794–1865）首次辨識出牙形石。

我們只能從它們微小堅硬的部分來瞭解這些動物，這些部分的礦物質與人類的牙齒和骨骼類似。牙形石化石大多非常小（可以小到兩百微米，亦即 0.2 公釐），大頭針的針頭就可以裝下一打。

在它們被發現之後的幾年間，科學家試圖弄清楚這些微小結構屬於哪一種生物。大多數人認為這些化石是口器或爪子，或許屬於已經滅絕的蠕蟲或蝸牛，也有人甚至認為它們可能來自一種植物。

直到一百二十多年後，才有一件動物化石在蘇格蘭出土，保有軟組織，而且礦化口器也完好無缺。過沒多久，更多牙形石的化石在美國、南非等地的特異埋藏化石庫出土。

這些新化石顯示，這不但是一種體型細長的動物，而且是一種脊椎動物，因為牠有脊索，沿著身體呈現之字形的肌肉排列，還有不對稱的尾鰭。

牠們更有一對可利用帶狀肌肉旋轉的眼睛，這種特徵只見於脊椎動物。

牙形石的飲食習慣

牙形石的口器有著驚人的多樣性，這意謂著牠們正在試驗各種不同的飲食。其中有一些可能屬於濾食性動物，張著嘴在浮游生之間游動。

有一些則會主動獵捕食物。牙形石的齒狀結構有細微的磨損，表示牠們會抓咬、剪切與磨碎食物。

這讓牙形石成為世界上最早演化出現的捕食性脊椎動物之一―但絕不是最後一批。

——本文摘自《直立猿與牠的奇葩家人：47種影響地球生命史的關鍵生物》，2023 年 7 月，大塊文化，未經同意請勿轉載。

• 文 | 貝鳶業如

變質隱喻

變質（「後來形成的」）岩石是岩石世界中少數的多語通曉者，一生至少曾在兩種不同的地質環境中居住過。這些岩石所代表的是多元文化，而非文化熔爐。變質作用與熔融無關，而與固態狀態下的再結晶有關，就跟粉狀的新雪被埋起並變得易碎一樣。因此，變質岩的結構和成分風格各異，是其所棲環境的混合產物，這使變質岩成為所有地質文章中最豐富的一種。

變質沉積岩是其中最易閱讀的一種，因為它們可能尚保有分層、漣漪紋，甚至化石等可見的特徵，於是可以由所形成的變質沉積岩（也就是它們的原岩，意為「第一岩石」）中分辨出此種岩石。這就好像你憑著耳朵上一道疤痕的形狀，而認出一位你自孩提時代後就再沒見過面的老朋友。但即便再結晶作用和變形作用已然抹去這些特徵，變質岩的成分還是記錄著自己的起源身分（雖然外貌變了，你的朋友還是記得很久以前的某個夏天，曾與你一同在海灘消磨時光）。

大理岩是由石灰岩加熱所形成，而這兩種岩石主要也都由方解石礦（碳酸鈣，CaCo）所組成。

大理岩之所以呈半透明狀，單純就是因為再結晶顆粒的平均尺寸較大之故。板岩、千枚岩和片岩是頁岩（泥岩）不斷經由高溫烘烤而成。晦暗無光澤的黏土會依變質作用壓力與溫度條件的不同，而形成閃亮的雲母、耐看的紫色石榴石或天藍色的藍晶石，全都是由原來黏土中本來就有的鋁和矽重組而成。

此類只在相當嚴格的物理條件範圍內才會形成的礦物，稱為指標性礦物，是烙印在岩石生涯旅程各個不同關卡的印記。地質學家研讀指標性礦物，便能夠就特定岩石從其起源一路追溯到最深的掩埋處所，再回到他當初無意間撿起這塊岩石的地表。像鑽石這種主要藉由壓力而形成的礦物，是良好的地壓計，提供了礦物形成之時，岩石所處深度的測量讀數。其他只在特定溫度下才會結晶形成的礦物，則被當成地熱計使用。這些受壓力和溫度影響的礦物即便在旅行前往地表時，依然是其宿主岩石的亞穩成分，這就像大雪堆在氣溫升至冰點上之後，還可以繼續存在一段時間。不過，從熱動力學的角度來看，鑽石不盡然恆久遠。與在地表的情況不同的是，鑽石會慢慢劣化成另一種平凡得多的碳結晶形態——石墨，也就是用來製造鉛筆芯的「鉛」。好在對珠寶商和客戶而言，鑽石劣化要耗去好幾段的地質時間。

指標性礦物是辨識岩石變質時構造環境的關鍵。在地球大陸地殼的洞穴裡，溫度會以每公里攝氏二十度的速率穩定上升。

此種變化在礦坑深處便可直接觀察得到，在礦坑的較深處，溫度之高可能使人熱到無力。有些變質岩所含有的礦物集合與這種地熱梯度一致。也就是說，礦物所記錄下的溫度，正與我們預期中岩石所經歷受的壓力（深度）相當。這種以常見方式發展成熟的岩石所經歷過的，稱為一般性的深埋變質作用。

但許多其他的變質岩石所記錄下的溫度和壓力高峰情況，卻與這種典型的地熱梯度並不一致，亦即就岩石所到達的深度而言，這些岩石成分所暗示的溫度要不是太高，就是太低。

這意味著岩石是在熱混亂的情況下產生變質，而這正是岩漿或構造活動的標記。

若一塊岩石所含的指標性礦物在低壓下記錄到高溫（就像天才兒童過早深入成人世界），那麼這岩石必然曾在接近熱源處產生再結晶，熱源則多半是地底的大塊岩漿。

此種岩石所經歷的，稱為接觸變質作用。相反地，若一塊岩石含有高壓礦物（如石榴石、玉、罕見的鑽石等），卻從未經歷過相應的高溫，那麼這塊岩石位於深處之時，必然有某種東西使之冷卻，或至少將之隔絕開來（就像一個天真的成人過著異乎尋常受保護的生活）。

岩石是效能極低的熱導體，因此一塊岩石（尤其是大塊的岩石）是有可能在被熱得多的岩石包圍的情況下，依然保持著涼爽。

「隱沒帶」是海洋地殼因自身重量的拉扯而下沉（就像厚重棉被掉下床去）回到溫暖地函之處，此處便是此種隔絕現象可能出現的地質場景。海洋地層運動進入地函（對流循環的下降部分）的速率，較其因傳導而升溫的速率快了許多倍（岩石很不容易因傳導而增溫），因此海洋地層在隱沒到地函裡千百萬年後，依然能夠保持異常冰冷的表層，這一點甚至可由地震「觀察」得到，因為穿行地球內部的震波在通過這些較冷地帶時，運動速率會提高一些。

已進入隱沒帶的岩石有時候又會再度回到地表，但我們對這種地球消化不良的現象所知極少。這些岩石含有高壓低溫礦物的特徵，很容易被辨識出來。這些岩石稱為藍片岩，因為其中一種富含鈉、稱為「藍閃石」的礦石呈牛仔布色而得名。藍閃石非常罕見，但科學期刊討論它們的篇幅卻很多，因為它們明確地訴說進入隱沒帶的旅程，使我們全都能夠免於走這一遭。再說一次：你得找到對的岩石提問才行。

與隱沒有關的變質岩無疑為地球所獨有。月球、水星、火星和金星上沒有將岩石從地表推回地底深處的構造循環作用，因此應該沒有變質岩的存在（除非你要把因隕石撞擊而受創，發生驚嚇變質的岩石也算進去）。

火星和金星上大規模的火山作用可能使較老的岩石被覆蓋住，因而經歷了深埋變質作用，但由於缺乏有效侵蝕媒介的存在，這些岩石就一直無聲地停留在難以企及的深處，無法到地表來訴說它們的故事。

西方建築用了大量石材，所以䇄立千年不倒。古埃及、古波斯、古希臘、古羅馬等古文明業已不在，但留下的文明古蹟仍讓人對古世界有許多豐富的想像；即使是中世紀的愚昧，還留有有法國巴黎的聖母院、德國柯隆的大教堂、義大利米蘭的大教堂、奧地利維也納的聖史蒂芬大教堂，都叫不信教的遊人也讚嘆。

可是到了吳哥古蹟，那裡上百個鬼斧神工的廟宇建築，其氣象之宏偉、雕工之精緻，讓歐洲的哥德式大教堂相形見絀。這些都是人類用岩石留下的文明足跡。可是岩石記錄下的，何止是的這些幾千、幾百年的短暫歷史呢？ 美國結構地質學家貝鳶業如（Marcia Bjornerud）在《地球用岩石寫日記：追蹤 46 億年的地球故事》（Reading The Rocks: The Autobiography of the Earth），就要來告訴我們，岩石本身，就記錄了好幾十億年的歷史，在訓練有素的眼光下，岩石就像地球的日記。

對我這門外漢來說，岩石是冰冰冷冷的，似乎只有用在經典建築上才有生命力。然而岩石，如果知道怎麼研究和解讀，可以讀出各種各樣的資訊，真是佩服地質學家豐富的想象力，以及他們深入探究的精神。其實，學會解讀岩石，是自然史（natural history）的一個重要部分，是過去博物學家（naturalists）的基本訓練之一。國內外所有自然史博物館，岩石的收藏和生物標本相比幾乎可以等量齊觀。可惜博物學家的訓練和精神，在功利又高度分工的這個時代，幾乎是蕩然無存。

身為一個生物學家，我們都知道要用生物來講故事，算是比其他領域如化學、物理和數學來得輕鬆太多，因為許多生物本身就很有趣，有時候甚至在臉書上有人放張奇特生物的照片，就能引來許多討論和按讚。有時候，有數學宅或工程宅放了數學圖案或程序，也能引來會心一笑，可是放岩石卻能熱烈按讚分享的，似乎還沒看到過，啊……不對……其實有，如果那顆岩石是顆鑽石的話。

在相對不討喜的情況下，《地球用岩石寫日記》要來告訴我們岩石背後的深意。《地球用岩石寫日記》並非一本市面上介紹岩石種類、名稱和成分而已的圖文書。貝鳶業如主要要談的是岩石形成和地球科學的各種知識和理論。

對我這演化生物學家來說，岩石最最最有趣之處，不在其本身，而是包在裡頭的化石。事實上，地質年代，就是用主要化石的演替來製訂和命名的。但事實上，化石並不是地球的日記，它比較像台灣某些媒體報導，充滿各種偏見、謬誤，極大部分國家社會真正重要的大事不報，專挑精簡聳動的來報，或者這裡抄一點那裡手掰一段。

化石也差不多如此，留下來的大多是意外，侷限在少數地區，而且在形成過程中，大部分生物組織都破壞殆盡，只留下扭曲的硬組織，古生物學家要花極大力氣去復原。所以要解讀化石的真相，是極費功夫的，也是件智力上很有挑戰性的工作。不過，收集了許許多多片面的化石資料後，古生物學還是有信心可以重塑過去地球的景象。演化生物學大師古爾德（Stephen Jay Gould，1941–2002）的經典之作 Wonderful Life: The Burgess Shale and the Nature of History，啟發了許多人對動物早期演化的認識和想像，但在學術界也有相當的爭議和討論，《地球用岩石寫日記》也提到了這點。

前科學博物館館長李家維教授，在貴州瓮安和雲南澄江生物群的發現，就改寫了教科書，讓我們對動物早期演化有了新的認識；像是近廿年來，許許多多有羽恐龍的發現，尤其是中國科學院古脊椎動物與古人類研究所的周忠和及徐星的研究和發現，也讓我們瞭解到羽毛這一演化的創新，究竟先在什麼樣的動物上先出現，以及獸腳類恐龍如何演化成鳥飛上天。

《地球用岩石寫日記》說的雖然是歷史，但卻有以史為鑒的意味。可是人類確定從歷史上學到的教訓，就是人類永遠學不到歷史的教訓。《地球用岩石寫日記》中文書名有點小誤導，除非那「日記」是在《星際效應》（Interstellar）的那顆米勒星，在上頭一小時是地球七年──因為岩石告訴我們的故事，往往以幾十萬年，甚至百萬、千萬年為單位。

我們智人（Homo sapiens）這個物種二十萬年前出現在地球。如果把地球的 46 億年歷史壓成一天，我們直到最後 3.75 秒才現身。可是在這百年間，地球上卻產生了幾十萬年甚至百萬年才產生的變化。如果說我們破壞了地球，可能不算正確，因為地球已經發生過五次大滅絕，再來一次，對她來說不算什麼──我們破壞的不是地球，而是人類自己的未來。

《地球用岩石寫日記》雖然寫得很清晰，但對我這生物學家來說，整本書一張附圖都沒有，讀起來還是不免有些吃力，不少處要努力在腦海中想像，還不如用圖來讀比較有效率和輕鬆。另外，《地球用岩石寫日記》提到和演化有關的理論和爭論等，也需要相當的背景才能搞懂。整體而言，《地球用岩石寫日記》不算是本深入淺出的入門書，需要一定的背景才好讀懂，但讀了會頗有收獲。

本文原刊登於閱讀‧最前線【GENE思書軒】，並同步刊登於The Sky of Gene。

超塑性是指某些結晶物質在受熱時，可延展自身長度達若干倍的能耐。儘管地球地幔（地函）中的礦物無法承受這樣大的張力，不過有間接證據暗示，超塑性有助於這些礦物回應大陸板塊的潛沒（subduction：指地殼結構中一板塊邊緣潛入另一板塊邊緣下方），及其他地殼結構的變化過程。

目前，一支由日本東京大學（Tokyo University）的Takehiko Hiraga及來自日本國家材料科學研究所（Japan’s National Institute for Materials Science）的Hidehiro Yoshida所領導的團隊，業已發現地幔礦物確實具有超塑性的直接證據。如同其他的超塑性物質，不論是實際存在或推測出來的，地幔中的礦物是多結晶的聚集體。

為了進行研究，Hiraga、Yoshida及其團隊燒結了奈米級粉末，來製造兩個主要由鎂橄欖石（forsterite：也就是Mg2SiO4）組成的地幔礦物模擬物。沒有壓力時，超塑性物質的組成，主要成分為奈米級粒子，其中也混雜了一些更小的粒子作為次要成分。在壓力下受熱時，主要及次要的粒子會藉由與鄰近粒子合併而生長。這種反應確保了粒子持續相毗連，因此可預先防止整個物質的破裂。

如文中圖示，由90%鎂橄欖石及10%方鎂石（MgO）組成的樣本，能經得起超過5倍的張力。此外，透過電子逆散射的衍射（electron back-scattered diffraction）及射透式電子顯微鏡術（transmission electron microscopy）這兩種電子診斷術，發現上述地幔模擬物中的粒子，會像超塑性已被證實之物質中的粒子一樣成長。

在已測定的諸多溫度與張力率下，地幔類似物變得具超塑性。該團隊估測，超塑性可能有助於地球地幔容納，花6千萬年來穿過3千公里的2百公里厚岩板(slab)。

原文網址：Superplastic mantle minerals
翻譯：peregrine | 本文轉載自PEREGRINE科學點滴