夏日炎炎，最近南方多地体感温度高达40℃，连出门都要备上十二分的勇气，人都要晒化了。不禁遐想，假如我有一身抗高温的衣服……你知道吗？在五彩斑斓的矿物世界中，有一位“巾帼英雄”。她的铠甲可不一般，即使是地壳深处600多度的高温，也仍然坚挺顽强。试想要是将这衣服穿到我们身上，那再炎热的天气都不怕了！以上都是玩笑了，至于为什么称她为“巾帼英雄”？她的铠甲又有什么奇特之处呢？且听我细细道来。
1 铁骨铮铮美娇娥
她大多数时候穿一身红色铠甲，拥有着石榴果肉一样的外形，因此被叫做石榴石。别看她晶莹剔透，皮肤光滑，她可不是个娇滴滴的女孩子。她的摩氏硬度可达6.5-7.5，比牙齿的硬度还要高，倘若你错把石榴石当石榴吃，那可要小心你的门牙了！
图1 石榴石常见的晶体结构
图2 形似石榴的石榴石饰品（右）
她是硅酸盐的一种，具有岛状的晶体结构，通常呈菱形十二面体、四角三八面体、六八面体等晶体结构（图1），这也赋予了她非凡的抗风化磨蚀能力，即使经历了数百万年的风吹雨打，也依然保存着完好的容貌。组成她的化学元素十分复杂，体内可含有钙(Ca)、镁(Mg)、铁(Fe)、锰(Mn)以及钛(Ti)、铬(Cr)、钒(V)、铝(Al)、锆(Zr)等元素，从而显现出不同的颜色。例如，当石榴石中含有钒和铬离子时，她的铠甲甚至会变为绿色（图3）；而含铁量低的锰铝榴石，呈橙色-黄色（图4），这些都是石榴石宝石家族中的稀品。她的光芒横扫拍卖市场，早在2009年，一枚梨形的沙弗莱吊坠便以170500瑞士法郎（按当年人民币汇率折算约102万）成交，放眼整个矿物界也算得上是倾国倾城的美人了！说起她的铠甲，其实很特别，除了变换颜色，还可以储存记忆呢！那么，如此奇怪的战衣，貌美的女子又是如何长成的呢？
图3 “沙弗莱”——铬钒钙铝榴石
图4 “芬达石”——含铁量低的锰铝榴石
2 前世——浴火重生
她并非出自矿产丰盈的富饶之家，也非风和景明的田间地头，高压、高温的恶劣环境便是她的诞生之地，也难怪她会有如此铮铮傲骨了！石榴石的成因主要有三种：变质、热液以及岩浆成因，而变质成因在其中占据主导地位，是最为常见的类型。最普遍也是最多的石榴石见于变质成因中俯冲作用所产生的榴辉岩（图5）中，它的身世成谜，虽来自地球深处，却能在地表为我们所看见。那么，它一开始就长在地球深处吗？它又是如何被带到地表的呢？要搞清楚这些问题，首先要明白什么是“俯冲”，什么是“变质”。
图5 榴辉岩中的石榴石
图6 麻粒岩中的石榴石
2.1
俯冲——“蛋壳”的相向运动
我们知道如果把地球比作一枚鸡蛋，地球由外到内可以分为地壳、地幔和地核，分别对应一枚鸡蛋的蛋壳、蛋清和蛋黄。在上地幔内有一个缓慢流动的软流圈，软流圈以上的地幔部分我们将它叫做岩石圈地幔，它与地壳合称为岩石圈（图7）。当岩石圈有足够大的规模，便将它称作“板块”，这些板块之间并不是紧密相连的，存在着一定的裂隙。它们被驮在软流圈之上缓慢运动，时而分离，时而碰撞。可以想象将两块碎掉的鸡蛋壳放在蛋清上面，晃动蛋清，蛋壳也会随之运动，要注意的是，这两块蛋壳组成、形状、密度并非一致，正如岩石圈的组成并非均一，因此两块蛋壳的受力并不相同。因此，当板块间发生相向运动时，较重的板块下插于较轻的板块之下，地质学上，我们把这个运动叫做“俯冲”，通常存在陆-陆俯冲（图8）和洋-陆俯冲两种类型。这时，岩石圈中存在的矿物还不是石榴石，只是生成石榴石的原矿物，它们随板块俯冲被带到了地幔深处。看到这里，你可能会好奇——原矿物又如何变成石榴石的呢？
图7 地球切面内部结构示意图
图8陆-陆俯冲过程中生长的石榴石[1]
（注：图中显示只是个例）
2.2
变质——“工厂”的重组加工
这就要说到“俯冲工厂”的加工了！在地球内部也就是地幔和地核部分，储存着大量热能，地球内部越往深处，压力越大，相应的温度也越高。在俯冲作用过程中，来自地壳的“冷”物质被带到“热”的地幔深处，整个俯冲过程有如一座加工厂，将原本的矿物做了压缩、变形、脱水等处理，矿物原本的形态结构发生改变，变成了新的矿物，岩石的组构也发生了变化，这便称为“变质”。在合适的温度和压力条件下，石榴石也由原矿物变质而成，开始生长（图8）。而后，如果向下俯冲的板片不断下沉、脱水，其密度大于软流圈时，就会重力失稳，下部发生断离，掉入软流圈中。而上部的岩石圈板块有如绷着的橡皮筋突然被撤掉一端的拉力，发生回撤，变质的岩石也随之被带到地表（图9）。其中的石榴石历经了高温，抗住了磨蚀，将守护着的地球数百万年的记忆从地幔深部带到地表，为我们所看到。她不畏高温高压的艰苦环境，不惧风吹雨打的磨练摧残，用自己顽强的身躯，守护着地球的记忆，记录着上百个百万年的地球故事，叫她一声英雄，也当得！
那么，她又是如何守护记忆的呢？
图9 东大别地区榴辉岩的折返模型[2]
3 有记忆的“铠甲”
究其原因，还要归结到它的“记忆铠甲”。像树木的年轮一样有宽有窄、有深有浅，元素在石榴石中也不总是均匀分布的，它们的含量时高时低，赋予石榴石美好面容的同时还记录着她所经历的往事。
图10 X射线下的石榴石中Mn元素环带[3]
3.1
主量元素记录温压环境
石榴石生长过程中所经历的温压条件不同，所含的主量元素如Fe，Mg，Ca，Mn等的含量也会发生变化，从而在X射线分析图谱中呈现元素环带（图10右）。正如树木的年轮可以记录它所生存的气候环境，这些环带也可以记录石榴石生长过程的环境条件。例如，随岩石形成温度的升高，石榴石中Mg元素含量升高，Mn元素含量降低，Fe／Mg比值与温度呈负相关；而Ca元素的含量则随压力的升高而升高。在石榴石生长过程中，元素在石榴石中不断扩散，温度越高，元素“跑”的越快，当温度 > 650 ℃时，这些元素可能会在石榴石中均匀分布，这时拥有着“记忆”的环带便会消失。那么，此时的铠甲就不能保存记忆了吗？
3.2
微量元素记录生长过程
要知道，除主量元素外，石榴石中的微量元素也存在环带。相比主量元素，石榴石中的的微量元素很难受到热扩散作用的影响。其中的微量元素环带可以指示与石榴石的生长或重结晶相关的矿物化学反应。
一方面，在石榴石生长的同期存在其他矿物生长。在岩石中，石榴石与其他矿物的元素之间并不能达到扩散平衡，因此矿物之间会“竞争”元素。按照元素对矿物的“喜好”程度，进行元素的分配。新的矿物生成或原本的矿物分解都会导致元素的再分配，由此我们就可以推断矿物的生长和重结晶信息。例如，由于磷灰石、褐帘石或独居石等矿物中富含轻稀土元素，石榴石中轻稀土的突然富集可能反映了这些矿物的分解。另一方面，石榴石由其他矿物变质而来，微量元素可以记录原矿物的微量元素特征，从而反应石榴石的变质期次。例如，如果石榴石从核部到边部存在明显的中稀土富集，可能暗示了该阶段石榴石主要由角闪石（富含中稀土元素）变质而成（图11）。
图11 角闪石生成石榴石图解（Gd、Tb、Dy、Ho为中稀土元素）
3.3
放射性同位素记录变质时间
那么石榴石何时出生，我们又是怎么知道的呢？原来，石榴石中存在着一些放射性同位素体系，例如钐-钕（Sm-Nd）、镥-铪（Lu-Hf）、铕-铅（U-Pb）等，它们是成对的“母子体”，母体同位素（如Sm147、Lu176）可以经过放射性衰变生成子体（Nd143、Hf176）。在一定时间内，衰变的原子数与现存的母体原子数成正比。如此，我们便可以通过这个衰变规律计算石榴石出生的时间。例如，Li等通过对大别造山带榴辉岩中的石榴石进行Sm-Nd 定年，获得了（221±5）Ma的年龄，这项报道首次限制了超高压变质峰期的时间[4]。Cheng等从相邻的榴辉岩中获得了类似的石榴石Sm-Nd年龄，并且得到了更老的石榴石Lu-Hf年龄，为（240.0±5.0）Ma（图12），认为该石榴石的Lu-Hf年龄代表了石榴石开始生长的时间[5]。
图12 Sm-Nd，Lu-Hf等时线记录的年龄[5]
值得一提的是，石榴石在生长过程中可能会捕获一些矿物、熔体以及流体等物质，我们叫做“包裹体”。石榴石像一个抗高温高压的保护器皿，将这些包裹体牢牢守护，它们被保护在石榴石中，同时又见证着石榴石的形成，成为指示她成因的证据。这些主微量元素及包裹体指示石榴石的出生时间和温度、压力等环境变化的同时，也记录着整个岩石或地体发生变质作用的实况，有如记忆盒子一般，被石榴石战士守护着，静等着有一天被我们发现，为我们揭开地球深部的谜团。
故事讲到这里，想必你对这位英雄的出身、经历、和性格都有了大概的了解。出得厅堂，入得战场，她是英雄，也是美人，有着顽强的毅力，在珠宝界也璀璨夺目。她鲜衣怒马，不畏艰难，记录着地球故事。如今，对于这位英雄的探究还在继续深入，她能承受多高的温度，又能记录多少地球的故事呢？这需要先进的技术指引，也需要人类的潜心研究。只要我们对于科学问题善于发现，勤于思考，地球的奥秘总有一天可以解开！
参考文献
[1]郑永飞, 陈伊翔, 戴立群, 等. 发展板块构造理论: 从洋壳俯冲带到碰撞造山带[J]. 中国科学: 地球科学, 2015, 45(6): 711-735.
[2]张丁丁, 张衡. 全球典型大陆造山带中榴辉岩的折返机制:来自变质岩和地球物理的限制[J]. 地学前缘, 2022, 29(1): 303-315.
[3] 夏琼霞, 郑永飞. 高压-超高压变质岩石中石榴石的环带和成因[J]. 岩石学报, 2011, 27(2): 433-450.
[4]Li Shuguang, Xiao Yilin, Liu Deliang, et al. Collision of the North China and Yangtse Blocks and formation of coesite-bearing eclogites: Timing and processes[J]. Chemical Geology, 1993, 109(1): 89-111.
[5]Cheng Hao, King R L, Nakamura E, et al. Coupled Lu-Hf and Sm-Nd geochronology constrains garnet growth in ultra ‐ high ‐ pressure eclogites from the Dabie orogen[J]. Journal of Metamorphic Geology, 2008, 26(1): 741-758.
注：图1. 2. 3. 4.来自网络搜索:百度图库,
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