文章轉載自“微區分析”
摘要：通過熱液石英限制千年尺度的脈沖式成礦作用，反演高原古海拔，并探讨因闆片斷離而短暫存在的超高的高原。
Millennial pulses of ore formation and an extra-high Tibetan Plateau
1、石頭也有心跳嗎？
提起中酸性岩漿岩，大部分人可能很陌生，其實它們覆寫了這個星球的絕大部分陸地，以堅硬的花崗岩地闆和猛烈的火山噴發走進我們的生活，還孕育了金銅鐵等金屬資源，提供工業化所需要的原材料。
地質學家整天與這些石頭打交道，嘗試去了解他們多大了，從哪兒來，藏着什麼秘密。一個一直讓我着迷的問題是，石頭有心跳嗎？對人等高等生物，心跳與生俱來，我們早已習慣了其存在。但冷冰冰的石頭也有心跳？這聽起來可能有一些天方夜譚。
為了回答這一問題，我們主要研究了一種叫做石英的礦物（圖1）。它的化學成分為二氧化矽，在白色的海灘上最為常見，通常被用來制作玻璃。當石英足夠純淨漂亮時，則稱為水晶，被做成首飾、器皿和擺件等。
圖1，形形色色的石英
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規則生長的石英會留下像樹木年輪一樣的環帶（圖2），借助電子顯微鏡就能清晰的看見。利用數樹木年輪的思路，從核部到邊部一環環閱讀石英，我們就能了解石英是怎樣長大的，在這個過程中又經曆了什麼。
圖2，樹木的年輪和石英在電子顯微鏡下的環帶
通過逐環測量石英的氧同位素，就能反演石英生長過程中記錄的資訊。生長于岩漿熱液體系中的石英，其氧同位素一般非常穩定。當熱液體系的氧同位素發生顯著改變時，如雨水加入，就會被石英記錄下來，這是利用氧同位素研究其生長過程的基礎。
岩漿流體氧同位素大概是8‰左右，是以雨水的值與之差别越大，則這一過程更容易被識别出來。降雨有一個非常有意思的特征，即其氧同位素随着海拔升高而降低。例如，拉薩冬天的降雨可能低至-30‰，而北京大概可能僅有-10‰。顯然，對形成時海拔較高的樣品開展這一研究有先天的優勢。
我們研究的樣品采集自拉薩東邊一個叫知不拉的矽卡岩銅礦，與我博士論文研究的驅龍斑岩銅礦毗鄰。這些石英晶體一般厘米大小，在電子顯微鏡下表現出美麗的環帶，包含四個階段的生長過程（圖3）。
圖3，知不拉石英的環帶和四階段生長過程
采用一種叫二次離子質譜的儀器，可以實作在20微米的尺度上擷取石英的同位素資訊，這個尺度大約是頭發直徑的五分之一。在實驗過程中發現，每一個分析的石英晶體都在生長晚期出現氧同位素突然降低并再次升高的現象（圖4）。這一突變被記錄在大約頭發絲寬度的範圍内，是以在幾個毫米甚至厘米級的區域内準确找到幾十個微米的目标區域需要好運眷顧和耐心。
我們将第2-3階段突然降低的氧同位素解釋為雨水加入，而之後的上升則代表新一期岩漿流體注入。這些資料表明，石英生長時記錄了一次雨水和至少兩次岩漿流體注入的過程。氧同位素這樣有節律的上升下降是不是和心跳很像？
圖4，知不拉石英記錄的氧同位素演化
2、感覺石頭的心率
我們在醫院做心電圖時，心跳一個關鍵的參數是頻率。是以在成功識别出心跳後，厘定心率則成為重要的問題。石英基本不含可用于定年的放射性元素，是以難以對石英開展精确的同位素測年。為了厘定石英的心率，我們采用了一種叫擴散年代學的相對測年方法。這利用的是無處不在的擴散作用，比如王安石“遙知不是雪，為有暗香來”聞到的梅香，就主要是通過擴散作用傳來的。
擴散年代學是一門古老而又年輕的定年技術，蓬勃發展的微區分析技術讓其在近年來煥發出強大的生命力。前面提到的石英環帶，就主要受鋁、钛和锂等微量元素控制，越亮的環帶一般鋁等元素含量越高。
受擴散作用影響，這些元素會從含量高的區域向含量低的區域擴散。擴散的程度主要受溫度和時間控制，這構成擴散年代學的理論基礎。如果時間足夠長，這些環帶就會被抹平。和放射性同位素測年給出某一過程發生的時間點不同，擴散年代學給出的是該過程的持續時間。
圖5，石英Al含量分布特征及擴散模拟結果
擴散年代學理想的狀态是測量含量高、且擴散快的元素。對我們研究的熱液石英，钛和锂雖然擴散速度快，但含量太低，難以被準确測量，是以唯一的選擇就是含量較高、但擴散極慢的鋁。熱液石英中的鋁擴散通常發生在微米尺度，這大概是頭發直徑的百分之一，是以一般認為熱液條件下石英中的鋁基本不擴散。借助于納米離子探針的圖像掃描技術（圖5），我們成功在0.1微米尺度上實作了鋁含量測試，第一次看見了低溫條件下鋁在石英中的擴散剖面（圖5）。
通過模拟計算，上述心跳的持續時間大概是幾百年。至此，有關石頭是否有心跳、以及心率是多少的問題，就得到了解答。而找到控制心跳的引擎，則成為新的話題，尚待進一步研究來解答。
3、丈量高原的身高
前面提到，雨水的氧同位素與海拔相關，這一相關性則可以用來研究古高程。注意到熱液石英記錄了極低的氧同位素組成後，我們很快意識到這也許可以是一個新的古高度計。基于一個簡單的兩端元混合模型，計算出了雨水的氧同位素組成，并進一步計算得到海拔。結果顯示17百萬年前，知不拉所在區域的古海拔大約為6km。也就是說，曾經存在一個比現在高~1km的高原。
圖6,知不拉石英記錄的古海拔及可能的動力學機制
是以，高原到底經曆了什麼，導緻其長高後又變矮呢？我們推測可能是俯沖于歐亞闆塊之下的印度闆塊在17百萬年前後發生斷離，上覆闆片因為浮力的原因而發生擡升（圖6）。
緻謝和原文資訊：
本研究主要受國家重點研發計劃項目“面向礦床學研究的變革性原位分析新技術”和國家自然科學基金優秀青年科學基金等項目支援。
李揚, Mark Allen, 李獻華. Millennial pulses of ore formation and an extra-high Tibetan Plateau. Geology 10.1130/g49911.1 (2022).
編輯：餘豔
稽核：李揚、李獻華