铸石与月壤的故事——从契尔马克分子到麦肯齐分子

原创曾荣树中国矿物岩石地球化学学会

编者按

铸石和月壤本是风马牛不相及，但玄武岩岩浆过冷却结晶作用的机理却把它们联系起来了！曾荣树老师所在的团队在文革期间下厂劳动时注意到这一基础理论问题，既解决了生产中的技术问题，同时又是矿物学和岩石学的理论创新成果。他们把这一思路拓展到了月球上：认为月球玄武岩的单斜辉石富含契尔马克分子（CaAlSiAlO₆），月球玄武岩的斜长石含有麦肯齐分子（CaMgSi₃O₈）。麦肯齐分子是曾荣树老师在曼彻斯特大学麦肯齐教授那里攻读博士学位时的发现，并认为它是月壤斜长石过冷却结晶的标致，因此曾老师建议将CaMgSi₃O₈称为麦肯齐分子，这一建议得到国际专家认可并记入“史册”（国际造岩矿物丛书）。没有见过月壤的人，竟然有了一点话语权！曾老师在所发表文章中指出，辉石含契尔马克分子、斜长石含麦肯齐分子两个自然现象存在着反对称的辩证关系，把理论提高到哲学认识论的高度。这对广大青年地球科学工作者而言应有重要启示意义，相信在辩证唯物主义认识论的指导下，在向“深地、深海、深空”进军的征途上，发扬“自立自强创新争先”的科学家精神, 我国地球科学一定会取得日新月异的新进展，涌现出更多的创新性成果。

作者系中国科学院地质与地球物理研究所研究员，1946年出生，1984年在英国曼切斯特大学获博士学位，1986年获中国矿物岩石地球化学学会首届侯德封奖（矿物学）。E-mail：rszen@mail.igcas.ac.cn.

今天文章的这个题目中除了月壤为大家熟知外，铸石、契尔马克分子和麦肯齐分子三个名词都不为大家熟知，但它们却牵系着中国科学院地质与地球物理研究所的科研人员——从上世纪70年代以来持续近十年的科研情结。

2020年12月17日，我国嫦娥5号飞船携带月球样品顺利返回地球，开启了中国参加人类深空探测的伟大使命。一天，叶大年院士激动地对我说：“今天中国取回了自己的月壤，应该观察和测试月壤中的斜长石，如果其中有麦肯齐分子存在，它是月球玄武岩岩浆在特殊条件下结晶的证据！这份知识产权属于你呀”！讲讲这个故事也不失为一件有意义的事情，昔日铸石研究组的同志没有见过月壤，却总是把铸石和月壤进行比较，这就是科学精神的初心吧！月壤成分的测定使我回想起上世纪60年代文革时期的一些往事。

文革期间结合抓革命促生产与斗批改的需要，为加深对岩浆结晶过程的认识，促进地质学的研究，1967年秋，叶老师向研究所革委会建议，到工厂去研究铸石，他的建议得到几位同事的响应，革委会也批准了他的建议，于是铸石研究组正式成立。1968年8月，叶大年和金成伟老师下放天津葛沽军垦农场劳动，我刚从南京大学毕业分配到研究所，也立即到天津汉沽军垦农场接受再教育。1970年初劳动锻炼结束，我回到所里被分配到铸石组，跟随叶大年老师工作。

铸石是由玄武岩（有的是利用辉绿岩）经高温熔融成为岩浆，再把岩浆浇铸到模具里，连同模具的整个铸件送入结晶窑进行结晶化处理，而后取出置于退火窑中退火，历经四道工序制成的硅酸盐矿物材料，当时北京、大连、吉林省延边的龙井、山东省的蓬莱有几个铸石厂。我们到工厂去和工人师傅们一起，在每一个工序的岗位上参加顶班劳动，很快就掌握了生产技术。大年老师尤其注意铸石生产中的物理化学理论问题：首先，岩浆必须是在适度过冷却条件下结晶；其次，铸石的最主要物相是单斜辉石，不出现斜长石；铸石没有气孔，比重在3.0左右，因此断定除了单斜辉石外，必定含有斜长石成分的玻璃相；铸石的X射线德拜图表明铸石中的单斜辉石是一种特殊的辉石。那时国内还没有电子探针这样的微区分析手段，只能用偏光显微镜和X射线德拜相机来鉴定矿物，难度是比较大的。幸运的是，美国的阿波罗登月计划促进了辉石的研究，美国华盛顿卡内基研究院地球物理实验室、日本北海道大学的八木健三团队都系统地研究了辉石的各种端元组分，苏联的矿物博物馆也对辉石有所研究，在这样的国际背景下，叶、金老师和北京地质学院（现中国地质大学）的彭志忠教授建立了用X射线衍射鉴定单斜辉石成分的方法，从而解决了几十年来没有解决的一个矿物学难题，借助这一方法他们发现铸石中的单斜辉石是富含契尔马克分子的贫钙普通辉石，并命名为“铸普通辉石”（casting augite）。1978年郑学正和叶大年通过对过冷却条件下透辉石(Di)-钠长石(Ab)-钙长石(An)三元体系结晶作用的研究，发现了 “假高压效应”，即辉石的初晶区扩大，析出“铸普通辉石”，铸普通辉石的成分与玄武岩深源包体的巨晶普通辉石（megacryst）相似，巨晶普通辉石是高压形成的！这是铸普通辉石奇妙之处。

1972年，尼克松访华，嗣后中美建交，大约是1974年，华裔美籍科学家赵景德教授访问地质所进行学术交流，他介绍了反光显微镜观察透明薄片的技术，叶、金老师受到启发，采用这种方法观察铸石的薄片，发现晶体和玻璃相能明显区分，辉石和橄榄石的形貌特征竟然和月岩中看到的极其相似，赵景德先生在我们的实验室看到铸石的显微照片时惊讶不已。当时铸石组还有一位学术“顾问”赵宗溥先生，他从“五七”干校回来后一直参与我们的工作，大家希望他写一篇综述，于是他写了题为“从玄武岩铸石论月球玄武岩的冷却史”的论文，比较系统地论述了铸石与月岩矿物成分特征，文章署名祝时照，即铸石组赵宗溥^[1]。

现在返回来交代，何谓契尔马克分子呢？它的化学式是CaAlSiAlO₆，是单斜辉石类质同象系列的众多端元组分之一，为了纪念奥地利著名矿物学家契尔马克（G. U. Tschermak），CaAlSiAlO₆被命名为契尔马克分子。如前面所述，正是契尔马克分子把铸石和月球玄武岩联系起来了。一百年来单斜辉石中契尔马克分子含量强烈地吸引着岩石学家的兴趣。

时光荏苒，转眼就是十年。文革浩劫过去，科学春天到来。铸石组的研究工作结束后，我考取了公费留学，1980年到了英国曼彻斯特大学攻读博士学位，师从麦肯齐（W. S.MacKenzie）教授，研究方向是硅酸盐相图。叶老师对我说：“硅酸盐相图的研究过程非常困难，耗费很大的财力，到目前为止，还没有一张硅酸盐相图是中国人研制的，这个机会难得啊！好好干吧。我们铸石组的实验研究是粗放的，虽然结论可信，但难登大雅之堂，你到英国对麦肯齐教授建议，用他们的仪器设备再次研究玄武岩岩浆过冷却结晶作用。”到了英国后，我向麦肯齐教授陈述了这一意见，麦克教授认为不平衡结晶作用太复杂，没有同意。在攻读学位的几年里，我主要研究碱性岩体系（石英-霞石-钾霞石）的相图，以及叶老师建议的研究玄武岩岩浆过冷却结晶作用，在严格的实验条件下，用精密的仪器设备操作。

测定相图的工作十分辛苦，从实验起始组分的准备到高压釜的使用，从制作实验样品囊到测定平衡热点、展开实验，事无巨细都必须自己完成。举个例子，制备实验凝胶的过程就让人特别费心，因为它是实验的起始组分，是制作相图的根基，凝胶必须是均匀、非晶态的，它们外观颜色雪白。实验要求必须花费一周时间才能把凝胶制备出来，尤其到了最后一步，应该再加入无水乙醇或丙酮，研磨数小时后，放入马弗炉隔夜加热。次日上午打开炉子，如果凝胶质量达标，表明一星期的工作没有白干，一旦看到出现灰色或黑色颗粒，凝胶夹杂有星点杂质，就只能从头再来，没有其他选择。我遇到过几次失败，以后与高年级同学讨论并多次试验才找到解决办法。

测定相图的步骤非常严谨，必须精确测定每个组分的液相线温度，然后再用这些样品制成薄片，测定光性、物相、化学成分等等。可以想象上千次实验，几百组数据的获得，其背后付出了多少汗水！在相图制作的三年多时间里，除圣诞节与元旦这几天规定的实验室必须关闭外，其他所有的节假日只要安排了实验计划，都没有休息。

测定相图的实验非常昂贵，以实验样品囊来说，每批实验囊的材料必须是高纯度的铂金或者黄金，要根据实验组分的多少决定采用多大直径的管材，实验的高温炉膛也是用铂金丝缠绕而成的，在当时的条件下维持这种实验需要相当大的资金投入。还有为保证实验工作的正常进行，还要特别建立一个专门为实验服务的车间。为了不耽误研究生的实验，我们的工作一旦出现故障，技工师傅随叫随到马上修理。需要的实验材料填写了申请表后，很快就有人帮助购置，送到实验室。我们开玩笑说，测定相图的工作是一种花大钱的贵族实验。

我的实验证明“铸普通辉石”确实含有大量的契尔马克分子，因此不能根据含契尔马克分子就判断一定是高压成因。看到这一结果麦克教授很高兴，同意把这部分工作作为学位论文的第二部分，于是我的论文是由不相干的两部分所构成。

我在“透辉石－钠长石—钙长石”三元体系进行过一系列过冷却结晶实验，在该体系的辉石结晶区域，由于晶体生长迅速，所有的辉石和斜长石都结晶成树枝状晶体，利用电子探针很难分析它们的化学成分。可是当选择相图中位于斜长石区域的Ab₂₀An₄₅Di₃₅作为过冷却结晶实验的初始组分时，斜长石显示出特殊现象。该组分的液相温度是1325 ℃。在高温炉中，样品在1450 ℃保持一小时，然后把温度迅速降到1155 ℃，并恒温120小时，发现斜长石中CaMgSi₃O₈的含量可达5％以上，反映岩石的形成条件与成岩过程的过冷却程度有关（按摩尔计算麦肯齐分子含量为5.2%，钙长石为72.3%，钠长石为22.5%）。过冷却度是指起始组分的液相线温度（T_l）与其结晶温度（T_c）之间的差（T_l– T_c），我们的实验证明温度是控制斜长石含镁量的重要因素，很可能CaMgSi₃O₈在斜长石固溶体中的含量与过冷却度成比关系。

当时在陆地岩体中还没有发现CaMgSi₃O₈的独立矿物，我想CaMgSi₃O₈应该作为一个特殊组分予以考虑。基性岩结晶演化过程主要包括辉石与斜长石两种矿物，如同契尔马克分子在辉石中的作用，CaMgSi₃O₈在斜长石中也具有类似的特征，应该把它作为一种独立组分。接着我想是否可将它命名为“麦肯齐分子”，用以表彰导师麦肯齐教授在长石矿物学领域做出的突出贡献。带着这个想法，1984年7月我利用参加在莫斯科举行的第27届国际地质大会的机会，与国际知名矿物学家讨论这个问题。会议期间与当时国际矿物学协会副主席、美国芝加哥大学地质系维利教授（P. Wyllie）、西德鲁尔大学矿物研究所的斯瑞尔教授（W. Schreyer）讨论我的实验结果与“麦肯齐分子”问题，我的想法得到了他们的支持和肯定。当时维利教授还提议“为麦克分子干杯”。以后又请法国南锡大学岩石学实验室的布朗教授（W. Brown）和曼彻斯特大学地质系高级讲师翰德森博士（C.M.B. Henderson）讨论了论文细节，最后决定把稿件投送法国的Bulletin de Mineralogie杂志，1985年我的论文 “CaMgSi₃O₈，the MacKenzie^,s molecule, a possible indicator of supercooling” 发表了^[2]，很快国际知名造岩矿物丛书（Rock-forming minerals）的第4A卷在月球斜长石一节就介绍了这一研究成果^[3]。

1984年夏天，我从英国回来向叶老师汇报了工作，他感到非常满意，说“很不简单，现在终于有一张硅酸盐相图是中国人研制的了^[4-6]。你发现斜长石含镁非常重要，月球玄武岩、大洋中脊玄武岩中都发现过含镁的斜长石。也就是斜长石含有CaMgSi₃O₈。”

玄武岩岩浆成分在透辉石-钠长石-钙长石三元体系相图中，应该在最低共熔点上，平衡态时透辉石和钙长石同时结晶，岩石结构是自形-半自形辉长结构，透辉石不含或很少契尔马克分子，钙长石中绝对不含CaMgSi₃O₈，在近平衡状态结晶，岩石结构为辉绿结构或粗玄结构，透辉石微含契尔马克分子，斜长石也绝对不含CaMgSi₃O₈。在高过冷却度的条件下（850 ℃）斜长石结晶作用被抑止，而析出富含契尔马克分子（CaAlSiAlO₆）的单斜辉石，即CaAlSiAlO₆= CaAl₂Si₂O₈-SiO₂；在低过冷却度的条件下，单斜辉石的作用被抑止，结晶出含有CaMgSi₃O₈的斜长石，即CaMgSi₃O₈ = CaMgSi₂O₆+Si0₂。也就是说，这两种过冷却结晶行为是一种“反对称的关系”，叶老师认为这个分析符合自然辩证法原理。1986年，我对于麦肯齐分子的研究成果得到了国内学术界的肯定，荣获中国矿物岩石地球化学学会首届侯德封奖（矿物学）。

具有代表性的“透辉石-钠长石-钙长石”三元体系相图包含两种以地质学家名字命名的矿物分子：契尔马克分子与麦肯齐分子，同时与行星矿物、过冷却结晶作用密切相关，这个体系具有重要的学术意义：在不平衡的地质环境中，月球玄武岩过冷却结晶作用有利于麦肯齐分子进入斜长石晶格，有利于契尔马克分子进入辉石晶格，建议有志于深空探测、行星岩石学研究的学者注意这个奇妙的地质现象，期待将来产出有意义的科研成果。

我在这里回忆40年前的往事，喜看今天“嫦娥5号”取回的月壤，分享中国探月工程辉煌成就的喜悦，不忘初心，砥砺前行！

主要参考文献:

[1] 祝时照. 1975. 从玄武岩铸石论月球玄武岩的冷却史. 地质科学， (2): 150–165

[2] Zeng R S. 1985. CaMgSi₃O₈, the MacKenzie’s molecule, a possible indicator of supercooling, Belletin de Mineralogie, 108: 713–718.

[3] Zeng R S, et al.. 2001, Lunar plagioclase. In: W. Deer et al. eds. Rock-forming minerals, 4A, 889–890

[4] Zeng R S, MacKenzie W S. 1987. Equilibrium phase diagram of the system NaAlSiO₄-KalSiO₄-SiO₂-H₂O at p_H2O=5kb. Scientia Sinica (Series B), 30(2): 198–211

[5] 曾荣树. 1986. 在一个大气压与过冷却条件下透辉石-钙契尔马克分子体系的透辉石固溶体. 岩石学报. (3): 58–65

[6] Zeng R S, MacKenzie W S. 1991. Variation of the primary field of leucite under water deficient condition in the system Ne-Ks-Q-H₂O at p_H2O=5kb. Chinese Science Bulletin, 36(15): 1287–1290

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