高中阶段大家就学过三大岩循环，但应该不会涉及太多细节，尤其是证明过程。

因为地理学和地质学这两门学科分工明确，这事儿归地质学管。

那么如何知道三大岩是循环的呢？

这事说难也难，说容易也容易。

最好的方式，就是找一位亲历者。

这位亲历者，需要在地表见过沉积岩，在岩石圈深部，见过遭受巨大温度和压力的变质岩，见过高温熔融形成的岩浆岩。

因此，他本人既要能入地，经历高温高压，还得完好无损地回到地表，告诉我们他的所见所闻。

还有一点也非常重要——他要足够长寿，因为一次岩石圈循环起码得几千万年。

这不免令人犯难，如此严苛的要求，即使但丁《神曲》的主角也无能为力。

我们要到哪里才能找到这样的亲历者？

——也许只需要几粒沙子就可以。

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地质学家们在海滩上挑了几粒沙子，

告诉我们什么是真正的“一沙一世界”，

——重现岩浆岩、沉积岩、变质岩的循环转化，

展示岩石是如何从地表，游历到接近100 公里深的地下，再改头换面重返地表的完整过程。

这个过程至少包括以下转换过程：

沉积岩&岩浆岩→变质岩→岩浆岩→沉积物，实际过程更为复杂，后文详谈。

用图简单表示的话，大概是这样的：

当然了，大佬们不只是玩玩，

构思—采样—实验—处理—分析—写作—发表，还有钞能力等，一样不能少，

非常耗时、耗力、耗心、耗钱，（大佬都那么努力，我却在摸鱼玩知乎，唉~~卷吧卷吧）

成果已经在 2021 年的 PNAS 杂志发表（仅次于 Nature，Science 的存在），

地质学版的“神曲”故事。

这就给了咱们一个共同学习的机会，（去年看的文章，正好用得上）

其实，原理大家都懂。通常，越是常识性的知识越难证明。

真要找一个实例，能几乎包含三大岩循环的完整地质过程，并非易事。

所以，不是随便找个海滩抓把沙子就可以，

那样只能反映某一种岩石（岩浆岩或沉积岩或变质岩）是如何转化成沉积物，这只是个单一过程，

无法重现三大岩完整的循环转化。

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这把沙子所在的海滩，位于一个并不甚出名，名字非常拗口的国家——巴布亚新几内亚。

这个位于赤道附近的西南太平洋岛国，了解的人应该不会太多。

但是做超高压变质相关研究的人，必是久仰其大名。

因为这个国家出露有世界上最年轻的榴辉岩，仅仅距今约两百多万年前。

其地表广泛出露有榴辉岩、石榴角闪岩、石榴片麻岩等岩石，

经历风化剥蚀，岩石中的矿物被带到附近海滩，形成由各种矿物“沙子”组成的沙滩。

我们要找的“亲历者”，并非泛泛之辈。

它们隐藏在这些沙子里，一种特殊的矿物，六边形战士——石榴子石。

六边形战士石榴子石，并非仅仅因外形而得名，它是真的很“刚”。

其适应能力极强，能扛得住高温、高压。

在经历比较严苛的温压环境，仍能从容不迫，在岩石从地表到上地幔的循环过程中生存下来。

因此它们非常适合做记录者，石榴子石能携带和记录它所经历的环境信息，地质学家们只要研究它便知到整个过程。

这些过程记录在矿物体内的一些小气泡中，我们称之为包裹体。

这些包裹体意义重大，就像一颗颗时间胶囊，

可以记录矿物结晶时，形成环境中的气体、其他伴生的矿物等重要信息。

可以类比包括有侏罗纪空气的琥珀。

作为一个优秀的记录者，从地下百公里“炼狱”回来的石榴子石，

早已满是风霜之色，每一块疮痍（包裹体），就像一个通关文牒，都有一段不凡的故事。

这些故事只有地质学家能够解读。

这些包裹体里面，到底包裹了什么？

科学家们通过电子探针和拉曼光谱等仪器，对这些包裹体进行年龄测试和成分分析，看看这些时间胶囊里封存了什么信息。

如在巴布亚新几内亚海滩的石榴子石中，发现了一种叫柯石英的矿物包裹体。

这种矿物是岩石超高压成因的产物，一般形成于深俯冲和陨石撞击环境。

超高压，有多高压呢？

该地区发现的柯石英矿物记录了其这样的形成环境：

温度：763±72°C；

压力：3.3±0.77GPa。

温度不用多说，3.3Gpa 的压力是什么概念？

等于 33000 倍的大气压力，

相当于把一块地表的石头，埋进地下 120km 深的地方，其所承受的压力。

用基本的阿基米德浮力公式就能求得。

这些石榴子石只不过是小小的矿物砂砾，其来自岩石的风化。

在巴布亚新几内亚海滩，石榴子石的寄主岩石可能是：

榴辉岩（经历超高压变质作用的基性岩，如玄武岩、辉长岩等）；

含石榴石花岗片麻岩（经历高温、或是超高压变质作用的酸性岩，如花岗岩等）；

含石榴子石泥质片麻岩（经历高温、或是超高压变质作用的泥质沉积岩）

……

如何得知该石榴子石的母体岩石？

这还需要对其进行成分分析。

因为形成石榴子石的元素来自其母岩，不同母岩形成的石榴子石在其元素组成上有差别。

科学家进一步用电子探针等仪器，对石榴子石进行成分分析，

综合分析的结果表明，这些石榴子石，来源于地表的沉积岩。

也就是说，原本形成于地表的碎屑沉积岩，进入俯冲带，俯冲至 100km 之下，经历超高压变质作用。

也许你不禁要问，竟然已经俯冲至 100km 以下，我们为何能在地表找到它？

这些石榴子石的经历，与唐僧取经不同，师徒四人一路的艰辛主要在去程，取经规程几乎没多少故事。石榴子石的归途要坎坷的多，当然这些也都记录在其“通关文牒”——包裹体之中。

地质学中将此归程成为“折返”（Exhumation）。

在不同的温度和压力环境下，会形成不同的矿物组合，说白了就是，总有几种特定矿物习惯在某个特定温度和压力条件下结伴出现，当我们发现他们共生时，就知道当时环境中的温度和压力条件。

因此，地质学家们根据包裹体中记录的矿物组合，估算了温度压力条件，并测定了年龄，就能再现了它的折返路径，这个路径被称为 P-T-t 轨迹，即压力 - 温度在时间内的变化，而不同的温度 - 压力条件就代表了不同深度。

由此发现，它还经历了麻粒岩相和角闪岩相等不同的变质阶段。

这里的麻粒岩相和角闪岩相是指岩石的变质程度，代表了特定的形成温度和压力。

再结合去程的路径，这样，地质学家们就得到了本文第一幅图中路径图。

如图，这个石榴子石的经历，被解读的明明白白。

石榴子石是矿物，矿物组成了岩石，因此其母岩就经历了如下的过程：

简述如下：

地表的沉积岩，经俯冲带俯冲，随着温度和压力的升高，逐渐形成变质岩，俯冲到最深的地方，形成超高压变质岩，此后，发生折返。

刚开始折返时，等温降压，岩石发生部分熔融，形成混合岩，熔体聚集成岩脉，也就是岩浆岩。

当变质岩和岩浆岩剥露到地表之后，经历外动力地质作用，逐渐风化，成为沉积物，本文的石榴子石就是来自此阶段的沉积物。

之后，沉积物压实成岩，会成为沉积岩，有可能再重复上述循环。

以上可就是几粒沙子解释的三大岩循环过程。

此处的岩石循环过程大约 10Ma，也就是一千万年。

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说点题外话：

也许，你会感兴趣，岩石俯冲至 100km 之下，为何能够折返至地表。

这涉及超高压岩石折返机制，也正是本人的研究方向。

其机制有很多，在此不一一列举，这里仅以巴布亚新几内亚为例，简述其过程。

这里的折返机制比较特殊，被称为“底辟折返”，类似于下图：

地表的沉积物含有大量的水，加之其主要矿物为石英、长石、云母等，

在俯冲过程中，经历高温容易发生部分熔融，形成薄弱带，就容易从俯冲板块上拆离下来。

这些以长石和石英矿物为主，发生部分熔融的岩石，由于密度较低，容易在浮力的作用下上升，堆积到岩石圈底部。

巴布亚新几内亚这里的地质演化过程，逐渐形成了一个裂谷（Woodlark Rift），也就是岩石圈裂开了……（如下图左下角淡紫色区域），

这些物质便在浮力作用下底辟折返，逐渐剥露至地表。

类似于下面这个小视频的过程（视频来自：Maierová et al., 2021 Commun. Earth Environ.）：

数字模拟底辟折返 Maierová，2021 https://www.zhihu.com/video/1504199162761916416

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按照套路，文至尾声，总得升华一下。

此前，我总以为“一沙一世界”应该来自佛教，

但其实是英国诗人贝莱克（William Blake）的诗，徐志摩的翻译

To see the world in a grain of sand， | 一沙一世界，

and a heaven in a wild flower, | 一花一天堂。

hold infinity in the palm of your hand， | 无限掌中置，

and eternity in an hour， | 刹那成永恒。

《华严经》也有句类似的话：

一花一世界，一叶一如来

我初见此诗，是在我们一本显微构造学教材的扉页：

显微构造学的扉页，显然意味深长。

这种话一看就觉得很有哲理，为啥有哲理我说不清，

我能想到的，只是一些例子：

我们能从微米、甚至纳米级的变形，重现数百公里的造山运动；

能从几毫克的岩石粉末，再现地幔和地壳熔融历史；

切开一条树轮，一颗石笋，一块黄土，一截冰心，讲述几千年来的气候变化；

一勺深海软泥，记录了撒哈拉沙漠的干湿过往；

一颗毫米级的锆石颗粒，记录 40 亿年前地球的修罗炼狱；

一颗小小陨石残骸，讲述太阳系形成的往事；

一个锰结核，记录了远在几百光年外的超新星爆炸的灿烂时刻

……

还有像本文介绍的，几粒沙子，就能讲述沉积岩如何往返于 100km 深的岩石圈内，

经历沉积岩→变质岩→岩浆岩→沉积物的历程。

世界太大，大到光能穿行 138 亿年而不知其尽头，

大到，算上全宇宙的一切物质，也只不过 10^80 粒微尘，

好在，每一微粒可能都是一个小宇宙，所谓“芥子纳须弥”。

我们可以通过这些小宇宙，去感知、去认识大宇宙

爱因斯坦说过：“宇宙最不可理解之处，就是它可被理解”。

这正是科学的魅力。

宇宙—天地八方为宇（空间之无限），古往今来为宙（时间之无限）

我们恰恰是在有限中认识这些无限。

正如杨振宁先生在一次讲述物理之美的报告中，以陆机《文赋》中的一句话开头：

观古今于须臾，抚四海于一瞬

此中真意，我还需体会。

东施效颦，借此结尾。

一叶障目，还是一叶知秋，取决于你看它的视角，这也许就是科普的意义。

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主要参考文献

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Baldwin S L, Schönig J, Gonzalez J P, et al. Garnet sand reveals rock recycling processes in the youngest exhumed high-and ultrahigh-pressure terrane on Earth[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021, 118(3).

Baldwin S L, Monteleone B D, Webb L E, et al. Pliocene eclogite exhumation at plate tectonic rates in eastern Papua New Guinea[J]. Nature, 2004, 431(7006): 263-267.

Baldwin S L, Fitzgerald P G, Webb L E. Tectonics of the New Guinea region[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2012, 40: 495-520.

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Gordon S M, Little T A, Hacker B R, et al. Multi-stage exhumation of young UHP–HP rocks: Timescales of melt crystallization in the D’Entrecasteaux Islands, southeastern Papua New Guinea[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2012, 351: 237-246.

Little T A, Hacker B R, Gordon S M, et al. Diapiric exhumation of Earth's youngest (UHP) eclogites in the gneiss domes of the D'Entrecasteaux Islands, Papua New Guinea[J]. Tectonophysics, 2011, 510(1-2): 39-68.

Maierová P, Schulmann K, Štípská P, et al. Trans-lithospheric diapirism explains the presence of ultra-high pressure rocks in the European Variscides[J]. Communications Earth & Environment, 2021, 2(1): 1-9.