Mac 桌面壁纸优胜美地山上黑色条带的是什么?

Mac 桌面壁纸优胜美地山上黑色条带的是什么?

青铜马弓手,量一弓手,安敢乱言。

你是真的好奇 @好龙先生,我哭死。

想必你问的是下面这道粗野的黑色条纹,

像是随手刷上了一层干涩的黑漆,又好似草书的飞白。

这些“黑色涂层”的学名就叫“岩石漆”(Rock Varnish),是地表岩石的“天然涂料”。

图中景观为著名的 Half Dome,也就是“半穹隆”,妥妥的壁纸明星。

也是著名户外品牌北面(The North Face)logo 形象的来源。

优胜美地,作为全球最知名的打卡圣地之一,每天被无数人在实地、图片或视频中欣赏。这么显眼的黑色条纹,被无数快门记录,让人无法忽视他的存在。

优胜美地 Half Dome 岩壁 图源 | 视觉中国 @旅行摄影师唐僧

感叹、瞎琢磨之余,有“好事者”,闲来无事,专门研究了一下。

出门旅个游,顺手“水”了篇论文[1]

(PS:第二作者 Ronald I. Dorn 是岩石漆研究领域的超级专家)。

那么,如何研究呢?

把样品采集回去,无非干两件事:

一是用高倍显微镜观察这些“涂层”的结构和物质组成;

二是进行元素化学分析。

这里要说明的是,岩石的表面可不止有黑色一种“涂层”,黄的、红的、褐的、白的、灰的……都有,很复杂,只是黑色的比较显眼,更加引人注目。

当然它们的成因也各有不同,研究人员做了详细的划分和总结,大概可以分成 8 种类型。

成因包括表面硬化、重金属膜、植物遗迹、硅釉、岩石漆等等[1]

其中,本问题涉及的黑色涂层,主要是“岩石漆”。


就像人的皮肤会被晒黑,

岩石的表皮也像是一层“皮肤”,经历风吹日晒雨淋,它们也会染上一层风霜之色。

“岩石漆”是一层附着在岩石表面的天然矿物涂层,是地表风化环境中最具代表性的铁锰质沉积物,其厚度仅有几到几百微米。

只需要刮开涂层,就能看到……

不好意思,放错了……

只需要刮开涂层,就能看到新鲜的岩石。

其实,人类先民早已认识到、并应用了岩石漆“薄”的特点[2]

先民们溢出的灵感无处挥洒,他们没有颜料,但只需将黑色的岩石漆划开,里面露出的浅色岩石就能形成了各种图案,于是我们看到了这些:

阴山岩画
桌子山岩画

岩石漆的矿物组成,决定了它们相对比较容易被刻画,且其本身不易被风化破坏的特点(岩石漆本身就是风化的产物)。

详细的矿物学分析表明,岩石漆的主体成分是黏土矿物, 包括伊利石和蒙脱石。

岩石漆呈现为深色,是因为这些黏土矿物通过铁锰氧化物粘结在下伏基岩表面。

这有点类似于我们更为熟知的树枝晶——假化石,它们都是黑色的富锰“矿物涂层”。

树枝晶——假化石,通常认为其主要成分为软锰矿

岩石漆中最主要的含锰矿物是水钠锰矿及同族矿物;

还有一些含铁矿物,如赤铁矿、针铁矿等。

主要矿物知道了,剩下就是如何调色的问题了。

含锰越多,岩石漆越黑;含铁越多,岩石漆越偏褐色。

下图是岩石漆的切片,呈现层状结构,是层内锰元素含量波动造成的。

颜色暗,锰含量越多,黑色层的 MnO 质量分数>25%;

反之,硅和铝等元素含量越高,例如黄色层的 MnO 质量分数约为 5-15%[3]

电子显微镜下,可清晰地看到这层富锰的矿物,附着在光滑的石英颗粒表面[4][5]

岩石漆最显著的地球化学特征是锰元素极为富集,因此大部分岩石漆呈现为黑色的外观。

一般而言,锰元素在土壤和岩石中只是一种微量元素。

但在岩石漆中,常见的硅和氧元素占据 70%,而铁(Fe)锰(Mn)元素占据 10-30%(不同尺度比例有波动)[6]

其实,早在两百多年前,洪堡就已经他的著作[7]中首次描绘了岩石漆,并发现富锰的特征。

但是直到如今,岩石漆的成因还有较大争议。

关于岩石漆的成因,需要解释的是:地表风化环境中游离的

,是如何被搜集、固结,最终形成富集的固相不溶态的锰氧化物[8]

主要争议的焦点在于:是否有生物参与

(1)其中一种观点认为没有生物参与,大气中的酸雨能够溶解并释放尘土中的锰, 随后水分蒸发导致环境的 pH 上升,干旱环境下

迁移性弱,最终被氧化固结在基岩,因此认为干旱的环境中更容易形成岩石漆。

确实,在许多干旱的地区,尤其是沙漠或是戈壁滩的砾石表面,通常会形成岩石漆,又称为沙漠漆(desert varnish)[9]

但是,湿润地区的朋友们就不乐意了。

岩石漆的地理分布让纯粹的非生物成因机制难以自圆其说。

研究发现,湿润气候中的岩石漆锰含量比干旱、更碱性的地区高出许多[10]

总的来说,岩石漆的分布非常广泛,无论是干旱、半干旱、湿润地区,还是砂岩、花岗岩、石灰岩或是建筑物表面,都遍布岩石漆[11][12]

(2)生物成因

许多生物喜欢爱搜集矿物。

例如,人类喜欢搜集宝石……

有些微生物癖好特殊,它们喜欢搜集锰元素,我们称之为巨萌微生物。

哦,不对,是聚锰微生物

研究人员在岩石漆中发现了微生物遗骸和有机物, 如氨基酸、多糖等。能谱分析显示微生物遗骸中的锰元素含量远远高于邻近的岩石漆[13]

岩石漆表面锰氧化菌遗骸 | 原图来自文献 12,转引自文献 8

有学者采集了不同地区的岩石漆样品,发现岩石漆区的微生物菌落中 65% 以上都具有锰氧化功能, 其中以芽孢杆菌为典型代表[14]

被铁锰元素充填的微生物遗骸,混合了黏土矿物粘接在基岩表面,形成我们所见的岩石漆。

岩石漆上的生物遗骸 | 来自文献 14

(3)既然有生物成因,也有非生物成因,自然而然会有人提出混合成因机制。

总结起来就是:地表风化作用释放了尘土中的

离子,随后的物理化学作用、生物化学作用、光化学作用等过程,共同促进了锰的氧化与富集[8][15]


咱们再回到优胜美地。

优胜美地山体的岩石,主要为花岗质岩石,包括花岗岩、花岗闪长岩、石英二长岩和石英闪长岩等。这些光秃秃的岩石本应该呈现出浅色的外观,但现今被这些天然涂层不均匀地涂抹。

仅针对黑色的岩石漆来说,这种上色是不均匀的。

优胜美地 Half Dome 岩壁 底图来自 | 视觉中国 @老袁

这与岩石的差异性崩塌、破坏有关。

脆性的花岗质岩石节理非常发育,在有的部位,附着岩石漆的岩石崩落,新鲜的岩石露出来,便造成了这种颜色差异。而且岩体在压力较高的地下深处,快速抬升到地表,卸载作用会让岩体像剥洋葱一样,层层剥离。

Photo by Phillip H. Larson.

此外,在常年流水的区域,例如瀑布下方的岩石,明显颜色更黑。

优胜美地 Half Dome 岩壁 图源 | 视觉中国 @一只不会耍剑的程序员一定拍不好照片呀

这些更加体现了产于地表开放环境的岩石漆,其生长发育受到环境中大气、水体、阳光、矿物质、微生物等多种因素的综合影响。


可不能小看这层微米级的地表矿物膜,它甚至被称之为“地球新圈层”[12]

矿物膜 - 地球新圈层

这层极薄的矿物膜,不仅能够记录气候变化和岩石暴露地表的年龄,而且还发育有诸如水钠锰矿等半导体性能优异的矿物,并富集 Ce 等功能性稀土元素活化光催化反应,是地球上分布最广的天然“太阳能薄膜”[12]

此外,火星探测采集的影像资料显示,火星岩石表面似乎大面积分布有类似地球岩石漆的物质,它们可能作为地外生命繁衍栖息地或有机物储存地,已经被美国宇航局当作搜寻火星生命的方法之一[16]


总结:

优胜美地崖壁上的黑色条带是岩石漆。

岩石漆是地表风化环境中最具代表性的铁锰质沉积物,厚度仅有几到几百微米,其主体成分是黏土矿物,通过铁锰氧化物粘结在下伏基岩表面。

岩石漆最显著的地球化学特征是锰元素极为富集,因此大部分呈现为黑色的外观。

其生长发育受到环境中大气、水体、阳光、矿物质、微生物等多种因素的影响。

地表风化作用释放了尘土中的

离子,随后的物理化学作用、生物化学作用、光化学作用等过程共同促进了锰的氧化与富集。