藏於九地之下:軍事工程地質專業

應用地質學的原理以及技術於軍事領域，已有悠久的歷史。唐代的杜佑(西元735-812年)，曾經在通典-兵典中說過：善守備者，務因其山川之阻，丘陵之固，使不知所攻；言其深密，藏於九地之下。翻成白話文的意思，就是善於守備的人，最在意的是利用山川的險阻地形，丘陵的堅固構築防禦陣地，使攻擊方無法知道弱點攻擊，並利用地形的深藏隱蔽，將人員、物資、陣地隱藏於深厚的地形掩蔽之下。地質條件影響戰役的結果甚多，例如在美國南北戰爭期間的蓋茲堡(Gettysburg)戰役，北軍聯邦軍隊據守為輝綠岩岩脈侵入造成的小圓頂(Little Round Top)與墳墓嶺(Cemetery Ridge)，受到較佳的保護。而南軍邦聯部隊則在無保護的砂頁岩侵蝕地形攻擊前進，因此遭受較大的損失。而在台灣，清法戰爭期間，清軍與法軍爭奪的山脊和建在山脊的砲台，都是位在大寮層中的一段厚砂岩中。這是因為海相的大寮層主要是由砂頁岩組成，而大寮層中的砂岩與頁岩軟弱程度差異很大，因此常因侵蝕作用造成陡峭的砂岩嶺脊，而基隆港又是處在一個被大寮層圍繞的向斜軸部中，所以東西俯瞰基隆港的山脊均是大寮層裏的厚砂岩段，也不難想像為何成為兵家必爭之地。

圗一、建在砂岩嶺脊上的基隆東岸白米甕砲台

1798年拿破崙率軍遠征埃及時，曾經有兩位地質學家隨行左右，提供軍事上的專業意見。而諷刺的是，第一次運用地質學的山岳地形分析學理在軍事上而打敗敵人的，卻是在1813年卡茲巴赫戰爭，普魯士將軍馮布呂歇爾運用馮勞莫教授對於賽列西亞(今天的波蘭、捷克、德國交界地區)的山岳地形研究地圖，打敗了拿破崙。第一次世界大戰期間， 歐洲參戰的各國都徵召地質學家，擔負提供構築軍事工程所需的工程與水文地質資料和諮詢意見，以及尋找地下水和建築材料等後勤參謀工作。僅僅在1917年，在德軍西線工作的地質小組就有27個，總計約200名地質學家參與德軍的攻勢與守備作業。第二次世界大戰期間，隨著軍事技術的發展，運動戰成為主流，因此隨著新的戰術思想與新武器的出現，防禦陣地體系和工事構築的結構都發生了變化。因此也更迫切需要軍事工程地質和軍事水文地質的詳盡調查。許多參戰國軍隊中都設有地質勤務部門。而最注重運動戰的德軍更使用了特種地質圖，上面標有地區岩土分佈，及評定各季節坦克、摩托化部隊通行的可能性等情況的圗資。蘇聯在二次大戰中，也運用地質學家，提供構築水工建築物和軍用道路的工程地質、水文地質資料、地形的可通行性、土壤性質以及其他自然條件的資料。

圗二、二次世界大戰美軍所用的特種地圖(附有軍用地質地形分區)

二次世界大戰以後，由於飛彈、核武器的出現，和軍隊機動能力的提高，防禦性的碉堡工事更加深入地下，軍事工程構築速度加快，野戰給水任務繁重，因而增加了地質後勤任務艱鉅性和複雜性。費雪當年有個女同學，官拜美軍備役少校，911後突然消失，過了 一年多回到學校已經是中校了，一問起才知道去了阿富汗修築跑道去了，原來修築跑道，也需要對岩土地質狀況有一定瞭解，才不會因為土壤膨縮或不均勻沉陷，造成跑到破壞不平。一些國家，更將新的科學技術與地質學理論運用於軍事工程地質學中。如美軍在越戰時研製透地雷達技術，當時主要是用來探測越共的地道系統。另外也發展出像工兵圓錐儀和空投圓錐儀等攜行儀器，可以快速測定土壤的通行能力；另外也發展出利用遙測等空中地球物理探測技術，協助野戰供給水源的水文地質調查。 另外，對於碉堡的構築材料，仰賴於對區域內各種岩石抗爆與防彈能力的工程地質性質瞭解。而要攻擊嚴密構築的工事，則更是要了解哪一種彈藥與攻擊方式，可以洞穿特定岩石的厚度。因此，軍事工程地質，已經成為很專業的一們學問。

圗三、越戰中發展出來偵測坑道的電磁儀器(透地雷達前身)

圗四、美軍戰鬥工兵正使用透地雷達

費雪寫這篇文章，其實是要告訴很多後輩，我們常常被問到”學地質可以做甚麼?”其實在很多大家都想不到的地方，地質起了一個很重要的作用，也往往需要懂地質的專家參與，只可惜在過去的體制下，大家都往學術路看齊，認為只有寫文章才是所謂的”正統”。卻忘記了還有這麼多的空白領域可以貢獻我們的所學，其實費雪一向認為，我們不需要追求成為地質的主流，但是卻要追求讓地質成為各領域不可或缺的一項專業，扮演關鍵的角色才是正途。

　　

風水地質學(二):災兇格局-水篇

風水裏頭對於水非常重視，認為:”氣乘風而散，界水而至。”於是在傳統的中國風水裡，對於江、河、湖、海、溪流、池塘、水溝、低窪積水等看得到水的地方，都會特別注意。甚至注意到所謂的”乾流水”，也就是在一般的日子裡看不到水下雨時才會有水的的旱溝水路地形。水有什麼重要？古人認為「山管人丁，水管財」。由於生命脫離不了水，因此在農牧時代無論是居住、農耕、畜牧都需要選擇盡量接近水源之地。到了工商發達之後，水路是最佳的運輸途徑，可以藉由船隻載運大量貨品來往不同區域，因此當然「遇水則發」。
 

圖一、依水發展的都市(圖為台北新店碧潭)
 

當然，水能載舟，亦能覆舟。居住在看似平靜河流的附近，固然能夠提供便捷的交通，以及生活必須的資源。但一旦遇到暴雨，急漲的湍流，甚或是夾帶大量土石的土石流，往往以摧枯拉朽之勢摧毀擋在流經途徑上的任何生命與財產。因此居住在水邊的古人，很早就發展出了一套相地的方式，以避凶趨吉。古人擇吉地，首推選擇有曲流的地方，認為在河流環抱處，也就是曲流的地方，會“止息結穴”，聚集一股蓬勃的生氣；尤其流水呈「玉帶環腰狀」，則該處氣場將更為興旺蓬勃。所以風水也重視地域河流的形貌，「源宜朝抱有情，不宜直射關閉，去口宜關閉緊密，最怕直去無處」。也就是要有曲流，不宜”直來直往”。
 

圖二、蜿蜒曲折的基隆河
 

從地質上來說，處於較上游的河流，由於坡度較陡，以侵蝕和搬運作用為主，因此河流形狀以直流河為主。居住於此處，很容易遭受土石流與暴雨溢流的侵蝕影響，造成極大的災害。位於中游的河川，因為坡度減緩，侵蝕與搬運作用兼具，大致達到平衡，於是形成曲流。居住於此，由於侵蝕與搬運作用兼具且平衡，因此大致上為河流搬運沉積物的通過區，相對屬於較安全的居住區域。到了下游出海口，坡度幾乎已接近水平，以堆積作用為主，因此河流多分枝形成許多水淺的辮狀河系統。此一區域，由於位於下游堆積區域，河道多又淺，因此很易改道並且往往夾帶許多中細粒沉積物堆積於此，居住在這種地方，常常要提防河流在一場暴雨後急漲改道的洪水災害。所以，相對而言，河流的中游曲流地區是一個居住較為安全的位置。
 

圖三、從直流到曲流的河川演育

    不過，即便是曲流，也有相對安全與不安全的區位。這點古人也早有見解，例如在《尚書、召誥篇》：庶殷，攻位於洛汭。這裏的「汭」，指的是內邊的意思，當河流曲繞時，凸岸屬於環繞的內邊，而凹岸屬於環繞的外邊，因此上面翻成白話文就是「殷商人民在洛水凸岸的地方建立都城」 。當河水在轉彎時，由於水流的「物理慣性」及「向心力」，在內灣的凸岸，河水流速變慢，造成水中搬運泥沙的能力大減，於是泥沙逐漸屯積，以致凸岸土壤增加，可用的土地愈來愈多，因此難怪早自殷商時代，人們就已知道凸岸是相對安全的區位。相對的，由於河流在轉彎時，離心力加大，促使水流速度加快，造成水中搬運砂土的能力大增，不僅水中泥砂不易沈積該處，而且對沿岸地質，還有侵蝕與沖刷的物理力，因此凹岸河床較深。居住於凹岸，就是俗稱的「反弓水」，由於存在侵蝕作用，當然是不利與災兇的格局囉。
 

圖二、凹岸與凸岸的相對位置

   
   反弓與否或是凸岸與凹岸的位置，其實很容易從對於現在河流形貌的觀察決定。但是費雪要提醒大家的是，還有一種隱藏的反弓水格局，費雪稱之藏弓格局。主要是來自於河流彎曲到一個程度之後，會從曲流的頸部直接改道通過。留下的舊河道曲，學術上稱之為牛軛湖。有時藏弓格局也會因為人為刻意將河道截彎取直產生(例如基隆河)而留下填土後的舊河道。這種牛軛湖/舊河道中往往堆積泥質沉積物或者是不均勻的人工填土，加上地形低窪近河道，往往含有大量地下水形成沼澤或泥地，在這種地方建築房屋，由於地基是軟弱的粘土或是不均勻的廢棄土石組成，常常造成不均勻沉陷而產生建築物的破壞，所以要特別注意。例如台北士林，有一條基河路，其實就是在基隆河截彎取直前的曲流舊河道上，民國81年力霸百老匯工地，就因為深開挖造成附近百齡國中與附近民房傾斜。另外2002年內湖重劃區某建設工地，也有類似案例。所以這種舊河道的藏弓格局，在建築上需要特別注意，或者需要進行適當的地質改良工程。

圖四、大直至內湖的基隆河舊河道的分佈

教授他偏頭痛之暴龍它跌倒了~~

作曲:周杰倫，作詞:席克費雪

教授：喔喔喔喔～～你這個理論，有夠難懂，來人啊～把他給我直接當掉啦！

學生：教授～教授～教授～～～

教授他偏頭痛　教授他偏頭痛　說暴龍它很重　衝衝衝　衝衝衝　衝衝

暴龍它前肢小　暴龍它尾巴搖　那重心被掏空　跑快了　超速三十　卻跌一跤

緊挨著燈座　這十年苦思無人能懂　春夏秋冬

無奈這夜晚寒風卻穿透了屏風　吹幾頁古生物學我淡定思考

演化先搞懂地球歷史才能夠通　分類的科目綱屬種乃是基本功

繁華的生物時代更迭來去匆匆　突變的內容　演進的從容　滅絕的寬容　這些都該懂

我是個大學生　過學測考進來　卻一直狀況外　被報告所擊敗

那教授很搞怪　問暴龍站起來　暴龍它身手壞　跌倒難站起來

教授他偏頭痛　教授他偏頭痛　說暴龍它很重　衝衝衝　衝衝衝　衝衝

暴龍它前肢小　暴龍它尾巴搖　那重心被掏空　跑快了　超速三十　卻跌一跤

教授～教授～教授～～～～～～

我要交報告　免不了學而時習之的　上網亂抄

暴龍的生老病死其實也不單調　談器官功用我的理論給力重要

再感謝各位鄉親還有父父老　提供我資訊網路消息讓我知曉

演化我讀了各種論文篇篇重要　我說想不到　你說早知道　我說很難笑　你說你知道

還好有研究生　說暴龍我明白　它前肢向內彎　沒辦法向外開

它尾巴很厲害　要伸長沒阻礙　那暴龍站起來　靠尾巴平衡快  教授他偏頭痛　教授他偏頭痛　說暴龍它很重　衝衝衝　衝衝衝　衝衝

暴龍它前肢小　暴龍它尾巴搖　那重心被掏空　跑快了　超速三十　卻跌一跤

衝衝衝衝衝衝　這暴龍他不靠譜　跑起來一陣風　它跌倒一鞠躬（躬）

衝衝衝衝衝衝　這暴龍他不靠譜　跑起來一陣風　它跌倒一鞠躬　它跌倒一鞠躬

    後記: 這是一個古生物學上有意思的爭論，因為發現的暴龍(T-Rex)化石，前肢都非常小，因此大家爭辯暴龍可能無法僅靠著後肢，用時速30公里以上的速度行走，因為走太快了可能會失去平衡而跌倒站不起來。這個前肢的功能為何，便成為大家研究與推論的重點。Bruce Rothschild博士在1998年發表的文章指出，很多與暴龍一樣前肢都很短的的異特龍(Allosaurus)化石，有14件化石顯示肋骨的部分有斷裂後癒合的痕跡，顯示異特龍可能曾經因為衝太快而遭受仆街(或是犁田)的嚴重傷害。因此James Farlow博士等人提出一個假設，比異特龍要大的暴龍，可能無法用30公里/每小時以上的速度行動，因為超過這個速度，暴龍很可能會跌倒而造成嚴重難以復原的傷害，而且一旦跌倒很有可能再也站不起來。

    當然，也有人持不同看法，例如佛羅里達大學的Gregory M. Erickson博士就說明，暴龍的尾巴是既重且大，他觀察與恐龍接近的禽鳥類，發現禽鳥類也是僅靠後肢便可站立，禽鳥類可以藉著翅膀與尾巴的肌肉力量，改變重心平衡而站立，因此暴龍跌倒了再站起來並不是問題。不過費雪還是有一個疑問:多數的鳥類都是站著或蹲著睡覺的，那體重重達6噸以上的暴龍，站那麼久，不會”腳麻”嗎?套句台灣流行的廣告，萬一有天敵來了，會不會暴龍只能說:我哪是不願意走，腳麻了是要怎樣走~~~~~~~

 

   

台灣地質聊齋:1782福爾摩沙-南海大海嘯的存在謎團

大家都知道，台灣所處的東亞一帶是地震以及海嘯的多發區。幾年前南亞大海嘯以及日本311海嘯的發生，特別是在有現場影像的真實記錄下，讓大家對於海嘯恐怖的破壞力有了更深一層的認知。

圖一、日本311大海嘯

 

在台灣的歷史上，也有過海嘯的紀錄，例如台灣採訪錄中就記載:"鳳港西里有加藤港(佳冬港)，……。乾隆四十六年四、五月間，時甚晴霽，忽海水暴吼如雷，巨湧排空，水漲數十丈，近村人居被淹，皆攀援而上至尾，自分必死。不數刻，水暴退，人在竹上搖曳呼救，有強力者一躍至地，兼救他人互相引援而下，間有牧地甚廣及附近田園溝壑，悉是魚鰕，撥刺跳躍，十里內村民提籃挈筒，往爭取焉。"。又在1867年，基隆、金山一帶發生強烈地震，也造成海嘯，根據記載與後來的訪談調查，海嘯之浪高約有6-7公尺。(這件事記載在淡水廳志: 「（同治六年）冬十一月，地大震。......二十三日，雞籠頭、金包里沿海，山傾地裂，海水暴漲，屋宇傾壞，溺數百人。」。)，基隆港內的船隻先因為海水退去而擱淺，再因為。海水忽然的漲回而被推入市街或沉沒。

圖二、清朝時期台灣地圖

 

另外，台灣的附近，在琉球群島南端最接近台灣的的八重山群島(石垣島、西表島及與那國島等)，曾經在乾隆三十六年(西元1771年)發生歷史上記載的最大海嘯，跟據後來日本的研究，這次海嘯的浪高有人認為超過80公尺，不過後來經過琉球大學研究，認為應該是18公尺。此次海嘯並造成石垣島與宮古島各有8,439與2,548人喪生。當時琉球國為清朝的朝貢國，使用清朝年號紀年，因此在琉球稱為乾隆大海嘯（乾隆大津波）。據琉球國的史書《球陽》記載，當日辰時琉球國中部至久米島、慶良間島、宮古島、八重山群島發生地震，退潮時海水猛騰，像潮漲一樣。宮古島更在一刻之間騰湧三次，騰湧的海水高三丈五尺至十二、三丈不等。

 

圖三、下地島的海嘯石

 

這樣看來，台灣及華南地區最近四百年所發生的海嘯災害，多半是由於地震造成，而這些被記載入歷史內的海嘯事件，就時間上與影響範圍應該是就沒有疑問了吧?但其實不然，費雪看了很多專家所引用的資料，除了前面所舉的文獻記載例子之外，在近代台灣地區發生的海嘯災害，還有一個發生在西元1782年，也就是乾隆四十七年四到五月間發生在台灣的海嘯(又被稱之為福爾摩沙-南海海嘯)，奇怪的是引用出處是來自於一個翻譯來的俄文地震年鑒(Soloviev and Go, 1974)，其中有這樣的描述:” （原俄文譯為英文，由吳祚任、阮芳香譯為中文） 「1782年5月22日（或云1682年12月？）台灣（台南）發生強烈地震並造成嚴重災情，海嘯隨之而來，並以東西向方式攻擊海岸地區。『幾乎全島』超過120公里被海嘯所淹沒。地震和海嘯歷時8小時。該島的三大都市和二十多個村莊先是被地震破壞，隨後又為海嘯浸吞。海水退去後，原本是建築物的地方，只剩下一堆瓦礫。幾乎無人生還。40,000多居民喪生。無數船沉沒或被毀。一些原本伸向大海的海角，已被沖刷，形成新的峭壁和海灣，並造成淹水。熱蘭遮堡以及普民遮城堡連同其坐落的山頭均被沖毀」”。

 

圖四、清初"沙鯤漁火圖"中的安平城

 

對於這個紀錄，有些人引用作為台灣遭受巨大海嘯襲擊，造成嚴重傷亡的一項重要根據。但費雪是個天生反骨的人，習慣雞蛋裡挑骨頭，仔細想想，這段敘述卻透露出許多的矛盾不合理。因為清史中對於這個事件根本沒有提到。還有敘述中幾個重點是不對的，像是鄭成功從荷蘭人手中收復台灣(西元1661年)後，將熱蘭遮城與普羅民遮城改稱安平鎮城及承天府，清代稱呼此二處赤嵌城(安平鎮、安平城)以及赤嵌樓。所以當時的記載應該要習用清政府或民間的稱呼，而非一百多年前荷蘭人的稱謂。另外，此二處殘跡目前均可見到，也並未留下任何海嘯破壞的痕跡與歷史記載。更不用說赤嵌樓位於台江內海內側，與安平古堡隔一台江內海相望，海嘯的效應遠較安平古堡要小，也不應一致。看來做這段敘述的人不太了解台灣地理。另外，當時的台灣四縣為台灣縣、諸羅縣、鳳山縣、彰化縣(雍正時設)，縣治分別在今天的台南、嘉義、左營、彰化三地。按上述記載，最大的都市台灣縣、諸羅縣、鳳山縣三縣房舍衙署應該都倒光了，居民也死傷大半，但是隨後在乾隆五十一年發生林爽文之亂可以糾眾數萬，攻下彰化以及鳳山縣，這可令人奇怪了，難道當時重建如此迅速?人口補充這麼快?另外當時台灣的大小縣令、知縣、台灣兵備道等都有名有姓可以查到，也未在史書中提到有人是在此次海嘯中喪生。因此費雪判斷這段紀錄多半是亂掰不正確的。這裏又說有可能是1682年發生的事，此時剛好是施琅攻台前一年，倘若發生這種大事，以當時的狀況，那正在銅山島練兵的施琅等清軍只需要揚帆直接開入台灣島就好了，因為鄭氏王朝的軍力已去了大半，還需要打1683年那場澎湖海戰嗎?因此，這個海嘯事件，多半是假的，又或許是前面講的加藤港海嘯事件(1781年)的以訛傳訛放大版，不過根據台灣採訪錄的訪談，當時只淹死了一個婦人，但放大版卻是40000人，哇~放大了四萬倍~所以原來俄國人也喜歡搞放大決這一套啊~~~。

費雪要說的是，歷史也是人寫的，有很多人習慣引用西方的紀錄，認為當時由於西方人較中國科學，因此記載上應該較為詳實。但事實是當時有一部分的西方人，來東亞是淘金的，因此往往誇大不實的吹噓某些未曾親眼見證過的事情。因此對於紀錄上我們也必須加以多方驗證才行。不是西方的月亮就比較圓。另外，海嘯受地形影響，所以常常發生的範圍較局部，南亞大海嘯與日本311海嘯應該是特例，但屏東加藤港(佳冬港)應該是受地形放大影響，讓海嘯到達約6、7公尺的高度，否則其他地區為何沒有類似紀錄，尤其是當時最繁榮的台灣府城(台南)?

地質粉彩系列:傲慢與偏見的真假大戰

很多人常說：「真的假不了，假的真不了。」，又說：「真金不怕火煉」。所以一般大眾的認為，世上的事物，總是『真的要比假的價值高』。但話說這世界上有些東西，卻是顛覆了我們對真假價值的看法，真的要比假的來的假，假的要比真的來的真。真有這種東西？費雪要說的是，沒錯！而這種東西，就是大多數女士小姐們為之意亂情迷的”寶石”！！！

 

 

圖一、伊莉莎白女王的寶石王冠

先來說說甚麼是”寶石”，根據維基百科的說法：『寶石是被切割、擦潤、拋光的礦物，而作為寶石的礦物，一般顏色鮮艷柔和，光澤和花紋美觀，結構均勻，折光率強，硬度較大，化學成分穩定。』。其實，費雪應該要根據礦物學的原理，將上述說法加上比較嚴謹的定義，一般可以做為寶石的礦物硬度要大於7，也就是相當於石英的硬度，因為石英是地球表面最常見的礦物，空氣中的砂塵中，往往含石英量較高，硬度小於7的話，一下子表面就會磨損有刻痕，自然不能當作永久留存的珠寶飾品。另外寶石應有半透明到透明的透明度，以及較亮的光澤(玻璃、金剛、半金屬到金屬光澤)。也就是中到高度的反射率與折射率，一般反射率大於4%，折射率在1.3以上。由於有較高的透明度，較亮的光澤與反射出來多彩的顏色，自然閃閃發光可以吸引眾人注目。

市面上常見的寶石包括了鑽石(Diamond)、紅寶石(Ruby)、藍寶石(Sapphire)、金綠寶石(Chrysoberyl)、祖母綠(Emerald)、拓帕石(Topaz)、鋯石(Zircon)…等等。網路上關於寶石的中文資訊太多，有興趣的讀者可以自行上網去看看。費雪今天要談的，倒不是這些寶石有多珍貴，而是要點出一個迷思，這個迷思就是：幾乎所有的”寶石”，都可以經由人工合成的，也就是製造出的”假”的寶石。而這些假的寶石，由於是在實驗室中純淨的環境長成的，因此往往比天然的寶石的成分還要純，晶體架構更為對稱。而天然的寶石，也就是”真”的寶石，由於在自然環境下生成，含有較多的雜質及不對稱的晶形。也因此若單純以作為飾品的用途而言，其實”假”的寶石還更具有較佳的光澤、透明度與折射率，而”真”的寶石就未必了。因此，就功能與成分純正而言，合成的寶石恐怕較天然的要更佳。但是，假的寶石，由於供應量大，因此價格上約僅有天然”真”寶石的十分之一以下， 因此，認真要計較的話，這中間的超過十分之九的價差，恐怕就剩下自我虛榮的成分了。

 

圖二、常見的寶石

舉個例子來說，像鑽石(Diamond)，它的化學成分其實跟石墨一樣，都是碳原子組成，一直以來科學家都夢想要從碳或石墨合成高價的鑽石。1879年至1928年間，許多學者進行了鑽石合成的實驗；雖然部分科學家聲稱可以在實驗室中合成鑽石，但後來經過仔細的分析，始終無法根據他們的製程與理論重製鑽石。1940年代，美國、瑞典和蘇聯率先投入鑽石合成研究，到了1951年，奇異公司的史奇奈迪實驗室(Schenectady Laboratories of GE)，開發出可靠的製程，在實驗室中合成鑽石，但當時的技術仍不穩定，而第一個可穩定複製合成鑽石的技術則於約1953年問世。目前所採用的鑽石合成技術，多來自於當時美國、瑞典和蘇聯所開發出來的技術。這些技術大致分為兩類：高溫高壓（High-Pressure High-Temperature，HPHT）法以及化學氣相蒸鍍（Chemical Vapor Deposition，CVD）法。

 

 

圖三、合成鑽石裝置

HPHT方法是用石墨或金剛石粉，或石墨與金剛石粉的混合物為碳源，將它們溶解在鐵鈷鎳合金觸媒中，借高溫超高壓(一般溫度在3000-3500℃以上，壓力在8-10 Gpa以上)反應，使觸媒中溶解的碳進入碳鎢合金製成的高壓腔，在溫度較低的鑽石種晶上沉澱長大，並快速冷卻使之穩定形成鑽石。這種技術，還被用來修補天然鑽石上的裂縫，讓低等的天然鑽石，躍級為高價的鑽石。因此，天然的”真”鑽石也有經過美容的”假”真鑽!! ，一般採用HPHT方法的實驗室，雖然可以合成到約25克拉大小(De Beer的實驗室為研究用途曾經製成過)，但商業生產常僅限於兩種尺寸的鑽石:1克拉(200mg)及1.5克拉(300mg)。

而CVD方法乃使用一種或多種氣體，在一加熱的固體基材上發生化學反應，並鍍上一層固態薄膜。CVD鑽石是以一塊天然鑽裸石為母石，利用高純度甲烷、加上氫、氮等氣體輔助，在微波爐中以高壓(~27kPa)方式，讓甲烷中與鑽石一樣的碳分子不斷累積到鑽石原石上，經過一層層增生，可形成大至10克拉之透明鑽石。這種「長大」的鑽石，品質與天然鑽石幾無二致，肉眼難辨。直到目前，CVD和HPHT鑽石還是合成鑽石的主要製造方法另外，在1990年代晚期，出現第三種鑽石合成技術：爆壓法，即直接以炸藥本身所含之碳元素，經過爆炸，合成奈米尺寸鑽石顆粒。而第四種合成技術，將石墨經由高能超音波”轟炸”處理，也隨後在實驗室中被證實可以合成奈米級鑽石，但現今尚未應用在商業領域。

 

圖四、合成鑽石

合成鑽石由於是人工製造，因此是以克拉為單位計價，目前一克拉的合成鑽石，在市場上大約美金80元(台幣2400元)左右，三克拉的合成鑽石則約240美元(台幣約7200元)。而天然鑽石，一克拉約3000美元(台幣9萬元)以上，三克拉的天然鑽石因為稀有，約要24000美元(台幣72萬元)以上。大顆的合成鑽石，僅約天然鑽石的百分之一的價格!!!!!!套句前面說過的話，這99%的價差，大概就是心理虛榮上的價值囉!!

當然，鑽石商為了維持市場穩定與自身利潤，千方百計設法灌輸消費者一些迷思，例如真假鑽之不同，或是可以用硬度計、折光計等寶石工具就可在店頭快速分辨。這裏費雪要做一下澄清，有些人說的可以快速辨別假鑽，指的是蘇聯鑽(Cubic Zirconia, CZ)，而不是合成鑽石(Synthetic Diamond)。蘇聯鑽指的是人工合成的鋯石(Zircon)，被廣泛用作鑽石的代替品。因為這種人工合成方法是由蘇聯科學家 V. V. Osiko在莫斯科列別捷夫研究所（Lebedev Physical Institute）所改良發明的「顱坩堝」法技術，故此合成鋯石亦被稱為「蘇聯鑽」或是「CZ鑽」。密度頗高，比重為5.6至6.0。其硬度達8.5，雖低於鑽石，但已超過大部份天然寶石。色散指數達0.058至0.066，超過鑽石，因此蘇聯鑽看來比鑽石更為熣燦。價格上比人工合成鑽石更低，約每克拉3元美金(台幣100元)左右。由於蘇聯鑽硬度比鑽石要低，所以用硬度計便可區別與鑽石的不同。但是合成鑽石就是鑽石，具有相同的硬度、折射率與反射率，因此無法用一般的儀器區別與天然鑽石的不同。需要用高倍顯微鏡或電子顯微鏡，就鑽石礦物晶體的生長與雜質來區辨”真”與”假”鑽石。因此，比較有良心的實驗室，往往會在合成的鑽石上打上記號，已標示它是人工合成的。即便如此，還是有些合成鑽石被蒙混過關，放到市場上高價買賣，不久前(2012)年香港與上海的珠寶鑑定協會還發出警訊，有兩批幾可亂真的CVD鑽石被流入市場售賣，要消費者小心。

圖五、蘇聯鑽

既然人工合成的”假”鑽石甚多，而人工合成的又便宜，成分又純，色彩又較美，與其花大錢買到假的真貨，那不如一開始就用低價買真的假貨。反正肉眼與放大鏡都難分別，做為飾品也好、炫耀也好都有一樣的功效。其他的寶石其實都有一樣的現象。費雪套句《紅樓夢》裡的話，「假作真時真亦假，無為有處有還無」，這是《紅樓夢》第五回賈寶玉夢遊太虛幻境時，在一個大石牌坊上看到的一副對聯。而這兩句話的意思是「當我們把假當成真的時候，真實卻像假的一般，而把存在的當成虛無時，真正的存在反而像是虛無一樣」。所以只要有真心，不管是合成的或天然的寶石，都會”一顆永留存的”，太太小姐們何必要計較是”真”或是”假”?

不一般的鑽石冷戰故事

早在所謂的血鑽石開始之前，在冷戰時期，美蘇之間早就開始了一段檯面下不為人之的鑽石戰爭，這是一段有趣的關於鑽石的歷史，各位觀眾暫且聽費雪娓娓道來:

鑽石，礦物名字是金剛石，具有最高的硬度等級10，文獻中大致可以追溯到西元三世紀左右的印度，當時是用來作為宗教以及祭祀藝術等用途。後來在中國，則是因為鑽石硬度高，多將鑽石裝在鐵製器械的前端，用來作為挖掘的工具。所以鑽石最早並不是人們炫富裝飾用途，而是被人們用來作為工業的用途。但是到了在非洲慶柏利(Kimberly)發現鑽石後，在壟斷的財團操作之下，鑽石逐漸變成了貴婦手上或脖子上的珍貴蒐藏品。不過，鑽石在工業界，仍然是一種很重要的研磨材料，是精密工業與軍事工業很重要的原物料。

 

圖一、慶柏利岩以及鑽石

 一直到上世紀的中葉約1960年代，由於尚未發展出製造合成鑽石的技術，因此非洲的慶柏利岩(Kimberlite)鑽石礦，一直是很重要的鑽石來源。甚麼是慶柏利岩?這是一種含鉀的鹼性火山岩，通常岩漿的來源可以深達約120~200公里深的地函裏，(請記得地球的外殼，也就是我們的腳底下還有一層約5~50公里厚的地殼。)，岩漿順著噴發管(pipe)噴出地表，在地表形成如火星坑洞般，直徑可達約1公里以上之噴發火山口，這種含鹼的岩漿常形成大量石榴子石(Garnet)礦物，偶而含有大量的碳與揮發性物質，會在噴發過程中形成鑽石，因此要找鑽石，先要找慶柏利岩，而要找慶柏利岩，石榴子石是一項重要的礦物指標。慶柏利岩的噴發年代，在地質年代上約從14億年前一直到5千萬年前均有。但是大量的慶柏利岩噴發，則是發現大約在7千萬到1億4千萬年前，也就是約在白堊紀(Cretaceous)。 有意思的是，這個期間也就是恐龍生存繁盛的年代，大型恐龍從侏儸紀(Jurassic)開始出現，在白堊紀種類與數目達到巔峰，白堊紀的結束就是恐龍大滅絕的時間，所以恐龍繁盛生存的環境，會不會與慶柏利岩大量噴發有關?因為慶柏利岩大量噴發形成，供應大量的碳，不僅形成鑽石，也釋放二氧化碳到大氣而造成溫濕環境，所以說恐龍繁盛與慶柏利岩是同一原因形成的，恐怕也不為過啦!!!!

 

圖二、慶柏利岩的生成機制

 回到主題，在1960年代之前，全世界的鑽石供應，約有90%以上控制在一家公司的手裏，就是大名鼎鼎的戴比爾斯珠寶(De Beers)，De Beers最有名的就是創造出”鑽石恆久遠，一顆永流傳”的口號的公司。由於是壟斷，所以過去鑽石的售價只漲不跌。De Beers這家公司，在二次世界大戰後，為了要控制在非洲的礦場，因此選擇與歐美大國合作，介入非洲國家軍事與政治的援助與干涉，以換取礦場的控制權。冷戰一開始，De Beers當然站在歐美一邊，對蘇聯為首的陣營進行鑽石禁運，當然De Beers也有自己的盤算，也希望蘇聯向De Beers屈服，換取更大的壟斷權。前面說過，在那個沒有合成鑽石的年代，鑽石是一種重要的軍事與精密工業的原物料。因此蘇聯的軍需工業當然受到很大打擊。為了要突破De Beers的禁運，當時蘇聯的獨裁者史達林就找來地質學家們來詢問，地質學家告訴史達林，曾經在1930年代戰前的探勘裏，發現西伯利亞的區域地質，相當類似南非出產慶柏利岩一帶的地質架構。史達林大喜過望，說:「我們國家甚麼都欠，就是地質學家不欠!」。於是馬上下令逮捕學有專精的地質學家，送到西伯利亞去找鑽石~~(這應該是身為地質學家最悲哀的一日)。很多優秀的蘇聯地質學家，便在1947年後被陸續送到西伯利亞找鑽石(有一部蘇聯影片在描述這個故事，叫”A letter never sent”(1960)，應該是第一部以地質學家為主題的電影)。

圖三、”A letter never sent”宣傳海報

到了1953年，一位年輕的蘇聯女地質學者Larissa Popugaieva在列寧格勒(聖彼得堡)的實驗室中分析一塊來自西伯利亞雅庫夏(Yakutia)的礦石，發現其中含有高濃度的石榴子石，由於石榴子石是鑽石的指標礦石，因此她馬上通知在雅庫夏的同事，並加入在雅庫夏的探勘隊到發掘礦石的地方尋找，結果雖然找到鑽石礦，但是蘊藏量卻太少而只能放棄大規模開採。雖然沒有經濟價值的鑽石礦在此次探勘行動被發現，但是卻確立了西伯利亞存在鑽石礦的推論。

不久之後，在1955年，另一位年輕的地質學家，Yuri Khabardin，便在另一次的野外勘察中，發現了驚人的鑽石礦藏。當時這位年輕地質學家與同事們沿著西伯利亞畢雅(Vilyul)河岸，找尋石榴子石的蹤跡，找到一個鑽到地下的狐狸洞，他分析洞裏取得的土壤，發現其中夾雜大量的鑽石。於是他很高興的按照先前約定的發現鑽石礦的密語，用無線電傳回給他的上司”我現在正在抽和平的煙管(pipe of peace)”，這個礦自此以後就用這句密語命名，叫作Mirny(或簡寫作Mir,俄語意思為和平之意)。

圖四、 位於西伯利亞的Mir鑽石礦

一開始蘇聯將這個礦出產的鑽石全部充作工業原料之用，但是隨著開礦規模逐漸增加，蘇聯發現了為數可觀的寶石級鑽石，因此西伯利亞的鑽石礦在1960年代後，成為賺取西方鈔票的主要出口物資之ㄧ。諷刺的是，這些鑽石多數是賣給De Beers。對De Beers而言，西伯利亞鑽石一直是該公司一直無法理解的謎團，因為根據De Beers的公司一世紀下來的經驗估計，一般慶柏利岩鑽石礦，會在在開礦後數年達到生產高峰，然後維持幾年後產量快速下降。但是西伯利亞鑽石礦似乎打破這個規律，產量在整個1960年代間一直維持在高峰。由於蘇聯大量售賣這些高品質鑽石到市場上，造成De Beers只能應生生將這些鑽石買下，以免破壞鑽石在市場上的價值，也因此造成該公司財務上的損失。

當然，到了今天，我們已能在實驗室中合成人造鑽石，所以鑽石在也不是一種稀有品(但是諸如De Beers這些珠寶公司還是會致力於告訴消費者”天然的尚好”，以便炒作價值)。實驗室中合成的技術是在1953年以後被發現，並開始工業生產。現在工業上的研磨材料大多來自合成鑽石，雖然合成鑽石以現有的技術不能長很大(2000年中研院在美國的毛河光院士曾經聲稱在實驗室中合成10克拉鑽石而轟動世界並申請專利，但自此以後卻無聲無息，也是地質界的一大謎團。)，但是合成鑽石要比天然鑽石純度高。所以以後小姐們不要以為戴個很大克拉的鑽戒就是貴婦，因為可能是費雪同行們合成的喔，價錢嗎，可能就~~~~~

 圖五、跟天然鑽石分不出來的合成鑽石

地質粉彩系列:來自礦石原料的粉底彩妝

由於接連許多期末報告以及投稿文章修改的緣故，使得部落格又荒廢了一小陣子。趕快上來補一補。上次費雪說到彩妝，今天就接著下來講粉底好了。粉底(Foundation)，顧名思義是妝容的基礎，最常見的是粉狀質地的粉底，因為塗在臉上顯得輕柔自然，是女士日常化妝的最佳選擇。一般有粉底液、粉餅裝與散粉裝三種。進行化妝時，女士們通常要先在臉上打一層粉底，因此粉底可以說是女人妝容的基礎。上次說到近代化妝的習慣風俗，是來自英國維多利亞時代。但是現代的粉底產品的濫觴，是來自於德國萊比錫劇院的卡爾.鮑定(Carl Baudin)，為了遮住演員假髮與前額之間的接合處，因此研發了由赭石、氧化鋅、豬油所組成的近似膚色的貼合劑，塗在上述的部位。這個貼合劑在演員間受到大力歡迎，因此鮑定就開始商業生產這種早期的粉底出售。這種油膩的配方成為劇院演員的標準配備，一直到1914年，蜜斯佛陀(Max Factor)研發出以海棉沾黏撲在臉上的粉餅(Pan-cake)產品為止。

當然，粉底不管經過多少時間的演進，他的組成不外乎幾個部分:基底、顏料、添加物(含香料與其他)。基底是用以沾黏在皮膚上的基質與介面物質，可以是油蠟性、水性、粉末與矽膠性物質所組成。油性的基底，早期如鮑定所用的是動物性油脂，但是部分動物性油脂會有味道，因此後期大多數用的是來自石油提煉裂解，無色無味的礦物油或凡士林做為取代品。(所以彩妝產品的價格，也因此與石油開採及提煉息息相關，甚至隨著油價的波動而變化!所以女士們在使用油性產品化妝時，不妨想想自己是將數千萬年以前的微生物，經過地體埋藏成油作用的中間產品，提煉後塗抹在臉上~~~哈哈~)。

而粉狀的基底，則多半是以滑石(Talc)粉所組成，由於質輕、又易攜帶。加上塗布遮瑕的效果良好，不會有像油性產品造成太多不自然的反光。因此在蜜斯佛陀研發出來後，到了1940年代，已成為女性彩妝的主流產品。滑石是一種天然礦物，是層狀含水鎂矽酸鹽類礦物的一種，無色至淡綠色，半透明，有珍珠光澤。由於質軟光滑，具有很強的滑膩感，故稱為滑石。多發生在火成岩和低級變質的岩石中，如橄欖石、輝石、和角閃石等變化而來，常與白雲石、綠泥石、蛇紋石等礦物共生。台灣也產滑石，多產在蛇紋岩上盤或底盤，花蓮豐田一帶滑石常在黑色片岩中產出，所以有興趣的人或許可以研發本土的天然彩妝原料喔。

 

圖一、滑石

至於粉底的顏色，則來自於顏料色素的調配。有些標榜天然的無機顏料來源的，則來自像是赭石(Ochre)一類的礦物。赭石主要組成是赤鐵礦(Hematite) ，一般呈腎狀、葡萄狀、豆狀、魚子狀、土狀等集合體。結晶者呈鐵黑色或鋼灰色；土狀或粉末狀者，呈鮮紅色。但條痕(礦物粉末)都呈櫻桃紅色。赭石可以入藥，是一種中藥材，但根據研究有些天然的赭石中含砷量頗高，因此不宜大量食用。赭石的粉末因為呈現櫻桃紅色，因此往往被拿來作為天然紅色顏料使用。另外如青金石(Lapis lazuli)，是一種不透明或半透明的藍色、藍紫色或藍綠色的半寶石。青金石屬架狀結構矽酸鹽中的方鈉石族礦物，主要產於阿富汗等地。青金石末呈海青藍(Ultramarine blue)，為一種昂貴的天然礦石材料。另外像是石綠，來自於前一篇所述的孔雀石，也是構成天然的礦物顏料之一種組成。

 

圖二、赭石

 

 

圖三、青金石

至於粉底中的添加物可就多了。有時粉狀粉底會加入高嶺土(Kaolinite，一種黏土礦物)和二氧化鈦：使粉底具有較強遮蓋力，並且可以消除滑石粉的閃光。有時還會加入來自碳酸岩的方解石(碳酸鈣)和白雲石(碳酸鎂)等礦物：可吸收皮膚表面的汗液和油脂，也有消除滑石粉閃光的作用，這類產品是屬於吸油性的粉底。當然，為了讓上述不同成分溶解在一起，在製作時還會加入石油提煉的石蠟或礦物油些許，以溶製成塊狀。粉底中添加氧化鋅(ZnO)，可反射陽光中的紫外線（UVR），阻隔肌膚吸收，作為防曬劑。天然的氧化鋅礦物稱為紅鋅礦，主要產在美國紐澤西州Flanklin地區之接觸變質的鋅礦床中，其它地區的產量很少。也因此主要粉底中添加的氧化鋅是來自於其他含鋅礦物，例如閃鋅礦(ZnS，Sphalerite)，經由化學提煉再製合成，閃鋅礦常與方鉛礦(Galena)密切共生在熱液礦床中，台灣北部金瓜石與武丹坑金礦床中常發現閃鋅礦與方鉛礦共生。另外有時也會於粉底中添加二氧化鈦(TiO2)，天然的二氧化鈦礦物稱之為金紅石(Rutile)，是一種高溫生成的礦物，常見於含普通角閃石的火成岩中，如花崗岩或偉晶岩。有時也會出現在片岩或片麻岩中，由於二氧化鈦對於紫外線吸收力強，因此添加了二氧化鈦礦物使得礦物彩妝具備了天然防曬功用，不同牌子的隔離係數從15至25不等。有些礦物彩妝中時常可見的氯氧化鉍，自然界中幾乎很難找到，多半以人工合成，它是一種具亮粉光澤的珠光粉體，是提煉銅和鉛的副產物，與天然礦物雲母(mica)一樣，加入到粉底中兩者同樣都可以可以增加亮彩效果。

 

圖四、金紅石

雖然礦物彩妝強調加入的是天然礦物，然而礦物添加物有時也會有不良的副作用。例如雲母(mica)會造成撕裂傷與敏感皮膚發癢，滑石也是一種過敏與致癌物質。氯氧化鉍則會引起皮膚敏感發癢，致生粉刺和皮疹，並堵塞毛孔。因此，女士們還是應該根據自身的皮膚體質，選擇適當的粉底產品使用，最好對於新的產品，應該事先少量或局部先試用一陣子，確定皮膚不會敏感之後使用才是正確的做法。