藏在巖石里面的水

王殿華

茫茫宇宙中，地球之所以能呈現(xiàn)出氣象萬千、生機(jī)勃勃的景象，主要是因?yàn)榈厍蛏蠐碛行螒B(tài)各異的水。水不但是構(gòu)成生命體本身最主要的物質(zhì)，更為生命體的生存和活動提供了一個(gè)適宜的自然環(huán)境。

地球上的水有哪些

地球上的水包括：存在于大氣中的水汽和水滴：存在于海洋、湖泊、水庫、河流、土壤、含水層和生物體中的液態(tài)水；存在于冰川、積雪和永久凍土中的固態(tài)水；存在于巖石中的結(jié)晶水(結(jié)構(gòu)水)。其中人類大量直接利用的水主要是大氣降水，江河、湖泊、水庫、土壤和含水層的淡水(含鹽量<0.1％)。冰川和積雪只有在融化為液態(tài)水后，才容易被利用。海水和其他咸水被直接利用的數(shù)量很小。兩極冰蓋和永久凍土中的水被直接利用的機(jī)會更少。

除了上面這些我們所熟知的形態(tài)外，地球巖石的空隙中也存在著各種形式的水。按其物理性質(zhì)可分為氣態(tài)水、吸著水、薄膜水、毛細(xì)水、重力水和固態(tài)水。此外，礦物晶體內(nèi)部及其間還存在有沸石水、結(jié)晶水與結(jié)構(gòu)水。這一類水到現(xiàn)在為止還很難被利用，因?yàn)樗鼈儽簧钌铈i在巖石礦物的晶體結(jié)構(gòu)中。

目前，人們對結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水的認(rèn)識還非常有限。其實(shí)，地球上的水最初就是作為結(jié)合水被禁錮于各種化合物中的，是在地球圈層分異過程中才被分離出來的。地表水最初在巖漿活動中從地球內(nèi)部逸出。并形成地表和大氣圈中強(qiáng)酸性的原始水(原生水)。從原生水到今天的自然水體，在水量和水質(zhì)方面都經(jīng)歷了漫長的演變過程。35億年前，地球表層的水量只有現(xiàn)在的1／10。在幾十億年的地質(zhì)過程中，水不斷從地球內(nèi)部逸出來，使地表水量不斷增加，終于使地球成為一一顆絕大部分為藍(lán)色海洋覆蓋的“水球”。如今，在地球巖石圈中仍存在著大量的水，這些水仍在不斷向外逸出。當(dāng)然，也有部分水逸出到宇宙空間。

巖石中的水

地球巖石主要是由各種礦物組成的，有些礦物中就含有水，礦物的性質(zhì)與其含水量之間存在著密切的關(guān)系。根據(jù)礦物中水的存在形式以及它們在晶體結(jié)構(gòu)中的作用，可以把礦物水分為兩類：一類是與礦物晶體結(jié)構(gòu)無關(guān)的，統(tǒng)稱為吸附水；另一類是參加品格或與礦物晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的，稱為結(jié)晶水、沸石水、層間水和結(jié)構(gòu)水。其中，吸附水是滲入在礦物集合體中，為礦物顆粒或裂隙表面機(jī)械吸附的中性水分子。吸附水不屬于礦物的化學(xué)成分，不寫入化學(xué)式。它們在礦物中的含量不定，隨周圍溫度和濕度變化而有所不同。當(dāng)溫度達(dá)到100～110℃時(shí)，吸附水會全部從礦物中逸出而不破壞晶格結(jié)構(gòu)。例如：黏士礦物之一的膠嶺石是具有層狀格架的礦物，水分可以進(jìn)入層間，使層狀格架間距加大；層狀格架又可以排出水分，使格架間距縮小，因此膠嶺石具有吸水后體積膨脹的特性。膠嶺石中的水就是層間水。

與層間水不同，結(jié)晶水往往以中性分子形式存在于礦物中，在晶格中具有固定的位置，起著構(gòu)造單位的作用，它是礦物化學(xué)組成的一部分。水分子的數(shù)量與礦物的其他成分之間常成簡單比例。不同的礦物中，結(jié)晶水與晶格聯(lián)系的牢固程度是不同的，因此其逸出溫度也有所不同。當(dāng)晶體失去結(jié)晶水時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)遭到破壞，晶體可以通過重建形成新的結(jié)構(gòu)。例如：藍(lán)礬是由硫酸銅結(jié)合一定量的水所形成的晶體，化學(xué)式為cuso₄·5H₂o，學(xué)名五水硫酸銅。藍(lán)礬受熱會變成白色粉末，即不含水的硫酸銅。

結(jié)構(gòu)水又稱化合水，是以離子形式參加礦物晶格的“水”，在晶格中占有固定的位置，在組成上具有確定的含量比。由于與其他質(zhì)點(diǎn)有較強(qiáng)的鍵力聯(lián)系，需要較高的溫度(大約600～1000℃)才能逸出。當(dāng)其逸出后，礦物晶格結(jié)構(gòu)被完全破壞，晶體結(jié)構(gòu)會重新改組。

在地殼深處的巖漿和巖石中，一直存在大量H₂o、co₂、F、cl、B等易揮發(fā)成分。這些揮發(fā)成分廣泛充填于礦物粒間的孔隙、裂隙中，它們是成礦作用中物質(zhì)帶入或帶出不可缺少的介質(zhì)。有一些水也會參加變質(zhì)反應(yīng)，形成含水礦物。綠松石就是這樣一種含水的磷酸鹽，含水量為19.47％。人們熟知的明礬、生石膏、孔雀石也都是含水礦物。

為何關(guān)注巖石中的水

認(rèn)識巖石中含水量及其變化在科學(xué)研究和實(shí)際生活中具有重大意義。科學(xué)家通過一系列實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)，即在高溫高壓下對超高壓巖石進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超高壓巖榴輝巖綠輝石和石榴石晶格缺陷中存在著大量的結(jié)構(gòu)水。這些結(jié)構(gòu)水在一定的溫壓條件下可以產(chǎn)生動力學(xué)不穩(wěn)定性而在礦物顆粒邊界析出并形成微量熔體，從而導(dǎo)致巖石有效壓應(yīng)力的下降并誘發(fā)高壓條件下巖石的脆性破裂，這為認(rèn)識固體地球400～700千米的深源地震機(jī)制提供了新的啟示。

又比如，一些含水的寶石發(fā)生脫水作用時(shí)會出現(xiàn)顏色上的變化。這是因?yàn)橛行毷胁粌H存在吸附水，而且含有結(jié)構(gòu)水。在對寶石進(jìn)行熱處理優(yōu)化過程中，若處理溫度未達(dá)到破壞結(jié)構(gòu)水的程度，則能完成寶石的改色任務(wù)；若加熱溫度過高，會將結(jié)構(gòu)水從寶石內(nèi)部驅(qū)趕出來，使寶石發(fā)生脫水作用，從而破壞寶石的結(jié)構(gòu)。有些寶石還會因此發(fā)生變色，但這種變色往往不是人們所希望的。如將漂亮的歐泊加熱到300℃左右，寶石就會失水，導(dǎo)致其變彩效應(yīng)被破壞。粉紅色玉髓變?yōu)槌取⒓t或褐色，虎睛石加熱產(chǎn)生的深褐至紅褐色均與脫水作用有關(guān)。所以，在采用熱處理優(yōu)化珠寶玉石顏色時(shí)必須掌握好加熱溫度。

水還是引起岫玉顏色鮮艷和透明度變化的重要因素，失水會使岫玉顏色變淺，透明度變差。玉石收藏者常有這樣的發(fā)現(xiàn)，從市場上買回的岫玉雕件在家擺了幾天后，顏色明顯變淺了，透明度也變差了，玉石中間的雜質(zhì)反而由模糊變清晰了。人們稱此現(xiàn)象為“跑色”。顯然，這種跑色現(xiàn)象降低了岫玉的品質(zhì)。經(jīng)初步研究，跑色現(xiàn)象是由于岫玉失水所致。岫玉是由蛇紋石組成的。蛇紋石是一種含水的層狀硅酸鹽礦物。在常溫下。岫玉可脫失吸附水和部分層間水。懂行的商家在出售岫玉前，往往會將容易跑色的岫玉放于水中一段時(shí)間，然后才拿出來出售。由于此時(shí)的岫玉吸足了水，顏色和透明度均好，能賣個(gè)不錯(cuò)的價(jià)錢。然而當(dāng)買家拿回家后不久，岫玉因脫水，其顏色和透明度會再度變差。

隨著人類對地外星球探索活動的增加，能到地外星球上生活也成了人類的夢想。到外星生活的首要條件是必須要有能夠利用的游離態(tài)的水。但到目前為止，天文學(xué)家尚未發(fā)現(xiàn)月球或火星上存在有游離水的確切證據(jù)。曾有天文學(xué)家和天文愛好者聲稱他們多次發(fā)現(xiàn)月球上有云、霧和水氣團(tuán)存在，并認(rèn)為這些水氣團(tuán)可能來自月球的內(nèi)部。科學(xué)家們設(shè)想，即便在月球或火星上找不到游離狀態(tài)的水，如果能證明月球或火星巖石中存在結(jié)晶水或結(jié)構(gòu)水并想辦法將其“擠”、“壓”或“榨取”出來，人類有朝一日仍有可能實(shí)現(xiàn)落戶月球或火星的夢想。

責(zé)任編輯趙菲