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、生機勃勃的景象，主要是因為地球上擁有形態(tài)各異的水。水不但是構成生命體本身最主要的物質，更為生命體的生存和活動提供了一個適宜的自然環(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；存在于巖石中的結晶水(結構水)。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。按其物理性質可分為氣態(tài)水、吸著水、薄膜水、毛細水、重力水和固態(tài)水。此外，礦物晶體內部及其間還存在有沸石水、結晶水與結構水。這一類水到現(xiàn)在為止還很難被利用，因為它們被深深鎖在巖石礦物的晶體結構中。

目前，人們對結晶水和結構水的認識還非常有限。其實，地球上的水最初就是作為結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部逸出。并形成地表和大氣圈中強酸性的原始水(原生水)。從原生水到今天的自然水體，在水量和水質方面都經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。在幾十億年的地質過程中，水不斷從地球內部逸出來，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，礦物的性質與其含水量之間存在著密切的關系。根據(jù)礦物中水的存在形式以及它們在晶體結構中的作用，可以把礦物水分為兩類：一類是與礦物晶體結構無關的，統(tǒng)稱為吸附水；另一類是參加品格或與礦物晶體結構密切相關的，稱為結晶水、沸石水、層間水和結構水。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械吸附的中性水分子。吸附水不屬于礦物的化學成分，不寫入化學式。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。當溫度達到100～110℃時，吸附水會全部從礦物中逸出而不破壞晶格結構。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，起著構造單位的作用，它是礦物化學組成的一部分。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。當晶體失去結晶水時，晶體結構遭到破壞，晶體可以通過重建形成新的結構。例如：藍礬是由硫酸銅結合一定量的水所形成的晶體，化學式為cuso₄·5H₂o，學名五水硫酸銅。藍礬受熱會變成白色粉末，即不含水的硫酸銅。

結構水又稱化合水，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。由于與其他質點有較強的鍵力聯(lián)系，需要較高的溫度(大約600～1000℃)才能逸出。當其逸出后，礦物晶格結構被完全破壞，晶體結構會重新改組。

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帶入或帶出不可缺少的介質。有一些水也會參加變質反應，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。

為何關注巖石中的水

認識巖石中含水量及其變化在科學研究和實際生活中具有重大意義。科學家通過一系列實驗巖石學，即在高溫高壓下對超高壓巖石進行研究實驗發(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構水。這些結構水在一定的溫壓條件下可以產生動力學不穩(wěn)定性而在礦物顆粒邊界析出并形成微量熔體，從而導致巖石有效壓應力的下降并誘發(fā)高壓條件下巖石的脆性破裂，這為認識固體地球400～700千米的深源地震機制提供了新的啟示。

又比如，一些含水的寶石發(fā)生脫水作用時會出現(xiàn)顏色上的變化。這是因為有些寶石中不僅存在吸附水，而且含有結構水。在對寶石進行熱處理優(yōu)化過程中，若處理溫度未達到破壞結構水的程度，則能完成寶石的改色任務；若加熱溫度過高，會將結構水從寶石內部驅趕出來，使寶石發(fā)生脫水作用，從而破壞寶石的結構。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，導致其變彩效應被破壞。粉紅色玉髓變?yōu)槌取⒓t或褐色，虎睛石加熱產生的深褐至紅褐色均與脫水作用有關。所以，在采用熱處理優(yōu)化珠寶玉石顏色時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。經初步研究，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間，然后才拿出來出售。由于此時的岫玉吸足了水，顏色和透明度均好，能賣個不錯的價錢。然而當買家拿回家后不久，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、霧和水氣團存在，并認為這些水氣團可能來自月球的內部?？茖W家們設想，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晶水或結構水并想辦法將其“擠”、“壓”或“榨取”出來，人類有朝一日仍有可能實現(xiàn)落戶月球或火星的夢想。

責任編輯趙菲