原创

杨帅斌

博物 链接

2022-04-26 11:06

我们生活的地球，常常被称为“水球”——江河湖海里有水，天上的云彩里有水，地下有水，植物动物的身体里有水......

我们人类的脑子里，也有水（开玩笑。

以上事物中有水都可以理解。

可是，万万没想到！干干巴巴麻麻赖赖的石头里，居然也有水！ 石头里的水是什么水，又是怎么进去的呢？今天让我们一起了解一下。

水水灵灵的蛋白石，里面确实有水分

水里有“矿”，矿里就有水

矿泉水大家都喝过吧？那是受污染较少的地下水，里边富含矿物质。

矿泉水是这样来的——水在地下岩石裂隙中呆久了，就会有一些矿物质溶解在水里，于是矿泉水就出现了，这很好理解。既然矿物质能溶在水里，那么水自然也能反过来“入侵”到矿物中，与矿物融合在一起。

矿物中的水，总共有三种形式。

当水通过大气降水、地表渗透进入地下后，未必能进入一个安宁的世界——如果岩层内缺少“隔水层”，地下水就会继续往下流，一直流到地层深处的岩浆那儿，化为高温蒸汽。

当岩浆向地表流动，缓慢远离地心并冷却凝固、形成矿物的时候，岩浆中的水也会成为矿物分子结构的一部分，被称为“结构水”。

有些矿物比如石膏、芒硝、胆矾，大多是从干旱的湖泊水体中析出结晶的，所以水也会混进矿物晶体中，成为“结晶水”。

还有一种情况，就是如果矿物的质地不够紧密，存在细小裂隙，就会有水分子挤进去，这就有了第三种——“吸附水”。

都是“水”，它们仨有啥区别呢？

吸附水，活泼不老实

蛋白石

细腻柔滑、色彩缤纷的蛋白石（又名欧泊），是一种价廉物美的宝石。虽然名叫“蛋白”，但其实它们并不是有机物，化学成分和石英一样是二氧化硅。

只不过蛋白石的晶体结构比较特殊，是颗粒极细的“凝胶体”，里面还含有3%~20%的水分。正是这些水分，让蛋白石美得这么与众不同。

蛋白石中的水以吸附水的形式存在

吸附水顾名思义，就是在矿物形成过程中，吸附在矿物颗粒表面或裂隙中的水，是矿物水里最“自由”的一种形式。吸附水里的水分子身份独立，不与矿物分子结合。

如果把含有吸附水的矿物加热到100℃，或者把它长期放在特别干燥的地方，水分子就会离开矿物，回到空气中。失水后的矿物长相会变丑，变得干干巴巴的。

失水后的蛋白石，在矿物学上就成了另一种矿物——燧石

在含水的岩层中，吸附水扮演着活跃的角色：一方面它们能微量溶解一些碳酸盐类的矿物，如果吸附水过多，就会使岩石的坚硬程度降低，变得结构疏松、容易破碎。

另一方面，矿物颗粒间的“空位”被水挤占，其他的液体、气体就很难再挤进去了。

欧泊化的动物化石

图片来自：australianopalcentre.com

我们平时养植物、养龟常用的垫料——蛭石，就是一种特别能吸水的黏土矿物。被吸进蛭石中的水，严格来说并不是吸附水，而是以一种名为“层间水”、介于结晶水与吸附水之间的特殊形态存在。

蛭石受热时，里面的层间水发生气化，把薄薄的层间缝隙撑大，然后蛭石就膨胀了。

蛭石酷似水蛭（蚂蟥），所以叫这个名字

摄影：唐志远

结晶水，别欺负老实人

中学化学课上介绍的胆矾——“五水硫酸铜”，原本是蓝莹莹的，加热变成“无水硫酸铜”后就是平淡无奇的白色粉末。

胆矾中的水，就是典型的结晶水。

左：五水硫酸铜    右：无水硫酸铜

结晶水是一个个完整的水分子，却基本丧失了独立地位，不能自由活动，经过加热才能获得足够的能量、从矿物中逃脱。

拿胆矾来说，常温下每个硫酸铜分子搭配五个结晶水分子，加热到30℃时就会失去两个结晶水分子，100℃时会失水变成“一水硫酸铜”，400℃时就成无水硫酸铜了。

石膏中的结晶水，则让石膏变得透亮。

半透明的生石膏晶体

天然条件下，大部分石膏以生石膏的形态存在，每个硫酸钙分子搭配两个水分子，晶体发育良好的话就是透明或半透明的。

如果受热失水，生石膏先是转变为含结晶水较少的熟石膏；最后完全失去结晶水，只剩下硫酸钙，变成硬石膏。

骨折了，打石膏

姑娘们平时经常佩戴的玉石、翡翠中，也含有一定量的结晶水。

不过珠宝界评判玉石、翡翠的品相时，常常说的“水头”如何如何，并不是指其中的水分多少，而是指它们的透明度，这主要取决于颗粒大小、杂质含量、颜色深浅等因素。

结构水，我大概是个“假水”

除了上面那些著名的含水矿物，蛇纹石、绿帘石、云母这些地层中的常见矿物，也是有水的。

只不过它们内部的水是“结构水”，就算加热也很难跑出来。

干干巴巴的绿帘石，里面就含有结构水

以结构水形式存在的水，已经不是真正的“水”了 ——完完整整的H2O水分子被拆散，分成了氢氧根离子（OH）—和氢离子H+，完全和矿物融为了一体。

结构水

想要恢复水的真身，除非把矿物加热到600℃~1000℃，生生破坏掉它们的晶体结构，才能把里面的水释放出来。在这个“简单粗暴”的过程中，矿物的分子结构也会发生改变，形成的新矿物跟原来不同。

对地质学家来说，结构水里包含着许多矿物形成时的信息。哪怕是同一地区、同一种类的矿物，其内部结构水的含量、存在方式可能也有所不同，说明它们分别形成于不同的地质过程中，从而可以推测这个地区当年有过哪些地质活动。

绿帘石

图片来自：Matteo Chinellato

今天的知识点讲完啦，下课！

撰文 | 杨帅斌

部分图片 | 图虫创意