神奇而美麗的礦物

呂林素 卞躍躍 陳春琳

冰是固態(tài)的水，它怎么會是礦物呢？

它又會展現(xiàn)怎樣的神奇和美麗？

讓我們一起重新認識這個既熟悉又陌生的物質(zhì)吧！

雪花——冰的骸晶，由片狀六角形冰晶構成

冰：一種美麗的礦物標本

冬季，冰由大氣中的水蒸氣凝結(jié)成雪花、霜、冰雹，甚至是一定高度的永久積雪。在廣袤的高緯度或高海拔地區(qū)，冰是池塘、湖泊、河流的覆蓋層。特別是在南北兩極和珠穆朗瑪峰上，冰存在于冰川、永久凍結(jié)帶（永久冰凍的下層土壤）和冰山中，部分形成冰蓋（覆蓋5萬平方千米以上陸地的連續(xù)冰川冰）下的永久冰。當冰川到達海洋時，由洋流帶入低緯度地區(qū)，形成冰山。這些是自然冰的各種存在形式。

其實，只要仔細觀察就不難發(fā)現(xiàn)，冰完全符合礦物的定義。礦物是指由地質(zhì)作用所形成的結(jié)晶態(tài)的天然單質(zhì)或化合物。常見的礦物有金剛石（C）、自然金（Au）、石英（SiO2）和石鹽（NaCl，天然形成的石頭狀的鹽）等。而冰是由水凝結(jié)而成的固體，它也具備礦物的五大要素：

1天然產(chǎn)出，且是無機反應（只有無機物參加的反應）過程形成的產(chǎn)物。

2具有一定的化學成分，是由氫、氧兩種元素組成的無機物（含碳以外的各種元素的化合物），其化學式為H2O。

3具有一定的內(nèi)部結(jié)構，通常為六方晶系（水分子呈六角形規(guī)則排列的結(jié)構），有時為等軸晶系（又稱立方晶系，水分子按照立方體的晶體結(jié)構排列），并具有相應的晶體形態(tài)。

4具有一定的物理、化學性質(zhì)，即有助于識別的特征——通常呈無色或白色，有時呈淡藍色；有玻璃光澤，透明至半透明；硬度可變，常為1.5；具完全解理（礦物受打擊后會沿一定方向裂開的特性），既堅硬又脆性；密度可變，常為0.92克/立方厘米。

5在一定的物理、化學條件下穩(wěn)定，并且只有天然冰能在自然條件下存在，其他都是高壓冰，在自然界難以穩(wěn)定存在。南極冰蓋具有超強的穩(wěn)定性，迄今為止已穩(wěn)定存在了1400萬年之久。

當然，冰的“前身”——水，因無晶體形態(tài)，不屬于礦物。另外，與合成寶石（自然界有該寶石的對應物，例如合成紅寶石）或人造寶石（自然界無該寶石的對應物，例如人造硼鋁酸鍶“夜明珠”）一樣，合成冰或自制冰也不屬于礦物。因此，只有自然冰才屬于礦物，它是由水分子有序排列形成的結(jié)晶體，屬于氧化物類礦物。并且它也具有晶體的對稱性，更是一種美麗的礦物標本。

有趣的是，當室外溫度降到0攝氏度以下時，可以觀察到冰晶在淺水表面是如何形成的，這是一個難得的觀察礦物結(jié)晶過程的機會！

“五顏六色”的冰？！

在我們的印象中，冰要么像水晶一樣透明，要么像雪花一樣潔白。其實，冰還會像海藍寶石一樣，呈現(xiàn)出淡淡的藍色或綠藍色，給人夢幻之感。

白色 自然界中，無論是屋檐下、樹梢上、枯草尖的冰掛或冰凌，還是霜凍、冰雹、霧凇等奇觀都是白色的。此外，地球南北兩極罕見的鐘乳狀海底冰柱也是白色的。這是因為這些冰體的體積太小，不足以產(chǎn)生足夠的壓力來排出其內(nèi)部的氣泡，而這些氣泡對光散射和反射產(chǎn)生的光是雜亂無章的，最后混合成了白光。也就是說，當冰中含有氣體包裹體時呈白色。

藍色 極地冰川或冰蓋中的冰會呈藍色。這是由于深厚的冰川或冰蓋體積巨大，其產(chǎn)生的壓力足以擠壓出內(nèi)部的氣泡。而純凈的冰體可以讓大多數(shù)白光直接透過。不過，冰體中的水分子還會吸收可見光譜中的一部分光，并且水分子對紅光的吸收強度要遠遠大于藍光。冰體因吸收了光譜中其他顏色的光而只反射藍色，最終讓人眼觀察到的冰呈藍色。這也是大海、瀉（xiè）湖、咸水湖呈藍色的主要原因。

?冰蓋是積雪逐漸堆積、壓實并重結(jié)晶而成

值得一提的是，近年來一種來自阿富汗、莫桑比克、尼日利亞、納米比亞等國的藍綠色碧璽，美得不可方物，令人一眼萬年，被稱為Lagoon碧璽，驚艷了整個珠寶界。Lagoon是瀉湖的英文，是指在大海的邊緣、海岸與濱岸之間，形成的由水道與外海相通的淺水湖。Lagoon碧璽既有湖水的濃郁綠色，又有海水的深邃藍色，從而融合成獨特迷人的湖水藍色。

?光在水中的穿透距離示意圖。深度大于10米的水體，能穿透并反射回來的大部分是藍光，這成就了大海、瀉湖、咸水湖和冰川的顏色（繪圖/張玲）

60攝氏度的冰？！

常壓下，冰的熔點為0攝氏度，沸點為100攝氏度。但其實冰的熔點與壓強之間存在著某些奇妙的關系，即隨著壓力的增加，冰的熔點先降低而后又升高，其分水嶺是2200大氣壓；當壓力升至6380大氣壓時，冰的熔點又升到0攝氏度；若壓力升至1.65萬大氣壓時，冰的熔點可高達60攝氏度，且隨著壓力的持續(xù)增加，其熔點會更高，可謂名副其實的“熱冰”。除了在高壓下形成的“熱冰”之外，重水（D2O）在3.8攝氏度時結(jié)冰，會成為另一種形式的“熱冰”。

?阿富汗Lagoon碧璽裸石和鑲嵌飾品（供圖/伊諾·安冬）

冰像巖石一樣，也有火成冰、沉積冰和變質(zhì)冰之分。火成冰是由液態(tài)水結(jié)晶而成的，沉積冰是以雪的形式落下而成的，而變質(zhì)冰則是冰川受高壓作用產(chǎn)生形變或重結(jié)晶而成的。

?六方相冰Ih的晶體結(jié)構，每一層中黃色的為氧（O），灰綠色為氫（H）（繪圖/黃金）

?六方相冰Ih的晶體形態(tài)（繪圖/黃金）

?立方相冰Ic的晶體形態(tài)（繪圖/黃金）

千姿百態(tài)的冰

截至目前，科學家一共發(fā)現(xiàn)了19種形態(tài)的冰。

我們最為熟悉的六瓣雪花，又稱六方相冰Ih，一般是在1個標準大氣壓下，水溫降到0攝氏度以下時凝結(jié)而成的。之所以雪花大多是六角形的，也是因為空氣中的水分子形成冰Ih而成的。

如圖所示，六方相冰Ih冰晶結(jié)構中的水分子間，主要靠氫鍵連接在一起，形成了非常“開闊”的剛性晶體結(jié)構，其中氧原子呈六邊形排列，但氫原子并沒有一個固定的排序，而是在其周圍隨機排列。

自然界中還有一種立方相冰Ic，它具有亞穩(wěn)定的面心立方結(jié)構，在自然界中難以保存，可謂曇花一現(xiàn)。冰Ic的形成條件相對苛刻，在零下38攝氏度時由純水滴均勻結(jié)晶形成，或在約零下196攝氏度時，由高密度冰通過減壓的方法相變而來。也就是說，如果給冰加壓，就會讓它產(chǎn)生變形，進而產(chǎn)生不同形態(tài)的冰。據(jù)此，科學家又成功制造出了冰Ⅱ——氧原子呈立方體排列的冰。之后，科學家相繼制造出了冰Ⅲ、冰Ⅳ……因此，擁有多態(tài)性是冰的最重要特征之一，即在不同壓力和溫度環(huán)境下形成不同的形態(tài)，礦物學上稱之為“同質(zhì)多象變體”。

冰之所以美麗多姿，既是高緯度、高海拔地區(qū)天氣的杰作，又是數(shù)十萬年地質(zhì)作用的結(jié)果。今天，冰雪或冰川之于人類，不僅是地球環(huán)境的見證者，也是重要的淡水資源。全球變暖、冰川消融，將給地球帶來巨大的危害。保護冰川、保護環(huán)境，保護這一地表最豐富的礦物，就是保護我們的生命之水。

（責任編輯 / 高琳 美術編輯 / 周游）