石頭cosplay大師

水泥大家都不陌生，但是若是出現(xiàn)在建筑物之外的場(chǎng)合，就變得很有迷惑性。這東西出自人工，卻渾然天成，凝固了像灰?guī)r，混了沙子像砂巖，混了石子像礫巖，更別說(shuō)有的專(zhuān)為了仿石景觀而砌的水泥，表面再增加一些青苔和風(fēng)化，更是叫辨認(rèn)石頭的地質(zhì)初學(xué)者叫苦不迭，一通判別分析下來(lái)，卻被告知是水泥，別提有多尷尬了。

你看得出這是水泥嗎?

神奇轉(zhuǎn)化

為什么水泥這么像石頭，歸根結(jié)底因?yàn)闊o(wú)論是從成分和形成原理，水泥和天然巖石都有著諸多的相似之處，這才使得它們的質(zhì)感如此接近?，F(xiàn)代最主要的水泥，波特蘭水泥（之后均簡(jiǎn)稱(chēng)水泥）的主要原料來(lái)源是自然界再常見(jiàn)不過(guò)的石灰?guī)r和粘土，石灰?guī)r提供鈣質(zhì)，粘土提供硅質(zhì)，將兩者在高溫窯爐中混合煅燒，便會(huì)形成以硅酸三鈣（3CaO·SiO2)，硅酸二鈣（2CaO·SiO2)為主的灰色固體熟料，粉碎后便得到了我們所常見(jiàn)的水泥灰。

生成硅酸三鈣的反應(yīng)

水泥生產(chǎn)流程

但是這只是魔法的開(kāi)始，接下來(lái)水泥的凝固才是最神奇的地方。一旦將水泥灰和水進(jìn)行混合，水泥中的組分就會(huì)開(kāi)始吸水水化，形成水合硅酸鈣膠體和氫氧化鈣，這些新形成的礦物晶體向著四周延伸生長(zhǎng)，如同橋梁一般將水泥粉末粘接成一整個(gè)固體，這就是水泥的凝固。

水泥的水化反應(yīng)

水化形成的針狀晶體粘接在一起

變質(zhì)作用

有著如此神奇轉(zhuǎn)變的水泥，原料和制作過(guò)程卻如此樸素，那么不禁令人思考，石灰?guī)r是自然中常見(jiàn)的石頭，如同粘土一樣能提供硅質(zhì)的巖石也十分常見(jiàn)，而煅燒的過(guò)程又如此類(lèi)似地質(zhì)中高溫變質(zhì)過(guò)程，那么為什么沒(méi)有地質(zhì)活動(dòng)在機(jī)緣巧合下使這兩種石頭接觸并高溫變質(zhì)形成水泥呢，誕生出天然的“水泥礦”呢？

實(shí)際上，硅酸鹽巖石和石灰?guī)r接觸并發(fā)生變質(zhì)作用是很常見(jiàn)的，最常見(jiàn)的情況是巖漿熱液入侵碳酸鹽巖層，在接觸的地方鈣質(zhì)和硅質(zhì)彼此溶解反應(yīng)，形成矽卡巖，其中會(huì)形成包含石榴石、輝石、硅灰石等一系列含鈣硅酸鹽礦物，同時(shí)巖漿熱液中溶解的金屬離子也會(huì)析出，形成許多銅、鐵、鉛、鎢等金屬礦床，但是這其中卻唯獨(dú)沒(méi)有水泥。因?yàn)樗嗟某霈F(xiàn)不單是接觸并變質(zhì)，需要在溫度、原料、時(shí)間三方面同時(shí)達(dá)到要求，而自然過(guò)程卻無(wú)法同時(shí)做到。

矽卡巖的產(chǎn)生

高溫大比拼

首先需要的條件就是高溫，似乎巖漿是高溫的代名詞，但是人類(lèi)所能達(dá)到的溫度其實(shí)遠(yuǎn)超如此，為了原料能夠充分反應(yīng)生成水泥，制造水泥需要的溫度至少要1400℃，這是，但是此時(shí)的水泥也只是少部分組分熔融軟化。而常見(jiàn)的噴出熔巖的溫度也只有700-1200℃，為何同為硅酸鹽，水泥的熔點(diǎn)竟比常見(jiàn)巖漿還要高。

硅酸鹽巖漿的熔點(diǎn)受其中的金屬離子的種類(lèi)和比例影響很大，鈉鉀多則熔點(diǎn)低，鎂鐵鈣質(zhì)多則是熔點(diǎn)高。巖漿在逐漸上涌時(shí)，溫度壓力降低，礦物按熔點(diǎn)由高到低依次析出，因而當(dāng)巖漿到達(dá)地表時(shí)，往往只剩下熔點(diǎn)不高的礦物和較低的溫度，達(dá)不到形成水泥的要求。地表是不行了，如果要達(dá)到水泥所需的溫度，就要往地球更深處走，至少要達(dá)到地幔才行。

地球溫度隨深度變化圖

超級(jí)鈣含量

現(xiàn)在我們找到了溫度滿足的地方，是不是就能發(fā)生水泥生產(chǎn)的反應(yīng)了嗎，但很可惜，原料又限制了反應(yīng)的發(fā)生。含有硅質(zhì)的巖石無(wú)論在地殼還是地幔都十分常見(jiàn)，但石灰?guī)r屬于沉積巖，來(lái)源于淺?；蛘吆吹纳锿鈿こ练e或者鈣質(zhì)的飽和析出，只能形成于地殼之中，不過(guò)好在板塊俯沖能夠?qū)⑵鋷氲蒯！５窃诘蒯５沫h(huán)境中要實(shí)現(xiàn)合適的原料配比仍然十分困難。水泥中的SiO2含量低于30%，而CaO含量高于60%，高鈣低硅，需要大量的CaO才能形成，但是在地幔的高壓之下，CaCO3很難快速分解，只能熔融形成碳酸巖巖漿。雖然仍有可能和周?chē)x子交換出CaO，但在以鎂鐵質(zhì)橄欖石為主的地幔環(huán)境中，也難以達(dá)到形成水泥所需的鈣比例，往往只能形成石榴石、輝石等其他含鈣礦物。

被板塊俯沖帶入地幔的碳酸鹽

成也時(shí)間，敗也時(shí)間

那么假如不考慮這些限制，也許在非常湊巧的情況下就是讓過(guò)量氧化鈣和硅質(zhì)達(dá)到了足夠的溫度，也許是某種高溫的巖漿房或是劇烈移動(dòng)的斷層生熱，那么有沒(méi)有可能生成天然水泥，那么答案也是否定的。漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)間能讓堅(jiān)硬的巖石如流體般變形，但是漫長(zhǎng)的時(shí)間也讓一切燥熱都逐漸趨于平靜。水泥中的硅酸三鈣是種熱力學(xué)不穩(wěn)定的物質(zhì)，它確實(shí)能在高溫下生成，但是一旦溫度下降，其便會(huì)有分解為硅酸二鈣和氧化鈣的趨勢(shì)。在水泥制造中，只有在形成硅酸三鈣后使其驟冷，在幾分鐘內(nèi)將溫度降到800攝氏度以下，將所有的離子都凍結(jié)在原地，才能阻止其分解。也正是因?yàn)楸粌鼋Y(jié)在晶格之中的不穩(wěn)定性，才使得其能夠如此急迫的與水反應(yīng)，放出大量的熱量，從而高效地完成轉(zhuǎn)變。

較低溫度下硅酸三鈣的分解

硅酸三鈣分解產(chǎn)生的硅酸二鈣，也是水泥中的一部分，其雖比不上硅酸三鈣的活性，但是也依舊能發(fā)生水合固化。硅酸二鈣存在天然的礦石Larnite，屬于鈣質(zhì)的橄欖石，但是卻是沒(méi)有水化活性的γ型，只有在高溫下形成并快速冷卻，才能防止有活性的β型硅酸二鈣轉(zhuǎn)化為γ型。因此無(wú)論是硅酸二鈣或者硅酸三鈣，即使在地質(zhì)活動(dòng)中形成，在地質(zhì)環(huán)境中的漫長(zhǎng)的冷卻過(guò)程中也將變得沒(méi)有活性，這才是最終沒(méi)有天然水泥的決定性因素。

天然的硅酸二鈣Larnite

地球雖然沒(méi)能誕生水泥礦，但是從另一個(gè)角度提供了接近的答案。作為來(lái)自地幔，高鎂鐵低硅的超基性巖——橄欖石，有著和水泥類(lèi)似的水化反應(yīng)，也就是蛇紋石化反應(yīng)。雖然橄欖石水化的過(guò)程同樣是因水中不穩(wěn)定而自發(fā)的，但是速率要慢的多，至少要以年記。

人類(lèi)世紀(jì)念碑

水泥生于高溫，又將高溫的能量固結(jié)于自身，等待著遇見(jiàn)水分后再一次綻放出晶花從而完成轉(zhuǎn)變。如果說(shuō)石灰?guī)r是地球水存在的證明，那么水泥就是人類(lèi)生活于地球的證明，若沒(méi)有石灰?guī)r，人類(lèi)難以獲得如此大量的石灰，若不是人，又無(wú)法制造出這種不穩(wěn)定的物質(zhì)，所以若是你再次被水泥所欺騙，也請(qǐng)不要小瞧它，作為人類(lèi)制造的物質(zhì)總量的第一名，這樣的石頭正在定義獨(dú)屬于我們的地層時(shí)代。

來(lái)源：石頭科普工作室

編輯：yhc

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