为什么没有天然水泥矿

石头cosplay大师

水泥大家都不陌生，但是若是出现在建筑物之外的场合，就变得很有迷惑性。这东西出自人工，却浑然天成，凝固了像灰岩，混了沙子像砂岩，混了石子像砾岩，更别说有的专为了仿石景观而砌的水泥，表面再增加一些青苔和风化，更是叫辨认石头的地质初学者叫苦不迭，一通判别分析下来，却被告知是水泥，别提有多尴尬了。

你看得出这是水泥吗?

神奇转化

为什么水泥这么像石头，归根结底因为无论是从成分和形成原理，水泥和天然岩石都有着诸多的相似之处，这才使得它们的质感如此接近。现代最主要的水泥，波特兰水泥（之后均简称水泥）的主要原料来源是自然界再常见不过的石灰岩和粘土，石灰岩提供钙质，粘土提供硅质，将两者在高温窑炉中混合煅烧，便会形成以硅酸三钙（3CaO·SiO2)，硅酸二钙（2CaO·SiO2)为主的灰色固体熟料，粉碎后便得到了我们所常见的水泥灰。

生成硅酸三钙的反应

水泥生产流程

但是这只是魔法的开始，接下来水泥的凝固才是最神奇的地方。一旦将水泥灰和水进行混合，水泥中的组分就会开始吸水水化，形成水合硅酸钙胶体和氢氧化钙，这些新形成的矿物晶体向着四周延伸生长，如同桥梁一般将水泥粉末粘接成一整个固体，这就是水泥的凝固。

水泥的水化反应

水化形成的针状晶体粘接在一起

变质作用

有着如此神奇转变的水泥，原料和制作过程却如此朴素，那么不禁令人思考，石灰岩是自然中常见的石头，如同粘土一样能提供硅质的岩石也十分常见，而煅烧的过程又如此类似地质中高温变质过程，那么为什么没有地质活动在机缘巧合下使这两种石头接触并高温变质形成水泥呢，诞生出天然的“水泥矿”呢？

实际上，硅酸盐岩石和石灰岩接触并发生变质作用是很常见的，最常见的情况是岩浆热液入侵碳酸盐岩层，在接触的地方钙质和硅质彼此溶解反应，形成矽卡岩，其中会形成包含石榴石、辉石、硅灰石等一系列含钙硅酸盐矿物，同时岩浆热液中溶解的金属离子也会析出，形成许多铜、铁、铅、钨等金属矿床，但是这其中却唯独没有水泥。因为水泥的出现不单是接触并变质，需要在温度、原料、时间三方面同时达到要求，而自然过程却无法同时做到。

矽卡岩的产生

高温大比拼

首先需要的条件就是高温，似乎岩浆是高温的代名词，但是人类所能达到的温度其实远超如此，为了原料能够充分反应生成水泥，制造水泥需要的温度至少要1400℃，这是，但是此时的水泥也只是少部分组分熔融软化。而常见的喷出熔岩的温度也只有700-1200℃，为何同为硅酸盐，水泥的熔点竟比常见岩浆还要高。

硅酸盐岩浆的熔点受其中的金属离子的种类和比例影响很大，钠钾多则熔点低，镁铁钙质多则是熔点高。岩浆在逐渐上涌时，温度压力降低，矿物按熔点由高到低依次析出，因而当岩浆到达地表时，往往只剩下熔点不高的矿物和较低的温度，达不到形成水泥的要求。地表是不行了，如果要达到水泥所需的温度，就要往地球更深处走，至少要达到地幔才行。

地球温度随深度变化图

超级钙含量

现在我们找到了温度满足的地方，是不是就能发生水泥生产的反应了吗，但很可惜，原料又限制了反应的发生。含有硅质的岩石无论在地壳还是地幔都十分常见，但石灰岩属于沉积岩，来源于浅海或者湖泊的生物外壳沉积或者钙质的饱和析出，只能形成于地壳之中，不过好在板块俯冲能够将其带入地幔。但是在地幔的环境中要实现合适的原料配比仍然十分困难。水泥中的SiO2含量低于30%，而CaO含量高于60%，高钙低硅，需要大量的CaO才能形成，但是在地幔的高压之下，CaCO3很难快速分解，只能熔融形成碳酸岩岩浆。虽然仍有可能和周围离子交换出CaO，但在以镁铁质橄榄石为主的地幔环境中，也难以达到形成水泥所需的钙比例，往往只能形成石榴石、辉石等其他含钙矿物。

被板块俯冲带入地幔的碳酸盐

成也时间，败也时间

那么假如不考虑这些限制，也许在非常凑巧的情况下就是让过量氧化钙和硅质达到了足够的温度，也许是某种高温的岩浆房或是剧烈移动的断层生热，那么有没有可能生成天然水泥，那么答案也是否定的。漫长的地质时间能让坚硬的岩石如流体般变形，但是漫长的时间也让一切燥热都逐渐趋于平静。水泥中的硅酸三钙是种热力学不稳定的物质，它确实能在高温下生成，但是一旦温度下降，其便会有分解为硅酸二钙和氧化钙的趋势。在水泥制造中，只有在形成硅酸三钙后使其骤冷，在几分钟内将温度降到800摄氏度以下，将所有的离子都冻结在原地，才能阻止其分解。也正是因为被冻结在晶格之中的不稳定性，才使得其能够如此急迫的与水反应，放出大量的热量，从而高效地完成转变。

较低温度下硅酸三钙的分解

硅酸三钙分解产生的硅酸二钙，也是水泥中的一部分，其虽比不上硅酸三钙的活性，但是也依旧能发生水合固化。硅酸二钙存在天然的矿石Larnite，属于钙质的橄榄石，但是却是没有水化活性的γ型，只有在高温下形成并快速冷却，才能防止有活性的β型硅酸二钙转化为γ型。因此无论是硅酸二钙或者硅酸三钙，即使在地质活动中形成，在地质环境中的漫长的冷却过程中也将变得没有活性，这才是最终没有天然水泥的决定性因素。

天然的硅酸二钙Larnite

地球虽然没能诞生水泥矿，但是从另一个角度提供了接近的答案。作为来自地幔，高镁铁低硅的超基性岩——橄榄石，有着和水泥类似的水化反应，也就是蛇纹石化反应。虽然橄榄石水化的过程同样是因水中不稳定而自发的，但是速率要慢的多，至少要以年记。

人类世纪念碑

水泥生于高温，又将高温的能量固结于自身，等待着遇见水分后再一次绽放出晶花从而完成转变。如果说石灰岩是地球水存在的证明，那么水泥就是人类生活于地球的证明，若没有石灰岩，人类难以获得如此大量的石灰，若不是人，又无法制造出这种不稳定的物质，所以若是你再次被水泥所欺骗，也请不要小瞧它，作为人类制造的物质总量的第一名，这样的石头正在定义独属于我们的地层时代。

来源：石头科普工作室

编辑：yhc

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