吕林素 卞跃跃 陈春琳

冰是固态的水，它怎么会是矿物呢？

它又会展现怎样的神奇和美丽？

让我们一起重新认识这个既熟悉又陌生的物质吧！

雪花——冰的骸晶，由片状六角形冰晶构成

冰：一种美丽的矿物标本

冬季，冰由大气中的水蒸气凝结成雪花、霜、冰雹，甚至是一定高度的永久积雪。在廣袤的高纬度或高海拔地区，冰是池塘、湖泊、河流的覆盖层。特别是在南北两极和珠穆朗玛峰上，冰存在于冰川、永久冻结带（永久冰冻的下层土壤）和冰山中，部分形成冰盖（覆盖5万平方千米以上陆地的连续冰川冰）下的永久冰。当冰川到达海洋时，由洋流带入低纬度地区，形成冰山。这些是自然冰的各种存在形式。

其实，只要仔细观察就不难发现，冰完全符合矿物的定义。矿物是指由地质作用所形成的结晶态的天然单质或化合物。常见的矿物有金刚石（C）、自然金（Au）、石英（SiO2）和石盐（NaCl，天然形成的石头状的盐）等。而冰是由水凝结而成的固体，它也具备矿物的五大要素：

1天然产出，且是无机反应（只有无机物参加的反应）过程形成的产物。

2具有一定的化学成分，是由氢、氧两种元素组成的无机物（含碳以外的各种元素的化合物），其化学式为H2O。

3具有一定的内部结构，通常为六方晶系（水分子呈六角形规则排列的结构），有时为等轴晶系（又称立方晶系，水分子按照立方体的晶体结构排列），并具有相应的晶体形态。

4具有一定的物理、化学性质，即有助于识别的特征——通常呈无色或白色，有时呈淡蓝色；有玻璃光泽，透明至半透明；硬度可变，常为1.5；具完全解理（矿物受打击后会沿一定方向裂开的特性），既坚硬又脆性；密度可变，常为0.92克/立方厘米。

5在一定的物理、化学条件下稳定，并且只有天然冰能在自然条件下存在，其他都是高压冰，在自然界难以稳定存在。南极冰盖具有超强的稳定性，迄今为止已稳定存在了1400万年之久。

当然，冰的“前身”——水，因无晶体形态，不属于矿物。另外，与合成宝石（自然界有该宝石的对应物，例如合成红宝石）或人造宝石（自然界无该宝石的对应物，例如人造硼铝酸锶“夜明珠”）一样，合成冰或自制冰也不属于矿物。因此，只有自然冰才属于矿物，它是由水分子有序排列形成的结晶体，属于氧化物类矿物。并且它也具有晶体的对称性，更是一种美丽的矿物标本。

有趣的是，当室外温度降到0摄氏度以下时，可以观察到冰晶在浅水表面是如何形成的，这是一个难得的观察矿物结晶过程的机会！

“五颜六色”的冰？！

在我们的印象中，冰要么像水晶一样透明，要么像雪花一样洁白。其实，冰还会像海蓝宝石一样，呈现出淡淡的蓝色或绿蓝色，给人梦幻之感。

白色 自然界中，无论是屋檐下、树梢上、枯草尖的冰挂或冰凌，还是霜冻、冰雹、雾凇等奇观都是白色的。此外，地球南北两极罕见的钟乳状海底冰柱也是白色的。这是因为这些冰体的体积太小，不足以产生足够的压力来排出其内部的气泡，而这些气泡对光散射和反射产生的光是杂乱无章的，最后混合成了白光。也就是说，当冰中含有气体包裹体时呈白色。

蓝色 极地冰川或冰盖中的冰会呈蓝色。这是由于深厚的冰川或冰盖体积巨大，其产生的压力足以挤压出内部的气泡。而纯净的冰体可以让大多数白光直接透过。不过，冰体中的水分子还会吸收可见光谱中的一部分光，并且水分子对红光的吸收强度要远远大于蓝光。冰体因吸收了光谱中其他颜色的光而只反射蓝色，最终让人眼观察到的冰呈蓝色。这也是大海、瀉（xiè）湖、咸水湖呈蓝色的主要原因。

 冰盖是积雪逐渐堆积、压实并重结晶而成

值得一提的是，近年来一种来自阿富汗、莫桑比克、尼日利亚、纳米比亚等国的蓝绿色碧玺，美得不可方物，令人一眼万年，被称为Lagoon碧玺，惊艳了整个珠宝界。Lagoon是瀉湖的英文，是指在大海的边缘、海岸与滨岸之间，形成的由水道与外海相通的浅水湖。Lagoon碧玺既有湖水的浓郁绿色，又有海水的深邃蓝色，从而融合成独特迷人的湖水蓝色。

 光在水中的穿透距离示意图。深度大于10米的水体，能穿透并反射回来的大部分是蓝光，这成就了大海、瀉湖、咸水湖和冰川的颜色（绘图/张玲）

60摄氏度的冰？！

常压下，冰的熔点为0摄氏度，沸点为100摄氏度。但其实冰的熔点与压强之间存在着某些奇妙的关系，即随着压力的增加，冰的熔点先降低而后又升高，其分水岭是2200大气压；当压力升至6380大气压时，冰的熔点又升到0摄氏度；若压力升至1.65万大气压时，冰的熔点可高达60摄氏度，且随着压力的持续增加，其熔点会更高，可谓名副其实的“热冰”。除了在高压下形成的“热冰”之外，重水（D2O）在3.8摄氏度时结冰，会成为另一种形式的“热冰”。

 阿富汗Lagoon碧玺裸石和镶嵌饰品（供图/伊诺·安冬）

冰像岩石一样，也有火成冰、沉积冰和变质冰之分。火成冰是由液态水结晶而成的，沉积冰是以雪的形式落下而成的，而变质冰则是冰川受高压作用产生形变或重结晶而成的。

 六方相冰Ih的晶體结构，每一层中黄色的为氧（O），灰绿色为氢（H）（绘图/黄金）

 六方相冰Ih的晶体形态（绘图/黄金）

 立方相冰Ic的晶体形态（绘图/黄金）

千姿百态的冰

截至目前，科学家一共发现了19种形态的冰。

我们最为熟悉的六瓣雪花，又称六方相冰Ih，一般是在1个标准大气压下，水温降到0摄氏度以下时凝结而成的。之所以雪花大多是六角形的，也是因为空气中的水分子形成冰Ih而成的。

如图所示，六方相冰Ih冰晶结构中的水分子间，主要靠氢键连接在一起，形成了非常“开阔”的刚性晶体结构，其中氧原子呈六边形排列，但氢原子并没有一个固定的排序，而是在其周围随机排列。

自然界中还有一种立方相冰Ic，它具有亚稳定的面心立方结构，在自然界中难以保存，可谓昙花一现。冰Ic的形成条件相对苛刻，在零下38摄氏度时由纯水滴均匀结晶形成，或在约零下196摄氏度时，由高密度冰通过减压的方法相变而来。也就是说，如果给冰加压，就会让它产生变形，进而产生不同形态的冰。据此，科学家又成功制造出了冰Ⅱ——氧原子呈立方体排列的冰。之后，科学家相继制造出了冰Ⅲ、冰Ⅳ……因此，拥有多态性是冰的最重要特征之一，即在不同压力和温度环境下形成不同的形态，矿物学上称之为“同质多象变体”。

冰之所以美丽多姿，既是高纬度、高海拔地区天气的杰作，又是数十万年地质作用的结果。今天，冰雪或冰川之于人类，不仅是地球环境的见证者，也是重要的淡水资源。全球变暖、冰川消融，将给地球带来巨大的危害。保护冰川、保护环境，保护这一地表最丰富的矿物，就是保护我们的生命之水。

（责任编辑 / 高琳 美术编辑 / 周游）