第十一章 粘土制造机

我写信告诉福尔摩斯，我是怎样迅速而又准确地找到了事情的根源。然而我得到的答复却是一封电报，电报要求我具体描述施莱辛格的左耳。福尔摩斯的幽默观令人不可思议，有时甚至今人生厌。于是，我对他的这种不合时宜的玩笑未予理睬⋯⋯

整个地球，如果就其物质产量之多和规模之大来说，就是一个粘土矿物连续结晶器。本章所要讨论的是粘土物质，即粘土矿物如何形成以及具体来说它们是些什么样的物质。

认为粘土是一种晶体物质的看法也许并不普遍。然而大部分粘土却确实是一种晶体物质。如果粘土看起来似乎是一种无定形的东西，这是因为从我们的观点来看它的晶体非常微小。例如，一块鼹鼠丘大小的粘土得放大到一座大山的尺寸后，它的晶体才能为肉眼所视。

粘土可被粗略地解释为一种软岩，它的粒子的粗细仅千分之几毫米或更小。这种粒子不易溶解，但在水中却容易形成悬浮状态。符合这种解释的粘土物质有很多种。一般来说，一块粘土通常含有数种不同的粘土物质，每一种都有独特的物质单位组成形式或晶体结构。

驱动粘 土制造机器的是两种大循环。第一种是由太阳提供动力的水循环。水从海洋以及地球其它表面蒸发，形成云彩、雨、地下水、泉流和江河， 然后又汇归于大海。像花岗岩之类的硬岩石经过日复一日的日晒雨淋，经过水的这种活动就形成了粘土。这种硬岩石也许看起来比粘土稳定，但其化学性质的稳定性却不如粘土。当流水不断地流过这种岩石的表面以及顺着岩石的细孔和裂缝渗进时，这种岩石就会慢慢溶解。毛细孔中的溶液迟早会达到超饱和状态，粘土的小晶体就在这种神奇的溶液中生长。这种小晶体中许多被流水带入溪流和江河，其中不少可能被流水一直带入大海，在大海的海床上沉淀，形成厚厚的沉淀物。那里的环境与这种粘土小晶体最初生成的环境会有所不同。特别是溶液中物质单位的浓度，它也许已达不到粘土结构溶液的饱和程度。在这种环境中，粘土晶体很可能重新溶解，然后又形成新的粘土矿物。实际上，在岩石风化形成粘土到粘土最后被流水带入大海沉积这一过程之中以及这一过程之外，不同地点可能会出现好几次重新结晶，每个地点都为某组特定的粘土提供了一种连续结晶器，这种特定粘土得到营养液的滋养，营养液是由粘土分解和其它在此种环境下较易溶解的矿物质生成的。这就是地球在某些地区在比较窄的范围内能够不断地保持超饱和状态的奥妙：在每一个结晶器，输入溶液的浓度由那些可溶解性较高的物质的溶解度决定，这些物质的可溶性稍高于那些在上述范围内正在结晶的物质。

即使对于那些在海底沉积而成的粘土沉积物，其重新溶解又重新结晶的过程也还没有走到尽头，因为还有第二个更为缓慢的循环在起作用。这种循环由地球本身驱动，即由地球内放射性原子裂变产生的热提供动力。它将海床向一边推去，从而在洲与洲交界处产生缓慢的但却是巨大的、灾难性的碰撞。在这种碰撞中，此时已经过改造的粘土沉积物在高温和来自地底的高压下发生根本性的蜕变。这种蜕变正好与岩石风化成土的蜕变相反，粘土此时又蜕变形成岩石，这些岩石成为更加牢固的矿物质，如长石、云母、片岩石英和花岗岩，但是，推动和坍塌仍在继续。于是这种重新形成的岩石迟早会从海底露出海面，又一次经受日晒雨淋。这种岩石的化学性质的稳定性在比

较温和的环境之中反而不可思议地降低。当流水流经其表面或顺其毛细孔和裂缝渗进时，岩石开始慢慢溶解⋯⋯

通过这种方式形成的粘土大部分均为层形硅酸盐。这种硅酸盐中有两大类，其晶体的各层均非常薄，且构造非常精美。

这两种晶体结构之一可在瓷土的主要成分，即一种叫做高岭石的粘上矿物中找到。这种物质中的晶体各层约有三个氧原子厚。请想象一下由三层氧原子一层一层堆积起来的情形（就像盒子中堆积起来的三层桔子一样），这三层氧原子之间的空隙中插入了两层更小的原子，这些插入层原子与氧原子通过共价键连接在一起。两个插入层原子中一层为铝原子，另一层为硅原子。此外，还有一些很小的氢原子附在高岭石一个表层的氧原子之上。（它们之间相互连接的详细结构图可见附录二。）

从以上说明可以看出，构成高岭石晶体的层次是一些相当复杂的结构。这些结构层有“顶面”和“底面”，两面互不一样。你可以将这种结构中的一层设想为一块地毯，地毯的一面带绒头而另一面则带背衬。实际上这种地毯上还有图案，图案上所有的箭头均指向同一方向。这种图案是由铝原子排列中那种似隐似现的非对称性而形成的（有关这一特征在附录二中有详细说明）。

完美的高岭石晶体由成千上万张比喻意义上的地毯一张压一张堆积而成；这些地毯中每一张带绒头的一面均与压在上面那一张的背衬紧紧粘在一起。现实中的高岭石晶体各层的堆积通常不会有这么整齐，中间常常有大批地毯的绒头面和背衬面是颠倒的。关于这种复杂的堆积方式我们暂且略过不讲。

完美的高岭石晶体中各层的堆积还有一种规律，即整个一堆中地毯上的箭头图案的箭头均指向同一方向。当然现实中的晶体的各层堆积方式同样要比理想中的晶体的堆积方式复杂一些。这一点我们将在下一章再讲。

和高岭石较近的变体粘上矿物中有一种叫地开石的物质。这种物质与高岭石之间的不同仅仅在于地毯的箭头图案的箭头方向在层与层之间会有不同，但在每一层中，其图案箭头也都指向同一方向。仅仅因为晶体中各个层次的堆积方式不同而成为不同的晶体的现象在粘土矿物中是一种最常见的现象。这种现象用一个技术名词来表达就是多形体性。例如，高岭石和地开石 就被认为是多形体。有关这一点，我们还将在以后讲到。

还有一种叫做多水高岭石的粘土矿物，它的晶体各层与高岭石同样，但各层之间的粘接却比高岭石松散得多，层与层之间通常夹有水分子。这种物质中的各层也许会卷起来，或者像被卷成一捆一捆的地毯，或者被卷成一个一个的小空心球，或者以更为复杂的方式堆积在一起。

在与高岭石离得较远的变体物质中，晶体各层的建造方式仍与高岭石一样，但在氧原子层之间的插入层中的原子却有不同，或部分改变或全部改变； 由铝原子换成硅原子或由硅原子换成铝原子。高岭石的变体物质可谓多得不胜枚举。

层形硅酸盐中的另一大类中最具代表性的是一种叫白云母的物质。白云母的晶体结构严谨。这种晶体较大，易于观察研究。由于晶体较大，因此白 云母本身不属于粘土矿物，但其晶体的主要构造特征却与几种重要的粘土矿物相同。这是一种颇具特色的层形结构，比高岭石的“地毯”层要稍厚，对称性也要好一些。（两者之间的详细比较可见附录二。）

白云母与高岭石这两种最重要的层形硅酸盐物质之间的主要区别在于各层之间相互粘贴的方式。白云母晶体各层均带有相当多的负电荷，层与层之间由带正电荷的钾离子插入层粘贴在一起。

白云母晶体各层带有的电荷来自于所谓替代品，例如在通常是硅的地方用铝离子替代。一个硅原子被一个铝离子替代后即增加了一个负电荷。白云母晶体各层所带的负电荷主要由这种替代产生。当然也还有别的替代方式， 例如在通常为铝原子的地方由镁原子替代等；用这种替代方式每替代一个即增加一个负电荷。实际上，在云母类层形晶体物质中，各种替代方式均可能发生。对这些物质进行分析后即可得知，它们所含的金属原子的种类远远超过所谓“正式”的硅和铝等种类。

在常见的具有云母类层形晶体结构的粘土矿物中，伊利石与白云母在其晶体结构上很类似，只不过伊利石因属粘土矿物，因而它的晶体比白云母的晶体要小得多。伊利石的晶体，正如人们在电子显微镜下可能看到的情况一样，也许只有几层厚。这种晶体就像板条结构一样具有很大的伸缩性，同时也相当坚韧。这样的晶体通常在海底沙石的毛细孔中生成。

绿土的晶体各层中的负电荷无论比云母类物质还是比伊利石都少，因此 这种晶体的各层之间的金属离子相应也少。这种晶体各层之间常见的金属离子通常为钠离子和钙离子，而不是钾离子。同时，这些金属离子通常处于一种游离不定的状态。此外，绿土晶体的各层之间还夹有水分子，这些水分子也或多或少处于一种运动状态。水甚至可能进入晶体，将其中某些层次之间的连接完全冲开。各种有机分子也具有类似的性能。实际上，粘土矿物可吸住有机分子的能力早已为人们所知，这种能力是土壤形成的重要因素。

与伊利石一样，一个绿土晶体可以是一种很薄、易伸缩但却相当坚韧的物体。这种晶体在电子显微镜下看起来不大像人们通常看到的晶体；它看起来也许更像一块揉成一团的破布，或者有时则可能像折叠起来的餐巾。一大块绿土晶体，由于晶体内各层部分粘贴在一起、部分裂开，通常具有一种独特的“蜂窝状”外观，在这种峰窝式结构中，无数个格子相互连在一起。典型的绿土晶体，也像典型的伊利石晶体一样，完全不是通常概念中的正规晶体，因为正规晶体的各层应当匀称、整齐。因此，把这种粘土晶体叫做膜更为合适。请回忆一下，我们在前文讲过，晶体层相互叠在一起的方式上的细微区别形成了高岭石和地开石这两种不同的粘土矿物。云母类粘土矿物中也有一种箭头图案，这些箭头可能是指向同一方向，也可能不是。两层云母类晶体相叠的方式不下六种，如果再加上一层，还会有另外六种方式。堆积的次序常常呈有规则的重复，但并不总是如此。用术语解释，这就是，晶体中既有有序多形体（如完美的高岭石和地开石），也有无序多形体。在无序多 形体晶体中，晶体不同层次相互堆砌的方向性无法或很难预测。

化学性质不同的晶体层也可以相互叠在一起，其层叠次序可以有规律也可以无规律。这种现象也比较常见。例如，伊利石和绿土通常合成一种混合 层粘土。这是一种构造复杂的粘土。

如何组合？

粘土结构既不是由有机物特别设计而成，也不是奇特的地球化学环境产生的结果，而是自行组合而成。这一点已无疑义。这是一些属于“零技术”

的物质，即这些物质的结构代表了物质单位在地球表面各种含水分的环境中想要组合的方式。（这种现象实际上似乎不仅限于地球。人们已在某些陨星中发现了层形硅酸盐粘土并推想火星表面也会有这种物质的存在。）当一个很小的粘土晶体自行组合时，经历了哪些过程？

当军队中的士兵组成一个排，或当肥皂与水分子生成皂沫，或当糖分子结成晶体时，在所有这些组合中，其组成单位是什么都很清楚。在这些组合中，每一种组合都只是简单地把拆散的单位（如士兵、分子）组合在一起， 这些单位本身并没有改变。但蛋白质链或脱氧核糖核酸链合成的情形却大不相同。当这种链子合成时，最初的溶液中所需的物质单位与链子合成后组成链子的单位并不完全相同。作为链子合成过程的一部分，最初的单位部件必须裂开。在这一方面，粘土层的形成与蛋白质或脱氧核糖核酸类似。粘土结晶所需的溶液中的单位是诸如硅酸和水合金属离子之类的物质（见附录二）， 当这些单位组合在一起形成晶体时，其中的水分子必须加以排除。（只有这样才能使适宜的按扣打开，才能使这些单位紧密地结合在一起，就像附录二中所显示的那样。）

在其它主要方面，粘土层的形成却与蛋白质或脱氧核糖核酸链的形成大 不相同。粘土的形成是一种自行组合过程，即真正的结晶过程。首先，这是 一种完全可逆过程，这一过程是纯组合还是纯分解取决于晶体周围溶液是处于超饱和还是处于欠饱和状态。晶体结晶过程总是如此。其次，溶液中的单位必须具有易感性，或者说“上紧发条”这一点是没有问题的。这里的必要条件是给溶液“上紧发条”（意即使溶液处于超饱和状态）。从地球上每时每刻均有大量粘土形成这一点判断，地球似乎是提供粘土形成所需适当溶液的能手。

另一区别直接来自于晶体生长是一种空间充填行动这一事实。将物质单位组装起来填充空间所需的辨别力可能远比将它们组成一条摇摆的链子大得多。假设我们将彩色台球垒成一个晶体结构，在这个结构的中间某个地方却夹有一个网球。这时请设想一下这个网球对整个结构所具有的破坏作用。在真实的晶体中，我们在前一章讨论过的那种改错机制可以毫不费力地发现这类错误。

当粘土晶体生长时，无论其表面以及与水接触的键会如何重新溶解，已被裹在晶体之中、离开了水的那些晶体结合键此时在常温下已经无法发生变化。它们此时就像小妾一样忠诚，因为它们已没有改变的机会。

我摇了摇头，说道：“福尔摩斯，这样说有点牵强了吧。”

他又装了满满一烟斗烟丝并重新坐了下来，对我的话未加理睬。

“从我所说的故事中得出的实际结论与我正在调查的问题非常接近。你知道，这是一个错综复杂的案件，犹如一团乱麻，我正在寻找未被系住的一端。”