鳞石英、方石英、柯石英……原来石英家族里还有这么多成员

2023-09-21

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石英族矿物是指由石英及化学组成与之相同或紧密有关的矿物所组成的一族氧化物矿物。在自然界中最为常见,包括二氧化硅的各种天然同质多种变体,天然的二氧化硅玻璃及含水二氧化硅,总计达到12种矿物。

石英的化学式为SiO2,地球内部SiO2的含量随深度的增加逐渐减少,地球表面SiO2的含量在78Wt%以上,整个地壳中SiO2的含量在60Wt%以上,上地幔中SiO2的含量约为45Wt%。在地壳中,SiO2多以石英矿物的形式存在,常见的有水晶、玛瑙、砂岩、蛋白石、玉髓、燧石等,在地幔中主要以硅酸盐矿物的形式存在,如橄榄石、斜方石等。

我们平常所说的石英通常专指低温石英(α-石英),是本族矿物中分布最广和最重要的一个矿物种,其摩氏硬度(相对硬度)为7。广义的石英则同时包括高温石英(β-石英)在内。

鳞石英、方石英

石英有多种同质变体,常压下有七种晶型:α-石英、β-石英、α-鳞石英、β1-鳞石英、β-鳞石英、α-方石英和β-方石英,它们之间的常压转变温度如图所示。其中β-型表示高温下稳定存在的晶型,α-型表示低温下稳定存在的晶型。

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常压高温下石英各晶型的结构转变关系

鳞石英有低、中、高温变体,分别称为低温鳞石英(α-鳞石英)、中温鳞石英(β1-鳞石英)和高温鳞石英(β-鳞石英)。高温鳞石英一般呈细小的六方薄板状或鳞片状晶体产出,轮辐状的贯穿三连晶常见。通常产于火山岩中,也见于石陨石和月岩中。常温常压下均已转变为低温鳞石英或低温石英。天然的低温鳞石英晶体均呈高温鳞石英的副相。无色或白色,玻璃光泽,贝壳状断口。

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(图片来源:网络)

方石英旧称方英石、白硅石。有高、低温变体,分别称为高温方石英(B-方石英)和低温方石英 ( a-方石英)黑方石英是另外一种独立的变体,不包括在方石英之内很少见。高温方石英通常以细小的八面体骸晶或粗纤维状球粒产于酸性熔岩甲,常温常压下转变为低温方石英或低温石英。低温方石英呈白或乳白色,玻璃光泽,摩氏硬度为 6.5。它是由高温变体转变而来的具高温方石英的副相在较低温度下直接结晶形成的,一般成隐晶质纤维状集合体产出。

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(图片来源:网络)

柯石英、斯石英

在高压下石英也有多种变体,柯石英是石英的第一个高压变体。Coes于1953年在实验室中以硅酸钠和磷酸氢二铵的混合物为初始原料首次合成出柯石英,合成条件为3.5GPa和750℃,处理时间为15h。柯石英属单斜晶系,密度为3.01g/cm3。

1960年,美籍华裔矿物学者赵景德在美国亚利桑那州Meteor陨石坑中首次发现天然柯石英;1984年,Chopin和Smith分别在西阿尔卑斯的变质沉积岩和挪威西部片麻岩区高压榴辉岩中发现天然柯石英,接着地质学家们又相继发现了多个有柯石英或其假相存在的超高压变质地带。后来,柯石英是公认的标志性压力指示矿物之一。

斯石英是石英的第二个高压变体,密度为4.35g/cm3,结构为四方相。1962年,斯石英由前苏联学者C.M.斯季紹夫和C.B.波波娃首次合成,合成条件为12.5GPa和1200-1400℃,同年赵景德等便在Meteor陨石坑中发现了天然斯石英。后来,在原子弹坑内也有人发现了斯石英,这是高压冲击变质作用的产物。

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石英在高温高压 P-T 相图

柯石英是硅原子成四次配位的SiO2各同质多相中结构最紧密的一种变体。斯石英则结晶成金红石型结构,是SiO2的所有同质多相中硅原子具有六次配位的唯一变体,其结构的紧密程度比柯石英还高46%,故亦称高密石英。

柯石英亦称单斜石英,通常呈小于 5 微米的粒状产出。无色透明,玻璃光泽,无解理,摩氏硬度为 8。在 5%的冷氢氟酸中近于不溶,但易溶于热浓氢氟酸中。斯石英以小于微米尺寸的柱状集合体产出。浅灰色,玻璃光泽,无解理,摩氏硬度约相当于 8.4-9,抵抗氢氟酸溶蚀的能力比柯石英强

焦石英、蛋白石

焦石英是天然熔凝的非晶质高二氧化硅玻璃。它是由于闪电电击或陨石撞击时产生的高温使石英熔融,然后急速冷却而形成的天然石英玻璃。由闪电电击形成的常具管状或棒状结构,称为硅管石。有人将由岩浆喷发急速冷凝而成的火山玻璃也归属于焦石英,但它们的SiO2含量一般都在80%以下。

蛋白石是一种成分为含水二氧化硅(SiO2·nH2O)的非晶质或超显微隐晶质矿物。

附:石英族的主要矿物及其特性

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资料来源:

张广强:不同初始状态的 Si,在高温高压下的结构转变研究,吉林大学

王德军:高温高压下环境因素对柯石英形成条件影响的研究,吉林大学

马球林:石英中金属元素迁移扩散及其机理研究,武汉理工大学


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