會(huì)“變臉”的礦物

王殿華

同一化學(xué)成分可以形成多種截然不同的礦物，例如二氧化硅(SiO₂)，既可以形成非晶質(zhì)的蛋白石、玉髓，也可以生成結(jié)晶態(tài)的石英。這是由于它們形成的條件不同。

如果外界條件改變時(shí)，已形成的礦物是否會(huì)變身為另外的礦物呢?答案是肯定的。

這種轉(zhuǎn)變是如何發(fā)生的，轉(zhuǎn)變的意義何在?

晶格，晶體與晶胞

要了解這些內(nèi)容，必須先知道晶體、晶格、晶胞這幾個(gè)概念。

眾所周知，物質(zhì)有3種聚集形態(tài)：氣體、液體和固體。根據(jù)其內(nèi)部構(gòu)造特點(diǎn)，固體又可以分為晶體、非晶體和準(zhǔn)晶體3大類。

晶體通常呈現(xiàn)出規(guī)則的幾何形狀，就像有人特意加工出來的一樣。其內(nèi)部原子的排列十分規(guī)整嚴(yán)格。如果把晶體中任意一個(gè)原子沿某一方向平移一定距離，必能找到一個(gè)同樣的原子。而非晶體內(nèi)部原子的排列則是雜亂無章的。準(zhǔn)晶體是新發(fā)現(xiàn)的一類物質(zhì)，其內(nèi)部原子的排列既不同于晶體，也不同于非晶體。

為了描述晶體的結(jié)構(gòu)，我們把構(gòu)成晶體的原子當(dāng)成一個(gè)點(diǎn)，再用假想的線段將這些代表原子的各點(diǎn)連接起來，就繪成了一種格架式空間結(jié)構(gòu)。這種用來描述原子在晶體中排列的幾何空間格架，被稱為晶格。由于晶體中原子的排列是有規(guī)律的，可以從晶格中拿出一個(gè)完全能夠表達(dá)晶格結(jié)構(gòu)的最小單元。這個(gè)最小單元就叫晶胞。晶胞通常是一個(gè)平行六面體。

根據(jù)晶胞多面體的對(duì)稱情況，人們將晶體外形分為7類，稱為七大晶系。它們分別是：立方晶系、六方晶系、四方晶系、三方晶系、正交晶系、單斜晶系和三斜晶系。

擁有多副面孔的礦物

1798年，德國(guó)科學(xué)家M.H.克拉普羅特發(fā)現(xiàn)方解石和文石的組成都是碳酸鈣，方解石屬于三方晶系，是在較低溫度下形成的；文石屬于正交晶系，是在較高溫度下形成的。1912年，M.VOn勞厄發(fā)現(xiàn)x射線衍射后，人們開始從晶體結(jié)構(gòu)的角度認(rèn)識(shí)多晶型現(xiàn)象。所謂多晶型現(xiàn)象，是指一種物質(zhì)能以兩種或兩種以上不同的晶體結(jié)構(gòu)存在的現(xiàn)象，又被稱為同質(zhì)多象或同質(zhì)異象。那些組成相同、晶體構(gòu)型不同的物質(zhì)被叫作多晶型體，它們之間可以通過相變而彼此轉(zhuǎn)變。

需要注意的是，單晶硅和多晶硅都是由元素硅形成的，但它們不是多晶型體，因?yàn)樗鼈兊木w構(gòu)型相同，只是晶體尺寸不同。

各種多晶型體通常具有不同的物理、化學(xué)性質(zhì)，表現(xiàn)為熔點(diǎn)、硬度、穩(wěn)定性、溶解速率等的差異。例如，金剛石和石墨的化學(xué)成分都是碳，前者屬立方晶系，硬度大、透明、不導(dǎo)電；后者屬六方晶系，硬度小、不透明、可導(dǎo)電。前者是在高溫高壓下形成的；后者則是在較低的溫度和壓力下形成的。又比如，擁有同一分子式A12SiO₂的礦物可形成3種變體，分別被稱為紅柱石、藍(lán)晶石和夕線石。

在結(jié)晶學(xué)研究中，一種物質(zhì)的各個(gè)變體，按其數(shù)目的不同而被稱為同質(zhì)二象、同質(zhì)三象等，或泛泛地稱其為同質(zhì)多象。目前已知變體數(shù)目最多的物質(zhì)是SiO₂，有12種。

需要說明的是，同一種礦物成分會(huì)產(chǎn)生出不同的結(jié)晶形態(tài)，有些是常見的，有些就很少見。比如，六方錐體形態(tài)的水晶晶體很常見，而以“日本雙晶律”產(chǎn)生的水晶雙晶就很少見。再比如，同樣是黃鐵礦，以八面體產(chǎn)出的就比立方體產(chǎn)出的少得多。

礦物會(huì)“變臉”?

研究表明，每一礦物或礦物組合都只在一定的溫度、壓力區(qū)間穩(wěn)定。當(dāng)溫度、壓力超過這一區(qū)間時(shí)，礦物組合即會(huì)不穩(wěn)定，并將最終轉(zhuǎn)化為在新條件下穩(wěn)定的新礦物。這一過程即是礦物的變形。當(dāng)?shù)V物變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)(一種晶體缺陷，其特點(diǎn)是在一定范圍內(nèi)原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)動(dòng)，都離開了它們?cè)瓉淼钠胶馕恢?，位錯(cuò)在動(dòng)熱平衡過程中不穩(wěn)定，逐漸會(huì)被消除，消除的方式是位錯(cuò)的重排、抵消、湮滅，產(chǎn)生恢復(fù)作用以及高角度邊界的形成和遷移，即重結(jié)晶作用。

通過變質(zhì)重結(jié)晶作用(變質(zhì)反應(yīng))，原有礦物或礦物組合轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌牡V物和礦物組合。重結(jié)晶過程是一個(gè)能量降低的過程，也是顆粒邊界遷移形成新晶體的過程。

由于物理、化學(xué)條件的改變，一種同質(zhì)多象變體在固態(tài)條件下改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)而成為另一種變體的過程叫同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變。當(dāng)環(huán)境的溫度、壓力超出某一變體的穩(wěn)定范圍時(shí)，即可能發(fā)生相應(yīng)變體間的同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變。

同質(zhì)多象有不同的轉(zhuǎn)變方式和類型。有些同質(zhì)多象變體的形成和保持穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的溫、壓范圍都是互不重疊的；而另一些同質(zhì)多象變體，對(duì)溫度、壓力條件不敏感，對(duì)介質(zhì)的酸堿度、雜質(zhì)等次要因素卻較為敏感，可以在幾乎相同的溫度、壓力下形成不同的變體。但其中只有一種是穩(wěn)定的變體，其他變體實(shí)際上都是不穩(wěn)定的，只是在常溫常壓下它們間的轉(zhuǎn)變過程特別緩慢，以致不穩(wěn)定變體實(shí)際上能以亞穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)期存在；但當(dāng)溫度高于一定數(shù)值時(shí)，會(huì)迅速發(fā)生某種轉(zhuǎn)變。如黃鐵礦和白鐵礦可在同樣的溫度、壓力條件下分別形成于堿性和酸性的介質(zhì)中，但白鐵礦是不穩(wěn)定變體，當(dāng)溫度高于350℃時(shí)便迅即轉(zhuǎn)變?yōu)辄S鐵礦。

研究表明，實(shí)際中存在著兩種不同的同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變方式：其中一種叫雙變性轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變過程迅速而且是可逆的。如兩種石英變體間的轉(zhuǎn)變。另一種為單變性轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變過程相對(duì)緩慢，而且只在升溫過程中發(fā)生；在降溫過程中并不發(fā)生相應(yīng)的可逆轉(zhuǎn)變，較高溫度下穩(wěn)定的變體可在超出其穩(wěn)定范圍的較低溫度下以亞穩(wěn)態(tài)繼續(xù)存留。如β-石英與β-鱗石英以及白鐵礦與黃鐵礦之間的轉(zhuǎn)變。

另外，如果同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變后形成的變體，仍保持轉(zhuǎn)變前變體的晶形，這種現(xiàn)象被稱為副象。它的存在是發(fā)生過同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變的重要證據(jù)。

一般情況下，當(dāng)一種礦物轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N更穩(wěn)定的礦物相時(shí)，只發(fā)生晶格、形狀及大小的變化，而且重結(jié)晶現(xiàn)象和礦物的多形轉(zhuǎn)變主要發(fā)生在碎屑巖的膠結(jié)物中。在碎屑沉積巖中，最有意義的是文石膠結(jié)物向方解石的轉(zhuǎn)化及非晶質(zhì)氧化硅的蛋白石向玉髓及石英的轉(zhuǎn)化。隱晶質(zhì)的膠磷礦轉(zhuǎn)變?yōu)轱@晶質(zhì)的磷灰石，隱晶質(zhì)的高嶺石轉(zhuǎn)變?yōu)轺[片狀或蠕蟲狀的結(jié)晶高嶺石，也是常見的礦物多形轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。高鎂方解石轉(zhuǎn)變?yōu)榈玩V方解石也是礦物的一種多形轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。但在轉(zhuǎn)變過程中，會(huì)有鎂離子的濾失。

多型轉(zhuǎn)變的意義

綜上可知，礦物的穩(wěn)定性是相對(duì)一定的外部環(huán)境而言的。環(huán)境改變后，礦物的面孔和個(gè)性也會(huì)改變。因此，礦物面貌的改變不但具有指示環(huán)境變化的意義，人們還可以利用這一特性服務(wù)于特殊目的。

由于同質(zhì)多象的形成與外界條件密切相關(guān)，因此，研究同質(zhì)多象有助于確定晶體形成時(shí)的物理、化學(xué)條件及所經(jīng)歷的變化。如SiO₂等物質(zhì)的同質(zhì)多象，被廣泛用作所謂的地質(zhì)溫度計(jì)和地質(zhì)壓力計(jì)。根據(jù)某一立方體副象的石英，可推知其形成時(shí)的溫度；而斯石英(石英一種同質(zhì)異形體，為更致密的高壓相多型體)在地表大陷坑中的出現(xiàn)，則可作為該地曾發(fā)生隕石超高壓沖擊隕落的有力證據(jù)。又如HgS的兩種變體辰砂和黑辰砂，分別形成于堿性和酸性介質(zhì)中，它們的存在可說明成礦介質(zhì)的酸堿性。在工業(yè)上，可用石墨制備人造金剛石；運(yùn)用淬火、退火等手段控制加工件的某些物性；通過先升溫至573℃以上，然后在嚴(yán)格控制的條件下降溫，藉以消除水晶中對(duì)工業(yè)利用有害的道芬雙晶等，都是利用了同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變的特性。再比如，紅柱石在常壓下加熱至1350℃以后，開始轉(zhuǎn)化成與原晶體平行的針狀莫來石。莫來石晶體是鋁硅酸鹽在高溫作用下唯一穩(wěn)定的形式，這是一種不可逆的晶體轉(zhuǎn)化，一經(jīng)轉(zhuǎn)化，晶體則具有更高的耐火性能，耐火度可達(dá)1800℃以上，且耐驟冷驟熱，機(jī)械強(qiáng)度大，抗熱沖擊力強(qiáng)，抗渣性強(qiáng)，荷重轉(zhuǎn)化點(diǎn)高，并具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性(甚至不溶于氫氟酸)和極強(qiáng)的抗化學(xué)腐蝕性，工業(yè)上可以用來生產(chǎn)高溫耐火材料。

責(zé)任編輯趙菲