方解石族和文石族

Question

如题所述

Answer 1

碳酸盐类矿物主要为方解石族和文石族矿物。由于这两族矿物之间存在一个型变现象，所以放在一起讨论。

所谓型变，在“结晶学”部分的第十章已介绍，是指矿物成分发生系列变化引起结构相应地系列变化的一种现象。在方解石族和文石族的一系列矿物种中，这种型变现象表现得十分明显。

从表22-1可见，随着阳离子从 Co²⁺、Zn²⁺、Mg²⁺、…Ba²⁺，半径依次增大，结构也发生相应变化，这种变化分两个阶段，第一阶段是在方解石型结构内部发生变化，即菱面体面角逐增（由晶胞参数变化引起）；第二阶段是在文石型结构内部发生变化，即斜方柱面角逐减。两个阶段的接合点（即阳离子为Ca²⁺处）发生一个突变，即从方解石型变为文石型，这种成分变化引起结构从渐变到突变的全过程就称为一个完整的型变系列。

表22-1 方解石型结构与文石型结构的型变现象

型变也可视为类质同象与同质多象的统一，上述结构变化的第一、第二阶段内部属类质同象，而两个阶段的接合点处为同质多象。

方解石型和文石型结构分别为：

方解石型结构：可以视为 NaCl 型结构的衍生结构。即将 NaCl 结构中的Na⁺和 Cl^-分别用 Ca²⁺和[CO₃ ]^2-取代之，并将[CO₃ ]^2-平面三角形垂直某三次轴成层排列，导致其原立方面心晶胞沿三次轴方向压扁而呈钝角菱面体状，就变成了方解石的结构 〔图22-1（a）中的钝角菱面体〕。每一[CO₃ ]^2-层均与其相邻层中的[CO₃ ]^2-三角形的方向相反。Ca 被 6 个[CO₃ ]² 包围，且与 Ca成键配位的氧也为6 个，即配位数为6。由于 NaCl结构中的{100}方向为电性中和面，从而产生该方向的完全解理。与此相似，也就决定了方解石具有的完全解理；其解理块的形状正好与由 NaCl晶胞衍生而来的呈钝角菱面体状的方解石的“晶胞”一致。但这样选取的“晶胞”（钝角菱面体状）并非为真正的方解石的单位晶胞，因为这种菱面体高度并不是结构中的重复周期，方解石真正的单位晶胞应是一锐角菱面体状 〔图22-1（a）中的锐角菱面体〕。在结晶学中，三方菱面体格子和六方格子常进行转换，方解石的锐角菱面体单位晶胞也可转换成具双重体心的六方晶胞，见图22-1（a）。

图22-1 方解石的晶体结构（a）和文石的晶体结构（b）

文石型结构：与方解石晶体结构不同，在于结构中的 Ca²⁺和[CO₃ ]^2-按六方最紧密堆积的重复规律排列，每个 Ca离子周围虽然围绕着6个[CO₃ ]^2-，但与其相接触的氧离子不是六个，而是九个；即Ca离子的配位数为9。每个O与三个 Ca、1个 C联结 〔图22-1（b）〕。

这两种结构型的共同特点是：Ca²⁺和［CO₃］^2-都按最紧密堆积的规律排列，且［CO₃］^2-三角形都平行地成层排列。

由于在［CO₃］^2-平面内的振动光的折射率远大于垂直此平面振动光的折射率，所以这些碳酸盐矿物的光学异向性非常强，表现为高双折率。

下面分别叙述这两族的重点矿物。

方解石（Calcite）

Ca［CO₃］

【化学组成】常含Mn、Fe、Zn、Mg、Pb、Sr、Ba、Co、TR等类质同象替代物；当它们达一定的量时，可形成锰方解石、铁方解石、锌方解石、镁方解石等变种。此外，晶体中还常见水镁石、白云石、铁的氢氧化物及氧化物、硫化物、石英等机械混入物。

【晶体结构】三方晶系；：arh=0.637nm，α=46°07′；Z=2。如果转换成六方（双重体心）格子，则：a_h =0.499nm，c_h =1.706nm；Z=6。方解石型结构见前叙。

【形态】常见完好晶体。形态多种多样，不同聚形达600种以上。主要呈平行[0001]发育的柱状及平行{0001}发育的板状和各种状态的菱面体或复三方偏三角面体（图22-2）。方解石常依{0001}形成接触双晶，更常依形；

图22-2 方解石的晶体和双晶

成聚片双晶，这一聚片双晶纹在解理面上的方位与白云石不同（图22-3），在自然界，这种聚片双晶的出现，可用以说明方解石形成后，曾遭受地质应力的作用。方解石的集合体形态也是多种多样的。由片状（板状）或纤维状的方解石，呈平行或近似平行的连生体，分别称为层解石和纤维方解石。还有致密块状（石灰岩），粒状（大理岩），土状（白垩），多孔状（石灰华），钟乳状（石钟乳）和鲕状、豆状、结核状、葡萄状、被膜状及晶簇状等。方解石的晶体形态与形成条件有关。随着形成时温度的降低，其晶形有从板状、钝角菱面体为主的晶形向复三方偏三角面体、六方柱为主及锐角菱面体晶形演化的趋势（图22-4）。

图22-3 方解石平行（a）和白云石平行（b）的聚片双晶在菱面体解理面上的表现

图22-4 方解石形态随温度的变化

【物理性质】无色或白色，有时被Fe、Mn、Cu等元素染成浅黄、浅红、紫、褐黑色。无色透明的方解石称为冰洲石（calcspar）。解理完全；在应力影响下，沿聚片双晶方向滑移成裂开。硬度3。相对密度2.6～2.9。某些方解石具发光性。

【成因及产状】方解石是分布最广的矿物之一，具有各种不同的成因类型。主要为：① 沉积型，海水中的CaCO₃达到过饱和时，可沉积形成大量的石灰岩、鲕状灰岩等；② 热液型，常见于中、低温热液矿床中，呈脉状或见于空洞里，具良好的晶形；③ 岩浆型，方解石为岩浆成因的碳酸岩和碳酸盐熔岩中的主要造岩矿物，常与白云岩、金云母等共生；④ 风化型，石灰岩、大理岩在风化过程中地下水溶解易形成重碳酸钙Ca（HCO₃）进入溶液，当压力减小或蒸发时，使大量CO₂的逸出，碳酸钙可再沉淀下来，形成钟乳石、石笋、石柱等。其反应式：Ca（HCO₃）₂=CaCO₃+H₂O+CO₂。

【鉴定特征】晶形，聚片双晶，三组完全解理，硬度较小，相对密度较小。加酸急剧起泡。灼热后的方解石碎块置于石蕊试纸上呈碱性反应。有钙的焰色反应（橘黄色）。

【主要用途】由方解石组成的石灰岩、大理岩、白垩等岩石，广泛地应用于化工、冶金、建筑等工业部门，例如用于烧石灰、制水泥等。美丽的大理岩可作建筑装饰材料。纯度高的石灰岩是塑料、尼龙的重要原料。由于冰洲石具有极强的双折射率和偏光性能，被广泛地应用于光学领域里，如偏光显微镜的棱镜、偏光仪、光度计等。

菱镁矿（Magnesite）—菱铁矿（Siderite）

Mg［CO₃］—Fe［CO₃］

【化学组成】Mg［CO₃］与Fe［CO₃］之间可形成完全类质同象，有时具有Mn、Ca、Ni、Si等混入物。

【晶体结构】三方晶系；。菱镁矿：菱面体晶胞 arh=0.566nm，α=48°10′，Z=2；六方晶胞 a_h =0.462nm，c_h =1.499nm，Z=6。菱铁矿：菱面体晶胞 a_rh =0.576nm，α=47°54′，Z=2；六方晶胞，a_h =0.468nm，c_h =1.526nm，Z=6。与方解石同结构。

【形态】晶体呈菱面体状、短柱状或偏三角面体状。通常呈粒状、土状、致密块状集合体。

【物理性质】富镁端员白色或浅黄白色、灰白色，有时带淡红色调，富Fe者呈黄至褐色、棕色；玻璃光泽。解理完全。硬度 3.5～4.5。相对密度2.9～3.1，富 Fe者相对密度和折射率均增大。性脆。

【成因及产状】菱镁矿主要由含Mg热液交代白云石及超基性岩而成，此外也有沉积型。菱铁矿也具有沉积型和热液型两种。

【鉴定特征】与方解石相似，区别在于粉末加冷HCl不起泡或作用极慢，加热HCl则剧烈起泡。

【主要用途】菱镁矿可用于制耐火砖（可耐3000℃高温）、含镁水泥，并可提取金属镁；菱铁矿可作为铁矿石开采。

白云石（Dolomite）

CaMg［CO₃］₂

【化学组成】成分中的 Mg 可被 Fe、Mn、Co、Zn 替代。其中 CaMg[CO₃ ]₂-CaFe[CO₃ ]₂ 可呈完全类质同象系列；当 Fe＞Mg时称铁白云石。Fe与Mn的替代则有限，其 Mn 的端员 CaMn[CO₃ ]₂ 称为锰白云石。还可形成铅白云石、钴白云石、锌白云石等变种。

【晶体结构】三方晶系；。菱面体晶胞：arh=0.601nm；α=47°36′；Z=1。六方晶胞：a_h =0.481nm，c_h =1.601nm；Z=3。晶体结构与方解石相似。不同之处在于方解石晶体结构中 Ca²⁺所占据的结构位置，其中1/2在白云石中被Mg所占据；Ca²⁺和Mg²⁺在垂直三次轴的方向上分别呈层作有规律的交替排列，因此导致白云石的晶体结构的对称程度低于方解石。白云石中的 Fe、Mn代替Mg后，可导致晶胞增大。

【形态】晶体常呈菱面体状，不如方解石形态多样，晶面常弯曲成马鞍状 〔图22-5（b）〕，经切薄片在镜下观察可见这种马鞍状形态具有晶畴相嵌状结构和波状消光现象 〔图 22-5（c）〕。经常依{0001}、、、及形成双晶，后者双晶纹平行于白云石解理面长、短对角线与方解石不同（图22-3）。有些白云石出现裂开，为双晶造成。集合体常呈粒状、致密块状，有时呈多孔状、肾状。

图22-5 白云石的晶体

【物理性质】纯者多为白色，含铁者灰色—暗褐色，含铁白云石风化后，表面变为褐色；玻璃光泽。解理完全，解理面常弯曲。硬度 3.5～4。相对密度2.85，随成分中 Fe、Mn、Pb、Zn含量的增多而增大。有些白云石在阴极射线作用下发鲜明的橘红光。

【成因及产状】白云石是自然界中广泛分布的一种矿物，主要有沉积和热液两种成因。它是组成白云岩、白云质灰岩的主要矿物。白云石也是岩浆成因的碳酸岩的主要组成矿物之一。含镁质或白云质的灰岩在区域变质或接触变质作用中可形成白云石大理岩。在变质作用的较高阶段，白云石可被分解成方镁石和水镁石。

【鉴定特征】晶面常呈弯曲的马鞍形。与方解石的区别是遇冷盐酸不剧烈起泡，加热后方剧烈起泡，另外双晶纹的方向亦与方解石不同（图 22-3）。此外，可用染色法区分二者。

【主要用途】用作耐火材料及高炉炼铁生产中的熔剂；部分白云石可作提取镁的原料。白云石大理岩加工后可作较好的建筑石材。

文石（Aragonite）

又称霰石

Ca［CO₃］与方解石呈同质二象。

【化学组成】Ca常被Sr、Pb、Zn、TR所替代。此外还有Mg、Fe、Al等，但含量一般均较低。已知的变种有铅文石、锌文石、锶文石、稀土文石等。

【晶体结构】斜方晶系；；a₀ =0.495nm，b₀ =0.796nm，c₀ =0.573nm；Z=4。文石型结构见前叙。

【形态】晶体常为柱状、矛状（图 22-6），但较少见。常依{110}成双晶或三连晶，三连晶常出现假六方对称。集合体常呈纤维状、柱状、晶簇状、皮壳状、钟乳状、珊瑚状、鲕状、豆状和球状等。多数软体动物的贝壳内壁珍珠质部分是由极细的片状文石沿着贝壳面平行排列而形成的。

【物理性质】通常为白色、黄白色，有时呈浅绿色、灰色等；透明；玻璃光泽，断口为油脂光泽。无解理，或有时见{010}不完全至中等解理；贝壳状断口。硬度3.5～4.5。相对密度 2.9～3.3，成分中含 Sr、Ba 者相对密度增大。

图22-6 文石的晶体和双晶（d）

图22-7 方解石和文石的大致稳定范围

【成因及产状】文石通常在低温热液和外生作用条件下形成，它是低温矿物之一。在热液矿床、现代温泉、间歇喷泉里晶出。当溶液中存在Sr和 Mg盐类杂质，有利于文石的形成。文石不稳定，常转变为方解石（呈文石副象）。根据合成矿物资料，文石的形成压力高于方解石（图22-7）。

【鉴定特征】文石与方解石相似，加HCl剧烈起泡。但文石不具菱面体解理，晶形呈柱状、矛状；相对密度和硬度稍大于方解石。在硝酸钴溶液中煮沸，方解石粉末只微带青色，文石则呈浓红色、紫色。

【主要用途】分布少，几乎无工业价值。