矽酸鹽礦物

一類由金屬陽離子與矽酸根化合而成的含氧酸鹽礦物。在自然界分布極廣,是構成地殼、上地幔的主要礦物,估計佔整個地殼的90%以上;在石隕石和月岩中的含量也很豐富。已知的約有800個礦物種,約佔礦物種總數的1/4。許多矽酸鹽礦物如石棉、雲母、滑石、高嶺石、蒙脫石、沸石等是重要的非金屬礦物原料和材料。

  • 中文名稱
    矽酸鹽礦物
  • 外文名稱
    silicate minerals
  • 種類
    已知有800個礦物種
  • 學科
    結晶學與礦物學

概述

組成矽酸鹽礦物的元素達40餘種。其中除了構成矽酸根所必不可少的Si和O以外,作為金屬陽離子存在的主要是惰性氣體型離子(如Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Ba2+、Al3+等)和部分過渡型離子(如Fe2+、Fe3+、Mn2+、Mn3+、Cr3+、Ti3+等)的元素,銅型離子(如Cu+、Zn2+、Pb2+、Sn4+等)的元素較少見 。此外 ,還有 (OH)-、O2-、F-、C1-、[CO3 ]2-、[SO4] 2-等以附加陰離子的形式存在。在矽酸鹽礦物的化學組成中廣泛存在著類質同象替代,除金屬陽離子間的替代非常普遍外,經常有Al3+、同時有Be2+或B3+等替代矽酸根中的Si4+,從而分別形成鋁矽酸鹽、鈹矽酸鹽和硼矽酸鹽礦物。此外,少數情況下還可能有(OH)-替代矽酸根中的O2-。

矽酸鹽礦物矽酸鹽礦物

類型

由于在礦物中僅有矽灰石膏(或再加上斯石英)屬于六氧矽酸鹽,因而矽酸鹽礦物的分類實際上隻限于四氧矽酸鹽礦物。通用的分類法是以W.L.布拉格1930年提出的晶體化學分類為基礎,根據矽氧絡陰離子骨幹中[zo4]四面體(Z主要為Si4+,還可為類質同象替代Si4+的Al3+、Be2+、B3+等)的連線形式而劃分為島狀、環狀、鏈狀、層狀和架狀結構矽酸鹽五類(也有人從島狀結構矽酸鹽中再分出一類群狀結構矽酸鹽)。

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結構

矽酸鹽礦物的晶體結構中,最基本的結構單元是Si-O絡陰離子。除矽灰石膏結構中 Si4+具有6次配位,Si-O鍵長為1.78Å,形成Si-O6配位八面體而屬于六氧矽酸鹽外,其他所有矽酸鹽礦物都屬于四氧矽酸鹽。其Si4+具有4次配位,平均Si-O鍵長為1.62┱,形成Si-O4配位四面體。這樣的矽氧四面體在結構中可以孤立地存在,彼此間由其他金屬陽離子來連線。但矽氧四面體間經常還可通過共用角頂上的O2-(稱為橋氧)而相互連線,從而構成四面體群、環、鏈、層和架等不同連線形式的所謂矽氧骨幹。矽氧骨幹與矽氧骨幹之間再借助于其他金屬陽離子來連線。

形狀

島狀

具有孤立[SiO4]四面體或由有限的若幹個[SiO4]四面體連線而成(但不構成封閉環狀)矽氧骨幹的矽酸鹽礦物。骨幹形式以單個的[SiO4] 4-孤立四面體最為常見。其所有四個角頂上的氧均為活性氧(有部分電價未飽和的O2-),由它們再與其他金屬陽離子(主要是電價中等和偏高而半徑中等和偏小的陽離子,如Mg2+、Fe2+、Al3+、Ti4+、Zr4+等)相結合而組成整個晶格。橄欖石、鋯石、石榴子石等均屬之。其次是由兩個[SiO4]四面體共用一個角頂而組成的[Si2O7]6-雙四面體,見于異極礦等礦物中。在綠簾石、符山石等礦物中則雙四面體與孤立四面體同時並存。此外 ,礦物中已知的島狀矽氧骨幹形式還有三四面體[Si3O8]8-和五四面體[Si5O16]12- 。有人將島狀結構矽酸鹽礦物限于隻具孤立四面體的礦物,而將含雙四面體、三四面體和五四面體的礦物另劃一類,稱為群狀結構矽酸鹽礦物。

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島狀矽酸鹽礦物的形態和物理性質,因矽氧骨幹形式的不同而存在著差異。在具孤立四面體的島狀矽酸鹽中,由于矽氧四面體本身的等軸性礦物晶體具有近似等軸狀的外形,雙折射率小,多色性和吸收性較弱,常具中等到不完全多方向的解理。又由于結構中的原子堆積密度較大,因而具有硬度大、比重大和折射率高等特點。雙四面體島狀矽酸鹽礦物的情況則不完全相同。晶體外形往往具有一向延長的特征。礦物的硬度折射率稍偏低,並表現出稍大的異向性雙折射率、多色性和吸收性都有所增強。含水或具有附加陰離子(OH,F)的島狀矽酸鹽礦物硬度、比重、折射率都有所降低。

環狀

總述

具有由有限的若幹個[ZO4]四面體以角頂相連而構成封閉環狀矽氧骨幹的矽酸鹽礦物。其矽氧骨幹按組成環的四面體個數而有三元環、四元環、六元環、八元環、九元環和十二元環之分;此外還有雙層的四元環和六元環以及帶有分枝的六元環。常見的如綠柱石、堇青石和電氣石中的六元環。環與環之間通過活性氧與其他金屬陽離子(主要有Mg2+、Fe2+、Al3+、Mn2+、Ca2+、Na+、K+等)的成鍵而相互維系。環的中心為較大的空隙,常為(OH)-、水分子或大半徑陽離子所佔據。

形態

環狀結構矽酸鹽礦物常呈三方、六方、四方板狀、柱狀的晶體形態,這是與晶體結構中環本身的對稱性有關。另外,環本身雖具有三方、六方或四方的對稱,但由于它們與晶體結構中金屬陽離子連線的方式不同,對稱性常降低,而呈正交(斜方)、單斜或三斜晶系,但外形上仍常呈現出假三方、假六方或假四方對稱。環狀結構矽酸鹽礦物的原子堆積密度以及比重、硬度折射率一般要比島狀結構矽酸鹽礦物的稍低。此外,環本身的非等軸性,導致環狀結構矽酸鹽礦物的形態和物理性質的異向性,其程度都比島狀結構矽酸鹽礦物稍大,但比鏈狀和層狀結構矽酸鹽礦物要小得多。

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鏈狀

具有由一系列[ZO4]四面體以角頂相連成一維無限延伸的鏈狀矽氧骨幹的矽酸鹽礦物。鏈與鏈間由金屬陽離子(主要有Ca、Na、Fe、Mg、Al、Mn等)相連。已發現鏈的類型有20餘種,其中最主要的是輝石單鏈[Si2O6]4-和閃石雙鏈[Si4O11]6-。

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在鏈狀結構矽酸鹽礦物中,由于矽氧骨幹呈一向延伸的鏈,而且平行分布,所以其晶體結構異向性比島狀和環狀的要突出得多。礦物在形態上表現為一向伸長,經常呈柱狀、針狀以及纖維狀的外形。在物理性質上,解理平行于鏈的方向較發育,平行或近于平行鏈的方向折射率較高,垂直于鏈的方向較低,雙折射率較島狀或環狀礦物的大。化學組成中具有過渡元素的礦物的多色性和吸收性是非常明顯的,如富含鐵、鈦等元素的輝石族和閃石族礦物。

層狀

具有由一系列[ZO4]四面體以角頂相連成二維無限延伸的層狀矽氧骨幹的矽酸鹽礦物。矽氧骨幹中最常見的是每個四面體均以三個角頂與周圍三個四面體相連而成六角網孔狀的單層,其所有活性氧都指向同一側。它廣泛地存在于雲母、綠泥石、滑石、葉蠟石蛇紋石粘土礦物中,通常稱之為四面體片四面體片通過活性氧再與其他金屬陽離子(主要是Mg2+、Fe2+、Al3+等)相結合。這些陽離子都具有八面體配位,各配位八面體均共棱相連而構成二維無限延展的八面體片四面體片八面體片相結合,便構成了結構單元層。如果結構單元層隻由一片四面體片與一片八面體片組成,是1∶1型結構單元層,如高嶺石、蛇紋石中的層。如是由活性氧相對的兩片四面體片夾一片八面體片構成,則為2∶1型結構單元層,如雲母、滑石、蒙脫石中的層。如果結構單元層本身的電價未達平衡,則層間可以有低價的大半徑陽離子(如K+、Na+、Ca2+等)存在,如雲母、蒙脫石等。後者的層間同時還有水分子存在。此外,八面體片中與四面體片的一個六元環範圍相匹配的是中心呈三角形分布的三個八面體。當八面體位置為二價陽離子佔據時,此三個八面體中都必須有陽離子存在,才能達到電價平衡。若為三價陽離子時,則隻需有兩個陽離子即可達到平衡,此時另一個八面體位置是空的。據此,還可將結構單元層區分為三八面體型二八面體型

在層狀結構矽酸鹽礦物中,礦物晶體的形態一般都呈二向延展的板狀、片狀的外形,並具有一組平行于矽氧骨幹層方向的完全解理。在晶體光學性質上,極大多數礦物呈一軸晶二軸晶光性,並具正延性。雙折射率大。當礦物的化學組成中具有過渡元素離子時,多色性和吸收性都十分顯著。

架狀

具有由一系列[ZO4]四面體以角頂相連成三維無限伸展的架狀矽氧骨幹的矽酸鹽礦物。除極個別例外,幾乎所有架狀矽氧骨幹中的每個[ZO4]四面體均以其全部的四個角頂與相鄰四面體共用而相連線,所有的O2-全為橋氧。當Z全部為Si4+時,矽氧骨幹本身電荷以達平衡,不能再與其他陽離子相鍵合。石英族礦物的晶體結構正好就是如此。因此,從化學組成上石英族礦物(SiO2)歸屬于氧化物礦物。但不少人從結構角度把它們歸屬于架狀結構矽酸鹽礦物。為了能有剩餘的負電荷再與其他金屬陽離子相結合,一般的架狀矽氧骨幹中均有部分Si4+被Al3+或較少被Be2+、B3+等類質同象替代。故絕大多數架狀結構矽酸鹽礦物都是鋁矽酸鹽。與骨架相結合的金屬陽離子主要是電價低而半徑大的K+、Na+、Ca2+、Ba2+等。架狀矽氧骨幹中四面體連線的形式多種多樣,隨礦物而異。但從其中往往可以分割出某些形式的環、鏈等次一級的構築單元。例如方鈉石的矽氧骨架可看成由一系列四元環或六元環再連線而成;長石則可視為由一系列四元環首先連成平行a軸的曲軸狀雙鏈,由後者再連線而成架狀矽氧骨幹。

由于架狀矽氧骨幹是一個三維的骨架,它在不同方向上的展布一般不如鏈狀和層狀矽氧骨幹那樣具有明顯的異向性,因而架狀結構矽酸鹽礦物常表現出呈近于等軸狀的外形,具多方向的解理雙折射率小等特點。此外,架狀矽氧骨幹所圍成的空隙都較大,與之結合的又主要是大半徑的鹼和鹼土金屬離子,因而架狀結構矽酸鹽礦物還表現出比重小,折射率低,多數呈無色或淺色,多色性和吸收性都不明顯。隻有少數具有過渡元素的礦物,往往具有特殊的顏色,多色性、吸收性也較明顯,折射率雙折射率和比重也相對偏大。

成因

除了隕石和月岩中形成的矽酸鹽礦物以外,在地殼中無論是內生、表生,還是變質作用的幾乎所有成岩、成礦過程中普遍地都有矽酸鹽礦物的形成。在岩漿作用中,隨著結晶分異作用的演化發展,矽酸鹽礦物的結晶順序有自島狀、鏈狀、向層狀、架狀過渡的趨勢。岩漿期後的接觸交代作用熱液蝕變作用所產生的矽酸鹽礦物與原始圍岩的成分密切有關。變質作用(主要指區域變質作用)形成的矽酸鹽礦物,一方面取決于原岩成分,另一方面取決于變質作用的物理化學條件。矽酸鹽礦物及其組合在變質作用中的演變是變質作用的重要標志。表生作用形成的矽酸鹽礦物以粘土礦物為主,多屬于層狀矽酸鹽,它們在表生作用條件下是最穩定的。

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