方解石—文石族

本族礦物包括鎂、鋅、鐵、錳、鈣、鍶、鉛和鋇等二價陽離子與碳酸根化合而成的無水碳酸鹽。其中鎂、鋅、鐵、錳和鈣的碳酸鹽之晶體結構屬方解石型，鍶、鉛、鋇和鈣的碳酸鹽之晶體結構屬文石型。Ca[CO3］有三個同質多像變體，最常見的是三方晶系變體方解石，其次是正交晶系變體文石，而六方晶系變體六方碳鈣石由于穩定性很差，在自然界很少見。方解石的晶體結構視為變形的Na Cl型結構。使Na Cl的立方晶胞沿一個三次對稱軸方向壓扁至棱間交角為101°55′的鈍角菱面體（圖11-2A），并以Ca2+和[CO3]2－分別取代Na＋和Cl－的位置，即為方解石結構。垂直該三次軸方向上，[CO3]2－配位三角成層排列，每一[CO3]2－層均與其相鄰層中的[CO3]2－三角形的位向相反。Ca2＋的配位數為6。由于Na Cl具有{100}完全解理，在方解石中相當于 完全解理。對應于 解理的菱面體晶胞是一個面心格子的大晶胞，不符合布拉維空間格子的選擇原則。方解石真正的單位晶胞應是一銳角菱面體狀。三方菱面體格子可按六方格子進行劃分，因此方解石的銳角菱面體單位晶胞可劃分成具雙重體心的六方晶胞（圖11-2B）。圖11-2 A－方解石的結構；B－單位晶胞與菱面體解理的關系菱面體解理是面心格子，用六方格子劃分為原始菱面體格子（據陳武等，1985）文石型結構中Ca2＋和[CO3]2－的排列方式與方解石不同，如圖11-3，其Ca2＋近似呈六方緊密堆積（方解石中Ca2+近似呈立方緊密堆積）；每個Ca2+與相鄰接觸的O2-不是6個，而是9個，即Ca2+的配位數為9，每個O由3個Ca和1個C與其配位。因此，文石結構較方解石結構緊密。圖11-3 文石的晶體結構長虛線示出與晶胞中央的Ca2＋配位的9個O2－根據結構屬方解石型抑或文石型，本族礦物相應地分為方解石亞族和文石亞族。（一）方解石亞族本亞族礦物包括方解石Ca[CO3］、菱鎂礦Mg[CO3］、菱鐵礦Fe[CO3］、菱錳礦Mn[CO3］、菱鋅礦Zn[CO3］等。各礦物組分之間的類質同像置換普遍。方解石Calcite—Ca[CO3］晶體參數 三方晶系；對稱型3m?？臻g群R3C;a0=0.499nm,c0=1.706nm;Z=6。成分與結構　Ca O 56.0%,CO244.0%。Ca[CO3］與Mn[CO3］之間呈完全類質同像系列；Ca[CO3］與Zn[CO3］、Ca[CO3］與Fe[CO3］之間為不完全類質同像系列。由于Ca2＋、Mg2＋的半徑相差過大，低溫下的替代能力極小，當Ca和Mg同時存在時，則形成復鹽白云石Ca Mg[CO3]2。方解石的結構見前描述。形態　常以良好晶形出現（圖11-4、11-6）。如 六方柱，{0001}底面， 和 等菱面體，以及 復三方偏三角面體等。若呈片狀或薄板狀者稱為層解石。以 為雙晶面的負菱面聚片雙晶或接觸雙晶極為常見。前者多為滑移雙晶（見白云石）以（0001）為雙晶面的方解石律接觸雙晶也較普遍（圖11-5A），以 為雙晶面的接觸雙晶則少見（圖11-5B）。集合體常呈晶簇狀、片狀、粒狀、塊狀、鐘乳狀（稱鐘乳石stalactite）、結核狀等。圖11-4 方解石的晶形A—厚板狀；B—復三方偏三角面體；C—柱狀c{0001},m{1010},e{0112},v{2131},r{1011}（據Berry等，1983，修改）圖11-5 方解石的雙晶A一以（0001）為雙晶面的方解石律雙晶；B—以（2021）為雙晶面的接觸雙晶v{2131}（據Berry等，1983，修改）圖11-6 方解石晶體A—菱面體的方解石和紫水晶；B—復三方偏三角面體的方解石和螢石（據Klein等，2007）物理性質　一般呈白色，含各種混入物呈不同的顏色，如灰、黃、淺紅、綠、藍等色；玻璃光澤。硬度3；解理平行 完全。密度2.715g/cm3。加冷稀HCl劇烈起泡。純凈、無色透明的方解石，稱為冰洲石（iceland spar）。鑒定特征　菱面體完全解理，硬度3，加冷稀HCl劇烈氣泡。成因與產狀　方解石形成于多種地質作用。①沉積作用：海水中Ca[CO3］達到過飽和后，形成沉積的石灰巖。②風化作用：石灰巖被溶解后形成重碳酸鈣溶液，當壓力減小或蒸發時，釋放出大量的CO2，使Ca[CO3］沉淀下來形成方解石。它們常分布在石灰巖的溶洞或裂隙中。我國石灰巖溶洞尤以桂林為佳，其中的石鐘乳和石筍形成瑰麗壯觀的景色，聞名世界。③生物作用：生物吸收Ca[CO3］后形成的介殼在海底堆積形成生物礁灰巖。④巖漿作用：來自上地?；蛴蓧A性巖漿分異的碳酸鹽巖漿，侵入地殼冷凝結晶而成。⑤熱液作用：中低溫熱液礦脈中經常伴有方解石出現。⑥泉水中溶解的重碳酸鈣，當到達地表后因壓力降低釋放出CO2，在泉水出口處沉淀出石灰華（travertine）。主要用途　石灰巖和大理巖主要由方解石組成，它們是化工、水泥等工業的原料。在冶金工業上用做熔劑，在建筑工業方面用來生產水泥、石灰，大理巖還可作建筑裝飾材料。方解石經機械加工（用雷蒙磨或其他高壓磨直接粉碎天然的方解石）可以制得重質碳酸鈣，它是優良的填充劑和性能改良劑，廣泛用于塑料、橡膠、造紙、涂料、電纜、油漆、飼料、醫藥、玻璃、陶瓷等領域。例如，電纜皮中添加了重質碳酸鈣可以提高電纜5～10倍的絕緣強度；如果用萬目以上碳酸鈣超細粉制成的轎車底盤涂料，可以使轎車底盤有比鋼板還強的防沖刷能力。當前，重質碳酸鈣成為大部分工業制造的原始材料，囊括了大部分輕重工業的生產和制造部門。冰洲石因具有雙折射，成為制造偏光棱鏡的光學材料。菱鎂礦Magnesite—Mg[CO3］晶體參數　三方晶系；對稱型 。空間群 ;a。＝0.464nm,c0=1.502nm;Z=6。成分與結構　MgO 47.81%,CO252.19%。Mg[CO3］與Fe[CO3］之間為完全類質同像系列。常含少量的Ca和Mn。其晶體結構為方解石型。形態　通常呈粒狀集合體。在風化殼中呈瓷狀塊體。物理性質　白色，含鐵者呈黃或褐色；玻璃光澤。硬度3.5～4.5；解理平行 完全；瓷狀塊體具貝殼狀斷口，密度2.98～3.48g/cm3。隨Fe2＋含量的增高而增大。鑒定特征　以其白色、粒狀集合體、菱面體解理為鑒定特征。與方解石的區別是硬度稍高于方解石；加冷稀HCl不起氣泡，加熱后才劇烈起泡。成因與產狀　熱液成因的菱鎂礦，系由碳酸鹽沉積巖經含鎂熱液交代而成。富含鎂的超基性巖受到含碳酸熱液的作用，也可以形成菱鎂礦。風化作用下，蛇紋巖受地表含碳酸水溶液的作用，常在風化殼底部形成菱鎂礦的細脈，或呈脈狀填充于裂縫之中。我國遼寧大石橋是世界最著名的菱鎂礦產地之一。主要用途　用于制造耐火材料和提煉金屬鎂。菱鐵礦Siderite—Fe[CO3］晶體參數　三方晶系；對稱型 ?？臻g群 ;a0＝0.469nm,c0=1.537nm;Z=6。成分與結構　FeO 62.01%,CO237.99%。Mg[CO3］與Fe[CO3］之間為完全類質同像系列。Ca2＋與Fe2＋的半徑存在較大差異，因此，替代有限。其結構為方解石型。形態　呈菱面體形態，晶面常彎曲。集合體呈粗粒至細粒狀，亦有呈結核狀、葡萄狀、土狀。物理性質　灰黃至淺褐色，部分因氧化而呈深褐色；玻璃光澤。硬度3.5～4.5。解理平行{1011}完全。密度3.96g/cm3。燒灼后的殘渣具磁性。鑒定特征　菱面體完全解理，遇冷稀HCl緩慢起泡。與本亞族其他礦物的區別在于燃灼后的殘渣具磁性。成因與產狀　熱液成因的菱鐵礦見于金屬礦脈中；外生成因的菱鐵礦見于頁巖、黏土或煤層中，規模大者，可作為鐵礦開采。所謂泥鐵礦便是這種成因的，系在缺氧的環境下，由生物作用或化學沉積作用形成，它的形態常呈致密塊狀或具放射狀構造的結核狀。在氧化條件下，易轉變為針鐵礦和纖鐵礦。主要用途　提煉鐵的礦物原料。菱錳礦Rhodochrosite—Mn[CO3］晶體參數　三方晶系；對稱型 ?？臻g群 ;a0=0.478nm,c0=1.567nm;Z=6。成分與結構　MnO 61.71%,CO238.29%。與菱鐵礦和方解石分別成完全類質同像系列。結構屬方解石型。形態　呈菱面體形態，但比較少見，通常呈粒狀、腎狀、塊狀或柱狀集合體。物理性質　玫瑰紅色，隨鈣含量增加而變淡，氧化后呈褐黑色；玻璃光澤。硬度3.5～4.5。解理平行 完全。密度在3.70g/cm3左右，隨鐵和鈣含量的變化而變化。鑒定特征　菱面體完全解理、較低硬度、遇冷稀HCl起泡，以及其風化表面或裂縫中，常有變成黑色的氧化錳存在，從而與薔薇輝石、薔薇石英等呈玫瑰紅色的礦物相區別。與其他類似的碳酸鹽礦物的區別，以其顏色作為特征。成因與產狀　菱錳礦有熱液成因和沉積成因。前者見于銅、鉛、鋅硫化物熱液礦脈中，與方解石、菱鐵礦、螢石和石英等共生；或見于交代成因的礦床中，與薔薇輝石、錳鋁榴石等伴生。沉積生成的菱錳礦大量分布于海相沉積錳礦床中。主要用途　提煉錳的礦物原料。菱鋅礦Smithsonite—Zn[CO3］晶體參數　三方晶系；對稱型3m?？臻g群R3c;a0=0.465nm,c0=1.503nm;Z=6。成分與結構　ZnO 64.90%,CO235.10%。常含Fe2＋。此外，尚含少量的Co、Mn2＋、Mg、Cu、Pb、Cd。結構屬方解石型。形態　通常呈鐘乳狀、土狀、皮殼狀集合體。物理性質　灰白色微帶淺綠或淺褐；玻璃光澤，解理面有時呈珍珠光澤。硬度4～4.5。解理平行 ，但不及前幾種礦物完全。密度4.43g/cm3。鑒定特征　以其形態、產狀，以及其粉末加冷稀HCl起泡為特征。與本亞族其他礦物的區分在于密度較大，菱面體解理不完全。成因與產狀　主要見于原生鉛鋅礦氧化帶中，系閃鋅礦氧化分解所產生的硫酸鋅，交代碳酸鹽圍巖或原生礦石中的方解石而成。（二）文石亞族本亞族包括的礦物為文石Ca[CO3］、碳酸鍶礦Sr[CO3］、白鉛礦Pb[CO3］和碳酸鋇礦Ba[CO3］。各礦物組分之間的類質同像置換表現為有限或不完全替代。文石Aragonite—Ca[CO3］晶體參數　正交晶系；對稱型mmm?？臻g群Pmcn;a0=0.495nm,b0=0.796nm,c0=0.573nm;Z=4。成分與結構　成分同方解石，少量的Sr、Pb替代Ca。結構見前描述。形態　晶形呈柱狀（圖11-7A）或尖錐狀；常見以（110）為雙晶面的文石律接觸雙晶（圖11-7B）和貫穿三連晶（圖11-7C），三連晶常呈假六方柱（圖11-7C、11-8）。集合體常呈柱狀、針狀、纖維狀或晶簇，也有呈鐘乳狀、豆狀、鮞狀。圖11-7 文石的晶形和三連晶A—柱狀晶形；B—聚片三連晶；C—假六方柱狀貫穿三連晶c{001},b{010},m{110},k{011}，λ{091}，σ{991}（A、B：據Berry等，1983，修改）圖11-8 文石三連晶物理性質　無色或白色；玻璃光澤，斷口油脂光澤。硬度3.5～4；解理平行{010}不完全；貝殼狀斷口。密度2.94g/cm3。遇冷稀HCl劇烈起泡。鑒定特征　文石遇冷稀HCl劇烈起泡，與方解石相似。但以解理和密度不同而區別。成因與產狀　在自然界，文石遠比方解石少。由圖11-9顯示，文石穩定于較高的壓力條件下。它的密度大約要比方解石大8%。在藍閃石片巖（為高壓條件下形成）中常見文石與硬玉、硬柱石和石英共生。文石主要是由外生作用形成。常見于許多動物的貝殼或骨骸之中（如頭足類和雙殼類動物的外殼）。珍珠的主要構成物就是文石。文石在海水中可直接形成。在金屬礦床的氧化帶中也有出現。內生成因的文石是熱液作用最后階段的低溫產物，見于玄武巖、安山巖的氣孔中或裂隙中，溫泉沉淀物中也有文石產出。圖11-9 方解石和文石的相圖（實驗獲得的大致穩定區間）（據Cornelis Klein＆Barbara Dutrow,2007）貝殼珍珠層中文石的擇優取向生長多晶體是許多單晶體的集合，即同種晶質礦物集合體。多晶體中的每個單晶為各向異性體，但如果組成多晶體的各單晶在空間上的排列是完全無規則的，僅為統計上的均勻分布，即在不同方向上取向幾率相同，則這種多晶集合體在不同方向上，其力學、電學、光學、耐腐蝕、磁學甚至核物理等方面的性能在宏觀上就會表現出相同的現象，具有各向同性的性質。但如果多晶體在其形成過程中，由于受到外界的力、熱、電、磁，以及生物作用等各種不同條件的影響，或在形成后受到不同的加工工藝的影響，多晶集合體中的各晶粒不同程度地朝一個或幾個特定方向排列和聚集，這種在某些方向上的取向幾率增大的現象稱為擇優取向（preferential tropism;preferential growth）。其性能在宏觀上則顯示各向異性的性質。貝殼珍珠層中的文石晶體的生長具有擇優取向。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察，證實了珍珠層由文石晶體與有機基質交替排列而成，呈現出規整有序的“磚墻”式結構。表現為文石沿著珍珠層面定向分布，其結晶學C軸垂直珍珠層層面（相當于（001）面網平行珍珠層面）。它的形成機理一直受到人們的關注，其中的模板說認為珍珠層成分由文石和少量的有機質（總量只占1～5wB/%）構成，薄層有機質充填于文石礦物之間，正是這微量的有機質控制了珍珠層的形成。導致珍珠層中所有的文石小板片的C軸垂直于珍珠層面。珍珠層是由文石和微量有機質經生物自組裝形成的一種優異的天然納米無機－有機復合材料。它的抗破裂能力比無機成因的文石要高出3000倍以上，如此優異的力學性能與珍珠層的有機質和文石的擇優取向有關。珍珠層在形變和斷裂過程中，有機基體與相鄰的文石層彼此粘合，降低了裂紋尖端的應力場強度因子，增大了裂紋的擴展阻力，從而提高了材料的韌性。白鉛礦Cerussite—Pb[CO3］晶體參數　正交晶系；對稱型mmm?？臻g群Pmcn;a0=0.515nm,b0＝0.847nm,c0=0.611nm;Z=4。成分與結構　Pb O 83.53%,CO216.47%。有時含Ca、Sr、Zn。結構屬于文石型。形態　晶形常呈柱狀、板柱狀和假六方雙錐狀（圖11-10A、B）。常以（110）為雙晶面形成雙晶或三連晶（圖11-10C）。集合體常呈粒狀、塊狀、鐘乳狀等。物理性質　白色或灰白色；金剛光澤。硬度3～3.5；解理平行{110}和{021}不完全；貝殼狀斷口。密度6.55g/cm3。鑒定特征　以其金剛光澤、密度大和產狀為特征。成因與產狀　是鉛鋅硫化物礦床氧化帶中的次生礦物。系由方鉛礦氧化成鉛礬Pb[SO4］，再受碳酸水溶液作用而形成。圖11-10 白鉛礦的晶形和三連晶A—假六方雙錐狀晶形；B—板柱狀晶形；C—貫穿三連晶c{001},b{010},m{110},i{021},p{111},r{130}（據Berry等，1983，修改）主要用途　為提煉鉛的礦物原料。
備注：數據僅供參考，不作為投資依據。