会“变脸”的矿物

同一化学成分可以形成多种截然不同的矿物，例如二氧化硅(SiO₂)，既可以形成非晶质的蛋白石、玉髓，也可以生成结晶态的石英。这是由于它们形成的条件不同。

　　如果外界条件改变时，已形成的矿物是否会变身为另外的矿物呢?答案是肯定的。

　　这种转变是如何发生的，转变的意义何在?

　　

　　晶格，晶体与晶胞

　　

　　要了解这些内容，必须先知道晶体、晶格、晶胞这几个概念。

　　众所周知，物质有3种聚集形态：气体、液体和固体。根据其内部构造特点，固体又可以分为晶体、非晶体和准晶体3大类。

　　晶体通常呈现出规则的几何形状，就像有人特意加工出来的一样。其内部原子的排列十分规整严格。如果把晶体中任意一个原子沿某一方向平移一定距离，必能找到一个同样的原子。而非晶体内部原子的排列则是杂乱无章的。准晶体是新发现的一类物质，其内部原子的排列既不同于晶体，也不同于非晶体。

　　为了描述晶体的结构，我们把构成晶体的原子当成一个点，再用假想的线段将这些代表原子的各点连接起来，就绘成了一种格架式空间结构。这种用来描述原子在晶体中排列的几何空间格架，被称为晶格。由于晶体中原子的排列是有规律的，可以从晶格中拿出一个完全能够表达晶格结构的最小单元。这个最小单元就叫晶胞。晶胞通常是一个平行六面体。

　　根据晶胞多面体的对称情况，人们将晶体外形分为7类，称为七大晶系。它们分别是：立方晶系、六方晶系、四方晶系、三方晶系、正交晶系、单斜晶系和三斜晶系。

　　

　　拥有多副面孔的矿物

　　

　　1798年，德国科学家M.H.克拉普罗特发现方解石和文石的组成都是碳酸钙，方解石属于三方晶系，是在较低温度下形成的；文石属于正交晶系，是在较高温度下形成的。1912年，M.VOn劳厄发现x射线衍射后，人们开始从晶体结构的角度认识多晶型现象。所谓多晶型现象，是指一种物质能以两种或两种以上不同的晶体结构存在的现象，又被称为同质多象或同质异象。那些组成相同、晶体构型不同的物质被叫作多晶型体，它们之间可以通过相变而彼此转变。

　　需要注意的是，单晶硅和多晶硅都是由元素硅形成的，但它们不是多晶型体，因为它们的晶体构型相同，只是晶体尺寸不同。

　　各种多晶型体通常具有不同的物理、化学性质，表现为熔点、硬度、稳定性、溶解速率等的差异。例如，金刚石和石墨的化学成分都是碳，前者属立方晶系，硬度大、透明、不导电；后者属六方晶系，硬度小、不透明、可导电。前者是在高温高压下形成的；后者则是在较低的温度和压力下形成的。又比如，拥有同一分子式A12SiO₂的矿物可形成3种变体，分别被称为红柱石、蓝晶石和夕线石。

　　在结晶学研究中，一种物质的各个变体，按其数目的不同而被称为同质二象、同质三象等，或泛泛地称其为同质多象。目前已知变体数目最多的物质是SiO₂，有12种。

　　需要说明的是，同一种矿物成分会产生出不同的结晶形态，有些是常见的，有些就很少见。比如，六方锥体形态的水晶晶体很常见，而以“日本双晶律”产生的水晶双晶就很少见。再比如，同样是黄铁矿，以八面体产出的就比立方体产出的少得多。

　　

　　矿物会“变脸”?

　　

　　研究表明，每一矿物或矿物组合都只在一定的温度、压力区间稳定。当温度、压力超过这一区间时，矿物组合即会不稳定，并将最终转化为在新条件下稳定的新矿物。这一过程即是矿物的变形。当矿物变形时，其内部会产生位错(一种晶体缺陷，其特点是在一定范围内原子发生了有规律的错动，都离开了它们原来的平衡位置)，位错在动热平衡过程中不稳定，逐渐会被消除，消除的方式是位错的重排、抵消、湮灭，产生恢复作用以及高角度边界的形成和迁移，即重结晶作用。

　　通过变质重结晶作用(变质反应)，原有矿物或矿物组合转变为新的矿物和矿物组合。重结晶过程是一个能量降低的过程，也是颗粒边界迁移形成新晶体的过程。

　　由于物理、化学条件的改变，一种同质多象变体在固态条件下改变内部结构而成为另一种变体的过程叫同质多象转变。当环境的温度、压力超出某一变体的稳定范围时，即可能发生相应变体间的同质多象转变。

　　同质多象有不同的转变方式和类型。有些同质多象变体的形成和保持稳定状态时的温、压范围都是互不重叠的；而另一些同质多象变体，对温度、压力条件不敏感，对介质的酸碱度、杂质等次要因素却较为敏感，可以在几乎相同的温度、压力下形成不同的变体。但其中只有一种是稳定的变体，其他变体实际上都是不稳定的，只是在常温常压下它们间的转变过程特别缓慢，以致不稳定变体实际上能以亚稳态长期存在；但当温度高于一定数值时，会迅速发生某种转变。如黄铁矿和白铁矿可在同样的温度、压力条件下分别形成于碱性和酸性的介质中，但白铁矿是不稳定变体，当温度高于350℃时便迅即转变为黄铁矿。

　　研究表明，实际中存在着两种不同的同质多象转变方式：其中一种叫双变性转变，其转变过程迅速而且是可逆的。如两种石英变体间的转变。另一种为单变性转变，其转变过程相对缓慢，而且只在升温过程中发生；在降温过程中并不发生相应的可逆转变，较高温度下稳定的变体可在超出其稳定范围的较低温度下以亚稳态继续存留。如β-石英与β-鳞石英以及白铁矿与黄铁矿之间的转变。

　　另外，如果同质多象转变后形成的变体，仍保持转变前变体的晶形，这种现象被称为副象。它的存在是发生过同质多象转变的重要证据。

　　一般情况下，当一种矿物转变为另一种更稳定的矿物相时，只发生晶格、形状及大小的变化，而且重结晶现象和矿物的多形转变主要发生在碎屑岩的胶结物中。在碎屑沉积岩中，最有意义的是文石胶结物向方解石的转化及非晶质氧化硅的蛋白石向玉髓及石英的转化。隐晶质的胶磷矿转变为显晶质的磷灰石，隐晶质的高岭石转变为鳞片状或蠕虫状的结晶高岭石，也是常见的矿物多形转变现象。高镁方解石转变为低镁方解石也是矿物的一种多形转变现象。但在转变过程中，会有镁离子的滤失。

　　

　　多型转变的意义

　　

　　综上可知，矿物的稳定性是相对一定的外部环境而言的。环境改变后，矿物的面孔和个性也会改变。因此，矿物面貌的改变不但具有指示环境变化的意义，人们还可以利用这一特性服务于特殊目的。

　　由于同质多象的形成与外界条件密切相关，因此，研究同质多象有助于确定晶体形成时的物理、化学条件及所经历的变化。如SiO₂等物质的同质多象，被广泛用作所谓的地质温度计和地质压力计。根据某一立方体副象的石英，可推知其形成时的温度；而斯石英(石英一种同质异形体，为更致密的高压相多型体)在地表大陷坑中的出现，则可作为该地曾发生陨石超高压冲击陨落的有力证据。又如HgS的两种变体辰砂和黑辰砂，分别形成于碱性和酸性介质中，它们的存在可说明成矿介质的酸碱性。在工业上，可用石墨制备人造金刚石；运用淬火、退火等手段控制加工件的某些物性；通过先升温至573℃以上，然后在严格控制的条件下降温，藉以消除水晶中对工业利用有害的道芬双晶等，都是利用了同质多象转变的特性。再比如，红柱石在常压下加热至1350℃以后，开始转化成与原晶体平行的针状莫来石。莫来石晶体是铝硅酸盐在高温作用下唯一稳定的形式，这是一种不可逆的晶体转化，一经转化，晶体则具有更高的耐火性能，耐火度可达1800℃以上，且耐骤冷骤热，机械强度大，抗热冲击力强，抗渣性强，荷重转化点高，并具有极高的化学稳定性(甚至不溶于氢氟酸)和极强的抗化学腐蚀性，工业上可以用来生产高温耐火材料。

　　

　　责任编辑　赵　菲