會“變臉”的礦物

王殿華

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

如果外界條件改變時，已形成的礦物是否會變身為另外的礦物呢?答案是肯定的。

這種轉變是如何發生的，轉變的意義何在?

晶格，晶體與晶胞

要了解這些內容，必須先知道晶體、晶格、晶胞這幾個概念。

眾所周知，物質有3種聚集形態：氣體、液體和固體。根據其內部構造特點，固體又可以分為晶體、非晶體和準晶體3大類。

晶體通常呈現出規則的幾何形狀，就像有人特意加工出來的一樣。其內部原子的排列十分規整嚴格。如果把晶體中任意一個原子沿某一方向平移一定距離，必能找到一個同樣的原子。而非晶體內部原子的排列則是雜亂無章的。準晶體是新發現的一類物質，其內部原子的排列既不同于晶體，也不同于非晶體。

為了描述晶體的結構，我們把構成晶體的原子當成一個點，再用假想的線段將這些代表原子的各點連接起來，就繪成了一種格架式空間結構。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律的，可以從晶格中拿出一個完全能夠表達晶格結構的最小單元。這個最小單元就叫晶胞。晶胞通常是一個平行六面體。

根據晶胞多面體的對稱情況，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，德國科學家M.H.克拉普羅特發現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勞厄發現x射線衍射后，人們開始從晶體結構的角度認識多晶型現象。所謂多晶型現象，是指一種物質能以兩種或兩種以上不同的晶體結構存在的現象，又被稱為同質多象或同質異象。那些組成相同、晶體構型不同的物質被叫作多晶型體，它們之間可以通過相變而彼此轉變。

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，因為它們的晶體構型相同，只是晶體尺寸不同。

各種多晶型體通常具有不同的物理、化學性質，表現為熔點、硬度、穩定性、溶解速率等的差異。例如，金剛石和石墨的化學成分都是碳，前者屬立方晶系，硬度大、透明、不導電；后者屬六方晶系，硬度小、不透明、可導電。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、藍晶石和夕線石。

在結晶學研究中，一種物質的各個變體，按其數目的不同而被稱為同質二象、同質三象等，或泛泛地稱其為同質多象。目前已知變體數目最多的物質是SiO₂，有12種。

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

礦物會“變臉”?

研究表明，每一礦物或礦物組合都只在一定的溫度、壓力區間穩定。當溫度、壓力超過這一區間時，礦物組合即會不穩定，并將最終轉化為在新條件下穩定的新礦物。這一過程即是礦物的變形。當礦物變形時，其內部會產生位錯(一種晶體缺陷，其特點是在一定范圍內原子發生了有規律的錯動，都離開了它們原來的平衡位置)，位錯在動熱平衡過程中不穩定，逐漸會被消除，消除的方式是位錯的重排、抵消、湮滅，產生恢復作用以及高角度邊界的形成和遷移，即重結晶作用。

通過變質重結晶作用(變質反應)，原有礦物或礦物組合轉變為新的礦物和礦物組合。重結晶過程是一個能量降低的過程，也是顆粒邊界遷移形成新晶體的過程。

由于物理、化學條件的改變，一種同質多象變體在固態條件下改變內部結構而成為另一種變體的過程叫同質多象轉變。當環境的溫度、壓力超出某一變體的穩定范圍時，即可能發生相應變體間的同質多象轉變。

同質多象有不同的轉變方式和類型。有些同質多象變體的形成和保持穩定狀態時的溫、壓范圍都是互不重疊的；而另一些同質多象變體，對溫度、壓力條件不敏感，對介質的酸堿度、雜質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定的變體，其他變體實際上都是不穩定的，只是在常溫常壓下它們間的轉變過程特別緩慢，以致不穩定變體實際上能以亞穩態長期存在；但當溫度高于一定數值時，會迅速發生某種轉變。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中，但白鐵礦是不穩定變體，當溫度高于350℃時便迅即轉變為黃鐵礦。

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

另外，如果同質多象轉變后形成的變體，仍保持轉變前變體的晶形，這種現象被稱為副象。它的存在是發生過同質多象轉變的重要證據。

一般情況下，當一種礦物轉變為另一種更穩定的礦物相時，只發生晶格、形狀及大小的變化，而且重結晶現象和礦物的多形轉變主要發生在碎屑巖的膠結物中。在碎屑沉積巖中，最有意義的是文石膠結物向方解石的轉化及非晶質氧化硅的蛋白石向玉髓及石英的轉化。隱晶質的膠磷礦轉變為顯晶質的磷灰石，隱晶質的高嶺石轉變為鱗片狀或蠕蟲狀的結晶高嶺石，也是常見的礦物多形轉變現象。高鎂方解石轉變為低鎂方解石也是礦物的一種多形轉變現象。但在轉變過程中，會有鎂離子的濾失。

多型轉變的意義

綜上可知，礦物的穩定性是相對一定的外部環境而言的。環境改變后，礦物的面孔和個性也會改變。因此，礦物面貌的改變不但具有指示環境變化的意義，人們還可以利用這一特性服務于特殊目的。

由于同質多象的形成與外界條件密切相關，因此，研究同質多象有助于確定晶體形成時的物理、化學條件及所經歷的變化。如SiO₂等物質的同質多象，被廣泛用作所謂的地質溫度計和地質壓力計。根據某一立方體副象的石英，可推知其形成時的溫度；而斯石英(石英一種同質異形體，為更致密的高壓相多型體)在地表大陷坑中的出現，則可作為該地曾發生隕石超高壓沖擊隕落的有力證據。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中，它們的存在可說明成礦介質的酸堿性。在工業上，可用石墨制備人造金剛石；運用淬火、退火等手段控制加工件的某些物性；通過先升溫至573℃以上，然后在嚴格控制的條件下降溫，藉以消除水晶中對工業利用有害的道芬雙晶等，都是利用了同質多象轉變的特性。再比如，紅柱石在常壓下加熱至1350℃以后，開始轉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定的形式，這是一種不可逆的晶體轉化，一經轉化，晶體則具有更高的耐火性能，耐火度可達1800℃以上，且耐驟冷驟熱，機械強度大，抗熱沖擊力強，抗渣性強，荷重轉化點高，并具有極高的化學穩定性(甚至不溶于氫氟酸)和極強的抗化學腐蝕性，工業上可以用來生產高溫耐火材料。

責任編輯趙菲