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八、同质多象

（一）同质多象的概念

在自然界，由同种化学成分在不同的热力学条件下形成不同结构的晶体的现象被称为同质多象。这些成分相同，结构不同的晶体被称为同质多象变体或同质异构体。

在自然界，最常见的C的同质多象变体为石墨与金刚石。如图6－9所示，二者的晶体结构、物理性质、形成条件差异特大。石墨一般形成于高温变质条件下；而金刚石则形成于高温高压的地幔环境下。

图6－9　金刚石（左）与2H－石墨（右）晶体结构

同质多象的每一种变体，都有一定的热力学稳定范围，都具有自己特有的形态和物理性质，在矿物上一般都作为独立的矿物种看待。

自然界的同质多象矿物，它们可以各自具有独立的矿物名称，如C的同质多象变体被称为石墨与金刚石；也可以根据其形成温度的由低到高而在相对应矿物名称前加希腊字母作前缀，如α－石英、β－石英、γ－石英等。

（二）同质多象变体之间转变的条件

1.温度

自然界的同质多象各变体都是不同热力学条件下稳定的产物，并随着其物理化学条件的改变而在固态条件下发生相互转变。一般情况下，其转变温度在一定压力下是固定的，但转变的速度随温度的下降而急剧降低。在常温下，可以看到许多不稳定变体，它指示着其形成时的温度。所以在自然界的矿物中，某些变体的存在或变化可以分析其赋存地质体的形成温度，而被称为“地质温度计”。如表6－7中可见到某些矿物同质多象变体间转变的温度。

表6－7　某些矿物同质多象转变的温度（据潘兆橹，1993）

一般在高温下形成的同质多象变体的对称性高。

2.压力

在自然界，压力对同质多象变体的转变具有较大的影响，如表6－8中可见到压力对α－石英与β－石英之间相互转变温度的影响。

表6－8　压力对α－石英与β－石英之间相互转变温度（据潘兆橹，1993）

一般的，压力增大会导致同质多象变体之间转变的温度升高。

3.其他条件

其他条件如介质的成分、杂质以及酸碱度等也会影响同质多象变体的形成。如在相同温压条件下，FeS₂在碱性介质中形成黄铁矿（等轴），在酸性介质中形成白铁矿（斜方）；在地表条件下，基性岩风化壳上的Ca［CO₃］形成文石，其他地方Ca［CO₃］形成方解石。而Sr的存在可使文石结构稳定。

（三）同质多象变体之间转变方式

自然界的同质多象各变体都是不同热力学条件下稳定的产物，并随着其物理化学条件的改变而在固态条件下发生相互的转变。依转变时的方式和转变对晶体改造的程度可将同质多象变体之间的转变分为两类：

（1）改造式的转变，又称为可逆式转变。两个变体结构之间差异小，化学键的属性相同，改造不破坏原有的键性，只是改变了邻近的键角，使质点的位置仅发生移动，则可从一种变体转变成另一种变体。这种转变是在一个确定的温度下完成的，这个转变是可逆的。例如α－石英与β－石英之间的转变为仅使Si－O－Si的键角偏转13°就可完成，这个转变温度为573℃。

（2）重建式转变，又称为不可逆式转变。两个变体结构之间差异大，转变过程要破坏原变体结构，即破坏原变体的键性、配位数、堆积方式等方面，重新建立新的结构体系。这种转变是不可逆的，转变的速度非常缓慢，而且在转变过程中需要外界提供较大的能量。否则这个转变无法完成。例如石墨转变为金刚石，需要将C的SP²杂化轨道改变为SP³杂化轨道，这个过程需要在高温高压及催化剂的参与下才能完成，完成所需的时间相对要长得多。

（四）研究同质多象的意义

矿物晶体的同质多象现象在自然界比较常见，它们的出现取决于形成时的环境条件，因此则构成研究某些赋存同质多象变体的地质体的形成条件与环境变化的依据。另外，研究同质多象变体之间转变的规律，改造矿物材料晶体结构和物理性质来满足人们的需要，如人们利用石墨来制造人造金刚石材料等。