方解石族矿物

方解石族矿物_结晶矿物学

二、方解石族矿物

这一族包括的矿物种有方解石、菱镁矿、菱铁矿、菱锰矿、菱锌矿和白云石，这六种矿物的主要特征见表17－1－2及17－1－3。其他特征如下：

表17－1－2　方解石、菱镁矿、菱铁矿主要特征

表17－1－3　菱锰矿、菱锌石、白云石的主要特征

（一）化学成分

方解石：成分中常含有Mn、Fe、Zn、Mg、Pb、Sr、Ba、Co、TR、V、Nb等与Ca呈类质同象替换关系进入晶体的元素。这些元素含量达到一定时，可形成锰方解石、铁方解石、锌方解石、镁方解石等方解石的亚种矿物。此外，在方解石晶体中，常见到有水镁石、白云石、铁的氢氧化物和氧化物、硫化物、石英等呈机械混合物进入的包体。

菱镁矿：成分中Mn、Fe呈类质同象关系替换Mg。此外，Ca、Co、Ni、Si等元素呈混入物进入晶体。含Ni的菱镁矿曾被称为河西石，现被称为菱镁矿的亚种——镍菱镁矿。

菱铁矿：成分中Mn、Mg可呈完全类质同象关系代替Fe。Ca可呈不完全类质同象关系代替Fe可形成亚种：锰菱铁矿、镁菱铁矿、钙菱铁矿。此外，还可含有Ti、Si、Al、Ga、Zr、Co、Ba、Bi、Cd、Cu、P、S等杂质元素。

菱锰矿：成分中常有Fe呈类质同象关系代替Mn。也含有Ca、Zn、Mg、Cd、Co等杂质元素，可形成变种：锌菱锰矿、钙菱锰矿等。

菱锌矿：成分中含有Fe、Mn、Mg、Ca、Cd、Co、Cu、Pb、Tl、Ag等杂质元素，常形成亚种：铁菱锌矿、镁菱锌矿、钙菱锌矿、镉菱锌矿、钴菱锌矿、铜菱锌矿、银菱锌矿等。

白云石：成分中可见有Fe、Mn、Co、Zn、Ca呈类质同象关系替代Mg；Pb、Na呈类质同象关系替代Ca，形成的亚种有铅白云石、锌白云石、钴白云石等。

（二）晶体结构

方解石：晶体结构为方解石型，如图17－1－1所示。结构可视为沿3次对称轴压缩或拉伸变形的NaCl型结构。即在NaCl结构中，Na⁺的位置被Ca²⁺替代，Cl^－的位置被［CO₃］^2－代替。结构中［CO₃］^2－呈平面三角形，三角形的平面都垂直3次对称轴分布。整个结构中，Ca与［CO₃］^2－呈层状分布沿c轴交替排列，相邻层中［CO₃］^2－三角形方向相反，Ca处于［CO₃］^2－层中间平面的位置，其配位数为6。构成的晶胞有钝菱面体状，Z=4；锐菱面体状，Z=2；六方晶胞状，Z=6。结晶学上采用的锐菱面体状，Z=2，但不同晶胞之间可以转换，本书采用的为六方晶胞状。

图17－1－1　方解石晶体结构（左为前视图，右为俯视图）

菱镁矿：晶体结构为方解石型，只是Mg代替了方解石结构中Ca的位置。

菱铁矿：晶体结构为方解石型，只是Fe代替了方解石结构中Ca的位置。

菱锰矿：晶体结构为方解石型，只是Mn代替了方解石结构中Ca的位置。

菱锌矿：晶体结构为方解石型，只是Zn代替了方解石结构中Ca的位置。

白云石：晶体结构为方解石型，如图17－1－2所示。结构中，只是Ca、Mg沿3次对称轴有序地交换代替Ca的位置，即Ca八面体与Mg八面体有规律交替排列。这样排列导致白云石的对称要比方解石的低，也导致了晶胞增大。同时也形成了马鞍状的晶体形态。

图17－1－2　白云石晶体结构（左为俯视图，右为前视图）

（三）成因产状与矿物共生组合

方解石为自然界分布最广泛的矿物之一，可形成于各种地质环境下，具有不同成因类型，并且其晶体形态随着形成环境而变化：

在外生条件下，Ca和CO₂以可溶性的重碳酸盐进行迁移进入海盆地，当其达到过饱和时，可沉积形成大量的CaCO₃胶体，经凝固后变成石灰岩。当海水不稳定时，可形成鲕状灰岩，其中可含有大量的生物化石。有时CaCO₃的Ca部分被Mg交代可形成白云质的灰岩，甚至白云岩。

外生条件下，CaCO₃胶体可以转变为球状方解石－文石－方解石，并常呈文石的假象。

在碱性岩浆形成碳酸盐岩和碳酸盐熔岩中，方解石可构成主要的造岩矿物，常与白云石、金云母等矿物共生。

方解石可形成于中、低温热液矿床中，呈脉状或在晶洞中产出具有完好的形态和透明度，构成冰晶石晶体。常与各种热液金属硫化物矿物和氧化物矿物共生。

石灰岩与岩浆接触可发生热变质重结晶形成由粗粒的方解石组成的大理岩。

石灰岩、大理岩在地表风化时被地下水溶解成重碳酸盐进入溶液，在适当的环境下沉积形成石钟乳、石笋、石柱等。在我国桂林一带的石灰岩溶洞中形成的石钟乳、石笋、石柱呈现美丽壮观的景色而闻名世界。

在风化壳的氧化带中，方解石一般不形成大量堆积。可产于超基性、基性岩石的风化带中，与文石共生；在硫化物矿床的氧化带的铁帽里，方解石呈薄膜状、葡萄状、晶簇状，与针铁矿、水赤铁矿、褐铁矿、硬锰矿、黄钾铁矾等矿物伴生。方解石也易被石膏、胶体SiO₂、白云石、孔雀石、菱锌矿等所交代。

菱镁矿可形成于热液作用、风化作用和沉积作用中，分布量比方解石小。热液成因的菱镁矿为热液交代了白云石或白云质灰岩或镁质超基性岩而形成的，常与方解石、白云石、滑石、绿泥石等矿物共生。我国辽宁大石桥是世界上产菱镁矿矿床最著名的产地之一。

富镁的超基性岩被强烈风化后可形成隐晶质的菱镁矿，常出现在风化壳的底部，呈细脉或胶状、钟乳状与蛋白石一起充填在裂隙中，常呈瓷状光泽，贝壳状断口。

在外生条件下，菱镁矿形成于海相沉积岩石中，为硫酸镁与碳酸钠反应的产物。菱镁矿与硫镁矾、硬石膏、白云石、方硼石等矿物共生。

菱铁矿具有热液和沉积两种成因类型，常形成于还原环境中。

热液成因的菱铁矿常见于金属矿脉中，常与铁白云石、方铅矿、闪锌矿、黄铜矿、磁黄铁矿等矿物共生。也可交代灰岩形成不规则的矿层。

沉积成因的菱铁矿，常见于粘土、页岩和煤层中，呈鲕状、结核状，与鲕状赤铁矿、绿泥石、针铁矿等共生；也可呈结核状出现在铝土矿层中。所谓的泥铁矿就是这种成因的菱铁矿，系在缺氧条件下，由生物作用或化学沉积作用形成，呈致密块体或具有放射状结构的结核状体。

在我国元古代、古生代的地层中，都有菱铁矿层产出。东北辽河群的大栗子铁矿、北方震旦纪宣龙式铁矿是由鲕状菱铁矿、赤铁矿、铁绿泥石及磁铁矿等组成。南方中生代的宁乡式铁矿、北方中生代的山西式铁矿、四川南部二叠纪乐平煤系中均有呈层状、透镜状产出的菱铁矿。

菱铁矿在氧化条件下不稳定，易形成水赤铁矿呈铁帽出现，成为寻找原生铁矿的标志特征。

菱锰矿成因类型可具有热液、沉积及变质三种类型。以沉积成因的菱锰矿分布最广泛，常形成沉积矿层。我国许多地方都有海相沉积的菱锰矿矿床，如湖南湘潭的锰矿床，主要由鲕状菱锰矿、石英、石髓、蛋白石、高岭石等组成。贵州遵义上二叠纪龙潭组的锰矿床中，菱锰矿与锰方解石、钙菱锰矿、水锰矿、黄铁矿、高岭石、水云母等矿物共生。东北瓦房子浅海沉积的铁锰矿床中，菱锰矿与铁菱锰矿、水锰矿、赤铁矿、绿泥石、石英、黄铁矿等矿物共生。

在硫化物矿脉中，菱锰矿可与方解石、菱铁矿、萤石、石英等矿物共生；在热液交代及接触变质矿床中菱锰矿与蔷薇辉石、锰铝榴石等矽卡岩矿物共生。

菱锌矿形成于硫化物矿床氧化带中，为闪锌矿分解变化的产物，常产于裂隙或矿床洞穴壁上，与针铁矿、孔雀石、蓝铜矿等矿物共生。

白云石在自然界分布较广泛，主要有热液和沉积两种成因类型。沉积成因的白云石主要形成于海盆地的沉积物中，形成巨厚的白云岩或白云质灰岩，常与菱铁矿等呈互层。在泻湖相的岩盐矿床中，白云石与石膏、硬石膏、石盐等矿物共生。我国沉积型白云岩分布广，主要存在于前寒武纪地层中。

热液成因的白云石为热液交代白云岩等的产物，也可从含镁热液中直接结晶而来。我国的许多钨、铋、铜、铁脉状矿体中，可见白云石具有完好的晶体，与方解石、石英、黑钨矿、黄铜矿等矿物共生。

在碱性岩浆成因的碳酸岩中，白云石也是主要造岩矿物之一，常与方解石等矿物共生。

含镁质的蛇纹岩、滑石岩及白云质的灰岩在接触变质或区域变质中均可形成粗粒的白云岩或白云石质大理岩。在变质作用高级阶段，白云石可被分解为方镁石和水镁石。

（四）鉴定特征

方解石：具有菱面体完全解理，硬度低，与盐酸反应剧烈起泡。

菱镁矿：呈白色，致密块状，菱面体解理发育，比方解石硬度稍大。

菱铁矿：表面氧化呈褐色，密度大，菱面体解理发育。

菱锰矿：具有玫瑰红色，氧化后表面呈黑色。硬度低，常与其他碳酸盐矿物共生。

菱锌矿：具有胶体形态，较大的密度和硬度，菱面体解理发育差。

白云石：具有马鞍状的晶体外形，与冷盐酸反应弱。

（五）用途

方解石、石灰岩、大理岩常用于建筑、冶金、化工等行业中，用来烧制石灰、水泥，制造碳酸。冰洲石可作为光学材料，制作偏光镜。也可用在国防工业、制作天文望远镜等行业中。

材料行业对冰洲石的要求为完全透明、无裂隙、无双晶及无包体等方面。

菱镁矿主要用于制造碱性耐火材料、炼钢炉的炉衬及耐火砖、冶金砂，也可用于制造含镁水泥，用于防热、保温、隔音等方面。化学工业用于制造硫酸镁等化合物。还可作为提取镁的矿物原料。

菱铁矿可作为提炼铁的矿石原料。

菱锰矿作为提取锰的重要矿物原料。

菱锌矿大量聚集时可作为提取锌的矿石原料，其含锌量比闪锌矿高2～3倍。

白云石广泛用于冶金、化工、玻璃、建筑等行业中。冶金行业中用于制作碱性耐火材料和高炉冶炼生产中的熔剂，能提高炉渣碱度和加强脱硫作用。部分白云石可以作为提取镁的原料。白云质的大理岩可以作为建筑用的雕刻材料。