自然非金属元素矿物类

三、自然非金属元素矿物类

（一）硫族

硫族的矿物种主要为自然硫，自然硫有三个同质多象变体，即α－硫，β－硫，γ－硫及胶状隐晶质硫。常温下只有α－硫是稳定的。α－硫的主要性质见表13－4，其他特征如下：

1.化学成分

自然硫：成分随形成环境的不同具有明显的差别，火山作用成因的自然硫含有Se、As、Te等呈类质同象代替的元素，有时Se可高达5％左右；沉积作用形成的自然硫则含有粘土、有机质、沥青等机械混入物。

2.晶体结构

自然硫：分子型结构。晶体结构中，S首先形成由8个上下交替排列的硫原子组成分子环，如图13－3所示。环之间以分子键相联结。晶胞由16个分子环构成。

图13－3　自然硫八原子环形分子（左）及晶体形态（右）

3.成因产状和矿物共生组合

自然硫形成环境比较复杂，但主要形成于地表或近地表条件下。常见有在火山凝华作用下形成的自然硫矿床；形成于硫化物矿床氧化带的自然硫主要系金属硫化物分解而成的；由生物化学作用形成的沉积自然硫矿床为在封闭泻湖环境下由细菌还原而形成的，常于灰岩或石膏中呈层状产出，具有比较大的工业价值。

4.鉴定特征

自然硫：浅黄颜色，金刚光泽，硬度低，性脆和易燃。

5.用途

自然硫主要作为制造硫酸的原料；也可应用于农业、橡胶工业、纺织工业及造纸等工业中。

生物化学作用形成的自然硫，与石油的形成与聚集有一定的关系，它的形成条件和形成环境与含沥青、有机质的石油的沉积、运移、溶解等同时同地发生，所以这种环境下形成的自然硫也可作为研究石油的形成、迁移、富集的信息而提供的一种矿物学标志。

（二）碳族

碳族的矿物种主要包括金刚石和石墨。金刚石又可分为Ⅰ型与Ⅱ型；石墨又分为2H－石墨与3R－石墨亚种。二者主要特征见表13－4，其他特征如下：

表13－4　金刚石、石墨、自然硫主要特征

1.化学成分

金刚石：无色透明者成分比较纯净，其他的则含有多种杂质元素，常见的有N、B、Si、Al、Ga、Mg、Mn、Na、Ba、Fe、Ce、Ti等，其中N与B及其他因素则构成钻石的Ⅰ型与Ⅱ型。

石墨：化学成分中纯净者比较少见，常含有SiO₂、Al₂O₃、FeO、MgO、CaO、Fe₂O₃、CuO等组分，也常见有水、粘土和沥青等物质。

2.晶体结构

金刚石：晶体结构为金刚石型。如图13－4所示，碳原子除分布于立方体的所有角顶和面心外，还相间排列于将立方体平分的八个小立方体中心的四个位置上。格子类型为立方面心格子，晶体结构也可看作为由两种碳原子组成立方面心格子相互“穿插”而成。每个碳原子周围被四个等距离等角度分布的碳所包围，形成四面体配位。所有四面体之间均以角顶沿同一方向相联结。结构中每个碳原子以SP³杂化轨道形式形成四个共价键，键角为109°28'16″。这种结构和化学键性质使金刚石具有高对称、高硬度、高熔点、高稳定性等性质。

石墨：自然界发现的石墨有两种多型结构，即2H－石墨与3R－石墨。这两种石墨由于其单元结构层沿c轴的排列重复层数不同而导致晶体的对称性不同，前者重复层数为2形成2H－石墨为六方晶系；后者重复层数为3形成3R－石墨为三方晶系，其各自的对称型及晶体结构参数见表13－4。

图13－4　金刚石晶体结构及金刚石晶体形态（形态图引自潘兆橹，1993）

图13－5　石墨的两种多型晶体结构图

石墨具有比较典型的层状结构，如图13－5所示，碳原子均按六方环状形成单元结构层沿c轴进行不同位置的重复堆积，层中的碳原子均处于上下相邻层六方环的中心。层间距0.342nm。在层内每个碳原子被周围的3个碳原子等距离包围，配位数为3。

石墨为复合键型晶体。在单元结构层内，碳原子结构最外层的4个电子以其中的3个以SP²杂化轨道形成3个共价键沿层平面联结，另外1个电子呈自由状态沿层内移动形成金属键，层与层之间为分子键联结。结构的特点导致其具有低硬度、半金属光泽和导电性等性质。

3.成因产状与矿物共生组合

金刚石形成高温高压条件下，既可形成于超基性岩浆环境中，也可形成于高级变质作用下。在岩浆中为最早结晶的矿物之一，主要产于超基性的金伯利岩和钾镁煌斑岩中，可与橄榄石、金云母、镁铝榴石、铬透辉石、镁钛铁矿、铬尖晶石、钙钛矿等矿物共生。这类矿物共生组合对于寻找金刚石矿床意义重大。我国的山东、辽宁等地，世界著名的南非金伯利、扎伊尔、博茨瓦拉，俄罗斯的雅库梯，印度，巴西等都是以这样矿物共生组合作为寻找金刚石矿床的标志。产于钾镁煌斑岩中的金刚石目前主要发现于澳大利亚。

形成于高级变质条件的金刚石，可与柯石英、斯石英等高温高压变质形成的矿物共生，金刚石本身就是高级变质作用的标型矿物。

另外，由于金刚石的物理化学性质十分稳定，在自然界经过原生矿床的风化、搬运、沉积后可形成各种各样的砂矿，这则构成金刚石资源的重要来源，而且又是构成寻找原生矿床的标志。砂矿中金刚石常与自然金、锡石、自然铂、锆石、钛磁铁矿、金红石等矿物伴生。

石墨形成于高温还原条件下，为热接触变质作用所形成的矿物。常为煤层或含碳质沉积物受到岩浆或高温热液或高温变质作用所形成。也可由碳酸盐矿物在高温还原条件下分解而形成。高温接触变质作用形成的石墨常与堇青石、红柱石等矿物共生。

4.鉴定特征

金刚石：超高硬度，极强金刚光泽，浑圆状晶体，有磷光效应。

石墨：黑色，硬度极低，易污手，极完全解理，密度低，半金属光泽。

5.用途

金刚石按用途可分为宝石级与工业级。工业金刚石是尖端技术工业必需的原料之一，为高硬切割、研磨和高温半导体材料，常在冶金、煤炭、石油、机械、光学仪器、玻璃陶瓷、电子工业、空间技术的发展中扮演着重要的角色。工业金刚石的消耗量已成为国际上衡量一个国家工业化程度的标志。

宝石级的金刚石，又称为钻石。为高档的首饰与价值昂贵的收藏品。同时又是国际上的一种硬货币。目前自然界中，高质量、颗粒大的金刚石十分罕见。止今国际上已知最大的天然钻石为南非产的重3106克拉（621g）左右的“库里南”。我国目前最大天然钻石为产于山东省临沂地区的“常林”钻石，重158.786克拉（31g）。

石墨用途广泛，常用来制作冶炼用的坩埚、机械工业的润滑剂、原子工业的中子减速剂，可以制作铅笔芯、涂料、染料等。导电性良好者可作为电极。3R－石墨可以作为人工合成金刚石的原料。