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石英(英语:Quartz),作为矿物,是大陆地壳数量第二多的矿石,仅次于长石,其晶体结构是SiO4(硅-氧四面体)的连续框架,其中每个氧在两个四面体之间共享,得到SiO2的总化学式,石英的种类有很多,无色全透明的石英称为水晶(rock crystal)。天然石英的完整晶体产于岩石晶洞中,块状的产于热液脉矿中,粒状的则是花岗岩、片麻岩和砂岩等各种岩石的重要组成部分。
石英是氧与硅的化合物,氧与人类呼吸与生命有关,无需多言。所以,我们先从硅在地壳中的丰度谈起。地壳分为二层,即陆壳与洋壳。大陆地壳分布在大陆和靠近其海岸的浅海海底区域(大陆架),覆盖了地球表面的45%,平均厚度为35km,大陆地壳上层以花岗岩等硅-铝(Al-Si)为主的岩石组成,下层以玄武岩等硅-铁-镁为主的岩石组成。洋壳称为硅镁层,因为富含硅酸镁 (Mg-Si) 物质。除表层为薄层深海沉积物外,洋壳多以玄武岩等硅、铁、镁为主的岩石组成。
高纯度的石英是制造芯片等许多关键电子产品的原料,是关系到中国未来发展的战略性矿产。海关数据显示,2015-2024年间我国进口≥4N高纯石英4.0-15.9万吨。全球来说,中国的稀土资源与高纯度石英资源的地位对比度很大。全球最优质的高纯度石英资源多在美国,如Spruce Pine伟晶岩矿床。目前,国家国土资源部确认高纯石英矿为新矿种,该矿种是指在当前技术经济条件下,经选矿、提纯可获得高纯石英砂,其二氧化硅(SiO2)纯度不低于99.995%(4N5),杂质、包裹体含量以及粒度满足半导体、光伏、光学等高新领域应用要求的矿石。
石英是大陆地壳中数量第二的矿物,且晶体形态、色彩和硬度远超位于第一的长石。石英在地壳中的丰度与人们生活有密切的关系。例如紫砂壶,由于地壳中的石英矿物极其丰富,一般家庭都可以拥有一条心仪的水晶项链,但有几个家庭能拥有一条普通的钻石项链?
紫砂的魅力关键来自两个方面,(1)矿物颗粒的品质;(2)颗粒的多彩性;由于上述变化及其不同的组合,加上壶型的变化,使紫砂壶有无穷的变化与经久不衰的魅力。正是由于这些特性,使它明显区别于瓷器或者其它门类的陶器,如瓷器的本色就只有白色的高岭土,其色彩的变化取决于制作过程中添加中表面的各种人工制造的釉色,而非天然颜色。例如,我们欣赏朱泥紫砂壶,看重的并不是其中红色粘土(基质)的颜色,而是其中朱色石英颗粒的颜色;我们推崇本山绿泥的稀有,是因为其中含有的小米黄偏绿色的石英颗粒;我们喜欢段泥壶(包括降坡泥料壶),是偏爱其中多彩的石英颗粒;我们稀罕早已停产的四号井底槽青紫砂壶,是因为其绵密、厚重、古朴的沙感给我们带来的茶道享受。
石英颗粒在紫砂矿料中的地位,决定了我们认识紫砂矿料和评价紫砂壶的品质,首先必须从了解石英的特性开始。
一、从矿物品质特性来认识石英
我们日常生活中离不开的金属元素,如铁、铝和铜,其熔点一般都比很高,分别为1538°C,660°C和1083°C 。但仍然明显低于组成石英化合物二氧化硅(SiO2)的熔点1600-1700°C。所以,无论是其不活跃的非金属属性,还是其熔点,都比我们厨房中的金属器具要稳定得多,健康与环保得多。
我们再与我们常用的碗、勺、杯和盘等瓷器相比,紫砂器也具有很大的优点。瓷器的主要成分是高岭土,主要由高岭石组成,化学式为Al2O3·2SiO2·2H2O,其中铝元素是高岭土的第二大主要成分,形式为三氧化二铝,含量为30.32%。过多的铝元素对人体健康不太友好,所以现在铝锅制造与使用越来越少。
自然界中的固体物质有软有硬,这是每个人的生活常识,但如何判断哪个软哪个硬?用什么来作为标准来衡量?早在1812年,德国矿物学家弗里德里希·莫斯(德语:Friedrich Mohs)提出一套评价物质硬度的相对标准,称为“莫氏硬度”(Mohs scale of mineral hardness),这是一种利用矿物矿物之间互相刻划来划分的矿物硬度标准。
上述莫氏硬度标准将十种常见矿物的硬度由小至大分为十级,即(1)滑石、(2)石膏、(3)方解石、(4)萤石、(5)磷灰石、(6)正长石、(7)石英、(8)黄玉、(9)刚玉、(10)金刚石(钻石)。具体鉴定方法是,在未知硬度的矿物上选定一个平滑面,用上述已知矿物的一种加以刻划,如果未知矿物表面出现划痕,则说明未知矿物的硬度小于已知矿物;若已知矿物表面出现划痕,则说明未知矿物的硬度大于已知矿物。很显然,人们早已把石英矿物作为一种标准矿物,其硬度为7。
图1. 多彩的石英颗粒
二、从矿物颜色变化来认识石英
纯净的石英晶体是白色透明的,但由于石英晶体形成时,其周围有其它微量(杂质)的参与,导致石英晶体无论是颜色、甚至在特性方面都发生了变化。在下表1中,作者总结国内外研究成果,汇总了地壳中主要石英矿物的种类、颜色变化及其成因。
表1. 主要石英的种类、颜色及颜色成因
以下是几种特别引人注目的变化:
铁及其伴随的某些有限的辐射可以形成紫水晶的浓郁色调;
镁可以形成蔷薇石英的柔和粉红色;
锰通常会赋予石英粉红色调;
钛能增强某些类型石英的蓝色而闻名。
当铝和磷在晶格中取代部分硅的位置的时候,就会产生粉晶(rose quartz),其颜色从淡粉红色到玫瑰红。
结晶环境是影响石英颜色的重要因素,石英形成的温度可以决定其纯度和净度。例如,在浓溶液中缓慢结晶的石英往往更净度,而更快的冷却会导致杂质更多,从而产生丰富多彩的变化。石英通常在高压高温下形成,由于晶格受到应力,这会导致不同的颜色,从而形成像黄水晶这样的色调,其淡黄色与其生长条件密切相关,黄水晶在自然界中相对稀有,因此优质黄水晶样本是收藏家的珍品。石英由熔岩或热液冷却结晶而成。特殊的地理位置,往往更适合某些类型的石英。例如,南美洲的安第斯山脉为富含矿物质的流体提供了理想的条件,从而形成了美丽的紫水晶晶体。相反,矿物质供应有限的地区可能会产出更清晰、色调更柔和的石英。
石英晶体由其结构中重复的图案组成,称为晶格。有时,当晶体形成时,会发生某些事情导致这种晶格结构出现缺陷或不规则性。这些缺陷会影响石英的颜色以及最终晶体的性质。自然辐射能导致石英晶格的缺陷,这些自然辐射的主要来源通常是地壳中的放射性元素,例如铀、钍和钾随着时间衰变而发出辐射。在石英晶体长时间暴露自然辐射下时,高能粒子和射线会与晶格相互作用,造成破坏并产生结构缺陷。例如,烟晶的颜色从棕色到黑色,自然辐射会使透明石英产生缺陷,使晶体看起来呈烟熏色或深色。
宜兴紫砂岩中石英颗粒的颜色,反映了独特的地质历史与地质化学过程,包括沉积前(pre-depositional)与沉积后(post-depositional)的变化。这些将在以后讨论底槽青矿料中“鸡眼”成因的时候专门加以讨论。总的来说,石英的颜色是由石英晶体中的杂质决定的,这些杂质来自周围的岩石和矿物,石英矿物在初始形成时,会被其他岩石和矿物包围,杂质元素或物质会在石英晶体生长过程中进入石英晶体。在石英形成以后,作为沉积物堆积在五通群石英砂岩地层中以后,被深埋到地壳深部,经历了浅变质过程,期间,含有铁铝等元素的热液也可以携带许多溶解的元素,生长中的石英晶体就会吸收这些元素,变成多彩的石英颗粒。
Эта статья была закончена в мой день рождения в Джохор-Бару, Малайзия. Несколько последних слов на русском языке — специально для меня. Надеюсь, когда я увижу эту статью в будущем, я смогу вспомнить некоторые моменты из жизни, когда я её писал.
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