石英研究进展简述

于灵艳　刘垚　解小颖　王丰翔

【摘 要】本文简要论述了主要造岩矿物—石英在不同产状产出的应用矿物学的应用，并结合经典文献，加以论述其研究的意义和作用。在此基础上，本文试图梳理三个前沿的观点，用比较的方法去更新和拓宽我对“石英”应用矿物学、形态、以及变体（主要指柯石英）的认识。

【关键词】石英；柯石英；应用矿物学

石英是地球表面分布最广和用途最广的一种矿物。人类对石英的研究可以追踪到远古的石器时代，然而直到今天，对石英的研究仍然是矿物学和地质学中的一个重要部分。最近，我拜读了几篇关于 “石英”微观研究的前沿文献，使我更加深刻地了解“石英”家族。于是，我试图梳理几个前沿的观点，用比较的方法去更新和拓宽我对“石英”应用矿物学、形态、以及变体（主要指柯石英）的认识。

一、石英应用矿物学方面的梳理

石英是主要的造岩矿物之一，也是鲍温反应系列低温阶段的最稳定产物之一。从地球化学角度来说，S i—O是地球上最丰富的化学元素；此外，Si具有高价态、 小半径的属性， 具有较强的亲氧性的性质。Si-O的结合不仅具有高键能而且兼具共价性和离子性的特点。于是两者结合形成了地壳中最常见的矿物——石英。然而，石英在岩浆岩、变质岩、沉积岩中均有分布。不同来源的石英同时也具用不同的特征，根据其特征可以

（1）岩浆岩（含喷出岩）中石英应用矿物学的研究

来自中酸性深成岩的石英，常含有细小的液体、气体包裹体，或含锆石、磷灰石、电气石、独居石等岩浆岩副矿物包裹体。矿物的包裹体颗粒细小，自形程度高，排列无序度高。因此，根据岩浆岩中石英的成因与产状，对石英包裹体的测定是推断岩体侵入时代、围岩的性质以及成矿岩体特征具有无法比拟的方法。例如王必任撰写的《内蒙古白乃庙石英脉群流体包裹体特征及其金的勘查意义》一文就是根据研究区石英脉群流体包裹体特征，对比金矿床成矿流体及金矿床包裹体特征，结合化学分析，进而推断研究区石英脉群是否具有金的矿化潜力。此外，石英类质同像以及同位素的测定（如锆石U-Pb年代的测定）也是近几年来比较成熟的方法。例如林振文教授撰写的《陕西省铧厂沟金矿床石英脉中锆石U-Pb年代学研究》一文便是这方面研究的成果之一。

（2）变质岩中石英应用矿物学的研究

片麻岩和片岩风化崩解后，会产生大量的单晶及多晶石英。一般而言，其粒度较深成岩的单晶石英小，表面常见裂纹，不含液体和包裹体。因此，对变质岩中的石英微型地貌的研究以及石英的形态研究正随着各种科学仪器的发展而方兴未艾。Schmidt通过光学显微镜测量绘制变质石英岩中石英组构图是石英结晶学优选研究的开端，也是矿物结晶学优选研究的起点；到了20世纪 70 年代末至 80 年代前期对石英变形机制的研究已经达到足够的高度。通过计算机模拟，预测石英结晶学优选是这一时期研究的特点；90 年代以来，石英结晶学优选的研究深入细化，一方面石英实验变形继续深入以正演组构成因，另一方面天然变形石英的研究逐渐被重视，而且通过对岩石微观区域内结晶学方向的分析来研究变形机制开始兴起。与此同时，测量石英结晶学优选的手段也在快速发展， 从最初的费氏台旋转台到 X 射线衍射仪，到后来的中子衍射仪和电子背散射衍射仪。夏浩然研究员撰写的《石英结晶学优选与应用》一文便是对石英微型态研究的成果。此外，研究石英变形对断层等方面的应力的研究具用重要的指示作用。比如令人难以想象的“石英拔丝”等微型态的研究。

（3）热液岩石中石英的研究

来自气液岩石中的石英常含有很多水、气包裹体，有时也含有电气石、金红石等矿物包裹体或绿泥石包裹体。陈小丹教授的《热液石英中微量元素特征及应用的认识与进展》一文就是该方面研究成果。该文以热液石英为研究对象， 基于石英的晶体结构特征和化学性质，以及近年来国内外在此领域取得的认识和成果，论述了石英中微量元素的赋存状态和应用。其认为，微量元素主要以 3 种方式进入到石英晶体中： 单原子替代、原子团替代和补偿电价替代。根据石英的微量元素组成和阴极发光特点， 可以有效地区别岩浆期与热液期以及热液期不同阶段的石英，有利于成矿阶段的划分； 石英中 Ti Al 等的分布与温度的密切相关， 构成地质温度计（ 如 TITANiQ） ， 能够定量地计算脉体的形成温度； 石英中 Ti Al 等元素的含量还常常与溶液酸碱度有关， 利用热液石英中 Ti 和 Al 的含量变化， 可以探讨石英沉淀的 pH 条件等， 进而认识热液流体的演化特点。

二、石英形态的方面的再认识

石英晶体的热液成因类型按温度划分主要有高温热液型，中温热液型和低温热液型按产出围岩不同可分为花岗伟晶岩型，硅质岩中的石英脉型和碳酸盐岩中的方解石脉型三种类型，各类型的石英晶体产出位置为晶洞，晶洞有溶解式和裂隙充填式两种.不同成因的石英晶体形态和微形貌不同.影响形貌差异的主要原因是温度和过饱和度.温度高，过饱和度大时，石英晶体以具有晶胞级的五联分子为生长基元，此时，石英晶形以短柱状为主，晶面微形貌圆化温度低，过饱和度小时，石英晶体以SiO<，4>四面体联结成的短链为生长基元，此时，石英晶形以柱状、长柱状为主，晶面微形貌棱角明显.产于硅质岩中的石英晶体，晶形为短柱状、柱状、长柱状，分布较平衡，而产于碳酸盐岩中的石英晶体，晶形以柱状，长柱状为主

卢清华的《天然石英晶体形貌特征》一文以热液型石英晶体为对象 ，研究了过饱和度和温度对石英晶体形貌的影响。她认为在温度高、过饱和度大的条件下形成的晶体 ，晶形以短柱状为主 ， （1010）微形貌不发育，（1011）和（0111）形成生长丘；在温度低、过饱和度小的条件下形成的晶体 ，晶形以长柱状、状为主， （1010）形成水平生长层， （1011）和（0111）形成生长锥， （1121）形成生长层；纯度较高的碱性溶液促进了（1121）的发育。

此外，石英抗风化能力强，较好的保留了搬运和沉积过程中各种地质营力所形成的微形貌特征，为沉积环境的识别提供了至关证据。根据石英颗粒表面的典型特征及个体特征的差异，来了解其形成时代所处的沉积环境，探索其搬运介质条件，进而推断沉积物的成因、古气候的变化等环境要素。如张建伟的《泰山南坡第四系沉积物石英砂表面特征及沉积环境指示》和李明慧的《青藏高原中部扎布耶茶卡142ka以来石英砂表面特征及环境意义》便是借助扫描电镜方法对石英砂表面结构进行分析来研究其沉积环境的。

三、对柯石英的再认识

柯石英是石英的高压同质多相变体，也是石英是超高压变质作用的产物。柯石英的出现，可作为所赋存的岩石曾处于很高压力条件下的可靠标志；特别是在陷坑中出现时，也可作为陨石撞击起源的有力证据。近年来有关超高压变质岩中柯石英的研究表明：石英-柯石英相变过程中的微结构变化，也能捕捉到超高压变质作用的某些信息和细节。

赵珊茸先生主编的《结晶学与矿物学》（2003版）书中有对柯石英的简单描述。书中这样描述柯石英的成因及产状（P298页）：其“产于陨石坑中，由陨石撞击变质形成”。然而最近的研究表明，这一观点是不全面。据最近的研究表明，在自然界，除陨石冲击作用外，在地球深度大于32Km、90km、130km、400km环境下也可能生成柯石英（ 90km）。基于上述现象存在，学术界对柯石英的成因和形成机制也有较大分歧。目前流行有“地球板块折返假说”以及以苏文辉教授为代表的“地表柯石英形成机制假说”。苏文辉关于柯石英研究的系列文章中提出“机械球磨能使α-石英转变成柯石英的压力和温度大大降低”的观点，并提出柯石英形成新机制“地表柯石英无需经过板块折返，而可以通过强地震波和/或较大的区域应力作用于地表石英而形成。对于地表中处于失稳的局域状态的石英，即使不大的地震波和/或较大的局域应力也可能触发而起作用导致柯石英的形成。”而嵇少丞等人认为上述观点无法解释石英的寄生岩石——榴辉岩相超高压变质岩的成因，这些岩石中矿物晶粒之间并不存在像在球磨罐里石英颗粒与钢球之间那种松散的空间关系、巨大的活动空间以及长时不断地彼此高速碰撞的剧动过程。

四、重新认识石英的启迪

对石英的重新认识启迪我们：首先，矿物形态、成分、性质、产状的内在联系及其对介质的依赖关系，反映介质状态和条件的宏观标志和微观标志。因此我们的研究领域要不断地拓展延伸。研究领域不仅局限在地壳矿物，也可以延展至地幔矿物，甚至天体矿物；此外，石英标型和成因的研究直接可为找矿勘探服务，矿物标型的定量参数经统计加工，能有效地圈定远景和找矿勘探靶区，并可预测深部及外围的隐伏矿体。再者，成因矿物学还有其理论意义，对矿物晶体化学理论深化，对岩石学和矿床学的成因学说的发展等都有推动和促进作用。总之，矿物的研究，要拓展对石英矿物认识的同时，也应该从宏观向微观纵深发展，由微观反演宏观，最终做到“见微知著，一叶知秋”。

参考文献：

[1]张德贤， 戴塔根， RUSK Brian G2《石英研究进展》

[2]王必任等《内蒙古白乃庙石英脉群流体包裹体特征及其金的勘查意义》

[3]林震文等《陕西省铧厂沟金矿床石英脉中锆石U-Pb年代学研究》

[4]夏浩然等《石英结晶学优选与应用》

[5]陈小丹等《热液石英中微量元素特征及应用的认识与进展》

[6]卢清华等《天然石英晶体形貌特征》

[7]张建伟《泰山南坡第四系沉积物石英砂表面特征及沉积环境指示》

[8]李明慧《青藏高原中部扎布耶茶卡142ka以来石英砂表面特征及环境意义》

[9]苏文辉等《一种由a-石英到柯石英转变的新途径》

[10]王德军等《地表 Coesite形成机制研究的最新进展》

[11]嵇少丞，许志琴等《石英-柯石英相变研究中若干问题的讨论》

[12]赵珊茸等《结晶学与矿物学》

基金项目：

石家庄经济学院研究生科研基金（No：KAY201303）资助