水晶及其伴生矿物的形成条件

《水晶及其伴生矿物的形成条件》结题报告
09级14班杨溢组
一`背景资料
水晶像纯净的水一样透亮明洁,我国古代有“水精”、“水玉千年冰”和“火齐”等名称.
神话故事里把龙王在海底居住的宫殿称为“水晶宫”.实际上,
水晶不是生在水下龙宫,而是生在山上的岩洞中.
水晶是一种无色透明的石英柱状结晶体矿物，样子像玻璃而
比玻璃离硬,化学成分是二氧化硅。

当二氧化硅结晶完美时就
是水晶，二氧化硅胶化脱水后就是玛瑙，二氧化硅含水的胶
体凝固后就成为蛋白石，二氧化硅晶粒小于几微米时，就组
成玉髓、燧石、次生石英岩。

理想的晶体形态是六方柱或六
方双锥.水晶晶体是在岩石空洞中生长起来的,它在成长过程
中需要许多条件,而且水晶的成长必须以洞壁为依托,因此我们所见的天然水晶往往是上半截发育得很完美,下半截的晶体不完整.水晶由于含有不同的混入物而呈多种颜色。

在水晶中含有砂状、碎片状针铁矿、赤铁矿、金红石、绿泥石等包裹体。

含锰和铁者称紫水晶，含铁者（呈金黄色或柠檬色）称黄水晶，含锰和钛呈玫瑰色者称蔷薇石英即粉水晶，烟色者称烟水晶，褐色者称茶晶，黑色透明者称为墨晶。

水晶一般在花岗伟晶岩体中分布较多，偶尔在其他种类的花岗岩及受热的石英砂岩中
也有分布。

众所周知，上述岩石中的水晶是在地底矿脉中经岩浆及
热液活动形成的。

但是，在一些石灰岩中，有时也能发现水晶——
在岩浆的高温下，石灰岩会分解变质，含有Sio2的熔岩也会因冷却
过快而形成非晶体的玛瑙或玉髓、蛋白石等。

而有相当一部分水晶
晶体不仅生长在石灰岩中，而且晶体与岩石交界处也没有玛瑙层等
剧烈冷却的迹象，这显然与水晶形成所需高温条件相矛盾。

因此，
我们的目的，就是探究清楚水晶在形成晶体时所必需的物理、化学
方面的外部条件，并尽量对石灰岩中的水晶晶体的形成作出解释.
因此，我们将研究题目定为《水晶及其伴生矿物的形成条件》。

二`小组成员
杨溢，组长、发言人、并负责野外考察；丁源，组织成员，并负责前期人员安排；孙智砚,参与野外考察、采集标本；张明祥野外考察、撰稿及补充;何宇通撰稿、查找资料,丛佳林、张志昊、李彦懋,查找、整理资料并校对.
三`相关资料
世界上主要的水晶产地，有巴西、乌拉圭、马达加斯加；中国
的水晶以江苏东海、海南五指山、河南平顶山与山西五台山等地。

其中江苏省的东海县是享誉八方的“中国水晶之都”，境内的石英
储量约为3亿吨，水晶储量约为30万吨，其质量、储量均位居全
国之首。

硅产业集群产值110.4亿元，占全县经济总量的一半，石
英拉管产量、硅微粉和石英玻璃原料的国内市场占有率都在80％
以上，高纯石英砂则替代了进口货。

东海县依托特色资源优势，
以科学发展观引领硅产业发展，依靠科技提升产业层次，拉长做
大产业链，把全国“百佳”产业集群从“中国重要的硅材料产业基地”
打造为“世界水晶集散地”、“东方石英中心”。

1880年,法国化学家皮尔.居里和兄弟雅克.居里,把水晶切成薄片,放在两块金属板之间作加压和拉伸实验时,发现水晶片的两个表面会产生正电和负电.他俩把这种现象称为“压电现象”,这就成了单晶水晶在无线电工业中实际应用和基础.由单晶硅片制成的谐振器、滤波器广泛应用于电子行业,自动武器、导弹核武器、人造卫星等尖端工业.
四、水晶形成分析
水晶的产地大多是处于板块交界处或断裂带附近，历史上地下熔岩活动较多，因此能够满
足形成深成花岗伟晶岩的热力条件（670℃以上）。

另外，
岩浆中要保证有足够的硅元素。

譬如伟晶岩，不仅含有石
英，而且含有许多种类的硅酸盐矿物。

但仅有这些是不够
的，如果岩浆喷出地表，那么它会迅速冷却，只会形成喷
出岩，显然水晶不会在其中生成。

所以，岩浆岩中的水晶，
要经过长期的高温高压结晶过程。

拿江苏东海来说，这里
有大大小小300条以上的石英脉，其形成的时间开始于约8000万年前的燕山地质时期。

而在这之前，现在的桃林羽山镇的地下巨大的花岗岩体因北部的火山活动而发生断裂,给了这些石英脉的形成以足够的空间。

花岗伟晶体岩中，还常常有其他有价值的矿物。

巴西的水晶矿附近，有品质极好的铁矿、稀土矿等蕴藏。

尤其值得关注的是，天然金常与石英伴生，在类似山东招远这样的地方，找到一条大石英脉就有可能意味着找到了一条金矿脉。

对于现有水晶矿的存在条件及原因，我们整理如下：
①需要稳定的固态基岩；因为水晶需要能容纳胶化热液的空腔才能形成.
②需要偏酸性的化学条件；因为水晶的成分是比较纯粹的二氧化硅,是酸性氧化
物.
③需要稳定的热力环境；因为水晶受热极易碎裂.
④避免在形成过程中的急剧变温或受振荡。

否则水晶在地上会产生压电效应影响
晶体质量.
对于石灰岩中的水晶，我们有如下假设：
①可能是水晶先形成，随沉积物留在了石灰岩中；
②可能是石灰岩本来就存在的Sio2聚集并结晶；
可能是它处的含硅热液侵入石灰岩裂隙，但温度未达到足以使其分解的高温。

五、实验与论证过程
为验证我们的假设，我们采集了含有硅藻土的石灰岩进行实验.为了控制变量，现将其分为等质量的三分（块状约100g），用酸将第一份溶解，用高倍放大镜观察发现残渣内并无完整的水晶六方柱晶体.加热第二份，但不使其达到分解温度，（若分解生成
Cao,Cao+Sio2在高温条件下生成CaSiO3,成玻璃态，且不能
保持石灰岩本来形态。

）十分钟后停止加热，发现石块变为
半透明;冷却后用酸浸泡此石块，半透明物质部分溶解，留
下浅橙红的细小半透明晶体可溶于碱液.将第三块敲碎，留
下较大的颗粒（约1.2cm×1.5cm×2cm）,不断浸入底部有
少量硅酸的水中并加热石块（不使其分解），久之发现，石
灰石表面变粗糙，且能在玻璃上留下划痕;滴加碱液在石头上，此现象不久后会在滴加处消失。

由此得出，此实验可以论证猜想②与③是正确的。

实际上，据资料说，只要水晶的晶洞不被破坏，水晶就能相对完好的保存在其中。

但是这样的水晶毕竟太少太少了，我们此实验不乏局限性。

六、结论
水晶不但可以在部分变质岩中，深成岩浆岩与石英砂岩中形成，而且可以形成与石灰岩中。

这是因为有的水晶形成于不足以分解石灰岩的温
度之下，或者因他出进入石灰岩裂隙的偏酸性硅酸盐丰富
的地下水所致。

结合前面的四个基础条件，水晶的形成条
件就更明了了。

七、野外考察及市场调查
长清区万德镇，发现巨大的含水晶石英脉，宽约5
米;同时在伟晶岩与石灰岩的分界处发现水晶。

历山路附
近水晶细小颗粒，无影山：以阳起石，二铍云母，绿柱石，
天河石为主的硅酸盐矿物。

药山：发现电气石榴伟晶岩与
含金花岗岩。

商家庄，多条石英脉及电气石。

走访水晶市
场,我们还发现水晶族中有方解石伴生.用手摸水晶雕琢的
工艺品,我们总感觉它是冰凉的,后来查阅资料才发现,这
是由于水晶传热很快导致的.
八、意义
水晶形成的范围被证明更广大,不但对水晶矿本身的开采意义深远,而且对于诸如金.铁铜.云母.稀土.宝石等各类其伴生矿物的寻探开采都有非同小可的前景可寻.
2010年3月
附录:
常见水晶:
自然科学
《水晶及其伴生矿物的形成条件》结题报告
09级14班:杨溢组
指导老师:于永水。