第五节　岛状硅酸盐

岛状硅酸盐中，硅氧骨干为孤立的［SiO4］单四面体或双四面体，彼此间靠其他阳离子相联结。重要工业矿物主要有锆石、石榴子石、橄榄石、红柱石族等。

锆石（锆英石）（zircon）

Zr［SiO4］

【晶体化学】　理论组成（wB%）：ZrO2 67.22，SiO2 32.78。有时含MnO、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、TR2O3、ThO2、U3O8、TiO2、P2O5、Nb2O5、Ta2O5、H2O等混入物。H2O、TR2O3、U3O8、（Nb，Ta）2O5、P2O5、HfO2等杂质含量较高，而ZrO2、SiO2含量相应较低时，其硬度和密度降低，且常变为非晶态。故可形成多种变种：山口石，TR2O3 10.93%，P2O5 17.7%；大山石，TR2O3 5.3%，P2O5 7.6%；苗木石，TR2O3 9.12%，（Nb，Ta）2O5 7.69%，含U、Th较高；曲晶石，含较高TR2O3、U3O8；水锆石，含H2O 3%～10%；铍锆石，BeO 14.37%，HfO2 6.0%；富铪锆石，HfO2 可达24.0%。

【结构形态】　四方晶系，-I41/amd；a0=0.662nm，c0=0.602nm；Z=4。结构中Zr与Si沿c轴相间排列成四方体心晶胞（图1-1-47）。晶体结构可视为由［SiO4］四面体和［ZrO8］三角十二面体联结而成。原子间距：Si—O（4）=0.162nm，Zr—O（8）=0.215和0.229nm。［ZrO8］三角十二面体在b轴方向以共棱方式紧密连接。

复四方双锥晶类， -4/mmm（L44L25PC）。晶体呈四方双锥状、柱状、板状，且形态与成分密切有关。主要单形：四方柱m{110}、a{100}，四方双锥p{111}、u{331}，复四方双锥x{311}（图1-1-48）。可依{011}成膝状双晶。

【理化性能】　无色，含杂质时呈淡褐、淡黄、紫红、淡红、蓝、绿、烟灰色等。玻璃至金刚光泽，断口油脂光泽。透明至半透明。性脆，硬度7.5～8。相对密度4.4～4.8。因常具有放射性而引起自身非晶化，透明度、光泽、密度、硬度均下降。X射线照射下发黄色，阴极射线下发弱黄色光，紫外线下发明亮的橙黄色光。

偏光镜下：无色至淡黄色，色散强，折射率大。No=1.91～1.96，Ne=1.957～2.04。均质体折射率降低，N=1.60～1.83。

熔点2340～2550℃。氧化条件下，1300～1500℃稳定；1550～1750℃分解，生成ZrO2+SiO2。线热膨胀系数5.0×10-6/℃（200～1000℃），且耐热震动，稳定性良好。高温下不与CaO、SiO2、C、Al2O3等反应。

【资源地质】　在酸性和碱性岩浆岩中广泛分布，基性岩和中性岩中亦常产出。锆石一般结晶较早，故常呈包裹体见于其他矿物中。沉积岩、变质岩中亦较常见。在伟晶岩中，锆石常与稀有元素矿物如铌钽铁矿、褐钇铌矿、褐帘石、钍石、独居石等密切共生。在碱性岩中锆石可富集成矿，如挪威南部霞石正长岩中产有巨型锆石矿床。锆石的化学性质稳定，故在砂矿中广泛分布，有时可富集成矿。

世界锆石资源主要分布在澳大利亚、南非、美国和印度。全球95%以上的锆精矿来自砂矿床。中国80%以上的锆石砂矿储量分布于海南和广东省。

【鉴定特征】　四方短柱状，四方双锥状。硬度大，金刚光泽。与金红石的区别是硬度大，金红石有{110}完全解理。与锡石区别是锆石的密度较小。与独居石区别是锆石具四方柱状晶形，且硬度较大。

【工业应用】　提取Zr、Hf的主要矿物原料。一般工业要求（wB%）：内生矿，边界品位ZrO2 3.0，工业品位ZrO2 8.0，可采厚度0.8～1.5m，夹石剔除厚度≥2m；砂矿，边界品位ZrO2 0.04～0.06（或锆石1.0～1.5kg/m3），工业品位ZrO2 0.16～0.24（或锆石4～6kg/m3），可采厚度0.5m。

锆石以不同的物理、化学形态用于多种工业领域（图1-1-49）。其中以锆砂形式用于耐火材料、磨料和铸造砂，而大部分锆石被加工为-45μm＞95%的锆石粉或-5μm＞95%的遮光粉，用于陶瓷、熔模铸造、电视玻璃和耐火材料。锆石经化学加工制成氧化铝-氧化锆-氧化硅（AZS），用于生产熔铸耐火材料和许多锆化学品，后者用于技术陶瓷、彩色陶瓷颜料、催化剂和许多其他次要用途。锆砂经化学加工制成的金属锆，具有耐高温、抗腐蚀、高强度及吸收中子的能力，故锆及其合金广泛用于工业和国防尖端技术中。

2003年，锆石的终端消费市场为：陶瓷51%，耐火材料15%，铸造15%，氧化锆和锆化学品9%，电视玻璃8%，其他2%（Murphy et al，2006）。

耐火材料　锆石的耐火度高达2000℃，且热膨胀系数低、耐热震性强、耐钢水及碱性渣侵蚀。用于生产AZS熔铸耐火材料，或与Al2O3制成莫来石-ZrO2砖，与MgO制成镁橄榄石-ZrO2砖。这些材料的高温性能优异。

型砂材料　锆石的耗酸量在pH=3～5时仅为4.8～2.45mL（0.1mol/L HCl）。锆石还可克服彩面缺陷，避免铸件表面形成次生外皮，且抗压强度高，易成型，与有机、无机黏合剂系列相容，次圆形外表仅需少量的黏合剂即可达到高强胶结，并获得良好的光滑度和冷铸性。锆石细粉还可作为型模的涂料、填料。

陶瓷原料　用作白色陶瓷的乳浊剂。锆石的折射率仅次于金红石，色彩淡雅，能与陶瓷色彩混溶。超细锆石粉用于釉料中具有极好的遮光作用。特种玻璃和搪瓷釉等则需要锆石的高折射率、耐碱性、辐射稳定性及不透明性。

宝石材料　颜色绚丽多彩、色泽光亮美观、粒度大且透明无瑕者可作宝石，称为风信子石。红褐色的红锆石、无色至黄色的黄锆石等是常见宝石矿物。按照结晶度分为高、中、低型锆石。前者受辐射少，晶格很少发生变化，具较高的折射率、重折率、密度和硬度，是重要的宝石品种。后者结晶程度低，晶格变化大，由不定形氧化硅和氧化锆的非晶质混合物组成。中型者介于其间。中型和低型可通过热处理向高型锆石转变。无色和红色锆石多为高型锆石，蓝色和金黄色锆石同属于热处理的颜色。

其他应用　电子工业中用作锆磁器。通过某些元素掺杂可使锆石具有波导性质，制备波导材料和器件（何涌，2000）。

石榴子石（garnet）

石榴子石超族矿物分为5个族，29个矿物种；另有未分族矿物种3个（Back，2014）。各族名称及代表性矿物晶体化学式如下：

水钙锰榴石　henritermierite，Ca3M［Si2ðO8（OH）4］；

Bitikleite，Ca3（Sb5+Sn4+）［AlO4］3；

钛榴石schorlomite，Ca3T［SiFO12］；

石榴子石garnet，A3B2［SiO4］3；

黄砷榴石berzeliite，（Ca2Na）Mg2［As5+O4］3。

【晶体化学】　石榴子石族有14个矿物种，类质同象极为广泛。其中，A=Mg2+、Fe2+、Mn2+、Ca2+、Y（B=Mg）等；B=Al3+、Fe3+、Cr3+、V3+、S、Zr4+（T=Al3+、Fe3+），以及（SiMg）、（TiFe2+）等（Back，2014）。三价阳离子半径相近，彼此间易发生类质同象代替。二价阳离子则不同，Ca2+较之Mg2+、Fe2+、Mn2+的离子半径大，因而难于与之发生类质同象替代。故通常将石榴子石族矿物划分为两个系列：

铝榴石系列　（Mg，Fe，Mn）3Al2［SiO4］3

　镁铝榴石　pyrope　　　　Mg3Al2［SiO4］3

　铁铝榴石　almandite　　　 Fe3Al2［SiO4］3

　锰铝榴石　spessartite　　　 Mn3Al2［SiO4］3

钙榴石系列　Ca3（Al，Fe，Cr，Ti，V，Zr）2［SiO4］3

　钙铝榴石　grossularite　 　 Ca3Al2［SiO4］3

　钙铁榴石　andradite　　　 Ca3Fe2［SiO4］3

　钙铬榴石　uvarovite　　　 Ca3Cr2［SiO4］3

　钙钒榴石　goldmanite　　 Ca3V2［SiO4］3

此外，还有锰榴石（blythite，Mn3Mn2［SiO4］3）、锰铁榴石（calderite，Mn3Fe2［SiO4］3）、铁榴石（skiagite，Fe3Fe2［SiO4］3）、镁铁榴石（khoharite，Mg3Fe2［SiO4］3）、镁铬榴石（knorringite，Mg3Cr2［SiO4］3）、锰钒榴石（yamatoite，Mn3V2［SiO4］3）等。

类质同象替代形成的变种：钙铁榴石含Ti较高时称黑榴石（melanite）；w（TiO2）达4.60%～16.44%则称钙钛榴石（schorlomite，Na+Ti=Ca+Fe）；钙铁榴石含少量Cr而呈翠绿色者称为翠榴石（demantoid）；含Y和Al者称钇铝榴石（Y+Al=Ca+Si）；钙铝榴石含H2O（可达8.5%）时称水钙铝榴石{hydrogrossular，Ca3Al2［SiO4］3-x（OH）4}。

【结构形态】　等轴晶系，；a0=1.1459～1.248nm；Z=8。单位晶胞较大。［SiO4］四面体为B组阳离子的八面体［AlO6］、［FeO6］、［CrO6］所连接。其间形成较大的十二面体空腔，可视为畸变的立方体，其中心位置为A组阳离子Ca2+、Fe2+、Mg2+等占据，配位数8。以钙铝榴石为例，晶体结构（图1-1-50）中1个［AlO6］八面体与周围6个［SiO4］四面体以共角顶相连接；而与Ca的畸变立方体以共棱方式相连，每个O与1个Al和1个Si相连，并与2个稍远的Ca相连。因而石榴子石结构比较紧密，其中以沿L3轴方向最紧密，也是化学键最强的方向。类质同象代替可引起晶格常数a0的变化。当Al3+、Mg2+、Fe2+升高时，a0减小；Ca2+、Fe3+含量升高，则a0明显增大。

六八面体晶类，Oh-m3m（3L44L36L29PC）。常呈完好晶形。常见单形：菱形十二面体d{110}，四角三八面体n{211}及二者的聚形（图1-1-51），晶面上常有平行四边形长对角线的聚形纹，歪晶较常见。集合体常为致密粒状或致密块状。

【物理性能】　颜色多样且随成分而变化（表1-1-14）。如钙铬榴石因含Cr3+而呈绿色，镁铝榴石则随Cr3+含量的增高由浅变深，由橙色调变为红、紫红色调。玻璃光泽居多，有时近于金刚光泽，如钙铁榴石。在日光下铬镁铝榴石呈蓝色或绿色，而在灯光下呈紫红色及鲜红色。硬度6.5～7.5，含OH-者则硬度可降低至5，相对密度3.5～4.3，且随成分而变化。钙钒榴石具弱电磁性。

表1-1-14　石榴子石的主要物理性质

注：据潘兆橹等（1993）、潘兆橹（1994）。

偏光镜下：高正突起，淡粉红或淡褐色，个别呈浓褐色、深红褐色，均质性，钙铝-钙铁榴石显明显的非均质性。折射率受成分、结构影响。一般随a0增大，Fe、Mg、Al含量降低，而Ca、Fe、Zr含量升高，折射率则增大。

热稳定性　水钙铝榴石在705℃脱去结构水，440℃、900℃有两个放热峰，即440℃时，Fe2+→Fe3+；900℃时发生相变。因此，石榴子石含铁等变价元素时热稳定性不高。

【资源地质】　镁铝榴石主要产于金伯利岩、橄榄岩、榴辉岩中；铁铝榴石主要见于区域变质岩，其次为花岗岩、流纹岩中；锰铝榴石主要产于伟晶岩、锰矿床和花岗岩中；钙铁榴石、钙铝榴石主要产于夕卡岩、热液脉，钙铬榴石则见于超基性岩和夕卡岩；钙钛榴石、钙钒榴石、钙锆榴石主要产于碱性岩、伟晶岩中，钙钒榴石还见于部分角岩中。石榴子石性质稳定，在砂矿中广泛分布。

石榴子石的矿物化学与其形成条件密切有关。镁铝榴石常产于金伯利岩中与金刚石共生；铬石榴石与铬铁矿共生；钙铝榴石与白钨矿关系密切；钙铁榴石与磁铁矿、黄铁矿、磁黄铁矿、铅锌矿有关；钙钛榴石、钙锆榴石则常见于富含稀有元素的碱性岩中。

世界石榴子石矿主要产于印度、斯里兰卡、巴西、马达加斯加、中国、美国、俄罗斯和澳大利亚等国，主要分布于变质岩系发育地区。

【鉴定特征】　根据其特征的晶形、颜色及油脂光泽、高硬度等易于辨认。

【工业应用】　一般工业要求：原生矿，工业品位，石榴子石＞14%，开采厚度2m。砂矿，边界品位，石榴子石＞4kg/m3；工业品位，石榴子石＞6kg/m3，可采厚度0.5m。主要用作磨料、水质滤料、装饰材料和宝石原料等。

磨料　是石榴子石用量最大的市场。高等级品可用于研磨、抛光玻璃、陶瓷等材料，也可作为敷涂料制成砂纸、砂布、砂轮等，用来抛光各种金属、木材、橡胶和塑料。低级品常用来清除铝和其他软质金属的表面氧化层，可用作飞机厂的抛磨和擦洗材料、钢结构材料的抛磨材料。水射流清洗和切割技术的发展也导致石榴子石用量增加。磨料多选用铁铝榴石和镁铝榴石。

水质滤料　在深度水处理的过滤系统中，主要选用铁铝榴石作为水质过滤砂，分为粒度2.36～1mm的粗料和0.3～0.6mm的细料。少量作为完全惰性介质使用于反渗透前的预处理中。用于压力过滤器，滤砂的有效粒径为0.4～0.6mm，充填于粗砂颗粒间隙，产生降低孔隙度和增加水流/渗透弯曲度的效果。因此，石榴子石混合介质砂能清除掉的粒度范围较广，且能以高流速操作，有极好的过滤质量和高产量。滤砂必须满足：筛上颗粒的极小值和筛下颗粒的极大值均有狭窄的粒度分布；良好的机械强度，颗粒形态不受负荷影响；可抵抗粒间及颗粒与容器边缘的磨蚀作用；颗粒形状以次棱角、圆形为佳。

宝石材料　晶粒粗大（＞8mm，绿色者可小至3mm）、色泽美观、透明无瑕者可作宝石。主要品种：镁铝榴石，紫红-橙色色调，某些产于金伯利岩中者具变色效应；铁铝榴石，褐红-橙红色，某些具四射或六射星光效应；锰铝榴石，棕红、玫瑰红、黄色、黄褐色；钙铝榴石，绿、黄绿、黄、褐红及乳白色，当Ca2+被Fe2+替代时称铁钙铝榴石，又称桂榴石或红榴石；钙铁榴石，黑、褐、黄绿色，当部分Fe3+被Cr3+替代时即为翠榴石，其色散值比钻石还高，故显示很强的“火彩”，但常被自身颜色所掩盖；钙铬榴石，是与翠榴石相似品种，鲜艳绿色、蓝绿色，故常被称为祖母绿色石榴石（张蓓莉等，2008）。优质翠榴石和变色石榴子石是珍贵宝石，由于罕见，其价值不低于优质祖母绿。市场上最常见的石榴子石为红色，中国珠宝行业俗称其为“紫牙乌”（余晓艳，2016）。

橄榄石（olivine）

（Mg，Fe）2［SiO4］

【晶体化学】　Mg2［SiO4］-Fe2［SiO4］之间呈完全类质同象。理论组成（wB%）：镁橄榄石（Fo，forsterite），MgO 57.29，SiO2 42.71；铁橄榄石（Fa，fayalite），FeO 70.51，SiO2 29.49。少量类质同象代替组分Mn、Ca、Al、Ti、Ni、Co、Zn等。CaMg［SiO4］-CaFe［SiO4］亦可形成完全类质同象。其他端员矿物还有锰橄榄石、镍橄榄石、钴橄榄石、钙锰橄榄石等，以锰橄榄石较为常见。Mn2［SiO4］与Fe2［SiO4］可形成不完全类质同象，与Mg2［SiO4］之间的置换范围更为有限。

【结构形态】　斜方晶系，；a0=0.598～0.611nm，b0=0.476～0.482nm，c0=1.020～1.040nm；Z=4。硅氧骨干为孤立的［SiO4］四面体，由骨干外的阳离子联结起来（图1-1-52）。Si4+充填1/8的四面体空隙，［（Mg，Fe）O6］八面体∥a轴连接成锯齿状链。∥（010）的每一层配位八面体中，一半为Mg、Fe充填，另一半为空心，均呈锯齿状，但在空间位置上相错b/2。层与层之间实心八面体与空心八面体相对，其邻近层以共用八面体角顶相连；而交替层以共用［SiO4］四面体角顶和棱连接。［SiO4］四面体的6个棱中有3个与［（Mg，Fe）O6］八面体共用，导致配位多面体变形。

斜方双锥晶类， D2h-mmm（3L23PC）。晶体呈柱状或厚板状。常见单形：平行双面a{100}、b{010}、c{001}，斜方柱m{110}、l{120}、d{101}、n{011}、g{021}，斜方双锥o{111}。完好晶形者少见，一般呈粒状集合体。

【理化性能】　镁 橄榄石为白、淡黄或淡绿色；随含铁量增高，颜色加深而成橄榄色至深绿色。玻璃光泽。透明至半透明。铁橄榄石则呈深黄、墨绿至黑色；强玻璃光泽，近于金刚光泽。相对密度3.27～4.37，随铁含量升 80，Nm=1.651～1.660，Np=1.635～1.640。铁橄榄石：（-）2V=47°～54°；Ng=1.847～1.886，Nm=1.838～1.877，Np=1.805～1.835。具多色性。

镁橄榄石熔点1880℃；铁橄榄石，1200℃。熔融后中上部是带气孔的镁橄榄石，最下部是不熔料带，中间夹有铁合金富集带（占6%～8%）。500～1800℃，镁橄榄石的热稳定性最好。铁橄榄石在约400℃发生还原反应，形成硅铁合金，以FeSi最为稳定。

铁橄榄石在-50～1000℃的体膨胀系数为（22.7～37.8）×10-6/K，a0轴热膨胀系数为（0～12）×10-6/K，b轴为（10～12）×10-6/K，c轴为（0～14）×10-6/K；镁橄榄石的热膨胀系数与之相当。橄榄石热导率为4.2W/（m·K）。

橄榄石微溶于水，使水呈碱性。能溶于酸，pH=3～5时耗酸量（0.1mol/L HCl）为25.20～27.6mL。能抗锰钢金属熔体。高温熔融体可与CaO、Al2O3、FeO、C等发生反应。

【资源地质】　是基性、超基性岩的主要造岩矿物，亦是地幔岩、石陨石的主要组成矿物。镁橄榄石不与石英共生，在镁夕卡岩中与粒硅镁石、金云母等含镁硅酸盐矿物共生；在超基性岩热液交代产物中与菱镁矿、金云母、赤铁矿、尖晶石等矿物共生；在橄榄岩、辉石岩、辉长岩、玄武岩中与顽辉石、普通辉石、斜长石、镁铝榴石、尖晶石、磁铁矿等共生。铁橄榄石通常见于斜长岩、铁质辉长岩、碱性岩及高度演化的黑曜岩，流纹岩，富Nb、Ta的钠质花岗岩和花岗伟晶岩中。受热液作用易蚀变为蛇纹石、滑石等。

世界橄榄石宝石的著名产地有美国亚利桑那州、澳大利亚、巴西、坦桑尼亚、斯里兰卡和缅甸。中国橄榄石宝石产地主要有河北张家口大麻坪和吉林蛟河白石山，都是玄武岩中的包体型矿床。两地所产大粒橄榄石，粒径可达20mm，属世界优质橄榄石产地。

镁橄榄石、钙镁橄榄石也是镁质、镁硅质耐火材料的主要物相。镁橄榄石见于高炉矿渣中，与镁蔷薇辉石、蔷薇辉石等共生。

【鉴定特征】　特有的橄榄绿色、粒状形态、解理性差、贝壳状断口、高折射率等。

【工业应用】　主要用作耐火材料、铸造型砂、喷砂磨料、宝石材料等。

耐火材料　镁橄榄石可用无机化学黏合、有机树脂黏合、加碳树脂黏合，制成多种镁橄榄石质耐火材料。较之刚玉砖、红柱石砖的热压强度、抗塑变性好，常用作平炉、玻璃炉的格子砖。

型砂原料　橄榄石型砂性能优于石英砂，因而被广泛用于Mn钢、Cu、Al、Mg、碳钢铸造及精铸模件、大型铸造模件等。作为铸造型砂的镁橄榄石精矿要求：Ⅰ级，MgO≥47%，SiO2≤40%，烧失量≤1.5%，含水量≤0.5%；Ⅱ级，MgO≥44%，SiO2≤42%，烧失量≤3%，含水量≤0.5%；Ⅲ级，MgO≥42%，SiO2≤44%，烧失量≤3%，含水量≤1.0%。其他要求，Fe2O3≤10%，含泥量≤0.5%，耐火度＞1690℃。

冶金熔剂　起助熔和炉渣调节作用，提高渣体流动性；降低焦炭消耗量和烧结温度；改进炼钢生产中的高温软化性能，降低膨胀程度；有效防止炉内产生碱性结核。现代炼钢每吨铁只允许出渣360kg。为排除铁矿石和焦炭中的杂质（特别是硫），须控制炉渣的碱度比（CaO+MgO）/（SiO2+Al2O3）为0.8～1.2。橄榄石代替白云石，烧失量小，且MgO、SiO2以相同比例加入，可保证炉渣合适的碱度比，减少添加剂用量，降低能耗。

喷砂磨料　作为喷砂清洗剂的优点：不含游离SiO2，无矽尘污染；颜色呈淡绿色，优于暗色尘粒；硬度较高，能使钢制品产生较高光洁度；密度较高，可保证颗粒冲击面有较高能量，便于垢物清除。因此，橄榄石砂可用来清洗桥梁、建筑物和钢件等。

发光材料　采用高温固相反应法，在还原气氛下制备的Dy3+、Mn2+掺杂镁橄榄石粉体，是一种长余辉发红光硅酸盐材料，发射波长650nm，单独Mn2+及其与Dy3+共掺杂时余辉时间分别为6min和17min（Lin et al，2008）。

宝石材料　纯净或略带颜色、透明无瑕、粒度＞8mm者可作宝石。以中-深绿色贵橄榄石为佳。要求颜色纯正，色泽均匀。作为成品戒面，1～2ct属低档宝石，价位与蓝黄玉、紫晶相似；3ct以上价格较贵，5ct以上价格则非常昂贵。可作宝石的橄榄石，通常只有镁橄榄石（Fo100～90）和贵橄榄石（Fo90～70）（余晓艳，2016）。

其他应用　可作为高档饰面矿物原料，其颜色庄重豪华，色泽细腻美观，拼接性好，光洁度高，可产生珠宝闪光效应，加工性能良好，尤其是可加工成薄型和超薄型板材。

掺杂Cr4+的镁橄榄石具有优异的激光特性，可产生850～1400nm的激光，涵盖激光通讯的两个窗口1.3μm和1.5μm，是迄今为止所发现的终端声子激光晶体中光谱范围最宽的一种（臧竞存，2003；白光，2003）。

黄玉（黄晶）（topaz）

Al2［SiO4］（F，OH）2

【晶体化学】　理论组成（wB%）：Al2［SiO4］（OH）2组成，Al2O3 56.6，SiO2 33.4，H2O 10.0；F可替代OH，理论含量20.65%。F∶OH为（3～1）∶1，随黄玉生成条件而异：伟晶岩型，F含量接近于理论值；云英岩型，OH含量增大至5%～7%；热液型，F与OH的含量相近。

【结构形态】　斜方晶系，；a0=0.465nm，b0=0.880nm，c0=0.840nm；Z=4。晶体结构由O2-、F-、OH-共同作ABCB的4层最紧密堆积，堆积层∥（010）。Al3+占据八面体空隙，成［AlO4（F，OH）2］八面体联结［SiO4］四面体。

斜方双锥晶类， D2h-mmm（3L23PC）。柱状晶形。常见单形：斜方柱m{110}、l{120}、j{021}，斜方双锥n{111}、o{221}、p{223}、q{431}，平行双面c{001}、b{010}等（图1-1-53）。柱面常有纵纹。常呈不规则粒状、块状集合体。

【物理性质】　无色或微带蓝绿色，黄、乳白、黄褐或红黄色。透明。玻璃光泽。解理{001}完全。硬度8。相对密度3.52～3.57。

偏光镜下：无色，二轴晶（+）。2V=44°～66°，Ng=1.616～1.644，Nm=1.609～1.637，Np=1.606～1.635。干涉色低，通常为Ⅰ级灰-黄。

【资源地质】　主要产于花岗伟晶岩、云英岩和高温气成热液矿脉中。共生矿物有石英、电气石、萤石、白云母、黑钨矿、锡石等。我国内蒙古某地黄玉产于白云母、二云母花岗伟晶岩中，江西某钨铍矿床中的黄玉属气成高温热液成因。

【鉴定特征】　柱状晶形，横断面菱形，柱面有纵纹，解理{001}完全，高硬度。

【工业应用】　透明色美的晶体可作宝石，名托帕石，为中低档宝石。深红色者品质最佳，价格昂贵；其次为粉红色、蓝色和黄色；无色者价值最低。尚可作研磨材料、精密仪表轴承等。

绿帘石族

化学通式：A2B3［Si2O7］［SiO4］O（OH）。其中A主要为Ca2+，也可有K+、Na+、Mg2+、Mn2+、Sr2+、TR3+；B主要为Al3+、Fe3+、Mn3+，也可有Ti3+、Cr3+、V3+等。A与B之间可相互替代。结构特点是，B组阳离子的配位八面体共棱，联结成沿b轴延伸的不同形式的链，链间以［Si2O7］双四面体和［SiO4］四面体联结；A组阳离子位于其间的大空隙中。主要矿物包括绿帘石、黝帘石、红帘石{Ca2Mn3+Al2［Si2O7］［SiO4］O（OH）}、褐帘石等。

黝帘石（zoisite）

Ca2Al3［Si2O7］［SiO4］O（OH）

【晶体化学】　理论组成（wB%）：CaO 24.6，Al2O3 33.9，SiO2 39.5，H2O 2.0。成分较稳定，仅少量Al代替Si，Fe3+代替Al。

【结构形态】　斜方晶系，；a0=1.62～1.63nm，b0=0.545～0.563nm，c0=1.000～1.021nm；Z=4。结构中存在［Al（1，2）（O，OH）6］和［Al（3）O6］两种八面体。二者共棱连接成∥b轴的链，链间以［Si2O7］双四面体和［SiO4］四面体联结，其间所构成的大空隙由Ca占据。Fe3+、Ti、Cr3+等则代替［Al（3）O6］八面体中的Al。晶体呈柱状，沿b轴延长。∥b轴晶面上常具条纹。亦呈柱状晶粒集合体。

【物理性质】　无色，灰色，淡绿色，含V时呈浅玫瑰色。透明。玻璃光泽。解理{100}完全，{001}不完全。断口不平坦。硬度6。相对密度3.15～3.37。

偏光镜下：无色，二轴晶（+）。2V=0°～7°。Ng=1.697～1.725，Nm=1.688～1.710， Np=1.685～1.705。

【资源地质】　主要为区域变质和热液蚀变的产物。

【鉴定特征】　与符山石、绿帘石、夕线石相似，一般需显微镜或X射线衍射法区别。

【工业应用】　1967年在坦桑尼亚发现蓝到紫色的透明黝帘石晶体，宝石名为坦桑石（tanzanite），由区域变质和热液蚀变作用形成。坦桑石在国外也被称为“丹泉石”。坦桑尼亚北部Merelani地区是目前世界上唯一发现坦桑石的产地（余晓艳，2016）。中国特有的玉石品种独山玉，是一种黝帘石化斜长岩，黝帘石含量5%～70%。

绿帘石（epidote）

Ca2Fe3+Al2［Si2O7］［SiO4］O（OH）

【晶体化学】　化学组成（wB%）：CaO 24.2～23.0，Fe2O3 4.4～17.8，Al2O3 20.3～30.5，SiO2 38.9，H2O 1.9。与斜黝帘石{Ca2AlAl2［Si2O7］［SiO4］O（OH）}呈完全类质同象系列。Ca（1）为9配位，Ca（2）为10配位；Ca（2）可被Ce代替，Al3+可被Fe3+代替，形成褐帘石。此外还有Mn、Mg、Ti、Fe2+、Na、K等类质同象代替。

【结构形态】　单斜晶系，；a0=0.888～0.898nm，b0=0.561～0.566nm，c0=1.015～1.030nm，β=115°25'～115°24'；Z=2。晶体结构（图1-1-54）中有两种［AlO6］（或MO6）八面体链，皆∥b轴延伸，一种简单的Al（2）［或M（2）］八面体链，由Al（2）八面体彼此共二棱连接而成，另一种为中部Al（1）［或M（1）］八面体和边部Al（3）［或M（3）］八面体共四棱和共二棱相连而成为一复合的折线形链。此两种链由双四面体［Si2O7］和孤立四面体［SiO4］联结成∥（100）的链层，链层之间构成的较大空隙为Ca（1）、Ca（2）所充填。

晶体常呈柱状，延长方向∥b。∥b轴晶带上的晶面具明显纵纹。常呈粒状、放射状、晶簇状集合体。

【物理性质】　灰、黄、黄绿、绿褐或近于黑色，颜色随铁含量增高而变深，少量Mn的类质同象代替使颜色显不同色调的粉红色。玻璃光泽。透明。解理{001}完全，{100}不完全。硬度6。相对密度3.38～3.49。

偏光镜下：黄、绿色，二轴晶（-）。2V=14°～90°。Ng=1.734～1.797，Nm=1.725～1.784，Np=1.715～1.751。多色性：Ng黄绿至绿色；Nm无色至黄绿；Np无色至黄色。

【资源地质】　广泛见于变质岩和各种热液蚀变岩石中。在绿片岩相中与钠长石、阳起石、绿泥石成组合。在绿帘石-角闪岩相中与奥长石成组合。角闪岩相退变质可形成钠长石、绿帘石、角闪石，绿片岩相则可生成绿帘石透镜状分异体。在花岗岩中，低温钙质交代作用主要是绿帘石交代角闪石、黑云母和钾长石等。在钙夕卡岩中，绿帘石与较富钙的斜长石等矿物共生。绿帘石亦产于晶洞、裂隙及基性岩的杏仁体中。

【鉴定特征】　柱状晶形、特征的黄绿色等。

【工业应用】　绿帘石的透明晶体可磨制刻面宝石。

褐帘石（allanite）

（Ca，Ce）2（Fe3+，Fe2+）（Al，Fe3+）2［Si2O7］［SiO4］O（OH）

【晶体化学】　化学成分（wB%）：CaO 10～12，Ce2O3 6～10，Fe2O3 4～8，Al2O3 14～18，SiO2 30～32，H2O 0.35～5.0。主要类质同象替代：Ca=R3+，Al=Fe2+。Ca为R3+代替时，相应地在八面体位置的Al3+为低价离子所代替，以维持电价平衡。褐帘石为绿帘石族中主要含Fe2+的成员，铈族稀土主要为Ce、La、Nd、Pr、Sm、Eu；钇族稀土为Gd、Dy、Er、Yb、Lu、Ho、Tm。类质同象代替Ca的还有Th、U、Mn等，ThO2一般为0.9%～1.5%，最高可达5.6%，UO2 0.00032%～0.24%；代替Al3+者除Fe2+外，还有Mg、Ti、Sn、Zr、Zn等；此外还有少量Be、P，主要是代替Si。

主要变种：铈褐帘石（Ce2O3 6%～10%），钇褐帘石（Y2O3 7%～20%），铍褐帘石（BeO 2.49%～5.52%），锰褐帘石（MnO 5.37%～7.0%），镁褐帘石（MgO 7.0%～14.5%），磷褐帘石（P2O5 6.48%）等。

【结构形态】　单斜晶系，；a0=0.898nm，b0=0.575nm，c0=1.023nm，β=115°00'；Z=2。与绿帘石结构类似。链层之间的较大空隙主要充填Ca（1），Ca（2）位置主要为稀土等元素占据。晶体常呈柱状，延长方向∥b，或呈∥{100}之厚板状或短柱状。

【物理性质】　浅褐色至沥青黑色，条痕褐色。透明至半透明。玻璃光泽，断口沥青光泽。解理{001}不完全，{100}和{110}极不完全。贝壳状断口。硬度5～6.5。相对密度3.4～4.2。具放射性，可因此而变为富水的非晶质体。

偏光镜下：黄色、绿色、褐色。多为二轴晶（-），2V=40°～90°；也见二轴晶（+），2V=60°～90°。Ng=1.706～1.828，Nm=1.700～1.815，Np=1.690～1.791。非晶态褐帘石变为均质体，折射率、密度相应降低。加热至800～850℃，可由非晶态转变为晶质体。

【资源地质】　为分布较广泛的内生矿物。在花岗伟晶岩中，与磷灰石、锆石、褐钇铌矿、黑稀金矿、磁铁矿、榍石成组合，或与硅铈石、氟碳铈矿、铌铁矿等成组合。在霞石伟晶岩中，与易解石、萤石、尖晶石共生。在正长伟晶岩中，与钛铌铀矿、独居石，或黑稀金矿、锆石共生。在碳酸岩中，与磷灰石、独居石等共生。

【鉴定特征】　颜色与非晶质化特征可与其他帘石区别。柱面平行消光及解理特征可与褐色角闪石区别。

【工业应用】　大量富集时可作为稀有和放射性元素的矿石。

红柱石族

红柱石族有三种同质多象变体，即蓝晶石AlⅥAlⅥ［SiO4］O、红柱石AlⅥAlⅤ［SiO4］O、夕线石AlⅥ［AlⅣSiO5］。后者属链状结构硅酸盐。

自然界常见夕线石与蓝晶石、红柱石共生。较少见到红柱石和蓝晶石共生。三者共生更为罕见（图1-1-55）。

红柱石，蓝晶石，夕线石（andalusite，kyanite，sillimanite）

Al2SiO5

【晶体化学】　理论组成（wB%）：Al2O3 62.92，SiO2 37.08。红柱石中Al可被Fe（≤9.6%）和Mn（≤7.7%）代替。蓝晶石可含Cr（≤12.8%），亦常含Fe（1%～2%）和少量Ca、Mg、Ti等。夕线石成分较稳定，有少量Fe代替Al，可含微量Ti、Ca、Mg等。

【结构形态】　三者的晶体结构特征及主要物性见表1-1-15。

表1-1-15　Al2SiO5多型的结晶学参数与物性

注：据Zoltal等（1984）。

红柱石　斜方晶系，。结构中1/2的Al配位数为6，构成［AlO6］八面体，以共棱方式沿c轴联结成链；链间以配位数为5的Al和［SiO4］四面体相联结。O有两种配位：一种与1个Si和两个Al联结，参加［SiO4］；另一种则与3个Al联结，不参加［SiO4］［图1-1-56（a）］。晶体呈柱状，与［AlO6］八面体链延长方向一致。

蓝晶石　三斜晶系，。结构中O近似作立方最紧密堆积，Al充填2/5的八面体空隙，Si充填1/10的四面体空隙。O的最紧密堆积面∥（110）方向，每个O与1个Si、2个Al或4个Al相连。［AlO6］八面体以共棱方式联结成∥c轴的链。链间以共角顶并以3个八面体共棱的方式相联结，且∥（100）层，其层间以［SiO4］四面体和［AlO6］八面体相联结［图1-1-57（a）］。因而蓝晶石晶体常∥（100）面发育成板状。由于链的方向上键力强，链间键力弱，故在垂直链方向硬度大，平行链方向硬度小。

夕线石　斜方晶系，。基本结构是由［SiO4］和［AlO4］四面体沿c轴交替排列，组成［AlSiO5］双链；双链间由［AlO6］八面体联结，［AlO6］八面体共棱联结成链，位于单位晶胞（001）投影面的4个角顶和中心，1/2的Al为四次配位（图1-1-58）。结构特点决定了夕线石具有∥c轴延长的针状、纤维状晶形及∥{010}的解理。

三者结构上的主要差异在于Al配位数及多面体的联结方式。Al3+/O2-半径比（0.43）接近6次或4次配位的临界值，因而Al3+有双重配位的特点。在同质多象变体中，较大的配位数出现在较低温度和高压下稳定的晶格内。红柱石中半数的Al配位数为5，这是唯一的5配位硅酸盐；蓝晶石中Al均为6配位；夕线石有半数Al为4配位，［AlO4］与［SiO4］组成［AlSiO5］混合链，故夕线石的结构不同于红柱石和蓝晶石。

【理化性能】　三种矿物的主要物理化学性质如下。

力学性质　红柱石相对密度最小，蓝晶石最大。红柱石、夕线石硬度相近；蓝晶石硬度最小且具有各向异性，b轴向硬度是a、c轴向的3～8倍，解理发育的（100）最软。链状结构决定了蓝晶石粉碎后仍呈板片状、纤维状和针状。

光学性质　红柱石以褐色、玫瑰色、红色或深绿色（含Mn变种）、灰色、黄色常见，无色者少见；蓝晶石以蓝色、青色或白色为特征，灰色、绿色、黄色、黑色少见，解理面呈珍珠光泽；夕线石以白色、灰色和浅绿、浅褐色为主。

热学性质　三者之间可相互转变。受热时三者均可发生如下相变：

3Al2SiO5Al6Si2O13（莫来石）+SiO2（方石英）　　

相变温度蓝晶石为1100～1480℃，红柱石为1450～1500℃，夕线石为1550～1650℃。在1445℃下煅烧后，相对密度分别为3.05、3.04和3.10（Sweet et al，2006）。三者相变均伴随体积增大，其体积变化率分别为16%～18%、5%和7%。

化学性质　三者化学性质稳定，一般在酸中不溶。夕线石甚至在氢氟酸中不起反应。

【资源地质】　在富铝岩石中，红柱石产于低压变质带的较低温部分，而夕线石产于较高温部分。前者与堇青石、石英、白云母、石榴子石、十字石、黑云母等共生。红柱石为典型的热变质矿物。北京西山菊花沟产放射状红柱石形似菊花，颇为著名，称菊花石。

蓝晶石是结晶片岩中的典型矿物。在富铝岩石中，中压区域变质作用下，蓝晶石产于低温部分而夕线石见于高温部分，多与铁铝榴石共生。蓝晶石还产于某些高压变质带。

夕线石常在高温接触变质带的铝质岩石中产出。作为区域变质作用早期形成的矿物，夕线石也见于结晶片岩、片麻岩中。

【鉴定特征】　红柱石可据其柱状晶形，横截面近于正方形，柱面{110}解理中等，空晶石有呈独特构造的碳质包裹物等区别。蓝晶石可据其颜色、硬度异向性和主要产于结晶云母片岩中等鉴别。夕线石可据其棒状、针状晶形和产于接触变质带和变质岩中来鉴别。

【工业应用】　一般工业要求（wB%）：边界品位，蓝晶石≥5，夕线石≥10；工业品位，蓝晶石≥10，夕线石≥15。用作耐火材料、陶瓷原料、宝石材料和生产硅铝合金等。

莫来石耐火制品　红柱石族矿物相变后生成莫来石。制品热膨胀系数低，耐高温（熔点1810℃），耐腐蚀，导热性中等，抗压强度高；电阻率1011～1013Ω·cm；在很宽温度范围内具有抗氧化性；不与金属熔体反应，可用作熔炼黄铜、青铜、铜镍合金、特种合金、精炼贵金属的炉腔内衬；也用于铸件涂层，以获得高光洁面的铸件。

在高温下，高铝红柱石的薄壳体的机械强度大，高温负荷不断裂、不变形，可用以铸造出尺寸、光洁度等稳定的高性能铸件。因此，红柱石族矿物首先用作耐火材料的熟料原料。最佳原料是原矿中的Al2O3含量接近于理论含量71.8%。红柱石族的Al2O3含量和纯度比其他铝硅酸盐更适合转化成莫来石。目前约75%的蓝晶石用于生产莫来石熟料。

不烧耐火材料　红柱石、夕线石具有较好的体积稳定性，可直接制成不烧砖。其相变在使用时依靠环境的高温来实现，黏合剂或添加剂可抵消相变时微小的体积变化。红柱石、夕线石的密度与莫来石接近，热膨胀系数低，仅含少量Fe、Ti、K、Na等的氧化物，故在窑炉工业中得到广泛应用。其中红柱石耐火砖具有很高的抗高温蠕变能力，特别适合负荷高、温度高的磨损环境。

蓝晶石也可用作不烧耐火材料，如浇注料、可塑料等。配料中的黏土或无机黏合剂的分解和脱水作用，会使不定形耐火材料在高温下发生体积收缩，导致出现裂缝和剥落，从而影响工业窑炉的使用寿命。加入5%～15%的蓝晶石，则可大大减小体积变化。

用作耐火材料原料的国标（wB%）：Al2O3≥50，Fe2O3≤1～2，K2O+Na2O≤1～1.5。

陶瓷原料　夕线石、蓝晶石可用以制作莫来石质、堇青石质陶瓷，产品密度高，具有良好的耐磨性，可经受温度骤变。用于制作高温测量管、电器陶瓷、化学陶瓷及插销制品等。目前约有10%的蓝晶石用于陶瓷工业。技术陶瓷对原料要求（wB%）：红柱石，Al2O3＞45～55，Fe2O3＜0.5～0.75；蓝晶石，Al2O3＞55，Fe2O3＜1。

硅铝合金　高纯蓝晶石可用于生产硅铝合金，即含Si 3%～26%和少量Cu、Mg、Mn、Zn、Ni、Cr、Ti等金属而强度较高的轻质铝合金，具有良好的铸造性，可制作薄壁和形状复杂的零件，满足制造飞机、汽车、宇宙飞船、雷达等部件的特殊技术要求。精矿质量要求（wB%）：Al2O3＞57，Fe2O3≤0.8，ZrO≤1.5，CaO≤0.2，MgO≤0.4，Na2O≤0.5。

宝石材料　结晶良好、纯净透明、色泽艳丽者可作宝石。透明绿色红柱石是一种稀有品种，在巴西、斯里兰卡等国用作宝石。缅甸、斯里兰卡和美国均产夕线石宝石，常具猫眼效应。克什米尔、印度、缅甸、瑞士、美国、坦桑尼亚、澳大利亚产宝石级蓝晶石（与蓝宝石伴生）。空晶石为红柱石的变种，半透明，可见在白、灰、微红或浅褐色底色的中心，有十字形的暗色条带，系由碳质聚集而成。由内部平行排列的管状包裹体而产生猫眼效应者，称为红柱石猫眼。

其他用途　用作催化剂的精矿要求（wB%）：Al2O3≥54～55，Fe2O3＜1。高纯度红柱石、蓝晶石、夕线石超细粉可用于生产耐热陶瓷、漂白剂（陶瓷用）和橡胶、塑料填料；其熟料和金属铝的混合物可制成陶瓷纤维，用作高温、强腐蚀环境的绝缘、过滤材料等。