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1、第二讲矿物晶体化学式计算,成岩成矿矿物学,一、几个基本问题二、矿物化学式的计算方法三、矿物端员组分计算四、矿物晶体化学式在研究中的应用,1. 化学通式与晶体化学式 2. 矿物中的水3. 定比原理4. 矿物化学式的书写,一、几个基本问题,1. 化学通式与晶体化学式,化学通式(chemical formula)是指简单意义上的、用以表达矿物化学成分的分子式，又可简单地称为矿物化学式、矿物分子式。,钾长石的化学通式为：KAlSi3O8 或 K2OAl2O36SiO2,晶体化学式(crystal-chemical formula)：能够反映矿物中各元素结构位置的化学分子式，即能反映矿物的晶体化学特征,
2、镁橄榄石Mg2SiO4,Olivine (100) view blue = M1 yellow = M2,镁橄榄石Mg2SiO4：2个八面体位置 1个四面体位置,Fe2+可以任一比例占据八面体位置，形成介于镁橄榄石和铁橄榄石之间的橄榄石成分,如果具体比例不确定，则晶体化学式：(Mg,Fe)2SiO4若确定，则晶体化学式：(Mg1.5,Fe0.5)SiO4,Ca可以占据一个八面体位置(M2)，形成钙镁橄榄石Monticellite (CaMg)SiO4,莱河矿 laihunite (Fe2+Fe3+2)SiO42,晶体化学式为：KAlSi3O8,Al、Si占据四面体位置,钾长石,黑云母,钠长石
3、NaAlSi3O8 钙长石 CaAl2Si2O8,晶体化学式为： K(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH)2,黑云母为三八面体层状硅酸盐矿物,黑云母,Muscovite白云母二八面体层状硅酸盐矿物K Al2 Si3AlO10 (OH)2,具Al2SiO5化学式的三种同质多像矿物：红柱石、蓝晶石和夕线石具有不同的晶体化学式： 红柱石：AlVAlVIOSiO4 蓝晶石：Al2VIOSiO4 矽线石：AlVISiAlIVO5,金红石的Z=2，其晶体化学式应为：Ti2O4锐钛矿的Z=4，其晶体化学式为：Ti4O8板钛矿的Z=8，其晶体化学式为：Ti8O16,Z值：单位晶胞分子数狭义的晶体化学式是最简
4、化学式的Z倍,结晶水：结晶是成中性水分子参加矿物晶格并占据一定构造位置。常作为配位体围绕某一离子形成络阴离子。结晶水写入矿物分子式。石膏：CaSO42H2O,吸附水：吸附水以机械吸附方式呈中性水分子状态存在于矿物表面或其内部。吸附水不参加矿物晶格，吸附水不写入矿物分子式。,2. 矿物中的水,绿柱石中常含有一定量的隧道H2O, OH-,绿柱石的晶体化学式中通常不写入：微量,Be3Al2(Si6O18),结构水(或称化合水)：常以H2O+表示，结构水呈H+、OH-、H3O+等离子形式参加矿物晶格。占据一定构造位置，具有一定比例。通常以OH-最常见。结构水写入矿物分子式。,普通角闪石 (hornbl
5、ende)(CaNa)2(Mg,Fe,Al)5(Si,Al)8O22(OH,F,Cl)2,Zoned hornblende,定比是指组成矿物化学成分中的原子、离子、分子之间的重量百分比是整数比，即恒定值。,磁铁矿含FeO=31.25%，Fe2O3=68.75%（其分子量分别为：71.85和159.70），其分子比为 FeO:Fe2O3=(31.25/71.85):68.75/159.70)=1.01:1 根据定比原理，磁铁矿的化学式可写为 FeOFe2O3或Fe3O4。,3. 定比原理,(1) 单质元素的化学式只写元素符号；如石墨：C(2) 金属互化物的化学式按元素的电负性递增顺序从左到右。呈
6、类质同像替代的元素用圆括号包括，按数量多少先后排列。楚碲铋矿：BiTe,4. 矿物晶体式的书写,(3) 离子化合物的化学式的书写顺序为： 正离子排左，负离子排右，正离子电价由低到高； 附加的负阴离子放在主要的阴离子后面； 矿物中的结晶水分子写在化学式的最后。,1. 原子分子计算法 2. 氧原子计算法,二、矿物化学式的计算方法,直接把元素的重量百分含量换算成原子或分子比，在计算硫化物、卤素化合物或金属互化物时经常采用这种方法。,1. 原子分子计算法,例1：黄铜矿,黄铜矿的矿物化学式：CuFeS2,例2： 钙铁辉石,钙铁辉石的近似矿物化学式：CaOFeO2SiO2,(1) 已知氧原子数的一般计算法
7、 (2) 含(OH) 矿物化学式的计算法 (3) 含F、Cl矿物化学式的计算法 (4) 含水矿物的计算法 (5) 阳离子总数固定计算法 (6) 理想化学配比计算法,2. 氧原子计算法,(1) 已知氧原子数的一般计算法,以固定的氧原子数为计算基础(based on fixed atoms of oxygen),Y=Y X (Y为单位晶胞中的阳离子数；Y为阳离子系数；X氧原子系数) 以YnOm为例， Y=n氧化物重量百分比/氧化物分子量； X=已知通式中的氧原子数/(m氧化物重量百分比/氧化物分子量),尖晶石的晶体化学式(Mg0.751Fe2+0.201)0.952(Al1.782Cr3+0.20
8、0)1.982O4,尖晶石,钠长石的晶体化学式(Na0.967K0.005Ca0.005)0.977(Al1.003Si3.002)4.005O8,钠长石,(2) 含(OH) 矿物化学式的计算法,如果矿物结构中含有氢氧根，则根据下列关系式换算：2(OH) = H2O + O2-亦即每两个氢氧根相当于一个氧化物分子和一个氧原子。,如果矿物组成中含有F、Cl，这些阴离子替代氧使矿物中的总的氧原子数实际过剩偏高。因此，扣除氯的计算公式为： O=Cl16/(2 35.45=0.23 Cl同理，扣除氟的校正系数为： O=F16/(219)=0.42 F,(3) 已知F、Cl矿物化学式的计算法,有些含水矿
9、物，由于无法测得精确的化学成分，或由于测试精度问题，因此在计算晶体化学时不可能以全氧计算。为此，在计算时不是根据矿物通式中的全部氧原子数，而是根据与其他阳离子结合的那部分氧的原子数计算。,(4) 含水矿物的计算法,X=4/=2.220,孔雀石：Cu2(CO3)(OH)2,2CuO + CO2,在不能分析所有组分的情况下，还可以采用固定阳离子总数的方法计算矿物化学式，可以固定整个矿物式中的阳离子总数，也可以固定某一结构位置上阳离子总数，但不管如何，其理论基础都必须是阳离子在所涉及的结构位置总数是固定。,(5) 阳离子总数固定计算法,B =(Nb+Ta+Ti)；2/(0.144+0.230+0.0
10、51)=4.7059,细晶石：(Na,Ca)(Nb,Ta,Ti)2O6(O,F,OH),由于现在矿物的化学成分大都是由电子探针分析得出的，但电子探针分析不是万能的，它也有其明显的缺陷，并不能完全给出矿物的真正成分。电子探针不能分辨元素的价态，例如电子探针不能测定磁铁矿中Fe2+和Fe3+的比值。 (b) 电子探针除了不能区别元素的价态外，还不能分析超轻元素(即原子序数小于5的元素)，如Li、Be、H。,(6) 理想化学配比计算法,Ti-Fe氧化物矿物的晶体化学式计算法,磁铁矿：Fe2+Fe3+2O4,电子探针分析结果如果以Fe2+形式分析，则磁铁矿的分析结果为FeO= 31.03 + 62.0
11、7 = 93.10 wt%,FeO,Fe2O3FeO (*0.9),如果以Fe3+形式分析，则磁铁矿的分析结果为Fe2O3= 34.44 + 68.97 = 103.41,Fe2O3,FeO Fe2O3(*1.11),基于完全化学配比方法，根据电子探针数据计算磁铁矿的晶体化学式方法,两个基本假设： 电价平衡 阳离子总数 3,Ti-Fe氧化物矿物的晶体化学式计算法,Ti-Fe氧化物矿物的晶体化学式计算法,Ti-Fe氧化物矿物的晶体化学式计算法,磷铝锂石, LiAl(PO4)(F,OH),M=M/k=0.2306; M=M *14.94=0.2306 *14.94=3.45N=N/k=0.2555
12、; N”=N *9=0.2555*9=2.30,Fe2+, Mn, Ca, Na占据Li的位置,电气石，XY3(Al6)(Si6O18)(BO3)3(OH)3(OH),OH=4-F,Li = 15 (Si + Al + Mg + Fe + Mn + Zn + Ti),三、矿物端员组分计算方法,1. 简单矿物的端员组分计算当只有一个位置上存在离子交换而形成固溶体时，矿物端员组分含量是以原子的百分数简单计算。,如：石榴子石族矿物的化学通式为X3Y2SiO43，其中X=Mg、Fe2+、Mn、Ca；Y=Al、Fe3+，如果Y位置只有Al，则石榴子石的端员组分含量计算式为：镁铝榴石(Prp%)=100M
13、g/Mg+Fe2+Ca+Mn铁铝榴石(Alm%)=100Fe2+/Mg+Fe2+Ca+Mn钙铝榴石(Grs%)=100Ca/Mg+Fe2+Ca+Mn锰铝榴石(Sps%)=100Mn/Mg+Fe2+Ca+Mn,2. 复杂矿物的端员组分计算如果矿物的成分复杂，有多组固溶体系列，此时一般采取惯用的方式来解决。,四、晶体化学式在研究中的应用,矿物分类,长石的分类：根据长石晶体化学式中KNaCa相对含量,斜长石系列,碱性长石系列,钾长石：KAlSi3O8钠长石： NaAlSi3O8钙长石：CaAl2Si2O8,长石分类图解,锂云母的分类,阿尔泰花岗伟晶岩,锂云母 lepidolite,锂白云母 Tril
14、ithioniteK(Li1.5Al1.5)AlSi3O10(F,OH)2多硅锂云母 PolylithioniteK(Li2Al)Si4O10(F,OH)2,铯锂云母 Cs-lepidolite,铯锂白云母 Cs-trilithioniteK(Li1.5Al1.5)AlSi3O10(F,OH)2多硅铯锂云母 SokolovaiteK(Li2Al)Si4O10(F,OH)2,Plots of compositions of lepidolite from the Koktokay #3 pegmatite in terms of IVAl (apfu) versus atomic Cs/(K +
15、 Cs).,锂云母“铯锂云母”晶体化学分类四方图解,Wang et al., Contrib Mineral Petrol (2007) 153:355367,多硅锂云母,锂白云母,Plot of Cs/(Cs + K)versusIVAl in the Moblan lepidolite. The prevalent lepidolite grains consist of trilithionite (triangles), whereas the zoned, Cs-enriched grains of lepidolite consist of polylithionite and sokolovaite (crosses). Classification after Wang et al. (2004).,Potter et al. Sokolovaite and evolved lithian micas from the Eastern Moblan granitic pegmatite, Opatica Subprovince, Quebec, Canada.Can Mineral. 2009,
