沸石的组成和沸石的来源

天然沸石斜发沸石结构、性质、事实

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沸石的组成和沸石的来源

沸石是一种含水铝硅酸盐矿物,含有金属离子如钠和钙。

天然沸石和合成沸石的不同结构

天然沸石和合成沸石的结构
工程师们在天然矿物和催化剂中发现了越来越多不同结构的天然沸石和合成沸石。

地壳中的Na、Ca、Al、Si元素含量非常丰富,都是主要的造岩元素,所以沸石应该是一种比较常见、分布广泛的造岩矿物。

岩浆过程后,由于高温,岩浆最初以SiO4为主。它是一种弱酸,不能与强碱性阳离子K+和Na+结合,但可以与碱土金属族Mg2+和Fe2+结合。最早形成的岩石是由Mgsio4和Fesic4组成的橄榄石和由Mgsio3和Fesic3组成的辉石。随着温度逐渐降低,出现 Si4OR1 和 Si2O- 物种。由于酸度增加,它与碱性更强的 K+a+ 和 Ca2+ 结合形成闪石和云母。铝硅酸盐在岩浆中出现时是一种强酸,与碱金属K+、Na+和碱土金属Ca离子结合形成各种长石。因此,在磁化阶段几乎没有沸石。

在热液阶段,随着热液运移并与围岩相互作用,热液逐渐由酸性向弱碱性转变,弱碱性条件有利于沸石的形成。

我们知道,矿物的结晶顺序是晶格能递减的顺序。对于硅酸盐矿物,首先形成岛状结构硅酸盐,其次是链状和层状结构硅酸盐,最后形成骨架状结构硅酸盐。最后,在低温热液阶段几乎没有形成沸石。

由于沸石的成矿受到岩石渗透性的限制,因此只有在岩石空洞和裂隙比较发育的区域,矿化才更为有利。这导致岩石中沸石矿物的分布不均匀。虽然沸石矿石的物理化学环境在岩石空洞和裂隙发育的条件下差别很大,但在热液条件下生成的沸石矿石不利于工业化生产。

大多数沸石成分是由沉积的硅铝酸盐矿物与孔隙水反应形成的。 (或由铝硅酸盐矿物的热液蚀变形成)。由于原岩质地均匀,成矿物理化学条件相对稳定,沸石在成岩作用过程中形成缓慢,可以形成重要的工业矿床。

沸石的产地与以下因素有关


母岩的成分、粒度和渗透性。火山碎屑火山玻璃岩(如珍珠岩等)是沸石形成最有利的母岩。这些岩石中富含SiO2、Al2O3,以及一定量的CaO、Na2O等成分,为沸石的形成提供了必要的物质基础。此外,这些岩石还具有特殊的构造和发育的空洞和裂隙,为孔隙水的循环提供了良好的条件。如流纹岩凝灰岩和英安凝灰岩主要形成高硅沸石-斜发沸石、丝光沸石等;锰凝灰岩主要形成低硅沸石--橄榄石、辉沸石、方沸石等。橙色玻璃凝灰岩与八面沸石、方沸石、辉沸石、丝光沸石有关。斜长石砂岩和石质火山砂岩与沸石和锂沸石有关。由上可知,高碱含量的高硅沸石主要产于酸性岩石中,而低硅沸石则产于SiO2含量低的基性岩石中。
孔隙水的pH值充足的孔隙水是硅铝酸盐水合形成沸石的基本因素,水溶液的pH值对沸石的形成有决定性的影响。如果pH值过低,可能会形成高岭石;如果pH值过高,可能会形成层状硅酸盐。只有合适的pH值(9~11)才有利于沸石的形成。研究表明,在pH=7.5-8.1的条件下,火山玻璃在一百万年内不会发生变化,而在碱性条件下,即在pH=9.1-9.9,火山玻璃可以形成沸石数万年。

这说明适当的pH和盐度有利于火山玻璃中沸石的快速形成。
温压沸石是含水矿物,易受温度和压力的影响。一般认为沸石是在低温低压下形成的,但低温低压条件下也会产生剥落石。只有在适当的温度下才能获得沸石形成的好处。结果表明,100 - 250℃有利于沸石的形成。从合成沸石的条件来看,100~180℃的温度和980kPa的压力一般是有利的。


CO2的分压也是影响沸石稳定性的重要控制因素。过高会降低H2O的活性,阻碍沸石的形成;足够的CO2促进方解石的形成,不利于沸石的形成。在温度和压力升高的情况下,含水量少、密度大的沸石(如浑浊沸石、沸石)含水量较多。多而小密度的沸石(如金刚石沸石、片状沸石)是稳定的。当沉积物埋藏温度升至150℃时,沸石被长石取代。


硅的碱性阳离子和活性金属阳离子、氧化硅的化学活性和水对从溶液中结晶出来的沸石的类型有影响。高pH值将促进高含量阳离子沸石的形成。如果溶液中有氢离子,氢离子可以与可交换的阳离子竞争。根据竞争离子的数量,形成骨架结构的硅酸盐(即沸石)或层状结构的硅酸盐(如粘土矿物)。


此外,阳离子活性的比例也影响沸石的种类。 Ca2+活性与Na+活性比值高,形成倩碧沸石的可能性大于方沸石,形成丝光沸石的可能性大于透明沸石,形成透明沸石的可能性大于方沸石菱沸石; K+活度与Ca2+活度比值高,形成铁橄榄石的可能性大于菱沸石。


埋深沸石的分布具有明显的垂直条带。密度较小的水合物往往靠近地表,随着深度的增加,沸石逐渐变成无水骨架铝硅酸盐矿物(如长石)。


日本九州北部的沸石矿床从地表向下可分为四个区域。


深度0.9~2.0km为斜沸石、长丝沸石、石英带。
深度2.0~2.8km为片状沸石、沸石、石英钙长石、钾长石带。
深度2.8~3.0km为沸石、石英钠长石、绿泥石、绿泥石、钾长石条带。
深度3.0~5.0km由石英钠长石、白云石、绿泥石、钾长石带组成。这种分带一般认为与地温梯度、固体压力、裂缝溶液的化学梯度、岩石的矿物成分等多种因素有关。


此外,根据目前沸石的产量,还认为沸石的分布与地质年代有关。目前,世界上已知的沸石矿床大部分形成于中生代至新生代。例如,橄榄石、斜发沸石、毛沸石、丝光沸石和菱沸石在新生代岩层中比前新生代岩层更常见。这些沸石的丰度随着中生代到古生代岩石的年龄而减少。

参考:

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