四、沸石族矿物
（一）综述
沸石族矿物为含水的碱或碱土金属的架状结构铝硅酸盐矿物，因该族矿物受热时有水沸腾现象被称为沸石族矿物。它们构成蚀变岩类的主要组成矿物，其中一些矿物种具有重要的经济价值。
（二）化学成分
沸石族矿物的化学组成比较复杂，一般晶体化学式用MxDy［Alx+2ySin－（x+2y）O2n］.mH2O表征，式中M=Na、K等一价元素；D表示Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+等二价离子，Al3+可被Fe3+、Be3+置换；Si可被Al置换。
在［SiO4］四面体位置中，Al∶Si的值为1∶5到1∶1。沸石的铝硅组成可以在一定范围内变化，一般Al∶Si值低，晶格能高，晶体耐酸性和热稳定性比较强。形成温度比较低。
（三）晶体结构
所有沸石族矿物的结构中，［（Si，Al）O4］四面体全部公用四个角顶沿三维空间联结成架状。在结构中，存在着宽阔的空洞和较宽的通道，这些位置被水和其他金属阳离子占据。见图18－5－7。
图18－5－7 沸石结构（左俯视图，右前视图）
在沸石结构中，存在有次级结构单位（SUB），为［（Si，Al）O4］四面体演化而来，不考虑［（Si，Al）O4］四面体的形状，而是将［（Si，Al）O4］四面体中心相互联结起来形成最简单的结构图案。经研究，次级结构单位图案有8种，如图18－5－8所示，分别是（a）简单四联环，简记S4R；（b）简单六联环，S6R；（c）简单八联环，S8R；（d）双层四联环D4R；（e）双层六联环D6R；（f）复合五四面体型4－1T5O10；（g）复合五四面体型5－1T8O16；（h）复合五四面体型4－4－1T10O20。
图18－5－8 沸石次级结构单位示意图
次级结构单位在结构中形成了一些多面体空腔，这些多面体围成空腔构成所谓的“笼”。相邻的笼可以通过次级结构单位之间联结，形成各种形状大小不同的通道，这种通道一般有三类：
（1）一维通道。各方向的通道彼此不相通。
（2）二维通道。一般通道由平行c轴、b轴的两种通道相互连通而成。
（3）三维通道。三维空间有三个方向互相联通的通道，可分为等径和不等径体系。
由于沸石族矿物具有独特的结构特征，并且加热时导致水分子容易从结构中逸出，留下开阔的空洞和通道，具有离子交换性和分子筛等特性，从而具有较大的经济价值。
（四）形态与物理性质
沸石族矿物的结构特征决定了晶体对称性比较复杂，各个晶系的对称型都具有。晶体形态种类多，晶体常发育成纤维状、束状、柱状、板状、菱面体、八面体、立方体及三向等长等形态。
沸石族矿物纯净时，颜色均呈浅色或白色。含铁或其他杂质者，可染成其他颜色。硬度低，Hm值在3.5～5.5之间。相对密度值低，在2～2.3之间。易被酸分解。
（五）成因产状
沸石族矿物在内生作用下形成于晚期低温热液条件下，常与方解石、石髓、石英等矿物共生。常产于岩浆岩的裂隙或火山岩的杏仁体中，也可产于热液脉或温泉沉积物中，常为霞石、长石被交代的产物。沸石产出的种类和数量与原岩的成分、结构、裂隙水的性质及温度等条件有关。一般在pH值＞7条件下可形成沸石。
在外生条件下，沸石形成范围更广泛，主要形成于火山碎屑沉积岩中，土壤中也可形成。常可形成大型的工业矿床。
（六）用途
沸石族矿物用途十分广泛，主要作为离子交换材料和分子筛材料。
沸石作为离子交换材料，主要由于笼和通道中的阳离子元素（K、Na、Ca等）与［（Si，Al） O4］四面体之间的化学键比较弱，容易被其他阳离子元素（Mg、Sr、Ba、Cu、Zn、Ni、Ag、La）等置换而不破坏晶体结构。由于这些参加置换的阳离子半径比原离子小，且易发生Ca2+←2Na+、2K+的置换。所以通过沸石提供的2Na替换Ca来达到使硬水被软化的目的；也可以通过Na替换K进行海水淡化或提取钾。利用沸石的这一性质可除去废水中的放射性元素、重金属离子和氨态氮及磷酸盐等有害物质。
沸石作为分子筛材料，主要由于沸石水在笼和通道中连接松弛，加热时水分子逐渐逸出，并不破坏晶体结构，在适当的条件下可重新获得，这种水被称为沸石水。当水分子被逸出后，笼和通道内的剩余电荷可吸附外来的气体、液体分子（如NH4、CO2、H2S、SO2等）。此时，被笼、通道半径小的分子或离子可进入被吸附，而半径比较大的分子或离子则被拒绝进入。从而起到隔离分子或离子的作用，被称为分子筛或离子筛。通过沸石的这个性质，可以分离混合气体、液体而用于废气的处理。如在宇宙飞船中用沸石除去人体呼出的CO2，而保持环境条件与宇航员的身体健康。也可利用沸石的这个性质净化天然气、改良土壤等。
（七）主要矿物
沸石族包括的矿物种主要有钠沸石、菱沸石、片沸石、束沸石、毛沸石、丝光沸石、斜发沸石、钙十字沸石等矿物，它们的主要特征见表18－5－5、18－5－6，其他特征如下：
表18－5－5 钠沸石、菱沸石、片沸石、束沸石的主要特征
表18－5－6 毛沸石、丝光沸石、斜发沸石、钙十字沸石的主要特征
1.化学成分
钠沸石：成分中Si/Al=1.44～1.58之间，可见少量的Na被K、Ca置换。
菱沸石：成分中Si/Al=1.7～3.8之间变化，可以发生Ca←2Na或2K；Ca被Sr、Ba置换；Al3+被Fe3+置换。
片沸石：成分中Si/Al=2.90～4.00之间变化；阳离子元素以Ca为主，Na、K次之，可以发生CaAl←NaSi、NaAl→Si及Ca←Sr等置换方式。也可吸附NH3.
束沸石，又称辉沸石：成分中Si/Al=2.90～4.00之间变化。阳离子元素以Ca为主，Na、K次之，可以发生CaAl←NaSi、NaAl→Si及Ca←Sr等置换方式。也可吸附NH3。
毛沸石：成分中阳离子元素以Ca、Na、K为主，Mg次之。
丝光沸石，又称发光沸石：成分中Si/Al=4～6之间变化；阳离子元素以Na、Ca为主；K次之。
斜发沸石：阳离子元素以Na、K、Ca为主，且Na+K＞Ca；Mg次之。
钙十字沸石：成分中可发生KNaAl→Si及Ca←Sr等置换方式。
2.晶体结构
钠沸石：结构中［Al2Si3O10］结构单位以角顶彼此联结，形成平行c轴链，链间通过桥氧联结，键力较弱，导致晶体发育成平行c轴的针状或纤维状形态。Na充填于空腔中心位置，H2O偏向一边。
菱沸石：晶体结构由D6R形成的柱体，以ABC形式由S8R联结成，结构形成的笼空隙很大，S8R形成六个出口。笼内由Ca和H2O进入。
片沸石：晶体结构由4个五联环和2个四联环以角顶联结，结构单位呈层平行（010）排列，使得晶体发育｛010｝完全解理。
束沸石：结构层单位由4－4－1组成，层平行（010）排列，使得晶体发育｛010｝完全解理。
毛沸石：结构中［（AlSi）O4］四面体组成六方柱状笼，相邻笼以六元环联结，笼沿六次对称轴方向延伸。
丝光沸石：晶体结构为五元环组成沿c轴延伸的链，平行c轴、b轴有二维通道。
斜发沸石（省略）。
钙十字沸石：晶体结构由［（AlSi）O4］四面体组成S4R和S8R，平行（100）及（010）发育有通道，在通道交汇处形成较大的空洞中存在着阳离子和水分子。
3.成因产状和矿物共生组合
钠沸石产于玄武岩的气孔或裂隙中，与方解石、其他沸石等矿物共生；在碱性岩中为霞石、方钠石等的蚀变产物。
菱沸石可形成于低温硫化物矿脉及近代温泉中。
片沸石主要产于玄武岩或安山岩气孔中，呈杏仁状，常与鱼眼石、方解石、其他沸石等矿物共生。由火山玻璃或凝灰岩转变而成。
束沸石常见于玄武岩或安山岩气孔或裂隙中。也可见于浅成岩、深成岩和变质岩的裂隙中。
毛沸石产于玄武岩空洞中，与碱性沸石、黄铁矿等矿物共生。也见于流纹凝灰岩、流纹岩、凝灰岩裂隙中，与蛋白石等共生。在玻质凝灰岩中与片沸石共生。
丝光沸石产于中酸性火山熔岩和酸性火山碎屑岩的杏仁或空洞中，为火山玻璃水化产物或在沉积岩中呈自生矿物。我国浙江缙云县、山东潍县和安徽宣城县为丝光沸石著名产地。
斜发沸石产于强烈风化杏仁状的玄武岩或蚀变的玻璃质凝灰岩中。也产于页岩及结晶的火山玻璃中。我国浙江缙云县和安徽宣城县为斜发沸石的著名产地。
钙十字沸石产于玄武岩空洞或杏仁体中，常与菱沸石、杆沸石、中沸石、钠沸石等矿物共生。也产于近代钙质海洋粘土中。还可产于盐湖沉积物和风化凝灰岩中。
4.鉴定特征
钠沸石：呈针状或纤维状形态，易熔后呈透明珠状。
菱沸石：呈近立方体的菱面体状形态。
片沸石：呈片状形态和一组完全解理。
束沸石：呈特有的束状集合体形态和一组完全解理。
毛沸石：呈羊毛纤维状或放射状形态。
丝光沸石：呈针状、纤维状、放射状形态和一组解理。
斜发沸石：呈板状、片状形态和一组解理。
钙十字沸石：呈柱状形态和两组解理。
5.用途
钠沸石可作为离子交换材料和电性材料。
菱沸石可作为离子交换材料和分子筛材料。
片沸石可作为离子交换材料和分子筛材料。
束沸石可作为离子交换材料和分子筛材料。
毛沸石可作为离子交换材料和分子筛材料。
丝光沸石可作为离子交换材料和分子筛材料。
斜发沸石可作为离子交换材料和分子筛材料。
钙十字沸石可作为离子交换材料和分子筛材料。
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