特征变质矿物矽线石的相关研究

张燕群，潘家永，钟福军，占学瑜

（1.东华理工大学地球科学学院，江西南昌330013；2.南华大学核资源工程学院，湖南衡阳421001）

矽线石也被叫做硅线石，常见于火成岩与泥质岩石接触带，与蓝晶石和红柱石属同质异相变体，具有相同的化学成分，但晶体结构相异，合称为“三石”。它是一种硅酸盐矿物，属斜方晶系，颜色一般为浅绿色、褐色、浅蓝色或白色。它也是一种高铝矿物原料，在高温的条件下可以分解为二氧化硅和莫来石。矽线石的晶体为针状或柱状，分子式为Al2O3·SiO2，理论化学成分为Al2O362.93%，SiO237.07%。晶体具有明显的玻璃光泽，聚合到一起常常表现为纤维状或放射状。它不论在地质领域还是其他领域都具有至关重要的作用。

1 矽线石国内外发展现状

矽线石不论在科学研究方面还是国民应用方面，都有不可取代的重要作用，各个国家对它的开发非常重视。国外发达国家在矽线石矿石的开发利用方面进行比较早，矿产分布较广，并且储量大的有印度、苏联、南非、澳大利亚和美国[1]。美国、南非、印度早在20世纪40年代就开始了研究，并且至今它们的产量也位居世界前列，其中美国、南非提供了西方世界所需要的大部分矽线石矿物[2]。相比之下，中国、朝鲜、加拿大虽然储量不小，但是开发利用较晚，生产水平较低[3]。世界上主要矽线石生产国印度，在1977年以前，为优质矽线石精矿的主要出口国，但随着高品位资源的减少,已停止出口。印度的矽线石矿床储量较大，且质量也较好。南非也是世界主要的矽线石生产国，1986年，产量为1330t，1990年达到8×104t，随着高品位矿石的不断减少,产量日趋降低[4]。在我国矽线石矿石有着广泛的分布，主要分布在黑龙江省东北部，还有河南省南部的南阳地区，内蒙古、安徽、云南和河北省等地也有分布。20世纪70年代末期和80年代，探明了大量矽线石资源。质量较好的一些矿床，如江苏韩山蓝晶石矿和黑龙江鸡西硅线石矿床已开始小规模生产[3]。其他国内矽线石矿储量较大的主要有内蒙古上贵乌拉(矽线石含量30%)，陕西长里沟(15%～30%)，安徽岗里(15%～30%)，云南元阳(10%～30%)，河北罗圈(5%～30%)，安徽回龙山(10%～15%)。据现已探明的储量来看,大多是贫矿[4]。另外，还有辽宁青城子、河南南阳、福建莆田、甘肃别市沟、山西峪里、广东九王山等地也分布有矽线石矿产。我国第一条矽线石生产线是在1985年建成，即黑龙江鸡西非金属矿工业公司。在近20年来，矽线石应用领域越来越广泛，人们对矽线石、红柱石、蓝晶石及相关产品的认识逐渐加深，在建材、冶金行业都有广泛应用，国内矽线石的生产厂也变为十几家，年生产精矿能力得到了数十倍的增长，对我国有效开发矽线石深加工产品起到了非常重要的作用。

2 矽线石的矿物学性质

铝在硅酸盐矿物中存在2种不同的形式。其一是硅氧四面体中的Si被Al部分置换，形成了铝氧四面体，然后它与硅氧四面体一同构成络阴离子，从而变成铝硅酸盐；其二是Al以金属阳离子的形式和络阴离子一起而组成铝的硅酸盐。此时铝与氧构成配位数为6的八面体。硅酸盐矿物中铝置换硅是非常普遍的，矽线石就是一个典型的例子。

矽线石是结构式为Al[AlSiO5]的链状基型铝硅酸盐，成分相对稳定，常有Al被部分Fe3+替代，有时存在微量的Ti、Ca、Mg等混入物。

2.1 矽线石的结构

矽线石是斜方晶系，它的结构是沿c轴排列的硅氧四面体和铝氧四面体，构成[AlSiO5]双链；[AlO6]八面体构成链，在单位晶胞投影面里，位于4个角顶和中心，1/2的Al为四次配位。矽线石发育有平行c轴的解理，是针状或纤维状的晶体形态。可以看出，在它的晶体结构中，总有一个八面体，其表现为，共棱与相邻八面体相连；配价数是4的另一个Al原子，对结构中O原子的位置起决定作用，由此也决定了矽线石的密度3.22～3.26，莫氏硬度6.0～7.0。矽线石的晶体a0、b0、c0分别为0.744、0.760、0.575，在晶体的柱面上有明显条纹。有时其作为包裹体在石英、长石晶体中存在，呈毛发状，毛发状的矽线石称为细矽线石[2]。

2.2 矽线石的物理性质

矽线石是一种天然无水硅酸铝质的高铝矿物，颜色为白色、灰色或浅绿、浅褐色等，玻璃光泽，莫氏硬度6.0～7.0，密度3.22～3.26，不溶于酸，解理完全，结构中的双链与解理面平行。矽线石在硬度上的各向异性十分明显，在(100)晶面，莫氏硬度在垂直和平行延长方向分别为6.6和4.3。在1400℃，矽线石的有裂纹的解理中开始有玻璃态的物质出现。当加热到1545℃，矽线石生成2种物质，二氧化硅和莫来石，其中莫来石与矽线石之前结构的排列方向一致。在1600℃左右，开始观察到矽线石具有标准光学常数。到1700℃，几乎全都变成了玻璃相和莫来石。进一步加热到1810℃，则分解为刚玉和玻璃[5]。矽线石在莫来石化的过程中有一定的体积膨胀，其膨胀率为7%～8%，由于过程中产生的是不可逆的体积膨胀，所以这一特点让其在阻止裂纹产生、提高制品抗热震性等方面广泛应用。

2.3 矽线石的化学性质

矽线石理论化学成分为Al2O362.93%，SiO237.07%。其化学性质是非常稳定的，其中的杂质含量少，化学成分比较纯，一般在水和酸中不溶。我国一些地区的矽线石化学成分见表1。由此可见,在我国各地的矽线石化学成分中，黑龙江鸡西有较高的Al2O3含量，而在SiO2和K2O上，河南镇平有较高的含量。

矽线石中K2O和Na2O在高温下分解，其转化产物为莫来石，同时也生成富Si的玻璃相，这样可以一定程度上减少莫来石含量，Na2O和K2O的和逐渐接近于0的时候，莫来石的含量最高，制品的高温性能好。矽线石中1.12%的CaO可使莫来石分解10%，11.5%的CaO或18.6%的MgO可使莫来石完全分解。在1520℃～1570℃时，T iO2能提高矽线石的烧结性能[6]。

表1 国内矽线石的化学成分分析表[5](wB%)

2.4 矽线石的其他性质

除了以上基本性质，矽线石在其他方面也有着优良的性质。在热膨胀性上，矽线石经过煅烧能够变成莫来石，由此产生的体积膨胀是不可逆的，膨胀倍数较小，形成优质的针状莫来石网络。利用其膨胀的效应可以对体积收缩进行抵消，从而对局部的应力进行限制，进一步防止裂纹产生。在稳定性上，由矽线石矿物生产的耐火材料，其稳定性很高，是粘土质耐火材料的1.5倍。在耐火度上，一般的粘土质耐火材料耐火度为1670℃～1770℃，而矽线石的耐火材料耐火度为1850℃。由于具有特殊的耐火性能，因此长期以来成为广泛使用的高级耐火材料[7]。另外，其还具有良好的耐磨性、抗化学腐蚀性、抗渣侵蚀性等性能。

3 矽线石的成因讨论

矽线石是一种高温变质矿物，在区域变质作用下形成，在结晶片岩、片麻岩中常有发育，也在火成岩的接触带中存在。在矽线石堇青石片麻岩、黑云母矽线石角页岩里的矽线石，通常是由于早期形成的红柱石转变或黑云母的分解而成。常与矽线石共生的矿物有红柱石、蓝晶石、堇青石、刚玉等。此外，矽线石还在二云片岩和黑云片岩中有发育，此种岩石变质程度相对较低。考虑变质流体的作用，再结合构造环境的影响，大概可以将矽线石的成因分为几类：第一种是巨晶板柱状矽线石，其发育在矽线石榴钾长片麻岩中，由于共生矿物组合中无白云母和堇青石，而含有大量的石榴石和钾长石。故可以考虑为主要是以下反应：Mus+Q→Sil+Kf+H2O；Stau+Mus+Q→Sil+Bt+Gt+H2O；Bt+Mus+Q→Sil+Gt+Kf+H2O。这种刚开始为针柱状，后期经过重结晶的作用变大形状成为板柱状，也有发育为竹节状。第二种是矽线石集合体，形状主要为针柱状，也有乳滴状，其存在于堇青石和钾长石中，且普遍见黑云母被交代分割，表明矽线石由分解反应生成：Bt+Q→Sil+Gt+Kf+H2O；Bt+Q→Sil+Crd+Kf+Mt+H2O；Bt+Sil+Q→Gt+Crd+Kf+H2O。第三种是毛发状矽线石，其发育在矽线石榴堇青黑云钾长片麻岩中，其交生的黑云母具有成分产生严重分异的熔融特征，此外还有堇青石被转化，云母剩少量残片。这些特征说明黑云母可能经过脱水熔融，然后又一次结晶生成：Bt→Sil+Crd+Mt+Ilm+熔体(K2O+SiO2+H2O)。第四种是矽线黑云片岩-二云片岩中的纤维毛发状矽线石，从矽线石和与其交生的黑云母共同遭受强烈揉皱，说明黑云母有不均匀成分，从中心到边缘，随着Fe、Mg、Ti的迁移表现出从Bt→Mus→Mus+Q→Sil的变化趋势，这种成分上的差异明显不是高温熔融造成，可能是构造应力作用在一定温度下的影响[8]。矽线石的成因是多样的，在高温下可以产生，同时也可在一些低温的环境下产生，要从实际出发综合分析成因。

4 矽线石的应用

4.1 矽线石用途

矽线石是变质岩中常见的矿物，产状固定，单相的稳定区与岩石的温度和压力直接相关，可以作为地质温度—压力计，可指示地质体形成时的温度和压力。

矽线石作为优质原料具有很多用途，主要用途见表2。

表2 矽线石矿物的工业用途

在材料学上,矽线石中Al2O3含量高，颗粒比较致密，再结合结构中[AlO6]八面体的稳定支撑作用，使其具有一些特性，如抗蠕变、高温负荷大、热传导大、膨胀系数小、结构耐热震性好、耐熔蚀和耐磨蚀等，作为材料被广泛应用于各种工业上[5]。

在钢铁和冶金工业中被广泛用作高炉、热风炉、电弧炉、混铁炉和耐火砖。在玻璃工业中被广泛应用作回转窑上部结构耐火衬；回热炉炉壁和炉格，主要用在炉体上部的低温区(l450℃)和大气净化区,纯度高者也用在气压极低的“浮池”上部作结构材料。在水泥工业中，矽线石耐火砖用于预热带，成功地解决了衬体磨损过快问题[4]。在建筑工业中，作为配料可用于军工建筑，还可以做翻砂模面料(涂料、膏剂和各种混合剂)[2]。在陶瓷工业中被用作玻璃窑瓷砖、耐火料道砖等，还可以制造高技术陶瓷，用于汽车发动机的火花塞、实验器皿及一些交通工具如火车、汽车等用的硅铝合金。在医学上，是铸造假牙、骨移植物及碎骨连接板的骨料。另外色泽艳丽的矽线石还可作宝石原料，单晶体可磨制成刻面宝石。

4.2 矽线石市场情况

在世界上，印度、美国、南非和加拿大等国是主要的高铝矿物生产国，北欧、德国、美国、日本、英国是主要的消费国。据统计，世界上高铝矿物需求在5%～7%的增长率。

国内1978年改革开放，上海宝钢首次提出需求高铝矿物以来，品种变多了，用量变大了，其消耗量在逐年攀升。我国的陶瓷工业使用莫来石质材料一般在1400℃以上。如果采用高铝矿物合成莫来石，该类矿物的年需求量可达1×104t左右。此外，其它行业也有潜在消耗量。在耐火材料上，炼钢用耐火材料消耗的高铝矿物量最大，占65%，炼铝和玻璃行业用耐火材料消耗的高铝矿物各占10%。目前，那些产钢大国，如德、英、意、加等所需要的高铝矿物主要依赖进口[9]。

4.3 矽线石开发前景

随着工艺的提高，近年来，消费者更重视产品的纯度。当然，不能忽视一些应用中对粒度的要求。一般情况下，粒度为0.25～8mm的物料都可以用于耐火材料；较粗粒级的物料可用于制砖；较细的物料可用于整体耐火材料。在非金属工业上，我国尚处于初级阶段，资源的开发利用远远不够，一定程度上不能满足生活需要。在发达国家的非金属和金属产业值为3∶1，而我国为1∶3，这表明在我国，2种产业发展不是特别协调，在非金属矿产方面还需要进一步的发展，达到更好的开发利用。随着冶金工业的发展和对高性能耐火材料需要的增加，矽线石类矿物在未来钢铁工业、玻璃工业、陶瓷工业等仍然起着巨大作用。

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