矿物热膨胀的晶体化学研究综述

热膨胀是矿物材料的重要属性之一,对它的研究在矿物学及材料科学中具有重要意义。前人关于矿物的热膨胀系数和晶体化学参数之间关系的研究表明,矿物的 结构、成分、化学键及原子价态、配位数、外层电子结构等对热膨胀系数都有不同程度的影响。晶体化学方法是研究矿物热膨胀系数的有效方法,但由 于矿物的热膨胀系数和晶体化学参数之间的定量关系尚未完全弄清,目前仅仅能对简单结构矿物的热膨胀系数进行计算,结构、成分较复杂的矿物的热膨胀系数计算尚缺乏好的晶体化学模型。为达到精确计算矿物热膨胀系数的目的,必须对矿物按照晶体化学特性进行分类。 在分类的基础上,把晶体化学方法和理论计算方法有效地结合起来。矿物的热膨胀性可按照 受热时结构有无旋转划分为键膨胀型和结构旋转型,过渡金属阳离子所形成的化合物根据d电子层电子云的分布进行分类。通过以上的分类,在计算不同类型矿物热膨胀系数时 ,可按矿物类型处理。对键膨胀型的矿物只需估计键的膨胀情况,而对于结构旋转型除考虑 键的膨胀性以外还要考虑配位多面体旋转的情况。     

矿物热膨胀系数计算的修正Ruffa法及其应用

对矿物热膨胀系数计算的Ruffa法进行了详细的评估和修正，提出了矿物热膨胀系数计算的修正Ruffa法；用Ruffa法、修正Ruffa法对若干种结构类型的矿物的热膨胀系数进行了计算并与实验结果进行对比，结果表明修正Ruffa法比Ruffa法具有更高的精度和更广的适用范围。     

矿物中稀土元素扩散作用的理论研究及其扩散参数的预测

矿物中的微量元素在地质环境下能否保持有效封闭,主要取决于其扩散性质,而稀土元素(REE)是探讨地质作用过程及其物理化学条件等重要的示踪剂,查明其在不同矿物中的扩散行为对于地学研究具有重要意义。本文通过分析矿物晶格结构和离子类型对元素扩散行为的制约规律,探讨了REE在不同矿物中的扩散迁移。在此基础上,利用多元统计分析方法得出扩散参数与扩散体系不同晶体化学参数之间的关系方程,建立了计算1atm、无水环境下REE在不同矿物中扩散参数的多变量模型,由此模型预测的REE在不同矿物中的扩散参数E和lnD0的值,与实验测定结果在实验误差范围内具有很好的一致性。与以往的预测模型相比,多变量模型能更全面地反映扩散体系晶体化学因素对扩散速率的制约。此外本研究结果显示,REE在矿物晶格中扩散作用的主要影响因素是阳离子,而非当前认为的阴离子。     

用改进的增量方法计算硫化物中硫的同位素分馏系数

增量方法已成功地应用到硅酸盐矿物、金属氧化物、碳酸盐矿物和硫酸盐矿物氧同位素分馏系数的计算中。本文在对硫化物晶体结构与矿物学特点分析的基础上,通过详细分析前人对硅酸盐矿物和金属氧化物中氧同位素分馏的增量计算方法,将氧化物和硫化物的晶体特征加以对比,提出了计算硫化物中硫同位素分馏的增量计算方法。修正的增量方法根据硫化物的晶体化学结构特征,引入了一个重要的参数,即Madelung常数,用于指示不同结构的硫化物对~(34)S的富集能力。本文利用这一修正的增量方法计算出了0℃到1000℃温度范围内,磁黄铁矿、方铅矿、闪锌矿、黄铜矿、硫镉矿的10~3Inβ和它们之间的分馏系数10~3Inα。并给出这五种矿物间的~(34)S富集顺序：磁黄铁矿＞硫镉矿＞闪锌矿＞黄铜矿＞方铅矿。与前人的实验结果对比表明,本次计算结果与实验结果基本吻合。同时,增量计算方法成功地再现了任意硫化物中~(32)S、~(33)S、~(34)S和~(36)S这四种同位素之间确实存在一定的分馏比例关系。这说明尽管增量方法存在一定的局限性,但将其扩展到硫化物间硫同位素分馏的理论计算是可行的。     

新矿物与新矿物研究创新探索

作为矿物学的重要基础研究方向之一,新矿物的发现及其晶体结构、晶体化学的研究始终备受各发达国家的一贯重视。新矿物的研究和发现及其成果具有国际性,在一定程度上反映了国家在该领域以及整体科技水平和对科学发现的贡献。笔者近年来参与了对若干存疑矿物进行的精细晶体结构与晶体化学研究和矿物学研究,从2005年至今参与发现的23种新矿物均获得国际矿物学协会新矿物及分类命名委员会(IMA-CNMNC)所批准。这些新矿物的获批得益于成功地获取了成分数据、衍射数据和晶体结构的阐明。本文就新矿物的认定规则、申报内容和数据、分类命名、研究内容及工作方法等进行综述,在此抛砖引玉,希望通过交流促进我国新矿物研究领域的发展。     

中国二八面体含铝蒙皂石矿物化学和晶体化学的特征

通过对我国６４个二八面体含铝蒙皂石矿物化学及晶体化学数据的统计分析，研究了它们的矿物化学及晶体化学的基本特征，并得出八面体组分是影响蒙皂石矿物学及物理化学性质的主要因素，在此基础上，利用ＡｌＡｌ－ＡｌＦｅ－ＡｌＭｇ三角图划分了我国二八面体含铝蒙皂石的晶体化学类型，并对原分类图进行了模式化处理，使ＡｌＡｌ－ＡｌＦｅ－ＡｌＭｇ图更具实际意义，蒙皂石的阳离子交换容量与晶体化学模型有对应性，并受八面体三价     

晶体化学的过去、现在和将来

晶体化学是矿物学的一个重要部分,它描述矿物晶体结构与相应的物理、化学性质之间的关系。经过50年的努力, 晶体化学已经从定性发展到定量,并对观察各种压力、温度和化学环境条件下的矿物特征提供重要的基础。人们对矿物的化学性质,物理性质兴趣的日益增长,以及考虑使这些性质与地质科学、材料科学中许多重要问题的结合,将使晶体化学的前程非常远大。     

基于改进的SVM技术和高光谱遥感的标准矿物定量计算

基于支持向量机(SVM)统计理论,并对其从核函数构造方面进行改进,通过主成分分析、包络线去除、光谱导数变换等对原始Hyperion高光谱数据进行降维、变换与特征提取,分析比较了这些变换后不同的回归效果,并将其应用在内蒙古霍林郭勒地区岩石中氧化物质量分数的反演中。同时,鉴于某些重要矿物本身并没有明显的特征光谱曲线,提出一种新的矿物定量方法。首先,基于高光谱遥感数据,利用改进的SVM回归技术反演矿物中的化学成分,然后通过标准矿物计算（CIPW）推导岩石中标准矿物的质量分数。研究结果表明：基于改进核函数后的SVM回归精度有所提高,其中导数变换后的反演精度达74.87%,比原始光谱反演精度提高了4.11%。CIPW应用于高光谱遥感地质填图效果良好,为岩性鉴定和评价提供了科学依据。     

硅酸盐体系的化学平衡:(1)物质平衡原理

通过具体应用实例,系统介绍了在硅酸盐体系的化学平衡研究中,依据物质平衡原理,求解“相混合方程”(PME)而进行物相定量分析的“相混合计算”(PMC)方法。应用实例包括矿物原料和结晶岩物相的定量分析,复杂固溶体矿物的端员组分计算,多组分硅酸盐陶瓷的配料比例计算,以及硅酸盐陶瓷制品物相的定量分析。物相定量分析结果是结晶岩和工业岩石原料分类命名的基础,可以为改进矿物原料预处理工艺提供依据,也是研究硅酸盐体系的化学平衡、对材料制备过程进行热力学分析的基础。实际计算中必须合理估计各种分析数据的累积误差。优化计算结果的理论依据主要有矿物晶体化学原理、矿物共生组合规律和次要组分分配的固溶体矿物相优先原则。     

金云母—蛭石间层矿物分晶层晶体化学式的计算及意义

金云母－蛭石间层矿物由金云母晶层与蛭石晶层交叠排列而成，采用一般计算方法得出的晶体化学式不能充分揭示结构中金云母晶层与蛭石晶层各自的晶体化学特征。本文以化学成分分析与阳离子容量为基础，假定可交换性阳离子均为蛭石晶层层间阳离子，非交换性阳离子为金云母晶层层间阳离子，金云母晶层与蛭石晶层具有相同的八面体层等，计算出了结构中两种晶层的分晶层晶体化学式，确定了结构中两种晶层的比例和蛭石晶层的电荷数。并在此基础上讨论了新疆尉犁蛭石矿金云母－蛭石间层矿物的晶体化学特征。结果表明该方法设计合理，符合晶体化学原理，所计算的数据可靠。利用该方法计算出的两种晶层的比例为金云母－蛭石1：1规则间层矿物的确定提供了必要的依据。也为其它类似间层矿物的研究提供了一种计算分晶层晶体化学式的可行方法。     

堇青石低热膨胀机理研究

本文根据垄青石晶体结构特点和有关热力学资料,建立了堇青石热膨胀系数的理论计算模式:半定量计算方法,α=α_MgO × 1/3 × 2/3;定量计算方法,α=ΔS/ΔT/2/(a × b).分别计算了堇青石、印度石的线热膨胀系数,半定量计算结果:α=3.31 × 10^-6℃^-1(堇青石、印度石);定量计算结果,a=1.54 × 10-6℃^-1(堇青石),α=0.85 × 10-6℃^-1(印度石),与实验测定结果(堇青石:α=2.3 × 10-6℃^-1,印度石:α=1.0 × 10^-6℃^-1)吻合。     

Thermal expansion of granitoids

The thermal rock properties are particularly important for natural stones whenever a temperature change may occur, which becomes particularly important when different materials are combined on any architectural structure. The thermal expansion of a rock is dependent on the coefficients of the expansion of the individual rock-forming minerals and the rock fabric. A systematic study on 65 different stones, mostly granitoids and others magmatic rocks, most of them are often used as dimensional building stones, was performed. Temperature and moisture are very important parameters in the natural environment. Therefore, the thermal expansion, and in addition the thermohygric expansion on selected examples, was measured. The data were also discussed considering the effect of the mineralogy and the temperature. A modeling approach was introduced to show how the mineralogy and the related single crystal properties affect the thermal properties and how good a simple calculation can help to characterize the measured thermal expansion of a rock. The directional dependence of the thermal expansion was also discussed and explained based on detailed rock fabric measurements. In this study, the bowing of granitoid samples was tested and compared with bowing phenomena of granitoid facade panels. The slabs were cut in different directions and were studied under different conditions of temperatures and water saturation. It could be clearly documented that the temperature and the moisture have a control on the bowing behavior. The implication of our data is that thermal expansion depends greatly on wetting and drying, i.e., the thermal cracking is characterized by the residual strain observed after cooling to room temperature. The sensitivity to the thermal cracking has a significant control on the application in architectural constructions.     

矿物稳定同位素地球化学研究

通过测定矿物中元素H ,C ,O和S的同位素比值 ,认识矿物体系中的同位素效应 ,不仅能够确定矿物之间和矿物与流体之间的同位素平衡关系 ,而且能够了解影响矿物平衡和动力学同位素性质的因素。文中评述了稳定同位素分馏系数校准的理论计算、实验测定和经验估计方法 ,讨论温度、压力、化学成分和晶体结构等对矿物同位素性质的影响。由于同位素效应取决于矿物的物理和化学性质 ,因此应用稳定同位素来作为示踪剂不仅能够追索各种矿物学反应的路径 ,而且能够提供证据来阐明矿物晶体结构的某些细节。     

微波照射下矿物升温特性与岩石弱化效果研究综述

随着经济的快速发展,工程领域面对坚硬岩石的情况越来越多,传统机械开挖方式的效率和经济性难以保障,而微波辅助破岩具有较好的工程应用前景。岩石是由不同矿物组成的,不同矿物对微波的敏感程度不同,其敏感程度与矿物的族类、晶型和铁元素含量有关。当岩石处于微波场中时,不同敏感性矿物间的差异性膨胀能够在矿物边界和内部产生热应力,从而有效弱化岩石。影响岩石弱化效果的主要因素可分为微波条件和岩石条件两大类。一般而言,岩石强度随着微波功率与照射时间的增加而降低;相同能量条件下,高功率短时间的微波照射能够产生更好的弱化效果。岩石所含矿物的微波敏感性越高,敏感矿物的颗粒尺寸越大,及含量适当时,微波照射岩石的弱化效果越好;含水状态的岩石受到微波照射后,能够比干燥状态产生更大的损伤。微波的热效应有时还会使岩石中的矿物发生较大的物理或化学变化,进而对其升温特性及弱化效果产生影响。面照射试验表明微波能使大尺寸岩样在照射区域产生放射状裂纹,从而有效降低岩石强度,提高破岩效率。     

间层矿物的结构参数与分类探讨

从间层的概念出发，对四个间层结构参数的定义和意义进行总结，并根据间层矿物的结构和组成对其进行了分类探讨。首先根据晶层种类将间层矿物分为同类结构基元间层矿物和异类结构基元间层矿物两大类，然后根据变差系数划分出规则间层矿物和不规则间层矿物，最后根据间层比、连接概率等特征划分出有序间层、无序间层和带状间层。     

含金络合离子[Au(Sb_2S_4)]~-在高岭石表面吸附的量子化学研究

用离散变分Xα 量子化学计算方法 ,研究了络合离子 [Au(Sb2 S4) ]-吸附在粘土矿物高岭石晶体边缘时 ,它们之间的化学键性质。根据所选用的络合离子 [Au(Sb2 S4) ]-处于基面及侧面不同位置的 10个模型的计算结果 ,表明当络合离子 [Au(Sb2 S4) ]-位于高岭石晶片的侧面时 ,比其位于基面时更为稳定 ,而且与高岭石晶片侧面中的O形成共价键。     

非饱和土热力学参数确定的探讨

研究非饱和土热力学的力学性质,必须建立能量守恒方程,表征能量的两个基本物理力学参数（体积比热系数和热传导系数）的确定是求解能量守恒方程的重要因素。对于不同颗粒组成的土体,对其干燥颗粒有效热力学参数进行了分析,对固体、液体和气体三相共存的热力学参数进行了研究,并对计算结果进行了对比分析,在此基础上,提出了较适合计算热传导系数的方法,并将此方法和体积平均法、自洽法及Hashin-Strikman方法进行了比较。经与试验结果对比表明：提出的方法能较好地描述非饱和土的热力学参数特性。