摘要
纳—微米黄铁矿晶须,是黄铁矿矿物在介观尺度结晶生长的具体表现,对其进行研究,不仅可了解纳—微米矿物的聚集机理、介观尺度矿物结晶生长行为、纳米物质在一定物理、化学条件下发生变换的过程。同时,该矿物在不同条件下的结晶行为研究,可为揭示纳—微米物质的成矿、成藏条件提供科学依据。另外,该矿物多形貌成因和形成条件的科学数据,在指导矿物开发利用等方面都具有十分重要的意义。
为了揭示黄铁矿以晶须状生长的结晶行为,我们开展了黄铁矿晶须形成宏观地质背景和基本条件研究；天然黄铁矿晶须及形成环境研究；黄铁矿晶须生长的模拟实验研究；讨论了纳—微米黄铁矿晶须生长基元的聚集机理。
通过地质调查,晶须产出部位围岩、晶须共生矿物、矿体中矿石矿物、金矿物成因以及重晶石中包裹体研究,认为耿庄天然黄铁矿晶须是该区隐爆作用中热液注入作用结果,热液特征和注入方式直接影响和控制了晶须的生长。
天然黄铁矿晶须及形成环境研究结果显示：晶须的形貌、成分和结构特征记录了热液演化过程。简单、平直晶须晶须为一次生长标型,代表稳定的生长环境；串珠状、藕节状、蒲棒状均为加厚标型,代表亚稳定的生长环境；塔形晶等复杂形貌是相对高浓度条件的形貌标志,代表不稳定的生长环境。黄铁矿晶须形貌具有标型意义,是识别地质环境、流体特征的重要标志。
分别用热硫化法和热转化—分解法,开展了黄铁矿晶须生长的模拟实验研究。在热硫化法实验中,当温度达到360℃时形成了晶须。在热转化—分解法实验中在380℃时形成了晶须。其形成温度均比同种条件下晶体生长温度低。获得了晶须是同种晶体在相对低温条件下结晶生长的实证结论。
运用矿物学、地球化学、晶体生长和现代纳米科学理论,分析讨论了黄铁矿晶须的结晶生长行为。认为天然黄铁矿晶须以异质成核为主,优先选择了重晶石的(011)、(101)、(210)晶面为生长基面。模拟实验中晶须以均匀成核为主,在封闭容器中以自由生长方式生长。天然晶须的生长经历了一次生长、二次加厚、多次叠加生长过程,反映出热液的脉动特点。模拟实验晶须只经历了一次生长。自然条件下晶须生长机制多样。天然黄铁矿晶须既有VLS生长机制、又有VS生长机制,这与地质作用过程的多样性、热液来源的复杂性、影响因素较多有关。模拟实验中晶须生长机制相对简单,热硫化法实验中晶须以VS机制生长,热转化—分解法中晶须生长机制为VLS向VS的转化。
综合研究结果表明：黄铁矿晶须是黄铁矿型结构的线状晶体,与同种晶体相比,形成温度、饱和度相对较低,是同种晶体在不同生长条件下生长的多形貌表现。由此发现立方晶系矿物在适当的条件下可以生长成为非等轴状晶体。
纳—微米黄铁矿晶须是最小结晶单元“临界晶核”自组装形成单晶体过程的中间体。形貌虽受其内部结构的对称性、结构基元间键合和晶体缺陷等因素的制约,但在很大程度上还受到环境因素的影响。生长基元在各面族上叠合的难易程度,每个面族在不同生长条件下生长速率的比率发生变化,是形成晶须形貌的重要原因。
该项研究不仅是具体矿物晶须(黄铁矿晶须)生长的理论解释。在纳米矿化、纳米成矿研究、晶体—晶须生长理论研究、晶须材料研究等方面也具有科学理论意义和实际应用价值。
Nano-micro pyrite whiskers are pyrite minerals that exhibit meso-scale crystal growth. By studying this phenomenon we can understand the nano-micro mineral accumulation mechanism of meso-scale mineral crystal growth and also the transformation of nano-materials in a certain physical and chemical conditions. At the same time, studying of nato-pyrite crystallization in different conditions can provide a scientific basis which reveals the conditions of nano-micro material mineralization. In addition, the scientific data of nato-pyrite, which has multi-morphology, has important meaning in guiding the development and utilization of minerals.
In order to reveal the growth of whisker-like crystallization behavior of the pyrite, we have carried out the formation of pyrite whiskers and the basic conditions for macro-geological background research, including natural pyrite whiskers, the formation of environmental studies and the simulation of the growth of pyrite whiskers. Experimental study on the simulation of the growth of pyrite whiskers discusses the aggregation mechanisms of nano-micron pyrite whiskers.
Through Geological Survey, we study rocks that contain naturally created whiskers. Nano-pyrite whiskers coexist with mineral ores in mines and cause gold minerals and the inclusion of barite. We believe that natural pyrite whiskers in GengZhuang are the result of the effect of hydrothermal injection. Hydrothermal features and injected directly influence the whisker growth.
The study of natural nano-pyrite and the environment when they form shows the morphology of the whiskers as well as composition and structural features that are recorded by hydrothermal evolution. Simply, straight whisker growth is a standard type of growth in a stable growth environment. Beads shaped like OuJie Pubang rods are a thicker standard type and develop in a meta-stable environment. Pyramid shaped crystals develop under relatively high concentration conditions in an unstable environment. Whisker morphology of pyrite has typomorphic meaning that is an important symbol which identifies the geological environment and the fluid characteristics.
We carried out an experiment of the growth of pyrite whiskers using the heating-Sulfide method and thermal conversion-decomposition method. In the heating-Sulfide method, when the temperate reached360℃, whisker formation occurred. In the thermal conversion-decomposition experiment the whiskers formed at380℃. They both formed whiskers under conditions of lower temperatures than those in the same kind of crystals. We reached the conclusion the whiskers are the same crystal growth at a relatively low temperatures.
We analyzed and discussed the crystallization of pyrite whisker growth behavior, using mineralogy, geochemistry, crystal growth and modern nano-science theory. We think that the natural pyrite whiskers grow according to heterogeneous nucleation, and (Oil),(101), and (210) of barite are selected the base surface. Simulation experiments with homogeneous nucleation of whisker mainly in a closed container in a free growth pattern of growth. Natural whisker growth experienced a growth of secondary thickening, multiple stacking growth process, reflecting the pulse of hydrothermal features. While in simulation experiment, the growth of whiskers only experienced on time growth. Whisker growth mechanism under natural conditions varied.
Natural pyrite whiskers have both VLS and VS growth mechanism due to the diversity of geological processes, complexity of hydrothermal sources and other factors. In simulation experiments, whisker growth mechanisms are relatively simple. The whisker grows due the heating-Sulfide method according to the VS mechanism and the VLS mechanism during thermal conversion-decomposition.
A comprehensive study shows that pyrite whiskers are the linear structure of pyrite-type crystals, as compared to the same kinds of crystals that form at temperatures and saturations that are relatively low the same kinds of crystals grown under different growth conditions. Cubic crystal led to the discovery of minerals of non-equiaxed crystals under specific conditions.
Nano-micro crystalline pyrite whiskers are intermediates where the small "critical nuclei" unit self-assembles into a single crystal. Although its morphology is constrained by its internal structure, its symmetry, crystal defects and other characteristics are affected by environmental factors. The difficulty superimposed on each side and the changes of the growth rate ratio of each side under different growth conditions are important reasons for the formation of whisker morphology.
The study offers theoretical explanations of whisker specific minerals (pyrite whiskers) and also offers scientific theoretical and practical application value in nano-mineralization crystal-whisker growth and whisker material growth.
引文
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