科普|矿物晶体为何色彩斑斓、绚丽夺目？

2016-08-23 矿业在线

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导读

说到晶体，其实我们并不陌生，生活中常见的水晶、食盐、蔗糖、雪花、维生素C都是晶体。所以，在有些人的印象里，仿佛晶体就是像水晶、食盐一样晶莹剔透、质地纯净的固体。其实不然，自然界中的矿物晶体是色彩斑斓的，外观更是多种多样。而且天然的矿物，绝大多数都是以晶体状呈现的。

▲刚玉

那么，为什么晶体会有这样的外形呢？它们众多的特性因何而来？今天，和小编一起来探索矿物晶体的奇妙世界吧！

什么样的固体可称为晶体

晶体（crystal）是有明确衍射图案的固体，其原子或分子在空间按一定规律周期重复地排列。

晶体的结构有其特殊性，其内部质点在三维空间内会呈周期性重复排列，这种固体，我们就称之为晶体。反之，如果物质内部质点在三维空间不成周期性重复排列的话，我们则称之为“非晶体”。

举个简单的例子，水晶和玻璃的化学成分都是SiO2 ，通过对两种物质内部结构的观察发现，作为晶体的水晶，其内部具有规则的格子构造，而作为非晶体的玻璃，其内部的结构排列则杂乱无章。

这就决定了水晶具有晶体的特殊性：一是有一定的几何外形；二是有固定的熔点；三是有各向异性的特点。因此可以概括地说：晶体是具有格子状构造的固体，或内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体。

什么是矿物晶体

矿物晶体是指由生长在岩石的裂隙或空洞中的许多矿物单晶体所组成的簇状集合体，它们一端固定于共同的基地岩石上，另一端自由发育而具有良好的晶行。晶簇可以有单一的同种矿物的晶体组成，也可以由几种不同的矿物的晶体组成。

在自然界以完好单晶或晶簇产出的矿物比较稀少，一般都要在晶洞裂隙中才有可能找到。这是因为矿物晶体发育完整的重要条件是需要一个能自由生长的良好空间，且溶液的过饱和度比较低，使矿物结晶速度进行得比较缓慢。在一定温度压力条件下，流体和洞壁围岩不断相互作用，才能生成各种发育完好的矿物晶簇。

▲重晶石

所有的矿物，在适合的地质背景下，自然环境条件允许（拥有溶洞或裂缝），就有可能发育成矿物晶体或矿物晶簇。

▲直径2MM的硫砷铜矿晶体。

矿物晶体都长什么样

矿物晶体会具有一定的几何外形，同一种矿物在自然条件下自由生长，所形成晶体的几何外形是一定的，这是由晶体特殊的化学成分和晶体结构造成的。晶体的外形多种多样，我们一般将其划分为以下三种类型：

1.晶体沿一个方向延伸生长，形成柱状、针状、纤维状等长条形的晶体。比如水晶、绿柱石、电气石、金红石等矿物，会长成柱状晶体。

电气石（俗称碧玺）是典型的柱状晶体，晶体表面发育有纵纹。碧玺颜色十分丰富，常见单个晶体上出现多种颜色。

绿柱石是典型的六方柱状晶体，它是提炼铍的主要矿物原料，色泽美丽者是珍贵的宝石，如祖母绿、海蓝宝石。

2.晶体沿平面内的两个方向延展生长，形成板状、片状、鳞片状等形态的晶体，如黑钨矿、云母和石墨等。

▲亚利桑那州古老的云母岩矿

云母是一种主要的造岩矿物，是片状矿物的典型代表，因其具有连续层状硅氧四面体格子构造，因此呈现出六方形的片状晶形。其特性是绝缘、耐高温，工业上用得最多的是绢云母，广泛应用于涂料、油漆、电绝缘等行业。

▲石墨中的沙弗莱石

石墨质软，黑灰色；有油腻感，可污染纸张。硬度为1～2。石墨的成分是碳。碳的存在形式是多种多样的，有晶态单质碳就是金刚石、石墨等；石墨晶体归类于金属晶体。鉴于它的特殊的成键方式，不能单一的认为是原子晶体或者是分子晶体，按现代的表述方式，认为石墨是一种混合晶体。自然界中没有纯净的石墨。石墨及碳素制品具备优良的性能，应用日益广泛，产能及效益呈快速增长趋势。

3.晶体在空间内的三个方向上均匀发育，呈块状、粒状等形态，如钻石、黄铁矿、石榴石等。

石榴石族的矿物是非常典型的三向等长的矿物，通常具有完好的晶形，常见的晶形有菱形十二面体、四角三八面体（单形名称）以及上述二者的聚形。石榴石因形似石榴的果实而得名。

五光十色从何而来

晶体的颜色是对入射的可见光进行选择性吸收后，透射和反射的各种可见光的混合色。不同的晶体具有不同的化学成分和格子构造，使得晶体对光的吸收存在很大差距，因此，我们看到的晶体是五彩缤纷的。晶体的颜色按其成因，分成三种类型：

1.自色：主要由矿物本身固有的化学成分和内部结构所决定，是矿物本身的颜色，例如橄榄石。

橄榄石的颜色是中到深的草绿色（略带黄的绿色，亦称橄榄绿），部分偏黄色（绿黄色）。橄榄石的致色因素就是其本身所含的铁等化学成分，因而是一种自色矿物。它的颜色相对稳定，其色调主要随含铁量的多少而变化，含铁量越高，其颜色就越深。

2.他色：指矿物因含外来带色的杂质、气液包裹体等所引起的颜色。他色矿物的颜色非常丰富、同种矿物的颜色变化也很大，是多彩矿物世界中最主要的部分，例如彩色刚玉。

刚玉属他色矿物，刚玉的化学成分为Al203 ，纯净时无色，当微量的杂质元素（Fe、Ti、Cr、Mn、V）以等价离子或异价离子形式代替晶格中的Al 3+，或以机械混入物的形式存在于晶体中时，不同的微量元素就会导致其呈现出不同的颜色，所以我们能看到刚玉宝石几乎涵盖了可见光光谱中的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等所有颜色。

3.假色：自然光照射在矿物表面或进入矿物内部，会产生反射、干涉、衍射、散射等物理光学效应，从而引起的矿物呈色，可以被理解成一种能够看到却并不是实际存在的光学现象。这种特殊光学效应的出现，使矿物晶体的颜色变得神秘莫测，如具有月光效应的月光石就是其中典型的一种。

月光石是一种比较常见的宝石矿物，是正长石(KAlSi3O8 )和钠长石(NaAlSi3O8)两种成分层状交互形成的，通常呈无色至白色，也可呈浅黄、橙至淡褐、蓝灰或绿色，透明或半透明，具有特殊的月光效应（是指随着晶体的转动，在某一角度，人们可以见到晶体表面白至蓝色的发光效应，似朦胧的月光）。

这种效应的产生，是由于正长石中出溶有钠长石，钠长石在正长石晶体内定向分布，两种长石的层状隐晶平行相互交生，折射率稍有差异，于是能对可见光发生散射，当有解理面（矿物晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破裂，并且能裂出光滑平面的性质称为解理，这些平面称为解理面）存在时，可伴有干涉或衍射，这种对光的综合作用，使这种晶体的表面产生一种蓝色的浮光。

小贴士：矿物晶体可以长多大

晶体生长的大小与其自身性质和形成的地质条件有关。通常情况下，矿物晶体由于受到空间限制，个体都不是很大，那么如果有足够的空间与时间，晶体到底能长到多大呢？下面一起去看看。

▲奈卡石膏晶体洞

▲世界上最大的石英簇

▲世界上最大的紫龙晶晶洞

▲世界上最大的海蓝宝石

（本文来源：知识就是力量，作者：戚鸣、郭颖。内容有调整，版权归原作者所有。致谢！）

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