闪锌矿

化学成分为ZnS的硫化物矿物

闪锌矿(sphalerite)是一种含锌的 硫化物 ,是提炼锌的主要矿物原料,含锌达67.1%。通常也含铁,当含铁量大于10%时则被称为 铁闪锌矿 ,此外它还时常含有锰(Mn)、 (In)、镉(Cd)等元素。闪锌矿颜色含铁量的影响,不含杂质时为无色, 随着铁含量的增加,由无色至浅黄色、褐色至黑色。 硬度3.5~4,相对密度3.5~4.2,无电磁性,无导电性。 部分闪锌矿有摩擦发光性。

闪锌矿主要形成于中、低温热液成因和接触 矽卡岩 型矿床中,且分布较广,常与 方铅矿 共生。 主要产出于 澳大利亚 、 西班牙 、 墨西哥 、巴西、 美国 、 加拿大 和中国。 闪锌矿的 晶体结构 为 立方晶系 ,晶体形态常呈四面体或四面体正负形组成的聚形, 其标型特征主要有成分标型、 物理性质 标型和晶体形态标型三种,而成分标型中又包括了单元素标型和比值标型。

闪锌矿的用途广泛。在工业领域,闪锌矿是提炼锌的重要矿物原料,提炼的锌主要用途是以 镀锌 钢和 镀锌铁 的形式,来保护铁和其它金属免受空气和水的侵蚀,还可作电池、颜料、药品原料、制造 黄铜 原料, 同时闪锌矿也是镉、铟、镓、锗等元素最重要的来源; 在珠宝领域,闪锌矿 晶体 还可用作宝石加工原料; 在地质 勘探 领域,闪锌矿地质温度计可用来解决矿床的成因、用来确定矿床形成时矿液的运移方向和通道,还可用于研究矿床的分带性、矿物的世代及成矿构造等, 还可以作为一种地压计,确定闪锌矿形成时的压力; 此外,结晶良好的闪锌矿单晶体,是最佳的红外窗口材料与发光材料。

主要特性

矿物组成

主要成分 硫化锌 (ZnS),含锌达67.1%,常含有铁(Fe)、锰(Mn)、铟(In)、镉(Cd)、铊(Tl)、镓(Ga)、锗(Ge)、 (Se)、银(Ag)等类质同象混入物。其中,铁代替锌最为普遍,最多可达26%。 当含铁量大于10%时则被称为 铁闪锌矿 。

物理特性

手标本 中闪锌矿常为黄色、棕 褐色 、黑色等颜色(含铁致色), 条痕浅黄色至褐黄色; 纯闪锌矿近于无色,随含铁量增加由无色至浅黄色、褐色至黑色。金刚光泽、 没药树 光泽至半金属光泽。矿物 薄片 中为灰色、黄色、褐色,颜色不均匀,见多组 解理 ,呈环带分布,正极高突起, 正交 偏光镜下全暗, 均质性 , 折射率 为2.37;无双折射率。 有时可见微弱的异常 双折射 现象( 应力 作用所致)(如下图所示)。 色散强,色散值为0.156,透明,解理平行{10}完全; 性脆, 断口 贝壳状, 硬度3.5~4,相对密度3.5~4.2,无电磁性,无导电性, 部分闪锌矿有摩擦发光性。

结构特征

晶体 形态常呈四面体或四面体正负形组成的聚形,晶面上常可见三角形条纹。有时也可呈四面体与 菱形十二面体 、 立方体 、三角三四面体等单形形成的聚形(如下图所示),常见 双晶 。常以粒状或致密块状集合体产出。闪锌矿通常呈粒状、钟乳状、反射状集合体产出,在 砂矿 中主要呈棱角状颗粒或晶屑状产出。

晶体结构 为 立方晶系 ; 空间群 ;a=0.5417nm;Z=4。 玫瑰晶 数据:3.123(100)、1.912(51)、1.633(30)。在闪锌矿中铁代替锌导致晶胞增大。闪锌矿型结构(如下图所示),Zn 2+ 分布于单位晶胞的角顶及面心,如将晶胞分为8个小的 立方体 ,则S 2- 分布在相间的4个小立方体的中心。Zn的 配位数 为4。面网{110}为Zn 2+ 和S 2- 的电性中和面,闪锌矿具有//{110}的6组完全 解理 。

内含物:闪锌矿 流体 包体发育,可见固态包体、 双晶 纹、色带等。

形成原因

闪锌矿主要形成于中、低温热液成因和接触 矽卡岩 型矿床中,常与 方铅矿 共生。氧化后易成菱 锌矿 。 闪锌矿常见于各种热液成因矿床中,是分布最广的锌矿物。在高温热液矿床中的闪锌矿,通常富含Fe、In、Se和Sn,并且 铁闪锌矿 与 砷黄铁矿 、 磁黄铁矿 ,有时与 黄铜矿 、方黄铜矿等共生。在中低温热液矿床中的闪锌矿则含Cd、Ga、Ge和Tl。闪锌矿往往与方铅矿共生,有时还出现各种硫盐矿物,如硫锑铅矿等。此外,闪锌矿还产于火成岩 岩脉 、接触变质矿床,以及 沉积岩 中。

闪锌矿中铁的含量与形成温度有关,高温时形成的含铁量高,颜色较深,晶胞参数增大;而低温形成的含铁量低,色浅。因此,铁含量多少是闪锌矿形成温度的标志。同时铁含量也与压力有关,铁含量随压力增高而降低(在闪锌矿中的Fe 2+ 为4次 配位 ,压力的增高限制了四次配位Fe 2+ 的稳定范围)。因此闪锌矿可作为地质温-压计。在氧化带中,闪锌矿分解形成易溶于水的ZnSO 4 ,并随着流水迁移,若遇到 石灰岩 ,可与之反应形成 菱锌矿 ZnCO 3 。因此,在 铅锌矿 床的氧化带中,锌的次生矿物比铅的少。

产地

闪锌矿主要产出于 澳大利亚 、 西班牙 、 墨西哥 、巴西、 美国 、 加拿大 和中国。 其中澳大利亚的 布罗肯希尔 、美国的 密西西比州 河谷等地是世界著名的闪锌矿主要产地。 中国 主要产地有青海锡铁山、 仁化县 凡口矿、云南金顶等。

应用领域

工业领域

闪锌矿是重要的锌 矿石 ;大约95%的原生锌是从闪锌矿中提取的。 闪锌矿提炼的锌主要用途是以 镀锌 钢和 镀锌铁 的形式,来保护铁和其它金属免受空气和水的侵蚀;也可用于生产 黄铜 ,中国和 印度 过去大量生产黄铜,而在 欧洲 货船 开始进行横渡 太平洋 的贸易活动中,黄铜为一重要的贸易项目; 氧化锌 大量用于橡胶制造业中,也用作白色颜料;干电池制造业中也采用大量氧化锌;锌也是制药工业的重要原料,用作营养增补剂、油膏、洗发剂和其他制剂,其 碳酸根 已作为农药使用等。

此外,由于闪锌矿 微量元素 含量可变,它也是其他几种金属的重要来源,例如替代锌的镉 、镓 、锗 、和铟 。

宝石

闪锌矿的高 折射率 使闪锌矿拥有夺目的金刚光泽,近三倍于钻石的色散值使它具有闪耀非凡的火彩。净度高、色泽亮丽、品质上乘的闪锌矿 晶体 可用作宝石加工原料,晶形完整、自形程度高者可作矿晶观赏石,闪锌矿逐渐走入人们视野,成为收藏界的新宠。

地质勘探

闪锌矿可作为地质温度计使用,随着闪锌矿晶格中铁含量的增加,闪锌矿向 纤锌矿 的转化点要降低,如果矿物的 热力学 数据为已知,那么在一定条件下,某些元素在混合晶体中的含量可以用作最可靠的地质温度计。如可用来解决矿床的成因,矿床生成温度是矿床成因分类的重要因素,而FeS-ZnS系则被认为是测定金属矿床实际生成温度的较为可靠的手段,它能提供热液矿床温度范围的确切数据。还可以用来确定矿床形成时矿液的运移方向和通道,因为许多金属矿床中存在着明显的 温度梯度 ,这种温度递降的方向即标出矿液的流动方向。此外,还可用于研究矿床的分带性、矿物的世代及成矿构造等。

闪锌矿还可以作为一种地压计用,在300~700℃范围内,闪锌矿中含FeS量是压力的函数,压力越高,FeS含量越少。当测出闪锌矿中含FeS量和温度后,即可确定闪锌矿形成时的压力。

其他

结晶良好的闪锌矿单晶体,是最佳的红外窗口材料与发光材料。

矿物开采

开采

绝大多数 锌矿 石都采用地下开采法开采,这是由锌矿床的性质决定的,在开采锌矿石的过程中,有4种传统的方法,即矿房-立柱法、仰采留矿回采法、剥离-充填法以及方阵法。一般情况下,矿房-立柱法是利用开采室开采平坦或浸染 矿石 的一种方法,它采用废弃的岩 矿柱 支撑开采室的顶部。层状矿体大多采用这种方法,但在具体运用中会略有变化。在仰采留矿回采过程中,矿石是在连续或倾斜的开采面上开采的,矿石的拖运面逐渐向里延伸。在每一个开采面上,通过斜道将充分破碎的矿石运出,以保证采矿场顶部和底部的工作面,剩余的碎矿石则作为下一个开采面的基底。剥离-充填法以及方阵法的成本较高,仅适用于高品位的银-铅-锌矿山或铜-锌矿山。

浮选

闪锌矿的可浮性在很大程度上取决于其中所含的杂质。一般来说,闪锌矿是一种较难浮选的 硫化 矿物,特别是含铁高的 铁闪锌矿 更是如此。但含Cd、Cu、Pb、Ag这类杂质时,可浮性则有所提高。闪锌矿的表面存在有各种离子与锌类质同象从而组成同晶形化合物,由此提供了闪锌矿天然活化的条件。

对不同矿区的天然闪锌矿,用乳钵湿磨,在缺氧不加 捕收剂 和 起泡剂 的条件下,用单泡管浮选,pH值为6.8时,回收率在50%左右;若有氧存在,则矿物失去其天然可浮性。在相同的矿样试验中,若用Cu 2+ 离子活化,则浮选回收率均能达到100%。矿物表面的处理方法对闪锌矿的天然可浮性影响亦很大,瓷磨的闪锌矿显出了一定程度的天然可浮性,而钢磨则无可浮性;这是由于磨矿过程中产生了还原状态的铁,它对闪锌矿的抑制作用很强。

标型特征

矿物的标型特征是指不同成因的同种矿物,由于其形成时的 物理化学 条件有所不同,而在其成分、 微观 结构、晶形、 物理性质 上反映出一定的差异,如此种差异现象具有明显的特征而可作为成因上的标志者,此种特征称为标型特征。闪锌矿的标型特征主要有成分标型、 物理性质 标型和 晶体 形态标型三种,而成分标型中又包括了单元素标型和比值标型。 其中矿物在成分上的标型特征是一切标型特征的研究基础,物理性质的标型是根据矿物硬度、 反射率 、晶胞参数等物理性质进行的划分, 晶体形态标型与矿床的成因密切相关。

成分标型

闪锌矿的主要化学成分为Zn和S,但实际上闪锌矿往往富集有Fe、Mn、Cd、Ga、In、Cu、Sn(锡)、Ti、Ge、Hg等元素,其次为Ag、Co(钴)、Ni( ),不同成因类型的闪锌矿,其富集元素的种类不同。热液型矿床中闪锌矿以富集Fe、Cu、Bi(铋)、Te( )、Ag、Sn为特点,断裂型矿床中除上述元素含量中等外,以相对富集Ga、Ge、Ti为特点;层控型矿床中相对富集Cd、Hg、Ni为特点。

单元素标型

Fe、Mn标型: 由于Zn 2+ 、Fe 2+ 、Mn 2+ 均具有四位 配位 ,三者 离子半径 相似,易产生类质同象。故闪锌矿中往往含有Fe、Mn,层控型Pb-Zn矿中Fe大于6%, 岩浆 热液型、斑岩型 铅锌矿 中闪锌矿含Fe变化范围大;对Mn来讲,热液型闪锌矿中相对富Mn,多在千分之几以上,而层控型则极低,多为万分之几到十万分之几。

Cd标型: Cd的 晶体化学 性质与Fe、Mn、Zn极为相似, CdS 与MnS、FeS一样以四次配位进入闪锌矿的晶格,从理论上讲,高温时Fe 2+ (Mn 2+ )置换Zn 2+ ,随着温度降低,FeS从闪锌矿中游离出来,形成细分散的 磁黄铁矿 于闪锌矿中,Cd则呈四次配位的CdS进入闪锌矿中,因此通常认为浅色闪锌矿为低温形成,含Cd高;深色闪锌矿为高温形成,含Cd低。当Fe<6%时,二者呈反消长关系,当Fe在6%~11%时,二者呈正消长关系,当Fe>11%时,又呈反消长关系,因此闪锌矿中Cd不但与温度、Fe、Mn有关,而且与成矿物质来源有关。

In的标型: In 3+ 是典型的分散元素,具有亲硫性,四次 配位 时 离子半径 为0.88Å,其共价半径(1.44Å)与Zn 2+ (1.25A)相似,故常赋存闪锌矿中。层控型矿床的闪锌矿贫In且变化幅度小; 岩浆 热液型、火山型、斑岩型矿床中闪锌矿一般富集In且变化幅度大。In随闪锌矿的形成温度升高而增大。

Ga、Ge、Hg的标型: Ga 3+ ,Ge 4+ 属于分散元素。四次配位时两者离子半径分别为0.55Å和0.48Å,为保持电价平衡,闪锌矿中可能出现2Ge 3+ +Hg 3+ 替代4Zn 2+ ,Ge 4+ +Hg 2+ 替代3Zn 2+ ,故Ga、Ge、Hg在闪锌矿中往往组合在一起,三者呈正相关。一般来说,层控型矿床闪锌矿中富集Ga、Ge、Hg, 岩浆 热液型、火山型和斑岩型闪锌矿则贫Ga、Ge、Hg。

比值标型

闪锌矿中Ga、In含量随矿物形成温度而变化,成矿温度越高,In含量越大,Ga略微降低,反之,Ga升高而In降低。岩浆热液型、火山型、斑岩型闪锌矿Ga/In<1,而层控型Ga/In往往很大。

标型特征与矿床成因的相互关系

闪锌矿的各种标型特征与矿床成因的相互关系下表所示。

历史

早在公元7世纪的 伊斯兰教 ,闪锌矿就被用于生产 黄铜 , 在公元12世纪至13世纪( 晋朝 ) 中国 北方的黄铜胶结过程中也可能使用了闪锌矿。 镓 的发现也与从闪锌矿有关,1875年, 勒科克·德·布瓦博德兰 (LecoqdeBoisbaudran)在闪锌矿 矿石 (ZnS)中提取锌的 原子光谱 上观察到了两条从未见过的新 谱线 ,其波长在417nm处。经过细致的分析之后,他确定这是一个新的元素,从而发现了金属镓(Gallium)。

名称来源

闪锌矿的英文名称sphalerite来自 希腊语 sphaleros,意思是背信弃义,因为它颜色多变(铁含量增加时,它的颜色变深)。

品质鉴定

辨颜色

真正的闪锌矿有一个鲜明的特征,一般都是黄褐或棕黑色,很象 脂松香 的颜色。不具备这个特有颜色,就是假闪锌矿。

看条痕

真正的闪锌矿的条痕呈白色或黄褐色,否则为假矿。

看硬度

真正的闪锌矿的硬度为4,比较硬,用小铁钉或小刀才划得动。过软或过硬,都不是真正的闪锌矿。

看晶体情况

真正的闪锌矿常呈粒状集合体,晶石常有三角形花纹。否则,为假矿。

试验鉴定

可用HNO 3 将它溶解后,加入 硫氰 汞钾,立即生成羽毛状、 箭头 状及十字状的硫 汞锌小晶体。

加入 稀盐酸 后观察是否反应生成 硫化氢 ,并散发出类似于臭 鸡蛋 的气味。

参考资料

  1. 闪锌矿 geologyscience 2024-03-25
  2. 闪锌矿 地球科学与技术学院 2024-03-25
  3. Zinc Statistics and Information USGS 2024-03-19