大学地球科学课程报告论坛论论文集2017---最终PDF050

230 石盐和胆矾结晶实验在“结晶学与矿物学”教学中的应 用和意义 * 杨宗锋 杜瑾雪 李小伟 申俊峰 董国臣 （中国地质大学 （北京） 地球科学与资源学院， 岩矿教研室， 北京 100083） 摘 要：“结晶学与矿物学”不仅是本科生学习地球物质学知识的一门专业基础课，同时在培养学生地 质学的兴趣和思维方式上起着重要的作用。然而，此门课存在大量复杂抽象的知识点。例如，生长环境对晶体 形态的影响是很多学生觉得难以理解和应用的结晶学知识。 教学实践显示， 利用石盐和胆矾的水溶液结晶实验 动画， 能够显著提高学生的学习兴趣和对此部分知识的理解。 这样的教学方式还能让学生初步建立地质过程的 概念及其在解释地质产物方面的作用，初步理解类比法在地质学研究中的意义。 关键词：结晶学 矿物学 石盐 晶体 生长环境 形态 一、引言 “结晶学与矿物学”通常是地质学最早开设的一门专业基础课，也是其他地学课程，如岩 石学、矿床学、地球化学、构造地质学、地层古生物学、宝石学、地貌学等的先行课程。这门 课程的掌握程度直接关系到对地球物质基本组成单位（矿物）的形成和演化的认识，不同程度 上也会影响其他地学课程的学习。尽管目前此课程设置中有一半左右的实习学时，但由于这门 课程的许多理论性知识都是近几百年多个基础学科积累得到的， 很多教学内容依然缺乏实践学 习过程，导致学生对很多基础知识的理解不到位，并且让学生感到枯燥乏味。其中关于晶体结 晶生长的教学，就存在理论讲解过多而缺乏实验操作的问题。学生对这部分知识的掌握往往是 仅记住了一些抽象的理论概念，很难将其用于理解各种天然矿物的形成过程。这方面知识的理 解程度较低又直接影响学生对结晶岩（变质岩和岩浆岩）岩石结构和构造意义的理解。总体来 说，学生最初建立的有关晶体生长的知识对矿物学，岩石学和矿床学等课程的学习有着重要的 影响， 因此让学生一开始接触地质学专业基础课就怀着较大的兴趣思考和理解基础的结晶学知 识显得尤为重要。 学生最熟悉的晶体形成过程通常是水结冰和水溶液里的各种溶质结晶。然而在“结晶学与 矿物学”这门课程中并不是让学生简单知道晶体的形成途径，而是希望给学生传授晶体的具体 *资助项目： 中国地质大学 （北京） 教学研究与教学改革项目JGYB201501和燕山地质实践教学后备基地建设 （编号： 2015-ms129） 。 石盐和胆矾结晶实验在“结晶学与矿物学”教学中的应用和意义 231 形成条件，形成过程及各种因素对结晶过程的影响，只有这样才能让学生更深入地理解晶体的 生长，从而促进对地球上各种矿物生长过程的理解，最终明白矿物的生长过程就是地质过程的 一种产物， 通过矿物的生长演变过程甚至能够帮助我们理解地球和各种天体物质的形成和演化 历史。要想实现这一步，目前单纯的理论知识学习似乎还很难做到，特别是作者在近几年的教 学过程中发现，有关晶体生长这部分内容，学生往往只记住了一些理论性的知识，很难与各种 晶体（矿物）形态多样性建立紧密的联系，其中一个重要的原因可能是缺乏实践学习过程，显 著降低了学生的学习兴趣和理解程度。为了有效改善目前此方面教学问题，作者在近些年教学 过程中尝试利用了石盐和胆矾的简单结晶学实验。 二、生长环境对晶体（矿物）形态的影响 晶体的生长理论和晶面发育原则告诉我们，晶体总会自发的形成规则的几何多面体形态。 但是天然产出的晶体，也就是我们通常所说的矿物，它们的形态通常并不是理论上预测的非常 规则的几何多面体形态， 在珠宝玉石店及地质博物馆等地方总是能见到千姿百态的矿物。 例如， 同样是石英，可以长成长柱状的紫水晶，也可以长成细小的胶态物质出现在玛瑙当中；而一些 晶洞当中既可以出现短柱状的水晶也可以出现玛瑙。 甚至在我们常见的花岗岩当中也能见到石 英，不过这些石英主要是半自形粒状。为什么同种晶体会发育如此多样的形态？实际上，晶体 的生长跟人的生长过程有类似之处， 晶体的内部结构就像晶体的基因一样是控制晶体形态的内 因，但自然界的晶体在生长过程中总是会受到各种环境因素的影响，并且这种影响存在一些普 遍的规律。 演繁露 （宋-程大昌）中记载有： “盐已成卤水，暴烈日中，即成方印，洁白可爱，初小 渐大，或数十印累累相连” 。具体含义为：石盐在过饱和的水溶液中会结晶成立方体形态；石 盐晶体首先成核，然后逐渐生长；多个石盐晶体可以同时生长。早在古代我们就已经知道晶体 的结晶特征和结晶过程了。如果生长环境对晶体（矿物）形态影响具有普遍规律，那么通过改 变石盐的生长环境就应该可以观察到这些普遍规律。 下面将以石盐水溶液中的结晶实验为主来 说明各种影响因素的对晶体形态影响的普遍规律。 （一）结晶速度 当我们把一滴石盐水溶液放在玻璃片上进行蒸发结晶时， 会发现水滴的边部产生大量的细 粒石盐颗粒，而在水滴的内部产生少量粗粒的石盐颗粒图 1（a）。仔细分析不难发现，一滴 食盐水的边部相对内部来说相对较薄，水蒸发得相对较快，也就是具有较大的过饱和度，晶体 的成核速率远大于生长速率。 水滴的内部则正好相反， 蒸发速度慢， 具有相对较低的过饱和度， 晶体的成核速率相对较小，而生长速率相对较大。总体来说，一滴石盐水的结晶过程体现了一 个普遍的规律：结晶速度快容易形成细粒的晶体，结晶速度慢容易形成粗粒的晶体。侵入到地 壳深部的岩浆岩， 跟围岩接触的边部通常形成细粒结构， 而远离围岩的内部通常形成粗粒结构， 这种现象也是体现了结晶速度对晶体形态的影响。值得注意的是，溶液结晶是蒸发作用快慢导 致了过饱和度的变化，而岩浆结晶经常（不是唯一）是温度下降的快慢导致了过饱和度（过冷 度）的变化。 大学地球科学课程报告论坛论文集（2017） 232 图 1 生长环境对石盐和胆矾在水溶液中结晶形态的影响 （a）结晶速度对石盐粒度大小的影响，图片右上方为水滴边部，蒸发快，结晶速度快，颗粒细小，图片左下方为水滴中心，蒸 发慢，结晶速度慢，颗粒粗大； （b）石盐水溶液中加入蔗糖后的结晶产物，图片左下方是一颗自形的八面体石盐单晶体； （c）石盐 水溶液中加入味精后的结晶产物； （d）胆矾水溶液加热到 60后的冷却结晶实验，图片右上方结晶温度低，出现长柱状胆矾颗粒 （二）杂质 自然界产出的各种晶体通常是在多组分体系下形成的， 也就是说体系中总是存在各种杂质 （与特定晶体化学成分截然不同的多种原子或离子） 。 当我们把少量蔗糖加入一滴纯的石盐水溶 液中，蔗糖中的碳氢氧相对于石盐来说都是杂质。此时进行蒸发作用，会发现很多石盐晶体以 平行连晶的方式镶嵌在一起，单个晶体的形态几乎都是八面体，很难见到立方体形态的石盐晶 体图 1（b）。这说明杂质的存在会改变晶体的具体形态。从晶面发育的规律来说，杂质的存 在应当是改变了晶体不同方向面网的相对生长速度，最终引起了晶体具体形态的变化。黄铁矿 最常见的形态是立方体，但在相对富金的环境下容易出现五角十二面体形态的黄铁矿。这说明 晶体的具体形态对找矿具有一定的指导意义。 石盐和胆矾结晶实验在“结晶学与矿物学”教学中的应用和意义 233 （三）粘度 当把一定量的味精（谷氨酸钠）溶解到石盐水溶液中，会发现溶液变得非常粘稠，也就是 比纯的石盐水溶液具有明显偏高的粘度。此时进行蒸发结晶实验，会发现石盐晶体既不是立方 体也不是八面体，几乎无法形成规则的几何多面体形态，整体上为枝状晶体图 1（c）。晶体 在粘度较高的体系下生长时，晶棱和角顶相对于晶面中心具有更大的生长速率，因而总是发育 成枝状晶体。枝状的自然金和自然铜通常也是在较高粘度下结晶形成的。 （四）温度 温度对于晶体形态的影响也具有一些普遍规律。 由于温度对石盐在水溶液中的溶解度较小， 且石盐是等轴晶系矿物， 因而在室温条件下用简单的小实验不易观察到结晶温度变化对石盐晶 体形态的影响。无水硫酸铜易溶于水，且温度对其在水中的溶解度影响显著。当把一滴加热到 60的饱和硫酸铜水溶液放在玻璃片上进行冷却结晶时， 会发现水滴边部的硫酸铜为长柱状和 细粒状，而水滴内部的硫酸铜为粗粒状图 1（d）。说明低温下晶体容易在某一个方向上具有 相对较快的生长速率，这与低温下晶体内部较强的化学键对质点的吸引能力相对更强有关。总 体来说，低温条件下晶体总是趋向于柱状或针状形态。玄武质岩浆早期高温条件下结晶的辉石 斑晶通常是短柱状或粒状，但是低温条件下结晶的基质辉石总是为长柱状，也是体现了温度对 矿物形态的影响。 三、结晶学实验的意义 自然界的各种晶体在生长过程中，除了受到以上四种主要因素的影响之外，还会受到介质 流动、体系酸碱度、生长空间和应力作用等多方面的影响，而且多种因素可能会不同程度地组 合在一起共同影响晶体的生长过程。即使是一种因素对结晶过程产生了影响，也会因为影响因 素变化的具体过程不同而产生不同的结果。例如，当温度在一个相对较小的范围内发生变化时 （接近液相线温度） ，小晶体会慢慢溶解，而大晶体会逐渐长大，晶体的整体粒度会逐渐变粗， 通常称作粗化或重结晶作用。 这种现象在岩浆系统中经常发生， 结晶作用在深部岩浆房发生时， 由于岩浆的反复补给作用，结晶过程中温度很可能在液相线附近发生反复升高和降低，此时大 量的小晶体会熔解，而少量的大晶体会进一步生长，但此过程晶体的总量几乎没有发生变化。 这种规律与高温或者低温对晶体形态的影响明显不同。 因此我们在认识各种晶体的形态时不能 过于简单的套用以上所述的规律，不仅需要考虑单个影响因素具体的作用过程，还要考虑多种 因素的综合效应。正是由于晶体的形态记录了各种复杂的影响因素，我们可以通过深入的晶体 形态研究来揭示晶体生长过程中各种环境的变化，进而促进我们对地质过程的理解。 当把以上内容加入结晶学与矿物学教学，让学生在观察有趣的晶体结晶过程中，感受和理 解各种生长环境对晶体形态的影响，不仅显著提高了学生的学习兴趣，而且培养了学生观察能 力和分析问题的能力。 把简单结晶实验与最新的学术研究结合在一起还可以让学生初步建立地 质过程的概念及其在解释地质产物方面的作用，初步理解类比法在地质学研究中的意义。 最后值得说明的是，以上所述的每个结晶实验大约需要半个小时就能完成，并且在偏光显 微镜下就能实现。因此以后可以尝试让学生自己动手进行实验操作，把这部分内容加入矿物学 大学地球科学课程报告论坛论文集（2017） 234 和岩石学的实习课当中，估计这样的方式会更好地提高学生的学习兴趣，以及增加基础结晶学 知识的理解。 参考文献 1 李胜荣，许虹，申俊峰，等. 结晶学与矿物学M. 北京：地质出版社. 2008. 2 赵珊茸，边秋娟，凌其聪. 结晶学及矿物学M. 北京：高等教育出版社. 2004. 3 秦善. 晶体学基础M. 北京：北京大学出版社. 2004. 4 罗谷风. 结晶学导论M. 南京：南京大学出版社. 2010. 5 Mills R D，Ratner J J，Glazner A F. Experimental evidence for crystal coarsening and fabric development during temperature cyclingJ. Geology. 2011，39（12） ：1 139-1 142. 6 杨宗锋， 罗照华， 卢欣祥. 定量化火成岩结构分析与岩浆固