陈宗梓石是奥地利萨尔茨堡大学地球科学(矿物学)研究所的W. H. Paar等于20世纪80年代初在苏格兰利德希尔斯(Leadhills)地区的苏姗娜(Susanna)矿山发现的一种含水的铅和铜的硫酸盐新矿物 [1] (图3-1),化学式为Pb 4 Cu(SO 4 ) 2 (OH) 6 ,发现者们于1983年向国际矿物学协会新矿物命名与分类专业委员会申报了该新矿物及其Chenite的矿物命名,并获得了批准(IMA-1983-069),介绍该新矿物的论文于1986年发表在 Mineralogical Magazine 上。此外,W. Krause于1991年在德国Grube Virneberg也发现了细小的陈宗梓石晶体 [2] 。
图3-1 苏格兰产天蓝色陈宗梓石晶体 [1]
陈宗梓石在苏格兰苏姗娜矿山产出,主要出现在风化了的带有铅钒(Anglesite)显微晶的方铅矿和与其密切交生的铅绿矾(Caledonite)晶体之间的一个小孔洞中,形成了小孔洞的“屋顶” [1] 。在这一孔洞中,一共生长了12个陈宗梓石晶体,所有的晶体均小于1 mm×0.5 mm×0.2 mm。陈宗梓石的共生矿物有生长在氧化的方铅矿与黄铜矿上的铅绿矾、青铅矾(Linarite)、碳铅矾(Leadhillite)、羟碳铅矾(Susannite)、铜铅矾(Elyite)和黄铅矾(Lanarkite)等 [1] 。在苏格兰苏珊娜矿山产出的天蓝色陈宗梓石以微晶集合体薄层覆盖在基岩表面 [2] ,而在德国Grube Virneberg产出的陈宗梓石也以细小的晶体生长在Pb-Cu硫化物矿床的氧化部位 [3] 。
陈宗梓石晶体属三斜晶系,点群为1,晶体较为细小,在显微镜下观察到它们多呈复杂的柱状,沿[032]延伸1.5 mm长。在鉴定出的20个板面中,主要晶形为{132}、{221}、{100}和{110},从而呈现出一种像砖块的形态,双晶很少见 [1] 。
陈宗梓石晶体为漂亮的天蓝色,半透明至透明,具玻璃光泽至树脂光泽,条痕为淡蓝色,{100}解理较好,{001}解理较差,硬度为2.5,测定密度为5.98g/cm 3 ,计算密度为6.044g/cm 3 [1] 。
光学性质:二轴晶(-),多色性弱, N p=1.871(5), N m=1.909(5), N g=1.927(5),2 V (测定) =67(1)°,2 V (计算) =68° [1] 。
苏格兰苏姗娜矿山产陈宗梓石的化学成分是用电子探针测定的 [1] ,结果为SO 3 ——13.3wt%,PbO——74.5wt%,CuO——7.8wt%,H 2 O——4.4wt%,其中H 2 O的重量百分比由减差法求得。(SO 4 ) 2- 和(OH)-的存在,以及水不以结晶水形式存在的结论,是根据陈宗梓石的红外光谱测定结果确定的 [1] 。上述测定结果与陈宗梓石的理论化学成分(SO 3 ——13.50wt%,PbO——75.25wt%,CuO——6.7wt%,H 2 O——4.55wt%)较为接近。基于O原子数为14计算,得出陈宗梓石的化学式为Pb 3.98 Cu 1.17 S 1.98 O 14 H 5.82 ,理想式为Pb 4 Cu(SO 4 ) 2 (OH) 6 。
使用Perkin-Elmer PE 397型红外光谱仪和KBr压片,在400~4 000cm -1 谱段区间内,对苏格兰利德希尔斯产陈宗梓石进行了红外光谱分析。结果表明,在O-H伸缩震动范围内,观察到3 530cm -1 、3 460cm -1 和3 300cm -1 三个吸收峰,它们归属于三个不同结构环境中O-H的伸缩震动。靠近935cm -1 的弱吸收峰,归属于硫酸盐离子产生的 ν 1 对称伸缩模式;位于485cm -1 的弱吸收峰,归属于硫酸盐离子产生的 ν 2 对称弯曲模式;位于1 070cm -1 和1 115cm -1 的最强宽吸收峰,归属于硫酸盐离子产生的 ν 3 非对称伸缩模式;位于620cm -1 和590cm -1 的较强吸收峰,归属于硫酸盐离子产生的 ν 4 非对称弯曲模式。需要指出的是,在陈宗梓石的红外光谱图上并没有观察到金属-OH的吸收谱带 [1] 。
RRUFF矿物数据库对苏格兰苏姗娜矿山产陈宗梓石的拉曼光谱分析结果(R130276)如图3-2所示。从该图可知陈宗梓石的最强拉曼谱峰位于970cm -1 ,中等强度谱峰分别位于212cm -1 、430cm -1 和1 046cm -1 ,此外还有分别位于368cm -1 、607cm -1 和857cm -1 的弱峰。另外,据RRUFF报道的拉曼光谱图,陈宗梓石在3 526cm -1 处出现较强的H 2 O峰,此结果与陈宗梓石的化学组成分析结果是一致的。
图3-2 陈宗梓石的拉曼光谱(引自RRUFF ID: R130276)
用直径57.3 mm的德拜-席勒粉晶相机和Fe-K α 辐射对苏格兰苏姗娜矿山所产陈宗梓石进行粉晶X射线衍射分析,得到36条衍射线,其中的10条强线[ d (Å) ( I ) ( hkl )]为:3.60 (10) (002),3.41 (9) (1-20),5.55 (7) (100),2.80 (7) (12-2),4.32 (6) (1-11),2.07 (6) (211),3.30 (5) (02-2),3.00 (5) (111),1.778 (5)(3-12),2.71 (4) (120) [1] 。
陈宗梓石的单晶结构是由H. Hess等于1988年测定的。测定结果表明,陈宗梓石的结构由SO 4 四面体、Cu(OH) 4 O 2 、Pb(OH) 4 O 2 和Pb(OH) 4 O 4 等多面体构成,它们通过角顶和棱边的连接,形成一个三维网络(图3-3)。SO 4 四面体在键角方面比较有规则,Cu原子处于(4+2)重配位之中,而Cu(OH) 4 O 2 多面体之间不相互连接。两个独立的Pb原子处于8重配位之中。Pb1和Pb2两个配位多面体通过共用O3-O3和O4-O4棱边连接成二聚物。这些二聚物相互间又通过共用O1-O3和O3-O4棱边而连接起来,构成一个平行于(010)的无限大的平板,相同的平板通过单个Cu(OH) 4 和SO 4 的角顶和棱边的连接,构成一个三维网络,氢氧群和氧离子之间则发育着三个氢键。
图3-3 陈宗梓石平行于(100)的晶体结构图 [4]
陈宗梓石是以加拿大矿物与能源技术中心(Canaolian Centre for Mineral and Energy Technology)的华人矿物学家陈宗梓(Tzong Tzy Chen)博士(1942— )的姓氏命名的,以表彰他在矿物学研究中的突出贡献。
陈宗梓(图3-4),1942年出生于中国台湾新北市,1964年毕业于台湾大学地质系,后赴美留学,在康奈尔大学(Cornell University)取得博士学位。他后来成为位于渥太华的加拿大矿物与能源技术中心的矿物学家。
图3-5是陈宗梓博士于20世纪90年代考察世界上最大的铜矿——智利埃斯康迪达(Escondida)铜矿时的留影。陈宗梓博士已于2011年从加拿大矿物与能源技术中心退休,现在加拿大安度晚年。
图3-4 陈宗梓博士(2005年摄于美国旧金山)
图3-5 陈宗梓于20世纪90年代在世界上最大的铜矿——智利埃斯康迪达铜矿考察时的留影
[1] PAAR W H, MEREITER K, BRAITHWAITE R S W, et al. Chenite, Pb 4 Cu(SO 4 ) 2 (OH) 6 , a new mineral, from Leadhills, Scotland[J]. Mineralogical Magazine, 1986, 50: 129-135.
[2]KRAUSE W. Chenit von der Grube Virneberg bei Rheinbreitbach[J]. Aufschluss, 1991, 42: 147-153.
[3] HESS H, KELLER P, RIFFEL H. The crystal structure of chenite, Pb 4 Cu(OH) 6 (SO 4 ) 2 [J]. Neues Jahrbuch fü r Mineralogie, Monatshefte, 1988, H7:259-264.