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张衡矿
（Zhanghengite）

一、简述

张衡矿是由Cu、Zn两种元素组成的天然矿物，由中国科学技术大学地球和空间科学学院原主任王奎仁教授于1986年在安徽亳县陨石中发现 ^[1] 。由人工合成的Cu-Zn合金相图可知 ^[2] ，根据Cu和Zn的含量，Cu-Zn合金可分为α、β、γ、δ、ε、η六个相。目前在地球上及月岩中 ^[3] 都发现了类似α相的含Zn自然铜，在我国西南某地铂-铜-镍硫化物矿床的非磁性人工重砂中也发现了类似于γ相的含Zn自然铜，被命名为丹巴矿 ^[2] 。王奎仁教授在亳县陨石中发现的张衡矿类似于β相。1985年12月8日国际矿物学协会新矿物命名与分类专业委员会投票通过了该新矿物及其Zhanghengite的命名，批准号为IMA-1985-049。相关论文发表在1986年的《矿物学报》 ^[1] 上。随后，在巴西的Maracás Menchen矿山、北哈萨克斯坦金矿省的Raigorodok区和越南的Khe Sahn（Huong Hóa）等地，均发现有张衡矿产出 ^[4] （图5-1）。

二、产状

1977年10月20日下午，亳县张沃公社吝子门大队的小阎庄与吝楼庄分别坠落两块陨石（亳县陨石），张衡矿便产于其中。陨石表面呈灰黑色，新鲜面为浅灰色，均具明显的球粒结构。据W. R. Van Schmus等的分类，该陨石的化学群为LL，陨石类型为3和4之间的过渡型。张衡矿在两块陨石中均有出现，但含量极少，只分布在陨石的基质中。张衡矿的共生矿物有镁橄榄石、贵橄榄石、古铜辉石、顽火辉石、斜顽辉石、顽火透辉石、易变辉石、斜长石、正长石、白磷钙矿、陨硫铁、铁纹石、镍纹石、铬铁矿、钦铁矿、镁铁尖晶石、镍黄铁矿、石墨、方铁矿、自然铜等 ^[1] 。

三、矿物形态及物理性质

张衡矿呈粒状、不规则粒状、片板状、树枝状产出，其粒度为0.15~0.35mm。在双目镜下呈金黄色（图5-1），条痕为铜黄色，强金属光泽，新鲜面易氧化为黑色，无解理。显微硬度 H v=145~150 kg/mm ² （10g负荷）。

根据晶胞参数计算出张衡矿的密度为8.32g/cm ³ 。反光镜下为亮黄色，均质。在空气中用WTiC做好标准测定得，张衡矿在不同波长光照下的反射率分别为57.7%（405nm）、50.8%（437nm）、43.9%（480nm）、93.7%（645nm），无内反射 ^[1] 。

四、化学成分

张衡矿的化学成分是用电子探针分析得出的，使用的仪器型号为JCXA-733，利用纯Cu、Zn、Cr、Fe、Al、Ni作标准，在6个测点上的分析结果列于表5-1中 ^[1] 。该表中1号样品的Cu含量偏低，Zn含量偏高；5号样品的Zn含量偏低，Cu含量偏高。使用电子探针分析数据计算出张衡矿1号和5号这两个样品的化学式分别为Cu _1.0224 Zn _0.9713 Fe _0.0030 Al _0.0028 Cr _0.0005 和Cu _1.0868 Zn _0.9011 Fe _0.0037 Al _0.0082 Cr _0.0062 Ni _0.0003 ，简化式都为CuZn。

从表5-1可以看出，6个张衡矿样品还含有微量的杂质元素：Cr——（0.00~0.25）wt%，Fe——（0.11~0.16）wt%，Al——（0.04~0.06）wt%，Ni——（0.00~0.01）wt%。与张衡矿共生的矿物颗粒经电子探针分析证实为贵橄榄石 ^[1] 。

五、粉晶X射线衍射分析

对张衡矿进行粉晶X射线衍射分析，使用丹东仪器厂制造的粉末照相机拍摄（相机直径为57.3 mm，铁靶，未滤波，35 kV，10 mA，曝光5.5 h），得出7条衍射线，使用Bunn卡片将其指标化，这7条谱线[ d (Å) ( I ) ( hkl )]为：2.299 (4) (101β）、2.089 (10) (101)、1.620 (1) (200β）、1.470 (5) (200)、1.325 (2) (112β)、1.201(8) (112)、1.044 (6) (202)。从粉晶分析数据中去除三条β线，其余4条衍射线（2.089Å，1.470Å，1.201Å，1.044Å）为张衡矿的衍射谱线 ^[1] 。

进一步用图解外推法求得张衡矿的晶胞参数 a =2.952±0.02Å，并计算出其理论值 d （Å）。由 hkl 所出现的情况，明显可见有 h + k + l =2 n 关系，未出现 h + k + l =2 n +1的衍射线，故可确定为体心立方堆积，空间群为 Im 3 m 。又因一个晶胞中只有两个原子，即 Z =1，而且又是体心立方堆积，一个晶胞中平均只有一个Cu和一个Zn，这样Cu、Zn分布在一套等效点系上。因此，从张衡矿的X射线粉末图上看，Cu、Zn原子排列是无序的。此外，由晶胞参数可计算出晶胞体积 V =25.72Å ^3[1] 。

六、形成条件

根据Cu-Zn合金相图可知，该合金的β相在460 ℃以上为无序体心等轴结构，在460 ℃以下为有序结构，同CsCl结构，这时Cu占据每个角顶的位置（0，0，0），而Zn占据体心位置（1/2，1/2，1/2）。由于亳县陨石中的张衡矿为无序结构，因此可推断它的形成温度高于460 ℃。并且由于其形成后快速冷却，相当于是在高温淬火的条件下结晶的。张衡矿的这种形成条件与该陨石中其他矿物的形成条件也是相符的，如炉条状橄榄石、棒状橄榄石、骸晶状橄榄石、辉石成分的玻璃质、长石成分的玻璃质，都表明其是快速冷却的产物。亳县陨石中张衡矿的出现表明当时所处的物理化学环境是高度还原的，这与该陨石中出现自然铜、石墨、铁纹石、镍纹石时的高度还原环境是相符合的 ^[1] 。

七、矿物命名

张衡矿是以我国古代著名天文学家张衡（图5-2）的姓名命名的，以纪念其在我国天文学、数学、地震学和文学发展上作出的重大贡献。

张衡（78—139），字平子。汉族，南阳郡西鄂县（今河南省南阳市石桥镇）人，南阳五圣之一，与司马相如、扬雄、班固并称“汉赋四大家”。他是中国东汉时期伟大的天文学家、数学家、发明家、地理学家、文学家，曾历任郎中、太史令、侍中、河间相等职。晚年因病入朝任尚书，于永和四年（139年）逝世，享年61岁。宋徽宗大观三年（1109年），张衡因算学方面的成就被北宋追封为西鄂伯。

张衡是东汉中期浑天说的代表人物之一，被后人誉为“木圣”（科圣）。他共著有科学、哲学和文学著作32篇，其中天文学著作最为出名。张衡在天文学方面著有《灵宪》《浑仪图注》等，数学著作有《算罔论》，文学作品以《二京赋》《归田赋》等为代表。《隋书·经籍志》中有《张衡集》14卷。明代学者张溥编有《张河间集》，收入《汉魏六朝百三家集》。

张衡为中国天文学、机械技术、地震学的发展作出了杰出贡献，他认识到月亮其实是不发光的，月光只是日光的反射。他正确认识到宇宙的无限性和行星运动的快慢与地球距离远近的关系。张衡制造了世界上第一架能比较准确地演示天象的漏水转浑天仪，第一台测量地震的仪器——候风地动仪，以及指南车等机械。

由于张衡的突出贡献，联合国天文组织将月球背面的一个环形山命名为“张衡环形山”，并将太阳系中的1802号小行星命名为“张衡星”。我国著名文学家、历史学家、中国科学院原院长郭沫若对张衡给予了很高的评价：“如此全面发展的人物，在世界史上亦所罕见，万祀千龄，令人景仰。”后人为纪念张衡，在南阳市修建了张衡博物馆（图5-3）。

图5-4是发现和命名张衡矿的中国科学技术大学地球和空间科学学院原主任王奎仁教授在实验室工作的照片。

参考文献

［1］王奎仁．新矿物——张衡矿［J］. 矿物学报，1986，6（3）：220-223，292.

［2］岳树勤，王文瑛，刘金定，等. 丹巴矿的研究［J］. 科学通报，1982，27（22）：1383-1386.

［3］NOVGORADOVA M Y. Geochemistry and Mineralogy［M］. Moscow: Science Press, 1980：109-110.

［4］MINDAT. O R G. Zhanghengite［DB/OL］。［2022-03-01］. https://www.mindat.org/min-4398.html. UmScXi09RnarzBLbRox8eAFvihp+WGqtvaBk36bOO4pJN36TY5bkmBFRhX2Nkb8p