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[[File:Feldspar series.jpg|thumb|[[正長石|正长石]]和[[微斜長石|微斜长石]]（KAlSi<sub>3</sub>O<sub>8</sub>）—[[钠长石]]（NaAlSi<sub>3</sub>O<sub>8</sub>）—[[钙长石]]（CaAl<sub>2</sub>Si<sub>2</sub>O<sub>8</sub>）的三元[[相图]]。从钠长石到钙长石的转变过程中，发生了 {{chem|link=Aluminium|Al|3+}}置换{{chem|link=Silicon|Si|4+}}，{{chem|link=Calcium|Ca|2+}}置换{{chem|link=Sodium|Na|+}}。]]

'''耦合置换'''<ref>{{Cite journal |author=黄旭栋，陆建军，高剑峰，等 |title=湘南铜山岭铜铅锌矿床闪锌矿矿物化学特征及其成矿指示意义 |journal=矿物岩石地球化学通报 |year=2024 |volume=43 |issue=2 |page=387-402 |doi=10.19658/j.issn.1007-2802.2023.42.088}}</ref>（{{Lang-en|Coupled substitution}}）又称'''耦合替换'''<ref>{{Cite journal |author=周闯，杨振，王新宇，等 |title=广西建旺铅锌矿床硫化物微量元素组成特征 |journal=矿物岩石地球化学通报 |year=2023 |volume=42 |issue=2 |page=298-311 |doi=10.19658/j.issn.1007-2802.2023.42.013}}</ref>，是两种[[化學元素|元素]]同时进入矿物[[晶体]]以保持整体电中性和电荷恒定的地质过程<ref name="wolfram">{{cite web|title=Coupled Substitution -- from Eric Weisstein's World of Chemistry|url=http://scienceworld.wolfram.com/chemistry/CoupledSubstitution.html|url-status=live|archive-url=https://web.archive.org/web/20190325065705/http://scienceworld.wolfram.com/chemistry/CoupledSubstitution.html|archive-date=2019-03-25|access-date=2019-03-26}}</ref>。在金属离子进入晶体中形成系列[[固溶体]]过程中，[[离子半径]]远比离子电荷重要，因为电荷可以从晶体结构的其他地方得到补偿<ref name="diction">{{cite book|title=A Dictionary of Geology and Earth Sciences|url=https://archive.org/details/dictionaryofgeol00unse|last1=Allaby|first1=Michael|date=2013-07-04|publisher=OUP Oxford|isbn=9780199653065}}</ref>。

==离子大小==
{{See also|正负离子半径比}}
矿物要形成稳定的晶体结构，组成原子在电荷和大小上必须相互贴合，以便[[电子层]]之间进行相互作用，并形成电中性分子。基于此原因，原子的大小和电子层结构决定了元素组合的可能以及矿物所呈现的几何形状。由于形成矿物分子时，电子被给出或接收，元素离子半径控制着尺寸并决定了原子在矿物中的结合方式<ref name="habit">{{cite book |isbn=9780691140063|title=How to Build a Habitable Planet: The Story of Earth from the Big Bang to Humankind|url=https://archive.org/details/howtobuildhabita0000lang|last1=Langmuir|first1=Charles Herbert|last2=Broecker|first2=Wallace S.|year=2012|publisher=Princeton University Press }}</ref>。

==示例==

* '''硅酸盐矿物'''

耦合置换在[[硅酸盐矿物]]中很常见，通常是{{chem|link=Aluminium|Al|3+}}取代[[四面體|四面体]]配位的{{chem|link=Silicon|Si|4+}}<ref name="course">{{cite web|title=Tulane course|url=https://www.tulane.edu/~sanelson/eens211/mineral_chemistry.htm|url-status=live|archive-url=https://web.archive.org/web/20170709184311/http://www.tulane.edu/~sanelson/eens211/mineral_chemistry.htm|archive-date=2017-07-09|access-date=2019-03-26}}</ref>。

例如在[[斜长石]]（NaAlSi<sub>3</sub>O<sub>8</sub>-CaAl<sub>2</sub>Si<sub>2</sub>O<sub>8</sub>）固溶体体系中，[[钠长石]]（NaAlSi<sub>3</sub>O<sub>8</sub>）组分变成[[钙长石]]（CaAl<sub>2</sub>Si<sub>2</sub>O<sub>8</sub>）过程中Al<sup>3+</sup>会取代Si<sup>4+</sup>，然而这种不等价取代会产生额外的负电荷，因此会伴随（即“耦合”）一个Ca<sup>2+</sup>取代Na<sup>+</sup>的过程来抵消这个额外的电荷<ref name="diction" />。而且可以实现完全替换<ref name="course" />。

* '''黄铁矿型矿物'''

虽然[[黄铁矿]]俗称愚人金，但偶尔也会伴生有少量黄金。在一些[[黃鐵礦晶形|黄铁矿型矿物]]中，金与[[砷]]会进行耦合置换一同进入矿物晶体中。在{{Le|卡林型金矿|Carlin–type gold deposit}}型矿床中，含砷黄铁矿中黄金的比重可高达0.37%<ref>{{cite journal |author1=Fleet, M. E. |author2=Mumin, A. Hamid |title=Gold-bearing arsenian pyrite and marcasite and arsenopyrite from Carlin Trend gold deposits and laboratory synthesis |url=http://www.minsocam.org/msa/AmMin/toc/Articles_Free/1997/Fleet_p182-193_97.pdf |url-status=live |journal=American Mineralogist |year=1997 |volume=82 |issue=1–2 |pages=182–193 |bibcode=1997AmMin..82..182F |doi=10.2138/am-1997-1-220 |s2cid=55899431 |archive-url=https://web.archive.org/web/20170810053609/http://www.minsocam.org/msa/ammin/toc/Articles_Free/1997/Fleet_p182-193_97.pdf |archive-date=2017-08-10 |access-date=2019-03-27}}</ref>。

* '''刚玉'''

在[[剛玉|刚玉]]中，可能会发生Fe<sup>2+</sup>+Ti<sup>4+</sup>→2Al<sup>3+</sup>的耦合置换过程<ref name="wolfram" />。
* '''赤铁矿'''
在[[赤铁矿]]中，会发生[[一氧化镍|NiO]]和{{chem|link=二氧化钛|Ti|O|2}}的耦合置换， Ni<sup>2+</sup>与Ti<sup>4+</sup>耦合置换α-Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>中的Fe<sup>3+</sup>的过程中会产生Fe<sup>2+</sup><ref name="hema">{{cite journal |last1=Park |first1=B. -H. |last2=Suito |first2=H. |title=Coupled substitution of NiO and TiO2 in haematite |url=https://archive.org/details/sim_journal-of-materials-science_1993-01-01_28_1/page/n57 |journal=Journal of Materials Science |year=1993 |volume=28 |issue=1 |pages=52–56 |bibcode=1993JMatS..28...52P |doi=10.1007/BF00349032 |s2cid=97048742}}</ref>：

<math>NiO+ 2 TiO_2 + Fe_{Fe}^\times \rightarrow Ni_{Fe}^\prime + 2 Ti_{Fe}^\bullet + Fe_{Fe}^\prime + 5O_{O}^\times</math>

<math> Fe_{Fe}^\times</math>，<math>O_O^\times</math>为晶格Fe<sup>3+</sup>和晶格O<sup>2-</sup>，<math>Ni_{Fe}^\prime </math>，<math>Ti_{Fe}^\bullet</math>为取代Fe<sup>3+</sup>位置的Ni<sup>2+</sup>和Ti<sup>4+</sup>，<math>Fe_{Fe}^\prime</math>即取代Fe<sup>3+</sup>位置的Fe<sup>2+</sup>（详见[[晶体缺陷]]的表示方法：{{Le|克罗格-明克记号|Kröger–Vink notation}}）。
* '''透辉石—翡翠转变'''
在[[透輝石|透辉石]]（MgCaSi<sub>2</sub>O<sub>6</sub>）转变成[[翡翠]]（NaAlSi<sub>2</sub>O<sub>6</sub>或{{chem|Na|(Al|,Fe|3+|)|Si|2|O|6|}}）过程中，会发生Ca<sup>2+</sup>+Mg<sup>2+</sup> → Na<sup>+</sup>+Al<sup>3+</sup>的耦合置换，但置换程度有限<ref name="course" />。

* '''尖晶石族矿物'''

在[[尖晶石族]]矿物中，存在{{chem|Mg|2+}}+2{{chem|Al|3+}} → 2{{chem|Fe|2+}}+{{chem|Ti|4+}}的耦合置换，这种置换程度范围可以很大<ref name="course" />。

* '''透闪石—浅闪石转变'''

发生耦合置换时，电荷补偿的位置不一定是发生取代的位置，也可能是填充晶格间隙位置。例如在[[角闪石]]族矿物[[透闪石]](Ca<sub>2</sub>(Mg<sub>5.0-4.5</sub>Fe<sup>2+</sup><sub>0.0-0.5</sub>)Si<sub>8</sub>O<sub>22</sub>(OH)<sub>2</sub>)中，Al<sup>3+</sup>取代Si<sup>4+</sup>后，Na<sup>+</sup>会进入晶格间隙来维持电中性，形成{{Le|角闪石|Hornblende}}族矿物{{Le|浅闪石|Edenite}}（{{chem|Na|Ca|2|Mg|5|(Si|7|Al|)O|22|(O|H)|2}}）<ref name="course" />

* '''锂铍脆云母'''

矿物{{Le|锂铍脆云母|Bityite}}（CaLiAl<sub>2</sub>(AlBeSi<sub>2</sub>)O<sub>10</sub>(OH)<sub>2</sub>）结构和一般[[云母]]结构类似，由四面体层和八面体层构成，并通过层间Ca<sup>2+</sup>隔开。不过存在多面体结构单元层间的耦合置换，Be<sup>2+</sup>取代四面体配位的Al<sup>3+</sup>时会伴随一个Li<sup>+</sup>进入间隙层而不是进行八面体配位<ref name="Lin">Lin, J-C. and Guggenheim, S. (1983). "The crystal structure of a Li,Be-rich brittle mica: a dioctaheral-trioctahedral intermediate". ''American Mineralogist'', 68, 130-142.</ref>，并随之形成 含有Si<sub>2</sub>BeAl的四面体层<ref name="Guggenheim">Guggenheim, S. (1984). "The brittle micas". ''Reviews in Mineralogy'', 13, 61-104.</ref>。这种置换方式保持了电中性，同时构成了[[页硅酸盐矿物]]{{Le|珍珠云母|Margarite}}族中三八面体层状结构端元<ref name="Guggenheim" />。

* '''铁铝直闪石'''

{{Le|铁铝直闪石|Ferrogedrite}}（☐Fe<sup>2+</sup><sub>2</sub>(Fe<sup>2+</sup><sub>3</sub>Al<sub>2</sub>)(Si<sub>6</sub>Al<sub>2</sub>)O<sub>22</sub>(OH)<sub>2</sub>）在结构上和[[角闪石]]族的[[直閃石|直闪石]]和{{Le|铝直闪石|Gedrite}}有关，其通过(Al,Fe<sup>3+</sup>) 取代 (Mg,Fe<sup>2+</sup>,Mn)和Al<sup>3+</sup>取代Si<sup>4+</sup>形成<ref name="Deer1997">Deer, William Alexander, Robert Andrew Howie, and Jack Zussman (1997). ''Rock-forming minerals. 2B. Double-chain silicates'', Vol. 2. Geological Society.</ref>{{rp|12–78}}。

==参考文献==

{{reflist}}
[[Category:取代反應]]
[[Category:矿物]]
[[Category:晶体学]]