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硅灰石的化學分子式為CaSiO3，理論化學成分：CaO48.25%、SiO251.75%。自然界中純硅灰石罕見，在其形成過程中，Ca有時被Fe、Mn、Ti、Sr等離子部分置換而呈類質同象體，并混有少量的Al和微量K、Na。

由于硅灰石形成時的溫度、壓力等條件不同，可能出現3種同質多象體：1.三斜鏈狀結構的Tc型硅灰石，通稱低溫三斜硅灰石；2.單斜鏈狀結構的ZM型副硅灰石，通稱副硅灰石；3.三斜三元環狀結構的假硅灰石，通稱假硅灰石。目前被廣泛用作工業礦物原料的主要是低溫三斜硅灰石。低溫三斜硅灰石為三斜晶系，大多呈針狀、纖維狀或片狀，常簇集呈扇形、輻射形集合體，有的呈細小的顆粒狀。白色微帶灰、紅色，玻璃光澤,解理面呈珍珠光澤，解理平行中等，在1125度左右時可轉化為假硅灰石，這時熱膨脹系數增加，并由于釋放出Fe、Sr等雜質，因此顏色由白色變為奶油色、紅色或褐色。

硅灰石礦石自然類型通常有夕卡巖型礦石和硅灰石-石英-方解石型礦石兩類。前者主要產于夕卡巖型礦床中，礦物組分復雜，常伴生石英、方解石及透輝石、石榴子石等夕卡巖礦物；后者主要產于接觸變質和區域變質型礦床，礦物組分簡單，又可分為：硅灰石-石英、硅灰石-方解石和硅灰石-石英-方解石型3個亞類。硅灰石礦石的結構構造通常也有兩種：致密塊狀礦石具細粒花崗變晶或纖維變晶結構，致密塊狀構造，硅灰石呈細小粒狀、柱狀或纖維狀集合體，個別極細粒致密者呈玉狀；粗晶硅灰石礦石具纖維變晶結構，塊狀、似角礫狀、巨斑狀或條帶狀構造，硅灰石晶體粗大，呈板柱狀，束狀或放射狀(菊花狀