1、矿物学,理论讲课：30学时 实验课：14学时本课程的难点和重点 1、 基本定义、基本鉴定方法、常见矿物的物理性质 2、 一些典型矿物的晶体结构,第一章 绪论,1 什么是矿物学：是以矿物为研究对象的一门基础地质学科，它是研究地壳成分的学科之一。它的研究内容对象为：矿物的成分、结构、形态、性质、成因、产状、后期的各种变化、用途、矿物的时空分布及其它们相互的内在关系。它是地质学其它分支的基础，也是材料学等学科的基础。,2 矿物的定义：,是在各种地质作用中形成的天然单质或化合物；具有一定的化学成分和内部结构，从而有一定的形态、物理性质和化学性质；它们在一定的地质和物理化学条件下稳定存在；是岩石和矿石的
2、基本组成单位。,3 理解矿物定义的几个关键：,是在各种地质作用下形成的而非人工合成或天外来客； 具有一定的化学成分，这些化学成分是以一定的内部结构规律排列，而非杂乱无章的混合； 每种矿物的稳定存在都是有一定的物理化学条件范围的，在超过其稳定存在的物理化学条件，则会发生各种物理化学变化。 矿物必为晶质固态物，所以非晶质的或液体或天然气等则不是属于矿物的范畴，但通常把像蛋白石、水锆石等极少数天然形成的、具有一定的化学成分的非晶质单质和化合物也列入到矿物的范畴中来，称之为准矿物； 是岩石和矿石的基本组成单元，各种岩石和矿石都是由矿物组成；,4 矿物学发展的几个阶段：,伴随着科学技术的发展而发展，萌芽
3、时期为纯肉眼和借助放大镜观察、测量及描述，后来的每一次大飞跃都是与科技发展密不可分： 偏光显微镜的应用； X射线衍射仪； 物理化学理论和热力学相平衡理论； 60年以来，引入了一系列的现代测试技术的出现、高温超高压实验技术、量热实验及计算机的使用、固体物理、量子化学、结晶化学和物理化学理论。,JXA-8100 电子探针微量分析仪 Electoron Probe Microanalyzers,多功能X射线衍射仪（XRD）,MSAL XD2粉末X射线衍射仪,5 矿物与其它学科的关系,矿物学与其它学科有着千丝万缕的联系。 矿物学的基础学科：物理学、物理化学、计算机科学、数学、物理学、化学、矿物材料学、
4、冶金学、化工学等。 矿物学的并行学科：结晶学 矿物学的应用学科：地学各分支，材料学各分支，测试技术的基础理论方面。,第二章 矿物的化学成分（1学时）,一 地壳的化学成分 1 丰度：地质体中的化学元素含量即为丰度。 2 克拉克值：地壳中化学元素的含量即为克拉克值。 3 地壳中分布最广的八种元素:详见后一页的表格，前八种元素总量占99%，因此可以说地壳主要是由这八种元素所组成。但人们常要开采的重要矿产资源如：铜、铅、锌、金、银、铀、钨等矿产资源都不在此八元素之列。,地壳中含量最多的前八种元素,4 聚集元素：有一些元素虽然丰度值低，但它们趋于集中，易形成独立的矿物，甚至富集成矿床，这些元素即为聚集元
5、素，如：Sb、Bi、Hg、Ag、Au等。 5 分散元素：有一些元素虽然丰度值高，但它们趋于分散，很少形成独立的矿物，常常作为微量的混入物赋存于其它矿物中，这些元素即为分散元素，如：Rb、Cs、GA、In、Sc等。这些元素多为碱金属、碱土金属元素等。 6 小结：地壳中矿物形成不仅与元素的丰度值有关，还与元素的地球化学性质有关。,二 元素的离子类型,0 引言：元素在矿物中的存在形式取决于元素本身的性质、原子和离子的化学行为、矿物所处的地质环境即物理化学条件。由于自然界中产出的矿物多为化合物，都是以阴阳离子形式存在，因此，各种元素的离子类型显得尤为重要。,1 惰性气体型离子：,即外层电子为2或8电子
6、的离子，外层电子构型为1S2或nS2 nP6，与惰性气体原子的外层电子构型相同，故称为惰性气体型离子。主要有碱金属、碱土金属、一些非金属离子。碱金属和碱土金属元素的电离势较低、离子半径大，易与氧及卤素元素以离子键结合，形成含氧盐、氧化物和卤化物。这类元素离子半径大，极化能力低，与氧或卤素元素形成离子键为主的化合物。因此这类元素也被称为造岩元素、亲石元素、亲氧元素。,2 铜型离子：,即外层电子为18个电子或18+2个的离子，外层电子构型为nS2nP6 nd10或nS2nP6 nd10（n+1）S2，与铜离子相似，故称为铜型离子。本类离子的半径小、外层电子多，极化能力很强，易与半径大、又易被极化的
7、S2-结合生成共价键为主的化合物，主要形成金属矿物，因此这类元素也被称为造矿元素、亲硫元素、或亲铜元素。,3 过渡型离子：,即外层电子为917的离子，外层电子构型为nS2nP6 nd19。各种特性介于前两者之间。,三 矿物化学成分的变化,1 化学计量矿物：在自然界中只有很少的矿物其化学成分是相当固定的，其化学组成遵照定比定律和倍比定律，这一类在各晶格位置上的化学组分遵循定比定律，具有严格化合比的矿物称为化学计量矿物。如水晶，其化学成分为纯SiO2。有的矿物虽然化学成分是变化的但遵循定比定律，如橄榄石（Mg，Fe）2SiO4 2 非化学计量矿物：自然界中许多矿物，特别是某些含有变价元素的矿物，其
8、矿物成分偏离理想的化合比，这是由于在不同的氧化还原条件下，价态会发生变化，为了电价平衡，矿物内部出现某种晶格缺陷， 从而使其化学组成偏离化学计量的定比定律，如磁黄铁矿Fe（1-x）S，x变化于00.125。这类矿物就是非化学计量矿物。,四 胶体矿物的成分,胶体矿物是以水为分散媒，以固相为分散相的水胶凝体而形成的非晶质或超显微隐晶质的矿物，前者如蛋白石（SiO2.nH2O），后者如大多数粘土矿物。严格地讲，胶体矿物只是含吸附水的准矿物。 由于胶体微粒非常小，具有极大的比表面积和很高的表面能，具有吸附其他物质和自发地转化为能量更低的结晶质的趋势。另外，由于胶体表面电荷未达到平衡，要吸附带电离子，以
9、达到电荷平衡。由于这两方面作用，胶体矿物随着时间的推移，胶粒逐步长大，变成隐晶质，最终变成显晶质矿物。这种胶体矿物老化形成的隐晶质和显晶质矿物称为变胶体矿物。 由此，胶体矿物的化学组成是可变性和复杂性。这种化学成分的复杂性，表现在含水量的可变性和被吸附的离子数量的可变性。,五 矿物中的水,1 根据矿物中的水的存在形式及在矿物结构中的作用，矿物中的水分为吸附水和结合水。在常量元素的分析结果中分别以H2O- 和H2O+。 2 结合水包括：结晶水和结构水 3 具有双重性质的水：沸石水和层间水 4 吸附水：是指被机械地吸附于矿物颗粒表面及裂隙中，或渗入到矿物集合体中的中性水分子。其不参与晶格中，不属于
10、矿物的化学组成。矿物中的吸附水含量是不固定的，是随环境的温度和湿度而变化，常压下，在温度为100110条件下，吸附水全部从矿物中逸出而不破坏矿物的结构。 胶体水是一种特殊的吸附水类型，它是矿物的化学组成的一部分，但又很不固定，胶体水的脱水温度较高一般在100250。,5 结晶水：是以中性水分子形式存在于矿物晶格中，它是矿物化学组成的重要组成部分，水分子在矿物中是固定，与其他成分的含量常成简单的比例关系。结晶水以一定的配位形式环绕小半径的阳离子，形成水化阳离子，使阳子的体积增大，从而与其他大的阴离子形成稳定的结构。结晶水参与了晶体结构，结合牢固，脱水温度很高，一般为200500，个别矿物达600
11、。由于结晶水参与了矿物的结构，脱水后晶体的结构遭受破坏，从而形成新的结构或熔融。,6 结构水（亦称化合水）：,是指以(OH)-、H+、(H3O)+ 离子形式存在于晶格中的一定的配位位置上，并有确定的含量比，其中以(OH)-最为常见，主要存在于氢氧化物和层状结构硅酸盐等矿物中。如水镁石Mg(OH)2、高岭石Al4Si4O10(OH)8等矿物中。结构水在晶格中与其他离子结合非常牢固，常压下脱结构水温度很高，可达6001000，在高压下甚至可达12001400。脱水后晶格遭受破坏，并有可能伴随有熔融的出现。,7 层间水：,是存在于层状结构矿物硅酸盐（如某些粘土矿物）晶体结构中结构层之间的中性水，它们
12、主要与层间阳离子结合成水合阳离子。 由于结构层内的电价未平衡，层间吸附阳离子，这些小半径的阳离子与中性水配位成大离子半径的基团，形成较为稳定的矿物结构。 层间水的多少与层间阳离子的数目、种类及温度、湿度有关。 层间水性质介于吸附水和结构水之间，当层间水失去之后，晶体的总体结构并未被破坏，只是晶胞参数中的C0值会变小。 由于层间水的加入与脱出会引起C0值发生变化，因此当快速加热时可能会因爆炸而快速加大C0值，从而大大提高矿物的膨胀率。这种特性已用在制造一些矿物材料的工艺上。,8 沸石水：主要存在于沸石簇矿物晶格中的宽大的空腔和通道中的中性水分子，与其中的阳离子结合成水合阳离子，与层间水性质相近，
13、沸石水也兼有吸附水和结构水的性质。9 研究矿物中水的方法：热分析方法及红外吸收光谱、X射线衍射、电子衍射和中子衍射,六 矿物的化学式及其计算,1 矿物成分的表示方法：矿物的化学成分是以化学元素符号按一定的原则书写出来，是以单矿物化学成分分析所得出的各种组分相对百分含量为基础而计算出来的。具体有两种表示方法：实验式和晶体化学式。实验式只表示矿物中各种氧化物的种类及其比例，不能反应矿物中各组之间的相互关系，如石膏CaOSO32H2O；目前用得最多的是晶体化学式（即结构式），它即能表明矿物中各种组分的种类及其数量比，又能反应它们在晶格中相互关系及其存在形式，如石膏的结构式为CaSO42H2O。,2
14、晶体化学式的书写原则：,晶体化学式是最常用的，晶体化学式的书写原则为： （1）阳离子在前，（络）阴离子在后，络阴离子用方括号，如石英SiO2、方解石CaCO3 （2）对复化合物，阳离子按其碱性由强到弱、价态由低到高排列，如白云石CaMgCO32、磁铁矿FeFe2O4（即Fe2+Fe3+2O4）。 （3）附加阴离子写在阴离子和络阴离子之后，如白云母KAl2（Si3Al）O10（OH）2。 （4）中性水分子写在化学式最后，当含水量不固定时，则用nH2O或aq表示，如石膏CaSO42H2O （5）类质同象替代的离子用圆括号，并依含量的多少顺序按列，以逗号分隔。 在具体书写矿物的结构式时，习惯上将其具体数值分别写在各元素之右下角，类质同象之间不再用逗号分隔。如某单斜辉石的晶体化学式 （Ca0.960Na0.040）1.00(Mg0.820Fe2+0.060Fe3+0.050Al0.030Mn0.020Ti0.020)1.000(Si1.920Al0.080)2.00O6。,
