1、结晶学矿物学基础,胡祥昭,绪论 一 矿物岩石学概念 研究对象：自然界的矿物和岩石。 矿物（mineral）:地壳中的化学元素在各种地质作用中形成的可以独立区分出来的自然物体，大多数是自然结晶的单质或化合物。,1. 矿物在地壳中广泛分布。 2 矿物是多种多样的。 3 一般说来，矿物都具有一定的化学成份和内部结构。 4 矿物都只是在一定的地质条件下才相对稳定。 我们只研究地壳中的矿物，且限于固态的矿物。矿物现有3000多种。 矿物学（Mineralogy）-研究矿物的科学。 岩石（rock）:组成地壳和上地幔的主要物质成份（固态部分），主要由一种或几种矿物按一定方式结合而成的集合体，少数岩石是由天
2、然玻璃或生物遗骸组成。 岩石也是各种地质作用的产物。一般情况下，不同岩石具有不同的化学成分，矿物成分，结构和构造。 岩石的种类繁多，可达2000多种。按成因分：岩浆岩，沉积岩，变质岩。 岩石学（Petrology）-研究岩石的科学。 研究矿物和岩石的科学统称为矿物岩石学。即是研究地壳物质组成及其特征的科学。研究矿物，岩石的成分，结构，构造，分布，产状，分类，命名，成因，及其与矿产的关系等。 二. 矿物岩石学与其它学科的关系,第一章 结晶学基础知识 第一节 晶体及其基本性质 一 晶体与非晶质体,晶体（crystal）: 具有格子构造的固体。或者说，晶体是内部质点在三维空间成周期性排列的固体。 非
3、晶质体：凡是内部在三维空间不作周期性重复排列，即不具格子构造的“固体”。 格子构造是晶体与其它物体的本质区别。 自然界中绝大多数矿物都是晶体。,二. 空间格子 （一）空间格子 空间格子是表示晶体内部中质点重复规律的几何图形，通称为晶格。,行 列 面 网 空 间 格 子,平行六面体,（二）空间格子要素 1结点 空间格子中的点，代表晶体结构中的相当点。在实际晶体中，在结点位置上可为同种质点（原子，离子或分子）所占据。但就结点本身而言，仅为一个几何点。 2行列 结点在直线上排列即构成行列。 空间格子中任意两个结点的连线，决定一个行列。 结点间距：行列中相邻结点间的距离。 在同一行列中或平行的行列中结
4、点间距是相等的；不同方向的行列，其结点间距一般是不等的。 3面网 结点在平面上的分布，即构成面网。在空间格子中，不在同一行列中的三个结点或任意两个相交的行列就决定了一个面网。 面网密度：面网中单位面积内结点数。 相互平行的面网，面网密度是相等的，不平行的面网，面网密度一般不等。 4 平行六面体 三维空间中，空间格子可以划分出的一个最小重复单位，即为平行六面体。它由六个两两平行且相等的面组成。 实际晶体结构中划分出的这样的相应单位，称为晶胞。 整个晶体结构可视为晶胞在三维空间平行地，毫无间隙地重复累迭（或整个空间格子是由无数平行六面体在三维空间平行无间隙地堆迭而成。） 单位平行六面体的三个棱长及
5、其夹角（格子参数）分别与晶胞的三个棱长及其夹角（晶胞参数）相对应。,（三）空间格子类型 各种空间格子之间的区别在于： 1） 平行六面体的形状 2） 结点的分布位置平行六面体的形状，由格子参数（三个棱长a。，b。，c。及其夹角,）所决定。格子参数间的关系有7种，对应有7种形状的平行六面体。 根据平行六面体中结点分布，格子又可分为四种类型。,综合考虑平行六面体的形状和结点分布，空间格子共有14种，并称为14种布拉维格子。 空间格子7种形状和结点分布4种类型一并考虑，似应有28种不同类型格子，这是由于某些类型的格子彼此重复，还有一些格子不符合某晶系对称特点，因而不存在。,三晶体的基本性质 晶体的的基
6、本性质：由晶体的格子构造所决定的晶体所共有的性质 （一） 自限性 指晶体在适当的条件下可以自发地形成封闭的几何多面体的性质。 晶面：几何多面体的平面。相当于空间格子最外面的一层面网，而且是面网密度较大的面网。 晶棱：晶面相交所组成的直线。晶棱相当于空间格子中质点间距较小的行列。 晶顶（或角顶）：晶棱会聚的顶。相当于空间格子的结点。 面角守恒定律：同种物质（成分，构造相同）的所有晶体，其对应晶面间的角度守恒。例如石英：m=14147，z=13344， mm=120这是由于相应晶面的面网及面网夹角是固定不变的。 （二） 均一性 晶体各个部分物理性质和化学性质都是相同的（由于晶体的任何一部分在结构上
7、都是一样的）。 （三） 异向性 晶体的各种性质会因方向而异，由于晶体结构中不同方向上质点的种类和排列一般是不同的。如蓝晶石的硬度，在平行晶体的延长方向上，小刀可刻动，而垂直方向，小刀刻不动。,（四） 对称性 晶体中相同的部分（如晶面，晶棱或角顶）或相同的性质，在不同的方向或不同的位置上，作有规律性重复，称为对称性。对称性取决于晶体的格子构造。 （五） 最小内能和稳定性 在相同的热力学条件下晶体与同种物质的非晶质，液体，气体相比较，其内能最小。放热非晶质，液体，气体 晶质体 吸热 晶体具定熔性。 晶体具最小内能，因而结晶状态是一个相对稳定的状态，这就是晶体的稳定性。,温度,时间,温度,时间,熔点
8、,第二节晶体的对称一 对称和晶体的对称 晶体具有对称性，表现在外形上，相同的晶面，晶棱，角顶作有规律的重复。晶体的对称是由其内部格子构造所决定的。有如下特征： 1晶体的对称受格子构造的严格控制。只有格子构造容许的那些对称才能在晶体上出现。 2晶体的对称不仅体现在外形上，而且表现在物理性质上。,镜像对称,晶体的对称,对称的概念,对称 物体相同部分之间的有规律重复称为对称。,对称的概念,旋转轴对称,对称 物体相同部分之间的有规律重复称为对称。,晶体的对称,中心对称,对称的概念,对称 物体相同部分之间的有规律重复称为对称。,晶体的对称,3.对称中心 位于晶体中心，如果通过此点作任意的直线，则在此直线
9、上距对称中心等距离的两端必定找到对应的相同部分。,二. 晶体的对称要素和对称操作,对称操作：使图形中相同部分重复的操作。 对称要素：对称操作时，所借助的一些假想平面，直线和点。 （一）对称面（P） 对称面：把晶体平分为互为镜象的两个相等部分的假想平面。,晶体对称面与晶面，晶棱仅能有如下关系： 1 垂直并平分晶面。 2 垂直晶棱并通过它的中点。 3 包含晶棱并平分晶面夹角。 在一个晶体中可没有对称面，也可有一个或数个，最多为9个。用9P，3P等来表示。,P,P,（二）对称轴（Ln）对称轴是通过晶体中心的假想直线，相应的操作是围绕此直线的旋转，使得晶体的相同部分作有规律的重复。晶体旋转一周，重复的
10、次数，称为轴次（n）。重复时所旋转的最小角度，称为基转角（）。 n=360o。轴次表在L的右上角。轴次有L1，L2，L3，L4，L6。一次轴可不考虑。L3，L4，L6总称为高次轴。在晶体中，对称轴可能出露的位置有：1 晶面的中心。2 晶棱的中心。3 角顶上。,(三) 对称中心（C） 对称中心是一个假想的点。相应操作是对此点的反伸，通过此点作任意直线，则在此直线上距对称中心等距离的两端可找到对应点或相应的部分（面，棱，角）。,晶体对称中心的标志是：晶体上所有对应晶面都两两平行，图形等大，方向相反。对称中心只能有一个或没有。此外还有旋转反伸轴（L i n）和旋转反映轴（Lsn）。,三对称型及晶体的
11、分类(一) 对称型 在结晶多面体中，全部对称要素的组合，称为该晶体的对称型。 对称型的表示方法：先写对称轴，轴次高的在前面，轴次低的在后，然后写对称面，最后写对称中心。 如：正长石的对称型：L2 PC 石盐的对称型：3L4 4L3 6L29PC 根据晶体中可能出现的对称要素种类及对称要素的组合规律，所有的晶体中，只能有32种对称型(p39表)。,对称型与晶体分类,四方柱的对称要素和对称型,五个对称面： 5P 一个四次对称轴： L4 四个二次对称轴： 4L2 一个对称中心： C,对称要素,对称型,L44L25PC,P,L4,L2,L2,（二）晶体的对称分类32种对称型包括了所有晶体，可以对晶体分
12、类。1是否有高次对称轴及高次轴多少，分为三大晶族 低级晶族：无高次轴。中级晶族：只有一个高次轴。高级晶族：有数个高次轴。2在各晶族中，根据对称特点分为七大晶系： 低级晶族：三斜晶系 无对称轴和对称面。单斜晶系 二次轴或对称面各不多于一个。斜方晶系 二次对称轴或对称面多于一个。中级晶族：四方晶系 高次轴为四次轴。三方晶系 高次轴为三次轴。六方晶系 高次轴为六次轴。高级晶族：等轴晶系 （有四个三次轴）。,晶体所具有的对称要素的多少和对称轴轴次的高低反映了晶体对称程度的高低,对称型与晶体分类,立方体: 3L44L36L29PC,六方柱: L66L27PC,四方柱: L44L25PC,三方柱: L33
13、L24P,斜方柱: 3L23PC,双面: L2PC,单面: C,第三节单形和聚形 对称形相同的晶体，其形状可完全不同，如3L44L36L29PC型可是立方体，八面体和棱形十二面体，因此必须对晶体形状作进一步探讨。 晶体的理想形态又可分为单形和聚形两类。 一单形 单形：由对称要素联系起来的一组晶面的总和。 如石盐的晶体形状为立方体，由同形等大的六个正方形组成，立方体就是单形。 单形上的晶面，不但形态相同，大小相等，而且它们的物理性质等也完全相同。 单形的名称：一般根据晶面的数目，晶面的形状，单形横切面的形状以及所属晶系。如棱形十二面体。 32种对称型推出47种几何单形。 闭形：单形的所有晶面能自
14、相封闭一定空间。可在实际晶体中存在。 开形：单形的所有晶面不能封闭一定空间。不能单独存在。,二聚形 聚形：由两个或两个以上单形聚合而成的晶形。必须是属于同一对称型的单形相聚。 判别一个聚形由何种单形组成，可依据对称型，单形晶面的数目和相对位置，晶面符号，以及假想单形的晶面扩展相交以后设想单形的形状。 分析步骤如下,1找出晶体的全部对称要素，确定所属的对称型和晶系。 如其对称型为L44L25PC，为中级晶族四方晶系，查表I61（P64），可知其只能是表中5种单形。 2观察聚形上有几种不同的晶面，以确定聚形中单形的数目。上图中聚 形有两种晶面，可知两种单形聚合而成。 3数出每种单形晶面数目，观察晶
15、面形状。要想象把同一单形的晶面扩 展相交，根据扩展相交的形状来确定单形名称。 如上图，一种单形晶面数目为4，另一数目为8，扩展形状一为柱，一为双锥。 4根据聚形的对称型、单形晶面数目、晶面的相对位置、以及晶面与对 称要素之间的关系，就可以确定各单形名称。 如上图，一单形为四方柱，另一为四方双锥聚合而成。,第四节晶体定向和晶面符号 一晶体定向 （一）晶体定向的概念 晶体的定向就是在晶体中选择坐标系统，就是选择坐标轴（晶轴）和确 定坐标轴上的度量单位（轴单位）。 晶轴选择原则： 1选对称轴和对称面法线方向，若没有对称轴和对称面，则平行晶棱选取。 2应尽可能使晶轴垂直，并使轴单位趋于相等。,晶体的定
16、向与符号表示,x ,z ,y ,晶轴、轴单位和轴角,晶体的定向与符号表示,各个晶系晶体的定向,（一）晶面（面网）符号的确定 当前常用米氏符号（W.H.Miller）。它用晶面在三个晶轴上截距系数的倒数来表示。,晶面HKL，其在x、y、z三个坐标轴上的截距为2a、3b、6c。截距系数为2、3、6。 晶面符号定义为：晶面HKL在三个坐标轴上的截距系数的倒数的最小整数比：,二. 晶面符号,a,b,c,H,K,L,x,y,z,HKL的晶面符号为（321）,设晶体的轴率比为 a:b:c，某一晶面（面网）在a轴、b轴、c轴上的截距之比为pa:qb:rc，取截距系数p、q、r的倒数比，则：1/p : 1/q
17、 : 1/r = h :k :lh、k、l应化为最简单的整数比，称晶面（面网）指数，写为（hkl）的形式，即为晶面符号（或面网符号）。,晶面（面网）符号的确定,(001),(010),(100),(111),(110),晶面（面网）符号,晶面符号的特点,（一）简单整数比； （二）0表示与所在轴平行； （三）表示面网时，代表一组平行、等间距面网。指数愈大，面网间距愈小。 （四) 面网符号由最临近坐标原点的那个面网来确定。,(二) 单形符号 由于同一单形中的晶面与晶轴都有相同的相对而言位置，是对称要素联系起来的一组晶面，因而常选择其中一个位于前，右，上的晶面符号，去掉“（ ）”，换成“ ”，代表整
18、个单形，称为单形符号。 单形符号的一般形式为hkl或hkil。 如单形立方体，其六个晶面分别为（100），（010），（001），（100），（010），（001），其单形符号为100 八面体单形符号111,y,z,x,(100)、 (010)、 (001)、,100,单形符号,立方体各个晶面的符号,立方体单形的符号,注意： 1 同种单形，因其晶面与晶轴位置不同而具有不同形号。 如四方柱有100和110。 2 不同单形可有相同的形号。 如立方体，四方柱，平行双面的单形符号都可是100。因此在看到单形符号时，先要确定晶系和对称型（可借助表61）。 (三)晶带及晶带符号（略，自学）,第二章 矿物的
19、晶体化学和化学成分 第一节 矿物的晶体化学晶体化学主要研究晶体的化学组成与晶体结构之间的关系。 一 地壳的化学成分 1地壳中化学元素的丰度元素周期表中的绝大多数元素在地壳中都可以找到，但各种元素含量相差很大。丰度最大的氧（O，46.6%）和已知丰度最小的元素氡(Rn ，710 -18 %)在重量上相差1019 倍。 O，Si，Al，Fe，Ca，Na，K，Mg八种元素就占了地壳总重量的98.59%。,K,2地壳中化学元素丰度的矿物学意义元素的丰度在一定程度上影响着元素在成岩成矿作用中的浓度，从而支配着矿物的形成。从已知矿物种的数目看，丰度值高的元素形成的矿物种也多。八种主要元素构成的矿物占已知矿
20、物种数的绝大多数，数量最多，分布最广，是构成地壳中各类岩石的主要矿物成分。矿物的形成不仅与元素的相对数量有关，还决定于元素的地球化学性质。有些元素丰度虽然很低，但趋于集中，可以形成独立的矿物种，如Sb(0.2) , Bi(0.2), Hg(0.08), Ag(0.07), Au(0.004), 称为聚集元素。有些元素虽然丰度远比上述元素高，但趋于分散，很少能形成独立的矿物种，如Rb(90), Cs(3), Ga(15)等，称为分散元素。,二 元素的离子类型 元素之间化合时，离子的外电子层以2，8或18个电子的结构最稳定。各 种元素都有力图使自已达到这种结构的趋势。一些元素之所以结合形成矿物，正
21、是通过彼此间得失电子的方式来满足各自的需要。根据离子的最外电子层结构，可将离子分为三种基本类型：,（一）惰性气体型离子 周期表左边的碱金属和碱土金属以及一些非金属元素的原子，失去或得到一定数目的电子成为离子时，其最外层电子层结构与惰性气体原子的最外电子层结构相似，具有8个（s2p6 ）或2个（ s2 ） 电子，称为惰性气体型离子。 地质上这部分元素常称为：亲氧元素，亲石元素，造岩元素。因为它们易与氧结合成含氧盐和氧化物，特别是硅酸盐，形成大部分造岩矿物。 碱金属和碱土金属元素易与氧和卤素元素形成以离子键为主的化合物。 （二）铜型离子 包括长周期表右半部的有色金属和重金属元素，这类离子最外层电子
22、层具有18（或者18+2）个电子，与Cu+电子层构型（s2p6d10）相似，称为铜型离子。易于S2-结合生成以共价键为主的化合物，形成主要的金属矿物。因而称为造矿元素，亲硫元素，亲铜元素。 (三)过渡型离子这类离子最外层电子层为具有8到18个电子的过渡型结构，周期表上居于惰性气体型离子与铜型离子之间的过渡位置。 外电子层电子数越接近8者亲氧性越强（3a），易形成氧化物。越接近18者亲硫性越强(3b)，易形成硫化物。居于中间位置的Mn和Fe，则与氧和硫均能结合。,三 原子和离子半径原子或离子是由原子核和核外电子所组成的。它们能够占据一定的空间(体积)。如果将这个空间（体积）视为球形，则球的半径应
23、为原子或离子的半径。原子半径包括两类： 金属原子半径：在金属单质晶格中两相邻原子核间距一半。 原子共价半径：同种元素的两个原子以共价键结合时，其核间距一半。各元素的离子半径、共价半径和金属原子半径的变化规律为： （1） 对于同种元素的原子半径而言，共价半径总小于金属半径和范德华半径。对于同种元素的离子半径：阳离子由于失去电子，其半径小于原子半径，正电价越高，半径越小；阴离子由于获得电子，其半径大于原子半径，负电价越高，半径越大。 （2） 同一周期的元素，原子和阳离子半径随原子序度的增大而减小。而同族元素的原子和离子半径随元素周期数的增大而增大。因而，周期表的左上方到右下方的对角线方向上，原子和
24、离子的半径相近。 （3） 在镧系和锕系元素中，原子和离子半径随原子序数的增加而逐渐缩小，称为镧系、锕系收缩。由于镧系收缩，镧系之后的第六周期的元素与同一族中第五周的元素相比，其原子和离子半径十分相近。 （4） 同种元素，电价相同的情况下，原子和离子半径随配位数的增高而增大。 （5） 过渡元素离子半径的变化趋势较为复杂有其独特的规律性。,四紧密堆积原理 在矿物晶体结构中，可以把质点的有效半径近似地看作是一些圆球。质点的结合，可看作是这些圆球的排列堆积。为了保持最小的内能，使晶体处于最稳定状态，质点的排列方式必须是最紧密的。 等大球作最紧密堆积时，第一层球的排列只有一种方式：即每一个球与六个球相接
25、。相邻的球之间形成三角形空隙，其中半数的三角形空隙尖端向下（B类）；另一半空隙尖端向上（C类），两者相间排列。,第二层球进行堆积时，为了达到最紧密堆积，只能堆积在第一层球的空隙上。无论堆积在B类空隙上，或堆积在C类空隙上，两者并无实质区别，只能盖住空隙数的一半。,第三层堆法有两种： 第一种堆法是每个球置于第一层的每个球上，垂直对应。即第三层球与第一层球重复，这叫做AB型堆积。以后的堆积则按ABAB的规律重复下去。这种堆积的晶格中，质点按空间格子六方底心格子排列，故称为六方最紧密堆积，如金属镁和锇铱矿的晶体结构。 第二种堆法是将第三层球置于第一层球未被第二层球盖住的空隙上，形成第四层球排列于第一
26、层相同的三层重复，叫做ABC型堆积。以后的堆积按ABCABC的规律重复下去。这种堆积中，质点按立方面心格子排列，故称立方最紧密堆积。自然金、自然铜等属于此种堆积类型。 上述两种最紧密堆积是矿物晶体结构中最基本最常见的方式。在一些化合物中也可出现四层（ABACABAC）、五层、六层等重复堆积的类型。,在六方或立方最紧密堆积中，仍有空隙存在，其空隙占整个空间的25.95%。空隙有两种： 一种由4个球围成，球中心的联线构成一个四面体，称四面体空隙。 另一种由6个球围成，球中心的联线构成一个八面体，称八面体空隙。,八面体空隙大于四面体空隙，但四面体空隙的数目是八面体空隙数目的两倍，八面体空隙数与球数相
27、等。 最紧密堆积原理及其空隙常来解释离子化合物和金属的晶体结构。自然金属矿物（单质）的晶体结构，常表现为金属原子作最紧密堆积。而在离子化合物晶体结构中，往往是半径大的阴离子作最紧密堆积，半径小的阳离子充填在空隙之中；如石盐的晶体结构是阴离子Cl-作立方最紧密堆积，阳离子Na+充填到所有的八面体空隙之中。,五配位数与配位多面体 晶体结构中，每个原子或离子周围所接触的原子数或异号离子的数目称为该原子或离子的配位数。 晶体中，围绕阳离子（或原子）的阴离子（或原子）中心联线所构成的多面体，称为配位多面体。配位数和配位多面体都可用来表示晶体结构中质点相互配置的状况。晶体结构可看作是由配位多面体以各种方式
28、联结而成。 自然金属矿物（如Au，Ag，Cu）的晶体结构中，原子配位数为12，因为在等大球的最紧密堆积中，每个球的周围总有12个球与之接触。 在纯离子化合物的晶体中，阳离子的配位数主要取决于阳离子半径与阴离子半径的比值。,共价键要求配位原子有一定的方向性和数量性，一般配位数偏低；离子极化引起离子间距缩短，使配位数降低；外界温度增高使配位数降低，而压力增大可使配位数增高等。,六化学键与晶格类型,在晶体中存在着这四种基本键型。对应于四种基本键型，在晶体构造中划分出四种晶格类型。即：离子晶格、原子晶格，金属晶格，分子晶格。,离子键与离子晶格,离子键以静电力维系，无方向性和饱和性。,离子键无自由电子，
29、不导电；离子键的键力较强。,受力作用晶格产生位移时，将由于同性电荷的排斥而晶格破坏。,离子晶格在水中的溶解度较大。,典型矿物,石 盐萤 石 方解石,共价键与原子晶格,1 共价键以共用电子对维系，具有方向性和饱和性。,2 共价键无自由电子，不导电。,3 共价键的键力强，硬度大，熔点高。,典型矿 物,金 刚 石,金属键与金属晶格,金属键以弥散的电子云将原子维系起来，无方向性和饱和性。,典 型 矿 物,金属晶格中存在原子，正离子和电子。具有导电性和延展性。,自然金 自然银 自然铂,分子键与分子晶格,分子键以分子间力来维系，无方向性和饱和性。,分子键键力弱。硬度小，熔点低，可压缩性大，多数晶体不导电。
30、,典 型矿 物,自然硫硫 黄,以上的晶格和化学键的类型都是典型的情况。事实上，化学键常具有过渡类型；此外，一种晶格中还可有两种以上的化学键存在，从而形成多键型晶格，此时，则一般根据其主要化学键和晶体的性质将其划归于某一晶格。,七. 类质同象,（一） 类质同象的概念 类质同象：矿物结晶时，结构中性质相近的质点（离子，原子或分子）在保持原有晶格的情况下，相互代替（置换）的现象。 类质同象极为普遍，它是造成晶质矿物化学成分变化的主要原因。 （二）类质同象的类型 分为完全类质同象和不完全类质同象。,完全类质同象：指组分以任意比例进行置换。如橄榄石：Mg2SiO4 (Mg,Fe)2SiO4 (Fe,Mg
31、)2SiO4 Fe2SiO4 镁橄榄石 贵橄榄石 透铁橄榄石 镁铁橄榄石 铁镁橄榄石 铁橄榄石 Fo 90100 9070 7050 5030 3010 100 Fa,不完全类质同象：指组分之间的置换有一定限度。如闪锌矿：Fe2+ 只能部分取代闪锌矿（ZnS）中的 Zn2+，不能超过26%。,(三) 类质同象的形成条件 类质同象中质点的代替不是任意的，而是有条件的。主要决定于元素的性质，其次是外界因素的影晌。 1 互相代替的质点其半径应相近。经验表明，若以r1，r2 分别代表较大质点和较小质点的半径，当(r1-r2)/r230%时，则很难形成类质同象。 元素周期表中，左上方到右下方的对角线方向
32、上，元素的阳离子半径相近，一般右下方的高价元素，易代换左上方的低价元素，称为“对角线置换原则”。 2互相代替的离子类型（或键性）应相似。否则晶体结构将破坏，不能形成类质同象。如Hg2+和Ca2+ 半径相近，但彼此不能相互代替，因Hg2+是铜型离子（共价键）。 3互相代替的离子，总电价保持不变（即电价平衡原则）。否则会引起结构的破坏。 等价类质同象：相互代替的质点电价相同。如前述的Mg2+与Fe2+ 。 异价类质同象：相互代替的质点电价不相同。如：,3Mg2+ 2Al3+ （云母中）,Ca2+Al3+ Na+Si4+ (斜长石中),Ce3+O2- Ca2+F- （磷灰石中）,4其它因素的影响 温
33、度升高有利于矿物中类质同象代替，温度下降则类质同象代替较弱，甚 至使形成的类质同象混晶离解。如钾长石KAlSi3O8中K+在660以上，可被Na+任意代替，形成完全类质同象；500时最多能代替20%；200时，代替不超过5%。高温时形成的含Na+高的钾长石，温度下降，钠长石就会分离出来，形成所谓的条纹长石。 压力增大，不利于类质同象的形成。如闪锌矿中Fe2+代替Zn2+的数量，随压力的增大而减少。但尚待进一步研究。 组分浓度不足，则能促使类似组分来代替。如磷灰石Ca5PO43F从岩浆熔体中形成时，如熔体中Ca2+多时，则Sr，Na不能进入晶体的格子构造占据Ca2+的位置。,（四） 研究类质同象
34、的意义地壳中大部分稀散元素都不能形成独立的矿物，而主要以类质同象的形式赋存于一定的矿物中。 矿物中类质同象代替的元素种类和数量，常与矿物生成时的温度，压力和组分浓度有关。因此有助于了解矿物生成时的物理化学条件。 根据矿物的物理性质的变化规律，推断矿物组分的变化情况。因为类质同象代替会引起矿物化学成分的有规律变化，必然导致矿物物理性质的有规律的变化。如闪锌矿颜色变化，斜长石折光率等变化。 八同质多象同质多象：相同化学成分的物质，在不同物理化学条件（温度，压力，介质）下，形成不同晶体结构的现象。这些不同结构的晶体，称为该成分的同质多象变体。如： 金刚石和石墨；-石英和-石英；文石和方解石；透长石和
35、正长石。,第二节 矿物的化学成分矿物的化学成分是组成矿物的物质基础，是决定矿物各种性质的最本质的因素，也是人们利用矿物原料的主要原因。一矿物的化学成分矿物是地壳中元素有规律组合的产物。可以分为两种基本类型：单质和化合物。单质:由同种元素的原子自相结合而成。如自然金（Au），金刚石（C），化合物 : 由两种或两种以上元素化合而成。 化合物又可分为三类：1简单化合物：由一种阳离子和一种阴离子化合而成。阳离子一般为金属离子。如方铅矿（PbS），萤石(CaF2)等。2络合物：由一种阳离子和一种络阴离子化合而成。如方解石CaCO3，硬石膏CaSO4，钠长石NaAlSi3O8等。 3复化合物：由两种或两种
36、以上的阳离子与阴离子或络阴离子组合成的化合物。如白云石CaMgCO32，钛铁矿FeTiO3，尖晶石MgAl2O4等。不论是单质或化合物，其主要组分是相对稳定的，变化范围不大，遵守定比定律和倍比定律，可以用化学式来表示。但是由于类质同象的置换，离子交换，胶体吸附，显微包体的存在等，可引起化学成分在一定范围内变化。,二. 胶体矿物胶体是一种物质微粒（1100nm）分布于另一种物质中所形成的混合物，前者称为“分散相”，后者称为“分散媒”。分散相和分散媒均可为固体，液体或气体。胶体矿物中分散相以固体为主，分散媒以水为主。胶溶体（溶胶）：分散媒远多于分散相的胶体。 胶凝体：分散相为固体，且数量远多于分散
37、媒，使胶体呈凝固态时。所谓胶体矿物，通常是指由水胶凝体形成的矿物。如蛋白石SiO2nH2O等。随着时间的加长，胶凝体失水，逐渐由非晶质变成晶质，这就是胶体的“老化作用”。例如蛋白石(SiO2nH2O)失水可转变为石髓(SiO2)。胶体矿物在外形上多呈钟乳状，肉冻状，葡萄状等形状。 在光学性质上胶体矿物具有非晶质体特点，但许多胶体矿物的微粒本身是结晶质的，是一种超显微晶质。胶体的最重要特性是它的微粒具有（或胶体微粒）具有巨大的表面能和很大的吸附作用。胶核 吸附层 扩散层AgBrmnBr-,(n-x)Ag+xAg+胶粒胶团,三 矿物中的水 水是某些矿物的重要组成部分。含水矿物的许多性质与水的存在有
38、关。 根据水在矿物中存在形式及其与晶体结构的关系，可分为： 1吸附水 吸附水不参加矿物晶格。它以中性水分子存在于矿物表面，裂隙或渗入矿 物集合体中。无固定含量。常压下，加热到100110时，可全部逸出而晶格不破坏。 吸附水包括薄膜水，毛细管水和胶体水。吸附水不属于矿物的化学成分。但胶体水是胶体矿物本身所固有的特征，应当作为一种组分列入胶体矿物的化学组成。如：蛋白石SiO2 n H2O。,30,100,400,2.结晶水 结晶水是以中性水分子的形式存在于矿物晶体结构中，它占有一定位置，并有一定的数量，是矿物化学组成的一部分。如石膏CaSO42H2O，胆矾CuSO45H2O。结晶水往往出现在大半径
39、络阴离子的含氧矿物中。 不同矿物，晶格各异，结晶水与晶格的结合度也有差别，致使各矿物的脱水温度不同。通常为100200，一般不超过600。在失水过程中，原有晶格也随之改变，矿物的物理性质也相应发生改变，形成新的矿物相。如：,胆矾（三斜） 三水胆矾（单斜） 泼水铜矾（单斜） 铜锭石（斜方）,CuSO45H2O CuSO43H2O CuSO4H2O CuSO4,3结构水结构水是以H+，（OH），（H3O）+等离子形式参加矿物晶格的水。在晶格中占有固定的位置，组成上具有确定的含量比。如： 高岭石：Al4Si4O10(OH)8 水云母：(K,H3O)Al2AlSi3O10(OH)2 天然碱：Na3HC
40、O322H2O 结构水在晶格中的结合力强，因此，只有在高温下（一般在6001000）才可逸出。结构水的逸出导致结构的完全破坏而形成新的矿物相。 4沸石水和层间水沸石水和层间水就其性质而言，它们是吸附水和结晶水的过渡类型，都是以中性水分子存在于矿物中。沸石水是沸石族矿物所特有，因而得名；层间水是存在于层状结构硅酸盐类矿物理学结构层之间的水，如蒙脱石。一种矿物可有几种不同形式的水。,四. 矿物的化学式将矿物的化学成分用元素符号按一定的原则表示出来，就构成了矿物的化学式。 1 实验式表示矿物化学成分中各种组分数量比的化学式称为实验式。 例如白云母的实验式为：H2KAl3Si3O12 或 K2O3Al
41、2O36SiO22H2O这种形式的优点是各组分含量一目了然，计算简单，书写方便，便于记忆。但这种形式不能反映原子在矿物结构中的结合关系。 2 晶体化学式（结构式）这种形式除表示矿物的组成元素的种类和数量之外，还可以表示出原子在结构中的关系。,晶体化学式的书写原则如下：（1）阳离子写在化学式的开始。有多种阳离子时，按碱性的强弱顺序排列。如：白云石CaMgCO32（2）阴离子接着写在阳离子的后面；络阴离子则用“ ”括起来。（3）附加阴离子写在主要阴离子或络阴离子后面。如：磷灰石Ca5PO43F白云母KAl2AlSi3O8OH2（4）互为类质同象代替的离子用“（ ）”括起来，它们之间以“，”分开，含
42、量多的写在前面。如：黑钨矿（Fe,Mn）WO4（5）含水化合物的水分子写在化学式的最后，并用“ ”把它们与矿物其它组分分开。当含吸附水时，常用nH2O (n为不定数)表示；含结晶水时，则用xH2O (x为定数)表示。如：蛋白石 SiO2nH2O、石 膏 CaSO42H2O此外，自然元素类矿物，以组成该矿物的元素符号表示。,第三章矿物的鉴定 第一节 矿物的宏观鉴定特征,岩石矿物鉴定的目的是什么？ 岩石矿物鉴定是地质研究的组成部分，是宏观与微观研究的互补。为地质研究提供各种有关岩石、矿物测试参数，自身完成岩石矿物成因研究，赋存状态变化规律，发现新矿物、新岩类。,第二节岩石矿物鉴定的主要手段是什么,
43、常规的采用各种类型的偏、反光显微镜，对岩石矿物的各种参数进行测定。深入研究采用如X衍射仪、电子显微镜、电子显微镜波谱-能谱仪、红外光谱仪等，对偏、反光显微镜各种有疑问的参数进行校正，岩石矿物鉴定人员应深入野外采集第一手资料，岩石矿物鉴定重于微观，但必须宏观与微观相结合，室内与野外相结合。,第三节常见矿物的识别,地壳中的元素，在一定的地质条件下，结合成有一定化学成分和物理性质的单质或化合物叫做矿物。矿物在地球上分布十分广泛，近年来还发现了一些新的矿物，目前已发现的矿物在三千种以上。但构成岩石主要成分的矿物却只有几十种，叫做造岩矿物。肉眼鉴定，虽较粗略，却是地质工作者在野外常用的基本方法和应掌握的
44、技能。,一、利用矿物的形态识别矿物,一定的矿物具有一定的化学成分和内部结构，有独特的晶体形态，可以根据矿物特有的晶体形态来识别矿物。图41所示是几种常见矿物的晶体形态。,二、利用矿物的光学性质鉴别矿物,矿物的光学性质指的是矿物的颜色、条痕、透明度和光泽等，这是矿物对光线的吸收、反射、折射时呈现的外观特性，可以用来作为鉴别矿物的一个特征，再结合其他鉴定特征，便可以用来帮助识别矿物。（一）矿物的颜色矿物本身固有的颜色叫自色，是矿物中含有的色素离子引起的，矿物中色素离子的呈色作用见表41。通常利用标准色谱（红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等）与实物对比的方法来描述矿物颜色的。如：紫色紫水晶， 锡白色毒砂蓝
45、色蓝铜矿， 铅灰色方铅矿绿色孔雀石， 钢灰色镜铁矿黄色雌黄， 铁黑色磁铁矿橙色铬酸铅矿， 赤铜色自然铜红色辰砂， 黄铜色黄铜矿褐色褐铁矿， 金黄色金,矿物中如含有杂质，便会呈现与自色不同的另一种颜色，叫做他色。矿物表面产生了氧化膜，就会出现与自色不同的假色，如斑铜矿表面的锖色，方解石解理面上的晕色；但最有鉴定意义的是自色。,（二）条痕 条痕是指矿物粉末的颜色，一般用矿物在粗白瓷板上刻划，观察留下的粉末颜色。（三）透明度 矿物透过光的能力称透明度。通常以矿物碎片的边缘能否透见它物，把矿物的透明度分成三个等级，即：透明矿物，如水晶、黄玉；半透明矿物，如辰砂，闪锌矿；不透明矿物，如黄铁矿、磁铁矿等。
46、（四）光泽 指矿物表面反光的能力，自强至弱，按拟物类比可分四个等级，即：玻璃光泽，金刚光泽、半金属光泽和金属光泽。,三、利用矿物的力学性质鉴别矿物,矿物在受到刻划、敲打等外力作用下表现出来的特性，称矿物的力学性质。有解理、断口和硬度。（一）解理和断口 矿物在受到外力打击后，沿一定方向有规律地裂成光滑平面的性质叫解理。如打击后只裂成不规则的表面，就叫断口。解理分成五个等级：极完全解理 晶体可裂成薄片，解理面光滑平整，如云母等。完全解理 晶体可沿解理面裂成小块，解理面不大但也平整光滑，如方解石等。中等解理 矿物受打击后既出现解理面，也出现不规则的断口，如长石，角闪石等。不完全解理 矿物受打击后，常
47、常出现不规则的断口，很少出现解理面，如磷灰石等。极不完全解理 就是无解理，如石英，打击后只出现贝壳状的断口而没有解理。,（二）硬度 矿物抵抗刻划研磨的能力称矿物的硬度。肉眼鉴别矿物时测试矿物硬度是相对硬度，也就是用与摩氏硬度计（表42）中的矿物来相互刻划比较以决定矿物硬度。在野外测试只带摩氏硬度计中的前七种标准矿物就够用了。也可用一些其它代用品来测试，如指甲（22.5），铜钥匙（3），小钢刀（55.5），玻璃（7）。测试时应选取矿物的新鲜面，因为矿物暴露在自然环境中容易受风化而使硬度降低。有少数矿物在不同方向有不同的硬度，如蓝晶石（Al2SiO4O），测试时要注意。,四、其他物理性质鉴别矿物,（一） 矿物的比重 矿物的比重是矿物的重要物理性质，矿物的比重是指矿物在空气中的重量与在4时与同体积的水重量之比。在矿物学中，一般将矿物比重粗略地分为三级； 1、比重小于2.5的为小比重矿物，如石膏，石英； 2、比重小于2.54.0的为中等比重矿物，如长石、方解石、萤石等； 3、比重4.0的为大比重矿物，如重晶石、方铅矿、独居石等。 比重的大小是鉴定矿物的依据之一。矿物具有不同的比重，目前重力分离、重力选矿、重力探矿和重砂测量都已实际应用于找矿工作。,
