矿物岩石学基础教案.doc

绪 论（2学时）教学目的：了解矿物岩石学与其他学科的关系及其发展历史教学方法：启发式教学授课内容：1 矿物岩石学概念 2矿物岩石学与其它学科的关系 3矿物岩石学的研究方法 4矿物岩石学发展简史授课方式：讲授重点内容：矿物岩石学的研究方法难点内容：矿物岩石学的研究方法一、矿物岩石学的概念 矿物岩石学是地球科学的分支，研究对象是自然界的矿物和岩石。矿物和岩石是地壳中各种地质作用的产物。矿物是矿石和岩石的基本组成单位，有一定的化学成分，固态的结晶矿物有一定的内部结构、外部形态和物理性质。不同矿物组合成不同的岩石，如花岗岩是由一定量的石英、长石和云母组成；石灰岩主要是由方解石组成。组成地壳的岩石按成因可分为三大类即岩浆岩、沉积岩和变质岩，它们的形成条件各不相同。大多数岩浆岩是在高温、高压条件下；由岩浆直接冷凝形成的。部分是交代作用形成的；沉积岩是在表生带由风化、搬运、沉积、成岩等作用形成的。三大类岩石的分布极不平衡，就整个岩石圈而言，岩浆岩和变质岩占总体积的95，沉积岩占5；地壳表层出露最多的是沉积岩，陆地表面积的74是沉积岩，剩余25是岩浆岩和变质岩。已探明的海底、洋底几乎全部由沉积岩组成。 研究矿石、岩石的科学称矿物岩石学，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。 矿物岩石学最初是一门学科，随着研究的深入岩石学才逐步从矿物学中分出来成为独立的学科，而后又相继形成岩浆岩石学、变质岩石学和沉积岩石学三个分支。 矿物学和岩石学及三大类岩石之间有着密切的依存关系又有独立的研究内容，各自又派生一些分支。如矿物学又分出矿物形态学，研究矿物的发生、晶体的形态、生长和变化，成因矿物学研究晶体的形成和起源，实验矿物学，在各种物理、化学条件下模拟和探索矿物的形成过程，研究人工合成矿物。 岩石学方面的分支，有侧重岩石分类和描述的岩类学或者岩相学；有研究岩石形成条件和成因机制的成因岩石学或理论岩石学；有对岩浆作用和变质作用进行模拟和测试的实验岩石学，除外还有化学岩石学、地幔岩石学等。二、矿物岩石学与其它学科的关系 在地质科学中矿物岩石学是一门重要的学科，是地质其他学科的基础，因此，与地质学科的其他学科和其它自然科学都有着密切的关系。 地球化学是研究地壳中各种元素在时间、空间运动和分布的规律，这通常是通过研究矿物而得到的，矿物学、岩石学是矿床学的基础，各种成因的矿床，不论是金属矿床或非金属矿床，各种有用的矿物或矿石、各种能源原料无不存在于有关岩石之中，因此，研究矿床脱离不了矿物和岩石的知识。 各地质时代的构造形态、痕迹，古生物化石都保存在岩石之中，因而岩石学又是构造地质学、古生物地史学的基础，矿物岩石学也是水文地质、工程地质、环境地质、石油地质、煤田地质和地球物理勘探等学科的基础，它们都是利用岩石学的某些性质作为自己的研究内容，它们的研究成果又丰富了岩石学，加速了岩石学的发展。 在科学技术飞速发展的今天，数学、物理学、化学等基础科学，在矿物岩石学的研究中越来越显得重要，如各种精尖技术、计算技术等在矿物岩石的研究中愈来愈得到广泛的应用，从而大大促进了矿物岩石学的发展，反过来矿物岩石学的需要也激发了这些科学的发展。三、矿物岩石学的研究方法 矿物岩石学的研究方法，有野外的宏观鉴定和室内的微观分析研究两种。 矿物岩石是地壳的组成部分，是地质体，适合于野外观察研究。矿物学的野外研究，必须掌握矿物外表特征鉴定法，即肉眼鉴定法。岩石学的野外研究有剖面测量、地质填图、研究岩石的产状、分布、岩相变化和相带划分，岩体构造及与成矿作用的关系，矿产以及重点露头的详细描述记录，并采集各种岩石、矿石样品以便进一步测试分析之用，通过野外观察研究应对研究范围内的矿物、岩石、岩层、矿体岩体有一个较全面的了解。 室内研究有各种测试方法，需根据不同的研究目的，不同的矿物、岩石样品采取不同的方法。 偏光显微镜薄片法，是各类岩石室内研究最基本、最常用的方法。不同岩样有不同的研究方法，如碎屑岩的粒度分析；重矿物分析；碳酸盐岩的残渣分析；碳、氧、硫同位素分析；染色分析；粘土岩的电子显微镜分析、差热分析；加热脱水失重分析；红外吸收光谱分析等。除外尚有X射线衍射分折、电子探针、阴极发光显微镜、图像分析仪、质谱气相色谱等。在遥感技术方面利用卫星照片判别现代各种沉积环境、推断埋藏于地下深处的岩体和矿体的延伸方向。雨后春笋般不断涌现的测试新技术的应用，必将更快地促进矿物岩石学的发展、矿物岩石学研究的需要，也会导致更新测试技术方法的问世。四、矿物岩石学发展简史 矿物岩石学的起源渊流长，地质学本身即是由矿物岩石学的孕育发展起来的。从旧石器时代起，远祖就用矿物岩石作为利器作生活和防卫的工具，如早在5060万年前蓝田猿人和北京猿人就用石英、燧石、石英岩等利刃，史前时期我们的祖先使用过20余种矿物岩石，公元前四百年战国初期的山海经是世界上最早有关矿物岩石的书籍，书中记述了80多种矿物和岩石；汉代刘安所著的淮南子、北宋沈括所著的梦溪笔谈都论述了一些矿物的性质及成因；明代李时珍所著的本草纲目于1569年出版，该书论及了200多种矿物和岩石。德国学者阿格里科拉所著的矿物起源(1556)一书第一个把矿物和岩石分开。18世纪末期岩石学发展成为一门独立的学科，早期主要研究的是岩浆岩；19世纪中期开始了变质岩的研究，直到20世纪2030年代由于能源工业(主要是石油)的需要，沉积岩石学的研究迅速发展，一跃成为最具活力、内容丰富的学科了。 1829年尼科尔发明了偏光显微镜，尔后英国人索尔比制成了岩石薄片，是岩石学研究的转折点，由宏观研究进入了微观，为岩石的分类、矿物组成、结构，化学成分及成因理论开拓了广阔的领域，为岩石学的全面研究奠定了基础。 1889年俄国科学家弗德洛夫发明了旋转台，很快即由初始的二轴发展成为今日的五轴旋转台，为高精度三维方向研究造岩矿物和岩石学提供了先进的设备。1895年伦琴射线的发现及在晶体结构测量上的应用，证实了晶体结构理论，开辟了晶体化学研究的新途径，特别是对矿物内部结构及微细矿物的测试提出了有效的方法。并为岩石的成因和演化规律提供了极为重要的信息。20世纪90年代由于电子探针、电镜、同位素法；X射线衍射等精尖测试手段的广泛使用，使矿物岩石学研究向一个更新、更高的阶段突飞猛进。矿物岩石学研究现已向着多学科、多方向、彼此联系、相互促进的道路向前发展。矿物学的研究现状是研究矿物的形成过程、共生规律和标型特征，开展矿物晶体结构、晶体化学和矿物理论的研究为寻找和扩大矿物资源服务，研究矿床及周围矿物成分特点和分布规律，把矿床的矿物研究与地质学、构造地质学联系起来；研究矿物在地壳中的形成与分布规律，为预测和勘探矿床提供资料；随着石油工业的发展，有机矿物和有机岩的研究已经取得了一定的成果。今后还将继续开展海洋矿物、宇宙矿物的研究。岩浆岩和变质岩方面，近年来已发展了化学岩石学或实验岩石学及工艺岩石学的研究，用人工方法制造矿物和岩石。通过这些方法有助于了解岩浆岩、变质岩形成的物理化学条件。现在进行的高温、高压实验，压力范围已超过106Pa，温度范围已超过2500一3000这些实验对硅酸矿物的熔融、分解合成、转变、水解和水溶液热力学性质都有精确的测定。这种高温、高压模拟实验标志着岩石学已从单纯的描述进入机制研究的时期，氢、碳、氧、铝、锶等稳定同位素地质的研究工作，已成为解决岩石、矿床和地球化学理论问题的一种重要手段，对岩浆起源、地壳演化以及矿床成因和成矿物质来源提供了重要的资料。沉积相沉积变质矿产占世界资源储量的80，因此，沉积岩石学的研究和成果对国民经济意义重大，50年代以后特别是近二、三十年以来由于石油工业的需要，沉积岩石学得到迅速的发展，这对传统沉积学的观点提出挑战，沉积机制的研究动摇了过去一些成因分析模式，浊流沉积、浊积岩、风暴岩的研究，扩大了人们的视野，先进的探测技术；揭示了微观世界的奥秘，电子计算机的应用将繁杂的数据简单化了。沉积学现已进入一个新的更为活跃的研究阶段，今后的发展，将会更为迅速。当前沉积岩石学发展的趋势是：（1）加强现代沉积、流体力学、沉积相标志的研究，将现代沉积和古代沉积进行类比，以便建立并完善各种沉积模式和新的成矿理论的研究等。（2）沉积岩形成机理的研究，包括风化、搬运、沉积作用、成岩后生作用及沉积岩中有用矿产形成机理相分布规律的研究。（3）沉积岩物质成分的研究，如沉积岩的物质成分、结构、构造、分布产状和岩层间的接触关系，探讨其成因分布规律。（4）研究新技术、新方法在沉积学中的应用。第一章 结晶学基础知识第一节 晶体的基本概念（2学时）教学目的：掌握晶体与非晶体的区别及晶体的性质教学方法：启发式教学授课内容：1晶体与非晶质体 2晶体的内部构造空间格子 3晶体的基本性质授课方式：讲授重点内容：晶体的基本性质难点内容：晶体的内部构造空间格子，晶体的基本性质一、晶体与非晶质体 自然界中，广泛存在着各种矿物晶体，它们都表现为面平、棱直和顶尖的几何多面体图l1。这些完整美观的外形都是天然生成的。因此，人们最初将只有规则的几何多面体外形的固体都称为晶体。图11 几种不同晶体的形态a石英（SiO2）b食盐（NaCl）c方解石（CaCO3）d磁铁矿（Fe3O4） 但是，具有多面体外形的矿物晶体在自然界相当少见，大量还是不规则外形。如石英，既可以在晶洞中以多面体形态产出，又可以呈极不规则的形态颗粒生成于岩石之中。实验证明，将不具多面体外形的纯净石英颗粒，放入含有石英成分过饱和的母液中，在一定温度和压力下，石英颗粒就可以长成具有多面体外形的水晶。这说明，矿物晶体本身具有自发形成规则多面体外形的能力。所以，仅仅从物体外形来分辨是不是晶体，是不全面的，因为，它只注意到外表现象而忽视了晶体的本质。 什么是晶体的本质？人们进行了长期的探索。直到1912年，把x射线用于晶体内部结构的研究以后，证实切晶体，元论有无多面体的外形，它的内部质点(分子、原子或离子等)在三维中间上总是作完全有规律的排列，从而构成所谓格子构造。所以，晶体应定义为具有格子构造的固体。与晶体定义相对应，把具有格于构造的固态物质称为结晶质，简称晶质。晶体即是由结晶质构成的物体。 内部质点不作格子状排列的物质叫做非晶质，由非晶质构成的物体，称为非晶质体。它们除气体和液体外，那些看起来是固体，而内部质点不作格子状排列的玻璃、松香等物质，也是非晶质体，也有人称为过冷的液体。它们不能形成规则几何多面体外形。晶体和非晶质体在定条件下可以转化。如晶体矿物锆石等，因放射性蜕变而成非晶质锆石；非晶质火山玻璃，在漫长的地质年代中，可部分或全部变为晶质体。前一种现象称为非晶化；后一种现象称为晶化或脱玻璃化。二、晶体的内部构造空间格子(一) 空间格子晶体内部的格子构造，通俗称为晶格，是一切晶体所共有的基本特性。其特点是晶体中相同的质点(离子、原子或分子)在空间的各个方向上周期性地重复出现。为了研究各种晶格的构成方式及其类型，需选取其中的相当点(即质点种类及周围环境皆相同的点，或称等效点)，并将其抽象为纯粹的几何点（结点)，用结点组成的格子来进行分析。这种由相当点在三维空间规则排列而形成的格子，称为空间格子。例如，石盐NaCl的晶体结构中见图12a，Na+和Cl-离子在空间不同方向上，都按一定间隔出现，沿立方体三个棱方向Na+或Cl-每隔0.5268nm重复次，沿两个棱所组成平面的对角线方向Na+或Cl-按0.3987nm的间距呈周期性的重复。托意选取Na+离子或Cl-离子的中心作为相当点，都可导出如图l2b所示的空间格子。因此，空间格子是从晶体结构中抽象出来的，表示其规律性的几何图形，而不是晶体的具体结构。图12 石盐的晶体结构a一石盐的晶体结构（单位晶胞），b食盐晶体结构的空间格子(二)空间格子要素空间格子的一船形式如图13a所示。其组成要素有：(1)结点和行列。空间格子中无具体物理意义的几何点(相当点)称为结点。排列在同一直线上的结点称为行列(图13b)。行列上相邻结点间的距离称为结点间距。同一行列或相互平行行列上，结点间距相等，不平行的行列，其结点间队一般不等。(2)面网。结点在一个平面上排列构成面网(图l3c)。显然，不在同一直线上的三个结点就可组成一个面网。面网中单位面积的结点数，称为面网密度。两个相邻面网间的垂直距离，称为面网间距。相互平行的面网，其面网密度和面网间距相等；不同的面网，一般不等。(3)平行六面体。由三条不共面行列构成空间格子，其最小单位称为单位平行六面体图13d。整个空间格子是由无数平行六面体在三维空间平行又无间隙地堆迭而成的。在实际晶体结构中按单位平行六面体划分出来并由具体质点所组成的相应单位，称为晶胞。单位平行六面体的三个棱长及其夹角(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。例如，在石盐的晶体结构中，按图12b划分出来的具面心格子的单位平行六面体对应子如图12a所示的一种结构单位，即为石盐的晶胞。图1-3 空间格子及其要素a空间格子 b行列 c面网 d平行六面体 (三)空间格子类型各种空间格子之间的相互区别，在于其单位平行六面体的形状和结点分布的位置。面单位平行六面体的形状，是由格子参数(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，与其相对应有7种形状的单位平行六面体图14。图1-4 各晶系平行六面体形状a 立方格子 b四方格子 c六方格子 d菱面体格子 e斜方格子 f单斜格子 g三斜格子在上列7种格子中，按结点分布情况，可分为4种类型。原始格子(P)：结点只分布在格子的每个角顶上(图l5a)。底心格子(c)：结点分布于平行六面体的角顶及对面心(图l5b)。体心格子(J)：结点分布于平行六面体的角顶和体心(图l5c)。面心格子(F)：结点分布于平行六面体的角顶及每个面心(图15d)。图l5 平行六面体中结点的分布a原始格子 b底心格子 c体心格子 d面心格子将空间格子的7种形状和结点分布4种类型一并考虑，似应得出28种不同类型的格子。去掉不符合对称特点和选择原则的格子，共计只有14种型式的空间格子，即通常所称的14种布拉维格子(图16)。三、晶体的基本性质晶体内部质点具格子状的规律排列，与这一本质相联系的，是晶体具有的基本性质：1自限性指晶体在适当的外部条件下，能自发形成封闭的几何多面体的性质。这是出于晶体在发生和成长的过程中，所有的质点都是严格按照空间格子规律进行排列和堆砌的结果。几何多面体的平面，称为晶面，晶面相当于空间格子最外面的一层面网，而且是密度较大的面网，晶面相交所组成的直线称为晶棱，晶棱相当于空间格子中质点间距较小的行列；晶棱会聚的顶称为晶顶(或称角顶)，相当于空间格子的结点(图17)。晶体生长时，虽然质点面网一层接一层地不断向外平行推移，但由于复杂外界条件的影响，使同种晶体的晶面发育成形状、大小均不相同偏离理想状态的形状，形成了形态和大小不同的“歪晶” (图18)，但它们对应的晶面夹角(或面角相邻晶面法线的夹角)恒等，如图中所示石英的rm=14147，rZ 13344，rm120，这是由于相对应晶面的面网及面网夹角是固定不变的。这一规律称为面角恒等定律。 图17 晶面、晶棱、角顶与面 图18 不同形态的石英晶体 网、行列、结点的关系示意图 a理想晶体 b、c歪晶图1-6 14种空间格子2均一性由于晶体的任何一个部分在结构上都是性质都是相同的，所以晶体各个部分的物理性质和化学性质都是相同的，这就是晶体的均一性。3异向性晶体结构中不同方向上质点的种类和排列一般是不相同的，从而反映在晶体的各种性质上，也会因方向而异，这就是晶体的异向性。例如，蓝晶石的硬度在不同方向上有不同的大小(图19)，就是这性质的典型表现。4最小内能和稳定性晶体的内能主要是指晶体内部质点在平衡点周围作无规则振动的动能和质点相对位置所决定的势能的总和。在相同的热力学条件下，晶体与其同种物质的气体、液体和非晶质体相比较，其内能最小。气、液体和非品晶质体转变为晶体时，都有热能的排出，晶体破坏时有吸热反映，这都反映了晶体内能最小。 由于晶体的内能最小，如果在没有外加能量的情况下，晶体是不会向其它物态转变，这就是晶体的稳定性。而非晶质体的火山玻璃等，往往有自发转变为晶体的趋势，说明非晶质体是相对不稳定或准稳定的。5对称性晶体内质点排列的周期重复本身就是一种对称，这是一种微观对称。虽然，晶体内质点排列的周期重复因方向而异，但质点在某些特定方向上出现相同的排列情况，导致晶体在形态(即晶面、晶棱和晶顶)及各项物理性质上相同部分的规律重复，这就是晶体在宏观上的对称性。第二节 晶体的对称和晶体的理想形态（2学时）教学目的：掌握晶体的对称操作教学方法：结合模型授课 授课内容：1对称和晶体对称 2晶体的对都要素和对称操作 3晶体的对称分类授课方式：讲授重点内容：晶体的对都要素和对称操作难点内容：晶体的对称操作一、 对称和晶体对称在自然界和日常生活中，对称现象广泛存在。观察蝴蝶、花朵及一些建筑物和工艺品等，可以发现这些物体存在着相等部分，而且这些相等部分作有规律的重复出现。如蝴蝶的两个翅膀，通过垂直平分它的镜面的反映而彼比重合；6个相同的花瓣，通过垂直花冠并过其中心的一根直线的旋转，使之多次重复再现。因此，物体相等部分作有规律重复的性质称为对称。晶体都是对称的，表现在外形上，相同的晶面、晶棱、角顶作规律的重复。但晶体的对称不同于一般生物和人造物体的对称，这是因为晶体的对称是由其内部格子构造所决定，其对称有如下特点：(1)晶体的对称受格子构造的严格控制，只有格子构造能够容许的那些对称才能在晶体上出现，这就是晶体对称的有限性。(2)晶体的对称不仅表现在外部形态上，是晶体内部结构对称性在外部的反映。我们所要讨论的仅是晶体的宏观对称。二、 晶体的对都要素和对称操作欲使物体或图形等部分重复，必须通过一定的操作，这种操作称为对称操作。在进行对称操作时，总是要借助一些假想的几何要素点、线、面的“反伸”、“旋转”和反映等，才能使物体相等部分重合，这些辅助的几何要素称为对称要素。晶体外形上可能存在的对称要素如下：（一） 对称面对称面是一个假想的平面，它把晶体平分为互为镜像的两个相等部分。其对称操作是对一个平面的映。在图1-10a中，平面p1和p2都是对称面（垂直于纸面），因为他们都可以把图形ABDE互为镜像的相等部分。而图1-10b中AD却不是图形ABDE的对称面，因为它虽然把图形ABDE平分为ABD和AED两个相等部分，但这两部分不是互为镜像关系，AED的镜像为AE1D。晶体上对称面的出露位置是垂直平分晶面和晶棱的平面，包含一对晶棱并平分晶面夹角的平面， (图l11a、b)。在一个晶体上，可以没有对称面，也可以有一个或若干个对称面，但最多只有9个。对称面的符号是P，对称面的数目写在P的前面，如3P、9P等。 图1-10 对称面示意图 图1-11 立方体对称面 ap1与p2互为对称面，bAD不是对称面 a垂直通过晶棱中点，b包含一对晶棱，垂直斜切晶面(二) 对称轴(Ln) 对称轴是通过晶体中心的一条假想直线。晶体围绕它旋转一定角度后，晶体的相等部分能重复出现。其对称操作是围绕一根直线的旋转。当晶体围绕对称铀旋转360时，晶体上相等部分重复的次数，称为轴次(n)。使相等部分重复出现所必须旋转的最小角度，称为基转角()。二者关系为n360n。对称轴以L表示，轴次n写在L的右上角，如L4、L6等。晶体的对称轴只有L1、L2、L3、L4及L65种，而没有5次、7次及7次以上的对称轴。这是晶体对称的有限性所决定的。在空间格子中，垂直对称轴必定有面网存在，其网孔的形状与对称轴的轴次是相对应的，从图l1-12可以看出，由L2、L3、L4、L6所决定的多边形网孔均能无间隙地布满整个平面，符合空间格子规律，而由5次、7次、8次对称轴所决定的正五边形、正七边形、正八边形网孔不能元间隙地布满整个平面，不符合空间格子规律，所以在晶体中不可能存在5次及高于6次的对称轴，这就是晶体对称定律。L1征任何品体上均可出现，无实际意义。轴次高于2的对称轴即L3、L4、L6为高次对称轴。在一个晶体中，可以没有对称袖，也可以有一种或几种对称轴，而每一种对称袖又可以有几个。对称轴的数目写在符号Ln的前面，如3L2、4L2、6L2等。在晶体上，对称轴可能出露的位置是，通过晶体的几何中心并且为(1)某二晶棱中点的联线只可能是L2；(2)某二平行晶面中心的联线可能是L2、L3、L4、L6；(3)某二角顶的联线可能为L2、L3、L4、L6；(三) 对称中心(G)对称中心是晶体内部一个假想的点，与之相应的对称操作为对此点的反伸。通过此点的任一直线，在其距该点等距的两端必有相对应的部分(面、棱、角)，见图113。晶体具有对称中心的标志是：晶体上所有对应晶面都两两平行，同形等大，方向相反(图114)。对称中心只能有一个或没有。对称中心用符号G表示。(四)旋转反伸轴(G2)旋转反伸轴是一假想直线和其上一定点(晶体的中心点)所组成的复合对称要素。当晶体围绕该直线旋转一定角度后，再经此直线上的一点反伸，使晶体相等部分重复。旋转反伸轴的符号为Lin；i是反伸之意，n为轴次。和旋转轴一样，旋转反伸轴只有Li1、Li2、Li3、Li4、Li6。图l15为四次旋转反伸轴Li4的图解。因中ABDE围绕Li4旋转90到达A1B1D1E1的位置，将借Li4的一点C反伸，使A1B1D1E1分别与旋转前的EDAB相重合，整个图形恢复了原来的形象；如用其中一个面来分析，ABD绕Li4旋转90后到达A1B1D1位置，经Li4上一点c的反伸，使与旋转前的EDA重合，其它晶面也依次类推，整个图形恢复了原来形状。旋转360，图形重复四次。除以外，其余各旋转反伸轴都可以用其它简单的对称要素或它们的组合来代替。在晶体对称分类中，只有Li4和Li6才具有独立的意义。 图113 具对称中心的晶体 图114 由对称中心联系起 图1-15 具Li4的四方四面体 来的两个反相平行三角形晶面综上所述，在晶体上可能存在的宏观对称要素组合列于表l1中。表11 晶体外形上的对称要素和代表符号三、晶体的对称分类 矿物晶体都具对称性，但它们的对称程度是不完全相同的。少数晶体只存在一种对称要素，数目也只有个。但大多数矿物晶体上都同时存在着两种或两种以上的对称要素，且它们还按一定的规规律组合在一起。晶体上全部对称要素的总和，称为对称型。如方铅矿的立方体晶体，为3L44L36L29PC对称型。由于晶体外形上的全部对称要素共有9种，且它们的组合又必须服从对称要素组合定律。因此，晶体中可能存在的对称型是有限的。经推导，共只有32种。 晶体的对称分类是将属于同一对称型的所有晶体，归为类，称为晶类。与对称型相应，晶类的数目也只有32个。按各晶类所属对称型的特点划分为7个晶系。然后再按高次对称轴的有无和高次对称轴的数目，将7个晶系并为3个晶族。 晶族和晶系名称及其对称特点，在工作中经常应用，必须牢固掌握。四、晶体的理想形态一一单形和聚形教学目的：掌握常用的单形及晶体符号的确定方法教学方法：启发式教学授课内容：1晶体的单形 2晶体的聚形 3晶体定向和晶体符号授课方式：讲授重点内容：晶体的单形难点内容：晶体定向和晶体符号晶体的形态是晶体的重要特征。各种矿物，由于成分和内部结构各异生成环境不同，都将出现不同的形态。所以，晶形是鉴定矿物的重要标志，也有助于判断和确定矿物的成因。 复杂地质环境所形成的实际矿物晶体，常是各种歪晶，促可根据面角恒等定律，恢复出它们的理想形态。因此，了解晶体的理想形态是研究实际品体形态的基础。 晶体的理想形态分为单形和聚形两类。 (一) 晶体的单形 1单形的概念单形就是一组由对称要素相联系的同种晶面所构成的晶形。这些晶面与对称要素只有相同的空间关系。因此，当确定了晶体的全部对称要素（即对称型）之后，如还知道一个任意晶面与这些对称要素之间的关系，就可用对称操作，把属于这种对称型的所有单形全部推导出来。晶面与对称要素的相对位置数，视对称要素的多少而定，在较多对称要素的对称型中，最多不超过7种，所以，一个对称型最多只能推导出7种单形。其同一单形的所有晶面都应同形等大，性质相同。247种单形如果对32个每一对称型的不同位置的原始晶面，按其对称要素一一进行推导，每一对称型可推导出17种单形，最终得到对称程度各不相同的146种单形(单形名称及在各晶系的分布从略)，在结晶学中称它们为结晶单形）。 在146种单形中，若从几何形态讲，它们许多是相同的。例如由L4、L44L2、L44P、L44L24PC等4个对称型中，当原始晶面与L4平行时，都能借助于L4的旋转推导出四方柱这种单形，虽然从对称程度讲，它们是一些不同的单形，但从几何形态讲，它们却为一类。所以，在不考虑单形真实对称的前提下，可将146种结晶单形归并为形态不同的47种几何单形(图1l 6)。3单形特征现将47种单形按低、中、高级晶族分别简述如下。对一个单形的描述形状、数目、分布和与对称要素的相互关系以及单形的横切面形状等。1) 低级晶族的单形 (共有7种)(1) 单面是由1个晶面组成。(2) 平行双面是由一对互相平行的晶面组成。(3) 双面是由2个相交的晶面组成。若此二晶面由二次轴L2相联系时称轴双面；若由对称面P相联系时称反映双面。（4）斜方柱是由1个两两平行的晶面组成，它们的晶棱相互平行成柱体，横切面为菱形。（5）斜方四面体是由4个不等边的三角形晶面组成，晶面互不平行，每一对晶棱的中点连线是L2，通过晶体中心的横切面为菱形。（6）斜方单锥和斜方双锥是斜方单锥由4个不等边三角形的晶面交于一点而形成的单锥体，锥顶出露L2；斜方双锥由8个不等边三角形的晶面所组成，犹如两个斜方单锥以底面相联而成。梯断面均为菱形。2) 中级晶族的单形 (共有25种)中级晶族中的单形，除垂直高次轴可出现上述的单面和平行双面之外，还可出现25种单形。(1) 柱类、单锥类和双锥类。柱类单形的晶面交棱互相平行，且平行唯一的高次轴，单锥类是晶面相交高次轴的一点而形成单锥体；双锥类是晶面分别交了高次轴于上、下两点而成的双锥体，也可看成两个单锥以底面相联而成。按其横断面形状，各类均可分为6种单形，复柱、复单锥、复双锥类的横断面交角是相间地相等。(2)四方四面体和复四方偏三角面体。四方四面体由互不平行的4个等腰三角形晶面所组成。相同二晶面以底边相交，其交梭的中点为Li4点，围绕Li4上部二晶面与下部二晶面错开90，通过中心的横切面为正四方形。如果设想将四方四面体的每晶面平分成2个不等边的偏三角形晶面，则由这8个晶面所组成的单形即为复四方偏三角面体，它的通过中心的横切面为复四方形。(3)菱面体与复三方偏三角面体。菱面体由两两平行的6个菱形的晶面组成，上下各3个晶面均各自分别交L3于一点，上下晶面绕L6相互错开60。如果设想将菱面体的每个晶面平分为两个不等边的偏三角形晶面，则由这样的12个晶面所组成的单形即为复三方偏三角面体。围绕L3它的上部6个晶面与下部6个晶面交错排列。(4)偏方面体类。组成本类单形的晶面都呈具有2个等边的偏四方形。与双锥类相似，上部与下部的晶面分别各自交高次轴于一点，但不同的是围绕高次轴上下部晶面不是上下相对，而是错开了一定角度。根据轴次分为三方偏方面体、四方偏方面体和六方偏方面体等三种。3)高级晶族的单形高级晶族共有15个单形，为了便于描述和记忆，将其分为三组：(1) 四面体类，四面体由4个等边三角形晶面所组成。晶面与L3垂直，晶棱的中点出露L2或Li4。三角三四面体犹如四面体的每一个晶面突起分为3个等腰三角形晶面而成。四角三四面体可以看成是四面体的每一晶面突起分为3个四角形晶面而成。四角形的4个边两两相等。五角三四面体可以看成是由四面体的每一个晶面突起成为3个偏五角形晶面而成。六四面体犹如四面体的每一晶面突起分为6个不等边三角形晶面面成。(2)八面体类。有5个单形，可看成由八面体演化而来。八面体由8个等边三角形晶酣所组成，晶面垂直L3。与四面体类的情况相似，设想把八面体的每个晶面突起平分为3个晶面，再根据晶面的形状分别形成三角三八面体、四角三八面体、五角三八面体以及把八面体的每个晶面突起平分为6个不等边三角形的六八面体。(3) 正方体类。也有5个单形，可看成由立方体演化而来。立方体由两两平行的6个正方形晶面所组成，相邻晶面均成正交。四六面体犹如立方体的每个晶面突起成4个等腰三角形晶面，由24个晶面组成的单形。五角十二面体犹如立方体的每个晶面突起为2个五角形晶面，而这些五角形的四条边相等，这样由12个五角形晶面组成的单形。偏方复十二面体犹如五角十二面体的每个晶面突起再平分为2个具有两个等长邻边的偏四方形晶面，由这样的24个晶面组成的单形。菱形十二面体由12个菱形晶面所组成，晶面两两平行，相邻晶面交角90、120。 从图116中还可以看出，如单面、平行双面、各种单锥和柱等l7种单形，是不能封闭一定空间的单形，称为开形；共余30种是能封闭一定空间的单形，称为闭形。只有闭形能单独构成实际晶体形态，而开形则不能单独出现在晶体上，只有两种或两种以上的开形，或开形与闭形组合在一起出现在聚形晶体上。在中、高级晶族的某些单形中还有左形和右形之分，它们是两种互成镜像反映，但不能以对称操作使之重合的形态。左、右对称形只能出现在仅有对称轴，如3L2、L33L2、L44L2、L66L2、4L33L2和3L44L36L2的对称型中。47种单形在矿物晶体上常见的有19种，在图l16中单形名称上用“*”标示的，即为常见单形，应充分理解并熟记之。(二)晶体的聚形由两个或两个以上单形聚合而成的晶形，称聚形。图l17中以粗线画出的a、b两个图形都是聚形。前者由一个四方柱和四方双锥聚合而成；后者由一个立方体与一个菱形十二面体组成。由几种单形组成的聚形，必然在聚形上存在几种不同形状的晶面，由于它们彼此互相切割，导致晶面形状和大小异于原来单形的晶面，然而各单形在聚形上的晶面数目、晶面在空间的相对位置、晶面夹角并不改变。单形的聚合，不是任意的，只有属于同一对称型的各种单形，才能彼此相聚，形成聚形。这是因为属于同一对称型的各个单形，具有相同对称程度的缘故。分析聚形，不是给聚形定名称，而是分析某一聚形是由那些单形组成的。分析聚形的步骤如下： (1)找出晶体上的全部对称要素，确定聚形所属的对称型和晶系，从而限制了聚形中单形出现的范围；(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；(3)数出每种单形的晶面数目，观察晶面的形状，但绝对不可根据晶面表现的形状去决定它是哪种单形，而是要想象地把同属一个单形的各晶面扩展相交，根据扩张相交的形状来确定单形名称。图1-17 聚形a由四方柱和四方双锥构成的聚形 b由立方体和菱形十二面体构成的聚形(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，就可确定出每个单形的名称了。如图1l 7a的聚形属L44L25PC对称型，这就确定了该聚形中之单形同四方晶系之单形。有两种不同形状的晶面，可知该聚形由两种单形聚合而成。一种单形4个晶面，交棱与L4平行；另一单形8个晶面，它们与L4相交于上、下两点。从而可以得出该聚形由四方柱和四方双锥所组成。同样也可分析出图117b是由立方体和菱形十二面体两种单形所组成的聚形。从聚形上分析单形的关键，在于对聚形所属对称型和晶系的正确判断以及对47种几何单形的熟练程度。第三节 晶体定向和晶体符号图l18的两个晶体，对称型皆为L44L25PC型，即由四方柱和四方双锥两个单形聚合而成。但是由于晶面的相对位置不同，形态有很大的差异。所以要确切描述晶体的形态，还必须进一步确定晶面在晶体上的空间方位，并用一定符号表示它们。一、晶体定向(一) 晶体定向的概念晶体定向就是在晶体中选择坐标系统。具体地说就是选择坐标轴(晶轴)和确定坐标轴的度量单位(轴单位)。晶体中晶轴和轴单位的选择不是任意的，所选出的坐标系统要允分体现所属晶系的对称特征。由于宏观晶体与其微观格子构造是对应一致的，因此晶轴的方向应与晶体内部交于一点的三条行列相平行，行列上的结点间距为轴单位。所以，晶轴选择原则应是；(1)选对称轴作晶轴，(2)若对称轴的个数不足，其不足之数由对称面的法线来充任晶轴，(3)若没有(1)、(2)者，则选取平行晶棱的方向为晶轴，(4)在上述前提下，尽可能使晶轴彼此垂直或近于垂直，并使轴单位趋于相等。晶轴的安置方向见图119a，X轴前后，前为正，后为负；y轴左右，左为负，右为正；z轴上下直立，上为正，下为负。晶轴之间的夹角称为轴角，分别以 (yz)、(xz)、(xy)表示。对于三方和六方晶系还要增加一很与x、y轴在同一平面的U轴，其前端为负，后端为正见图l19b。图118 由四方柱和四方双锥组成的两种聚形 图119 三晶轴的名称安埋及轴角(a)和四晶轴的名称安置及轴角(b)晶轴上的单位长度叫轴单位，也叫轴长。在X、Y、Z上分别用a、b、c表示。绝对长度为与三条晶轴相平行行列的节点间距，由于间距极小，肉眼不能定出轴单位长度，但可采用投影的方法求出它们的比率a:b:c，这个比率称为轴率（或称轴单位比）。轴角和轴率合称为晶体常数（或晶格常数）。表1-3 各晶系晶体的定向晶系选轴原则晶轴方向晶体常数特征等轴晶系以相互垂直的L4、Li4或L2为X、Y、Z轴Z直立；Y左右；X前后a=b=c; =90四方晶系以L4为Z轴，以垂直Z轴并互为垂直的两个L2或P的法线或晶棱的方向为X、Y轴Z直立；Y左右；X前后a=bc; =90六方晶系及三方晶系以L6、Li6、L3为Z轴，以垂直Z轴并彼此相交的120三个L2或P的法线或晶棱的方向为X、Y、U轴Z直立；Y左右；X正端向前偏左30；U负端向前偏右30。a=bc; =90=120斜方晶系以互相垂直的3L2为X、Y、Z轴，在L22P的对称形中以L2为Z轴，以2P的法线为X、Y轴Z直立；Y左右；X前后abc;=90单斜晶系以L2或P的法线为Y轴，以垂直Y轴的主要晶棱方向为Z及X轴Z直立；Y左右；X正端向前下方倾斜abc;=9090三斜晶系以不在平面内的三个主要晶棱方向为X、Y、Z轴Z直立；Y左右，向右下方倾斜，X大致前后，向前下方倾斜abc;二、晶体符号 (一)晶面符号 晶体定向后，晶面在空间的相对方位即可确定。用晶轴为参考轴和其上的轴单位来表示晶面所在方位的符号，称为晶面符号。由于表达方式不同，晶面符号可以有多种类型。下面介绍一种当前在国际上使用最广的米氏符号。米氏符号是英国学者米勒尔于1839年创立的。它是用晶面在三个晶轴上的截距系数的倒数比来表示晶体的位向。如图l20中的晶面HKL，在晶轴X、Y、Z上的截距依次为2a、3b、6c，截距系数依次为2、3、6。截距系数的倒数比为3：2，1。去掉比例符号，只取三个数字，再加上圆括号，写成(321)。(321)就是表示晶面HKL空间方位的米氏符号。括号内的数字称为晶面指数。晶面符号书写的规定是：括号内的第一个位置写晶面在X轴上的指数，依次为y、z轴上的指数，三方和六方品系依次为y、u、z轴上的指数。 图120 品面符号图解 图l32 立方体(d)和八面体(b)的品面符号如一晶面平行于某一晶轴，则可看成与该晶轴在无限远相交，其截距系数为，倒数为1/，故在该晶轴上的晶面指数为0。显然，与X、Y相平行，只与Z轴相交的晶面，晶面符号为(001)；与x、z轴平行，只与y轴相交的晶面，晶面符号为(010)， (100)晶面与Z轴相交，与y、z轴平行；晶面符号(111)，表示该晶面与三晶轴相交且截距系数相等；(110)晶面与x、y二晶轴相交，且截距系数相等，而与z轴平行。此外，由于晶轴有正、负之分，因而晶面指数根据晶面截晶轴于正端或负端亦有正负之分。如某晶面与x、z轴平行，而与y轴的负端相交，故y轴上的指数为负值，晶面符号为(00)晶面指数为负值时，把负号写在指数的上端。泛指某种晶面或品面指数的具体数值一时不能确定时，为了表示此晶面的空间方位，用字母hkl代表指数，三方和六方晶系用字母hkil代表晶面指数，且h+k=i。由于晶体被面网密度较大的晶面所包围，因此晶面在晶轴上截距系数之比为简单的整数比，晶面指数一般是小的整数。晶面符号中最常见的指数为1和0，其次为2和3，超过3的很少。(二)单形符号 单形是由与晶轴都有相同位向的一组晶面所组成，为了表示该单形各晶面的位向，势必要写出所有的面号，显然这样很繁琐。因此，一般选择其中一个位于前、右、上的(中、低级晶族或选上、前、有的)晶面的面号，去掉圆括号，换成大括号，以代表各晶面的位向。即代表整个单形的位向，这种符号称为单形符导，简称为形号。需要指出的是：(1)同种单形，因其晶面与晶轴相对位置不同，而具有不同的形号。如图Ll8所示的同一对称型不同形态的两个聚形晶体，前者是由四方柱110 和四方双椎111所组成的聚形，后一个是由四方柱100和四方双锥111所组成的聚形。这两个四方柱在晶体上分布的相对方位不同，形号也就不同。这就表明，只有用单形符号来描述聚形中的各种单形，才能确切地表达出其空间概念。(2)不同的单形，可以有相同的形号。例如八面体、四方双锥以及斜方双锥，它们的单形符号都是111。因此，在看到单形符号时，先要确定其晶系和对称型。(3)在矿物学的论著中晶体的单形符号广泛使用英文小写字母来表示，少数情况还用小写的等希腊字母表示。m、r、z等也可作为晶面的代号。(三)晶带及晶带符号 1晶带和晶带轴的概念 晶带是指交棱互平行的一组晶面的总称。，一个晶体中有好多个晶带。 通过晶体中心且平行晶带上晶棱方向的直线称为晶带轴，晶带的方向是以晶带轴的方向表示的，而晶带轴的方向则是用平行于该铀的晶棱方向表示。晶带的符号也就是平行晶带轴的晶棱符号。 2晶带符号 表示晶带空间方位的符号称为晶带符号。晶体符号在结晶学、矿物学、晶体光学和岩石学中应用十分广泛，学习中要力求掌握。第二章 矿物的化学成分和内部构造晶体矿物部具有一定的化学组成和内部构造。化学组成是构成矿物晶体的物质内容部结构是矿物组分在一定条件下稳定存在的形式。它们二者之间相互依存，互相制约并决定着晶质矿物的各种物理性质和晶体化学性质。教学目的：了解晶体化学知识教学方法：启发式教学教学内容：1矿物中元素的离子类型 2矿物晶体中的原子和离子半径 3晶体构造中质点的排列规律授课方式：讲授教学重点：晶体构造中质点的排列规律教学难点：晶体构造中质点的排列规律第一节 矿物中元素的离子类型（2学时）元素周期表中的绝大多数元素都存在于矿物之中，它们的存在形式有原子、离子、分子三种状态，但主要是以离子状态(少数呈分子、原子状态)存在，即矿物主要是离子结合成的离子化合物但任意的阳离子和任意的阴离子并不都是可以结合成矿物的。阳离子和阴离子要能结合成矿物是取决于离子本身的性质，而离子的性质又首先取决于它们的电子层构型。电子层构型相似的离子所形成的矿物也常常是相似的。根据离子外层电子的构型可将离子划分为惰性气体型离子、铜型离子和过渡型离子三种类型。惰性气体型离子是指周期表中的一些元素原子，当其失去或得到一定数目的电子成为离子时，其外层电子的构型与惰性气体型原子的最外电子层构型相同的一类离子。如失去电子的Li+、Ba2+、B3+、C4+离子，它们的最外层电子数目为2个与He原子的外层电子构型(1S2)一样;还有失去电子的Na+、Mg2+、A13+、Si4+阳离子和获得电子的O2-、F-、Cl-、Br-、S2-等阴离子，它们的最外层电子数目均为8个与Ne原子外层电子构型(ns2np6)相同，所以称为惰性气体型离子，这类离子主要包括碱金属，碱土金属和一些非金属。由于它们是失去或获得电子后形成的，其持点如下：1电子层结构稳定，其离子在一般情况下不变价，其中电子不易吸收可见光的能量，因而离子不显示颜色，2这类离子半径较大，极化力和变形程度较小，形成的化合物以离子晶格性质较强为特征；3与半径和电价相似的其它类离子相比，电负性最低，易与电负性高的氦和卤族元素结合形成氧化物或含氧盐(主要是硅酸盐矿物)，如石英(SiO2)、方解石(CaCO3)、正长石(KAlSi3O8)等，组成了地壳中大部分造岩矿物。由于这个原因，在地质上常称它们“亲氧元家”，“亲石元素”或“造岩元素”。二、铜型离子这类元素原子失去电子成为离子时，其最外层电子