普通地质学-第三章-矿物.doc

第三章 矿物第一节 矿物通论一、 矿物的概念矿物是地壳中的化学元素，在地质作用下形成的单质或化合物，具相对稳定的化学成分结构，是组成的岩石基本单位。解释：1、必须是天然产出的，即是在地质作用下形成的。如果是自然界存在的矿物，是人工在实验合成其成分和性质同天然相同则称人造矿物或合成矿物。如果自然界不存在的矿物，人工合成的不能称为矿物。即一般化合物。如： 天然矿物 合成矿物 金刚石 C 人造金刚石 C 水晶 SiO2 人造水晶 SiO2 2、矿物具相对稳定的化学成分，有单质矿物和化合矿物。 单质矿物：是由同种元素化合而成 如：金刚石 C 自然金 Au 化合物矿物：由两种以上元素化合而的矿物。 如：水晶 Sio2 黄铁砂 FeS 刚玉 Al2O3 赤铁砂 Fe2O3 。 3、矿物大多具有一定的内部结构和外表形态、颜色等特征，是我们鉴定矿物的依据。二、 晶体与非晶质体的概念1 晶体的概念晶体是内部质点（化学成分决定）在三维空间呈周期性重复排到的固体物质，或晶体是具有内部格子构造的固体（微观世界），晶体的内部质点在三维空间呈周期排列的规律称晶体构造。（见p23图）凡是晶体 ，不论外形是否规则，它们的内部质点在三维空间呈规则的排列而具格子状构造，这是一切晶体的共同特性，也是晶体与其它状态的物体之间的根本区别。如：水晶和玻璃的区别，成分均为SiO2，玻璃则为非晶质体。不同的晶体，它们的内部质点不同，其排列方式不同，和晶隔大小（重复周期）不同，从而形成几千种矿物之多。不同的晶体其质点种类不同，质点的排列方式不同和重复周期不同，因而具有不同的晶体结构。2非晶质体 非晶质体。通常指内部质点既不成规则排列，也无几何多面体外形的固体。 内部质点呈不规则排列，不构成格子状构造。、 如：SiO2nH2O 蛋白石，还有从火山口中喷发出来的岩浆由于冷凝速度快，而来不及结晶，为非晶体质体，称为火山玻璃质岩石。 非晶体可向质体转化。三矿物的化学成分与化学式矿物的化学成分和晶体结构，是决定矿物一切性质的两个最基本因素。矿物具有相对稳定的化学成分，可用化学式表达。可根据化学式知道矿物是由哪些元素组成的。（一） 元素的离子类型 元素在矿物中一般呈三种状态存在，矿物中的元素一般多为离子状态，部分为原子，少数呈部分呈分子状态，其结合方式首先取决于它们的电子层结构，根据离子的外电子层结构，将离子分为三种类型。补充：1、元素：同种原子组成的物质叫元素，元素是由原子组成的，原子由原子核和核外电子组成，原子核内包含有质子和中子，同种原子组成的物质叫元素。 电子围绕原子核按一定规律成层排列。每层电子的容量是固定的。最外层电子数为8个的原子，化学性质稳定。不足8个者，易于失去电子或夺取电子，以达到8个之稳定状态。 失去或夺取电子的原子称为离子，凡丢失电子者称为阳离子，夺取电子者称为阴离子。一般来说，金属元素的原子最外层电子少于4，较易失去电子，形成阳离子，非金属元素的原子最外层多于4个，趋向于夺取电子，形成阴离子。例如：钠Na ：共有11个电子，分布为1S2 2S2 2P6 3S1，所以钠原子最易失去最外层一个电子，形成Na+。 氯Cl ：共有17个电子，分布为 1S2 2S2 2P6 3S2 3P5，最外层电子数为7个，所以氯原子最易夺取电子，形成Cl。 2、同位素 每个原子具有固定的原子序数。在元素周期表中，分别占有固定的位置，但同种元素的原子其中子数可以不同，因而具有不同的原子量。 同种元素具有不同的原子量，在元素周期表中占据同一位置，称为同位素。 元素周期表中有108种元素，其在自然界中发现的92种，已知元素从21种元素外，其余都是由两种或两种以上的同位素的混合物。 有的同位素其原子核不稳定，会自行放射出能量，即放射性，称放射性同位素，不具有放射性的同位素称为稳定同位素，由放射性同位素组成的矿物称为放射性矿物。 放射性同位素是不稳定的。它们不停地、自发地放射出射线而衰变成另一种元素，最终稳定下来，放射衰变的速度是恒定的，基本上不受外界的干扰，随着衰变的进行，原来元素（母体元素）的含量不断减少。新元素（子体元素）的含量不断增加，由于衰变的速率恒定，因此，可以根据岩石和矿物中母体元素与子体元素含量之比，计算岩石和矿物的实际年龄。目前测定同位素年龄惯犯采用的方法有： 铀钍铅法：U238Pb68He Th232Pb2086He U235Pb2077He 钾氩（K40Ar40） 铷锶（Rb87SR87） 碳氮（C14N14） 元素的离子类型1、 惰性气体型离子（P24表）失去或夺取电子后，最外层电子数为8或2的离子，与惰性气体原子最外层电子结构相同。主要有周期表 A、A（表左），表右侧靠近惰性气体原子的位置。该类离子的电子层结构很稳定，在自然条件下，一般不变价，在地质作用中往往与O2结合形成氧化物，如SiO2或含氧盐，特别是硫酸盐矿物，形成大部分造岩矿物，如石英、长石等，故又称造岩元素（亲氧元素、亲石元素）具该类离子的元素。大多数原子序数较小，因此，由它们组成的矿物一般比重较小，（含钡矿物除外），因他们不变价，所以极化性较弱，所形成的矿物对光波的选择性吸收不明显，一般呈无色至白色的浅色，化学稳定性较强。2、 铜型离子最外层电子数为18或18+2的离子，主要有：（见P24表） 族周期 IB B A A A A4 Ca Zn Ga Ge As Se 5 Ag Cd In Sn Sb Te 6 Au Hg Tl Pb Bi PO 这类离子的电子层结构的稳定性仅次于惰性气体型离子，在自然条件下，少数元素可变价，具有相当强的极化性。 在地质作用中，主要与S2- 结合形成硫化物矿物，如黄铜矿CuFes2，方铅矿Pbs等，并常聚集成矿，故又成造矿（亲硫元素、亲铜元素）。 大多数具这类离子的元素，原子序数较大，原子量较大，因此，由他们组成的矿物，一般比重较大，由于和S2- 结合时，有电子云的重合（亦可有板化现象）。对光波有选择性的吸收。固而矿物呈一定的颜色，光泽较弱。2 过度型离子 指数外层电子数为8-18的离子，其外层电子数介于惰性气体型离子与铜型离子之间的过渡位置，主要有：（如P24表）族周期 B B B B B 4 Sc21 Ti22 V23 Cr24 Mn25 Fe26 Co27 Ni28 5 Y39 Zr40 Nb41 Mo42 Tc43 Ru44 Rh45 Pb46 6 TR57-71 Hf72 Ta73 W74 Re75 Os76 Os77 Pt78 7 AC89-103 亲 氧 亲 铁 亲 硫 凡外层电子数愈近于8者，如Ti、V等，亲氧性越强 凡外层电子数愈近于18者，如Co、Ni等，亲硫性越强 居中的如Mo、Fe、Mn等，与氧和硫均能结合，又称亲铁元素。 由于此类元素电子层结构的稳定性差，在自然条件下，容易变价，如Fe2+、 Fe3+ ,Mn(Mn 2+,Mn3+,Mn4+),因外电子层不满，对光波的选择性吸收明显，故多为色素离子，构成矿物常具特殊的颜色。 镧素和锕系元素在自然界很少形成独立矿物。多以类质同象取代或以杂质形成赋存于其它矿物中。（二） 引起矿物化学成分变化的因素 矿物具有相对稳定的化学成分，可用化学式表达，但只在一定的范围内稳定。即在一定范围内化学成分有变异，引起矿物化学成分变化的因素主要有三种情况： 类质同象 含水矿物 胶体矿物其中类质同象是引起矿物化学成分变化的最主要因素。1 类质同象的概念矿物结晶时，某元素的部分位置被其它化学性质类似的元素所取代，其晶体结构类型不发生根本改变，这种现象称为类质同象。 类质同象是矿物中一个极为普遍的现象，它是引起某些矿物化学成分变化的一个主要原因，同时也会导致矿物一系列物理性质的规律性变化。例如：闪锌矿 ZnS.在晶格中Zn2+的部分为位置被Fe2+所替代，Fe2+和Zn2+起着同样的作用。其晶体结构（晶格）和化学键不发生根本性变化，其化学组成仍然遵守定比定律和倍比定律的关系。（ Zn.Fe）随着Fe2+增加，闪锌矿的颜色从浅到深色变化（白-褐-棕）。光泽也有变化。（金刚-金属）2 类质同象的类型类质同象的替代不是任意质点之间都可以发生的，有相应的条件，如性质相似电价，半径相似，还要外因适宜。 根据质点见置换的数量限度。类质同象分为两类（系列） 类质同象 完全类质同象 不完全类质同象 两种组分或两种质点可以按任意比例置换。如：橄榄石Fe2SiO4（Mg.Fe）2SiO4（Mg2SiO4铁橄榄石 橄榄石 镁橄榄石 Mg和Fe可以任意替换。 两种组分或质点只能在有限范围内按不同比例置换如 闪锌石 ZnS 其中Fe2+只能部分替代Zn2+.其含量不能超过26%。3 研究类质同象的意义（P25）除矿物成分变化会导致其物理性质变化，在鉴定矿物时必须要考虑的因素外，很多稀有元素。微量元素一般不形成独立矿物。而主要以类质同象的形式存在于其它矿物的晶格中。有利于矿床的综合利用。 （三）矿物的化学式 矿物的化学式是表达矿物化学成分的方式。化学式对于矿物的分类，区别元素在矿物晶格中的存在状态，了解成分，结构与形态。物理性质的关系等均有一定的意义。 某矿物的化学式是根据化学全分析结果计算得出的，有两种形式。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，如石膏的化学式成分中含组份： CaO SO3 H2O根据化学分析得出该组份的重量白分数和该组份的原子量（分子量）之比，计算结果得出： 实验式 ：CaO.SO3.2H2O 结构式 ：CaSO4.2H2O 二结构式（晶体化学式） 我们后面学的矿物的化学式都是结构式。它既能反映矿物中组成元素的种类及其原子数之比，又能在一定程度上发映原子在结构中的相互关系，晶体化学式的书写原则及所代表的意义如下。 阳离子在前 附加阴离子在洛阴离子层面 类质同象 含水矿物三 、矿物的形态与物理性质不同的矿物具有不同的形态特征和物理性质，这些性质就是我们识别和鉴定矿物的重要依据。（一） 矿物的形态指矿物的外貌特征，自然界中的矿物都具有一定的外表形态，是鉴定矿物的重要依据之一。矿物的形态有单体形态和集体形态之分。1矿物的单体形态矿物的单体形态种类繁多，主要有三个方面1） 理想形态、 单体形态：单形-晶体所有晶面大小形状相同 聚形-由两个以上单形聚合而成单形：如 主方体 五角十二面体 八面体 菱形十二面体 P37 P37 P38 P38聚形；P37图C P42石桶子石2） 实际晶体形态 成歪晶体：面角守恒可以帮助恢复理想形态 晶面条纹：某些矿物晶体面上常具有原生的平行直线状的细条纹，称晶面条纹。是鉴定矿物的重要依据之一。如P37黄铁矿立方体晶面上具有三组相互垂直的条纹。 P28石英晶面具横纹 电气石柱面具纵纹3） 矿物晶体在形成过程中，往往有趋向于某一形态的习性，称为矿物的结晶习性，单体矿物的形态很多。根据其在三维空间的发育情况分为：见P27图 向延伸-晶体发育呈拄状、针状、纤维状 二向延伸-晶体发育成片状、板状 三向延伸-晶体发育成等轴状、如立方体、八面体等2.矿物的集合体形态主要取决于单体形态和集合方式矿物集合体形态：显晶质集合体-肉眼可辨认 隐晶质集合体-肉眼无法辨认，但在镜下可辨认 胶态集合体（非晶质体）-显微镜下无法辨认1） 显晶质集合体：双晶 晶簇 根据单体形态不同有：平之状 板状 片状 柱状等集合体 根据集合方式不同有：放射状等 纤维状2） 隐晶质或胶态集合体 ：结核、分泌体、钟乳状 葡萄状等矿物的形态是肉眼鉴矿物的 一个重要方面（二） 矿物的物理性质 矿物的形态可以帮助我们鉴定和研究矿物，但仅仅根据形态来鉴定矿物往往不能满足要求的，主要是因为： 多数矿物不能发育成具有完好形态的晶体 不同的矿物也可表现为相同的晶体形态如 NaCL 食盐 PbS方铅砂 FeS2黄铁砂 等许多矿物都可以形成立方体。但我们可以根据它们之间不同的物理性质来加以区别，矿物的物理性质是鉴定矿物的重要依据和利用价值 肉眼鉴定矿物的方法主要依据两个方面 矿物的形态 的物理性质： 矿物的物理性质包括光学性质、力学性质、热电性质、磁学性质等，在我们用肉眼能够观察到的性质，主要有光学性质和力学性质，对肉眼鉴定矿物具有重要意义，有些性质需要用仪器才能测量。1 矿物的光学性质指自然光作用于矿物之后表现出来的各种性质，即矿物对光线的吸收、反射、折射等所产生的一系列光学效应肉眼能观察到的主要有以下几种：1） 矿物的颜色是矿物对自然光吸收的表现如果矿物对可见光波均匀吸收，则随着吸收程度的增加，矿物颜色表现为白灰黑色。白色可以认为对光线不吸收。黑色则可认为是全部吸收。如果矿物有选择吸收可见光中的某波长，则呈现余波长的混合色。根据矿物颜色的形成原因，可以分为三种 自色 是矿物本身所固有的颜色，是鉴定矿物的重要依据，白色与物成分和晶体结构关系密切。（包括类质同象） 他色 矿物中混入带色的杂质成分所致（例如石英）。一般不具有鉴定意义。 假色 为矿物表面氧化或解理面引起干涉色所致。只对极少数矿物有鉴定意义。如：斑铜砂表面的氧化膜呈斑状的蓝紫色；方解石、云母等矿物解理面上呈彩虹般的晕色。 颜色的描述方法：标准色谱法标准色谱 双名法矿物介于两种颜色之间时用，如黄绿色 类比法一生活中常见的实物描述，如橘红色 同种颜色的深浅不同可在颜色前加深、浅、暗、淡等形容词。2） 矿物的条痕条痕是矿物粉末的颜色。即矿物在无釉瓷板上擦划所留下的颜色，硬度大的矿物要研成粉末状观察，低硬度的矿物在白纸上擦划即可（如石墨）。 条痕具有重要的鉴定意义。主要是对于不透明矿物或暗色矿物具重要的鉴定意义，对透明矿物或浅色矿物鉴定意义不大。其鉴定意义主要在于： 可以消除假色、减弱他色保留白色，比矿物晶体颜色更固定，因此更具有鉴定意义 条痕有深于、等于、浅于矿物的自色。所以形成特征如： 颜色 条痕色 自然金 金黄色 金黄色 =黄铜矿 铜黄色 绿黑色 黄铁矿 浅铜黄色 绿黑色 如 闪锌矿：条痕始终浅于颜色3）矿物的光泽指矿物表面反射光线的能力，有强弱之分，根据反光强弱，将光泽分为四个等级光泽：金属光泽 半金属光泽 金刚光泽 称非金属光泽 玻璃光泽 /矿物的特殊光泽：有些矿物由于物理因素等常呈现特殊光泽（变异光泽）,具重要鉴定意义： 油脂光泽：如石英的断口 松脂光泽：浅色闪锌矿 珍珠光泽：白云母解理面 丝绢光泽：绢云母，蛇纹石，石棉，纤维石青等鳞片状或纤维状矿物集合体呈现的光泽 腊状光泽：块状蛇纹石等隐晶质集合体或非晶质透明矿物集合体呈现的光泽 土状光泽：极细粒矿物集合体，呈松散状，如高岭土 褐铁矿 软锰矿 矿物的光则是坚定矿物的特征之一，要详细观察。4） 矿物的透明度指矿物允许光线透过的程度，在自然界不存在绝对透明的矿物，在实际工作中根据通光系数测定，一般在标准厚度下（0.03mm）的厚度下观察，分三个等级透明度：透明矿物 半透明矿物 不透明矿物由于矿物的透明度于矿物的厚度和所含杂质多少有关，在肉眼鉴定时，一般根据光泽来确定透明度，凡金属-半金属光泽的矿物均为不透明矿物，凡是金刚光泽-玻璃光泽的矿物均为透明矿物。三、矿物的力学性质指矿物在外力作用下（如刻划、敲打等）所呈现的性质，包括硬度、解理、断口等，是鉴定矿物的重要依据。1. 硬度矿物对外来机械作用的抵抗能力，称为硬度。根据机械作用性质不同，有刻划硬度（M氏硬度）、压入硬度（维氏硬度）、严磨硬度（罗氏硬度），在肉眼鉴定时只用M氏硬度。决定矿物硬度大小的因素主要取决于内部结构中连接力的强弱，即由键性决定，共价键结合力最强，故强度最大，如金刚石。摩氏硬度计：摩氏硬度，即标准硬度，选用十种矿物组成摩氏硬度计，十种矿物相互刻划，按硬度大小顺序排列分为十级，排列在后面的矿物均为能刻动前面的，为相对硬度，如滑石为1.金刚石为10，不等于比滑石硬十倍，摩氏硬度计的十种矿物见P9表2-2.要求熟练应用，特别是方解石 3，可以控制低硬度矿物，石英 7，可以测试高硬度矿物。在鉴定矿物时，可将未知摩氏硬度计上的矿物作比较来确定。简便测试相对硬度可用代用品:低硬度5.5 小倒刻不动 硬度是鉴定矿物的重要物理参数和特征之一，多数矿物硬度在6以下，7级以上的较少，多属于宣石类矿物，如： 石英 7（水晶） 刚玉 9（红、蓝宝石） 金刚石 10（钻石） 黄玉 8（黄宝石）2. 矿物的解理 是矿物晶体在受到外力敲打时，能沿着格子构造中一定方向的面网发生破裂，晶体的这种固有性质称解理。沿着解理形成的平面称解理面。 要注意解理面和晶面的区别。对于矿物而言，解理只能在晶质矿物中出现。解理是晶体固有的特性，主要发生在晶体结构中面网与面网之间联结力最弱的方向，也就是解理所在的方向，可以同时有几个方向的解理，第四节矿物描述中称为几组解理。如云母一组解理、方解石三组解理等。解理的发育程度： 根据解理发育的程度不同，分为五个等级极完全解理解理面的而平滑，如云母。完全解理解理面完整而平滑，如方解石、方铅砂。中等解理解理面不光华，上面有小台阶，如辉石。不完全解理如磷灰石。极不完全解理在镜下。解理（一般不用肉眼鉴定）解理的鉴定意义： 矿物的解理是晶体固有的性质，对于同种矿物晶体来说，它们的解理方向相同，发育程度相同。因此，解理可以作为鉴定依据之一。 有的矿物有解理，有的无解理，有解理的矿物其发育程度不同以及解理方向不同，即有的有一组解理，有的有数组解理。 有相同组数解理的矿物，起两组解理之间的夹角不同，如： 正长石：两组正交解理 辉石：两组解理夹角为87度93度 角闪石：两组解理夹角为124度56度 方解石：三组解理 成菱面体 方铅砂：三组解理 成立方体（正交）3. 矿物的断口 矿物在外力打击下，不能按一定方将破裂，而是不规则破裂的性质，叫断口。 它主要是一些化学键强度在所有洁净学方向近于相同的矿物晶体。 断口的意义： 断口具有不同的形状特征，可作为鉴定的依据，常见的有： 贝壳状断口：如石英的断口 参差状断口：如黄铁矿 锯齿状断口：如黄铜矿 平坦状断口：如磷灰石 解理只在晶质矿物中出现，断口则既可以在晶质矿物中出现，也可在非晶质矿物中出现，如石英和蛋白石的断口呈贝壳状，既可以在单晶体上出现，也可以在同种矿物的集合体上出现。解理和断口也是相互消长的关系，解理发育的晶体则无断口，有断口的则无解理。 4. 其他性质1）密度 矿物的密度是指单位体积的质量，每种矿物由于组成的元素（原子量）不同，或结构类型不同都有一定密度值，差异较大，可以从小于1的石蜡到铂最大可达23，密度的单位是g/cm3，密度值是矿物的一项重要物理常数，可作为鉴定矿物和对比矿物的依据。2）比重 矿物的比重指纯净、均匀的单矿物在空气中的重量（一个大气）与同体积纯水在4时的重量之比，用G表示。 由于4时水的密度为1（8/立方厘米），因此矿物比重数值与其密度值正好相等。比重和密度值是同一个数值，不同的是，密度值有单位（克/立方厘米），而比重值没有单位。 肉眼鉴定矿物时，主要用手掂法来估计矿物密度的大小，一般分为三个等级： 轻矿物 2.5 如石墨、自然硫等 中等 2.54 如石英、方解石等 重矿物 4 如重晶石、方铅矿 此外还有许多其他性质 如：磁性：对少数矿物有鉴定意义，如磁铁砂具有强磁性，能被磁铁所吸引。弹性和挠性：韵母片受力弯曲，受力解除后回到原来形态，但不断裂，称弹性。绿泥石片受力弯曲不能回到原位，也不断开称挠性。矿物弯曲发生断裂称脆性。延展性：延性是卡可被拉成丝状的性质，展性是被压成很薄片状的性质，合成延展性，一般为自然元素类金属矿物的属性，如自然金、自然铜等。作业：1.什么叫类位同象？研究类位同象有何意义？2.写出五个单行名称？3.条痕有何鉴定意义？4。光泽可分为哪几个等级？常见的特殊光泽有哪些？5.组成摩氏硬设计的十种矿物是哪些（从1-10）6.什么叫解理？有何鉴定意义7.比重依据手掂法可分为那几个等级，各举代表性矿物若干种8.矿物分为哪几大类9.简述用肉眼鉴定矿物的方法步骤是什么？第二节 常见矿物（矿物各论）一、自然元素类自然金Au 金刚石 C 石墨（C）二、硫化物类 形态 颜色 硬度方铅矿PbS 立方体解理完全 铅灰色 条痕灰黑色 硬度小 2-3 比重大 7.47.6闪锌矿 ZnS 颜色白浅黄棕黑色 ，条痕浅于颜色由白色褐色。松脂半金属光泽。 硬度小于小刀 3.5-4 可于石桶子石、锡石等区别 有六组解理黄铜矿 CuFeS2 致密块状 浅铜黄色 6-6.5 小刀 见后11)黄铁矿FeS2 立方体 铜黄色 3-4 小刀三、氧化物类12）刚玉13）赤铁矿 Fe2O3 为提炼Fe的原料 常见致密块状、？状、？状等集合体形态，颜色由暗红铁黑色，无论颜色红或黑，其条痕均为樱红色。半金属光泽、不透明、硬度5-6 比重45.314）磁铁矿Fe3O4 提炼铁的原料 晶体是八面体、菱形十二面体，集合体呈致密块状、粒状。颜色铁黑色、条痕为黑色、半金属光泽不透明、硬度5.5-6.5 无解理 比重5 具强磁性。15）铬铁矿 见后16）锡石17）18）石英 SiO2 ： 呈六方柱十菱面体的聚形，集合体呈现致密块状、粒状、纯净透明的晶体称水晶。带色的称*水晶。主要鉴定特征为，晶面玻璃光泽、有横纹、