选矿学[1].ppt

选矿学第一篇 矿石学基础 选矿学第一篇 矿石学基础 选矿学第一篇 矿石学基础 选矿学第一篇 矿石学基础 1晶体1 1晶体及其基本性质古代 无论中外都把具有规则多面体形态的水晶称为晶体 后来扩展为用晶体称呼那些天然就具有规则多面体形态的固体 如食盐 水晶 方解石 黄铁矿 绿柱石等 晶体 是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体 或者说晶体是具有格子构造的固体 1 1晶体结晶学与晶体化学基础 1 2非晶体与晶体相对应的是非晶体 其特点是内部结构不具有格子构造 广义上包括气体 液体和一部分固体物质 如玻璃 琥珀 松香 树脂 沥青 大部分塑料等 内部质点不作规则排列 不具格子构造的物质 称为非晶质或非晶质体 1 3空间格子的几何要素1 3 1结点结点是空间格子中的点 它们代表晶体结构中的相当点 实际晶体中在结点的位置上可为同种质点所占据 1 3 2行列结点在直线上的排列即构成行列 图I 1 6 空间格子中任意两个结点联结起来就是一条行列的方向 行列中相邻结点间的距离称为该行列的结点间距 如图I 1 6中的a 1 3 3面网结点在平面上的分布即构成面网 空间格子中不在同一行列上的任意三个结点就可以决定一个面网的方向 或者说任意两个相交的行列就可决定一个面网 面网上单位面积内结点的密度称为面网密度 1 3 4平行六面体 从三维空间来看 空间格子可以划出一个最小重复单位 那就是平行六面体 1 4建立坐标系 格子常数对于一个单位平行六面体 以交于一点 不在一个平面上的三个棱作为三个坐标轴 棱长a b c为坐标刻度 彼此的夹角为 即可表示出它的形状 a b c及 合称为格子常数 对于实际晶体则称之为晶胞参数 1 5晶体的基本性质1 5 1自限性自限性是指晶体在适当条件下可以自发地形成几何多面体的性质 由图1 5 1中可以看出晶体为平的晶面所包围 晶面相交成直的晶棱 晶棱会聚成尖的角顶 图1 5 1晶面 晶棱 角顶与图1 5 2蓝晶石晶体的硬度面网 行列 结点的关系示意图AA BB方向硬度不同1 5 2均一性因为晶体是具有格子构造的固体 在同一晶体的各个不同部分 质点的分布是一样的 所以晶体的各个部分的物理性质与化学性质也是相同的 这就是晶体的均一性 1 5 3异向性晶体结构中不同方向上的质点种类和排列方式不同 导致晶体的各种物理和化学性质随方向不同而异 这就是晶体的异向性 例如 蓝晶石的硬度 石墨的导电性等随方向的差异很大 1 5 4对称性晶体具异向性 但这并不排斥在某些特定的方向上具有 相同的性质 在晶体的外形上 也常有相等的晶面 晶棱和角顶重复出现 1 5 5最小内能在相同的热力学条件下 晶体与同种物质的非晶质体 液体 气体相比较 其内能最小 1 5 6稳定性晶体具有最小内能 因而结晶态是一个相对稳定的状态 这种稳定性可由质点的运动状态来说明 1 2晶体生长的基本规律与布拉维法则 1 1结晶作用方式晶体是在物相转变的情况下形成的 1 2由液相转变为固相1 3 1从熔体中结晶当温度低于熔点时 晶体开始析出 即只有当熔体过冷却时晶体才能发生 如水低于0 时结晶成冰 金属熔体冷却到熔点以下结晶成金属晶体 1 3 2从溶液中结晶溶液达到过饱和时析出晶体 1 温度降低 如岩浆期后热液随着远离岩浆源 渐次析出矿物晶体 2 水分蒸发 如天然盐湖盐类结晶 3 化学反应 生成难溶物质 1 4由气相转变为固相条件 有足够低的蒸气压 火山口附近常直接生成硫 碘或氯化钠的晶体 雪花由水蒸气冷却直接结晶而成 1 5由固相再结晶为固相1 5 1同质多象转变指某种晶体在热力学条件改变时 转变为另一种在新条件下稳定的晶体 而转变前后的成分相同 但晶体结构不同 如SiO2 温度达573 以上由低温石英转变为晶体结构不同的高温石英 1 5 2原矿物晶粒逐渐变大 1 5 3固溶体分解在一定温度下固溶体可以分离成为几种独立矿物 例如一定比例的闪锌矿 ZnS 和黄铜矿 CuFeS2 在高温时组成均一相固溶体 而在低温时就分离成为两种独立矿物 1 5 4变晶矿物在定向压力下溶解 在垂直于压力方向上再结晶 形成一向或二向延伸的变质矿物 称为 变晶 如角闪石 云母等 在变质岩中发育成斑状晶体称为 变斑晶 1 5 5由固态非晶质结晶火山熔岩迅速冷凝固结为非晶质的火山玻璃 经过千百年演变可逐渐转变为结晶质 1 6 1晶体的形成晶体 crystal 生成的一般过程 先生成晶核 再逐渐长大 从液相或气相中生长有三个阶段 介质达到过饱和 过冷却阶段 成核阶段 生长阶段 1 6 2晶核的形成若介质体系的质点同时进入不稳定状态形成新相 称为均匀成核作用 即各处的成核几率相等 这要克服相当大的表面能位垒 即需要相当大的过冷却度才能成核 在单位时间内 单位体积中所形成的核的数目称成核速度 它决定于物质的过饱和度或过冷却度 过饱和度和过冷却度越高 成核速度越大 另外 介质粘度大会阻碍物质的扩散 降低成核速度 1 6 3布拉维法则早在1855年 法国结晶学家布拉维 A Bravis 从晶体具有空间格子构造的几何概念出发 论述了实际晶面与空间格子构造中面网之间的关系 即实际晶体的晶面常常平行网面结点密度最大的面网 这就是布拉维法则 所谓晶面生长速度是指单位时间内晶面在其垂直方向上增长的厚度 1 6 4面角恒等定律面角恒等定律是指同种物质 成分构造相同 的所有晶体 其对应晶面间的夹角恒等 晶面夹角是指晶面法线间的夹角 1 6 5影响晶体生长的外部因素在不同生长条件下形成的同种晶体 形态上可能有所差别 1 温度在不同的温度下 同种物质的晶体 其不同晶面的相对生长速度有所改变 影响晶体形态 如方解石 CaCO3 在较高温度下生成的晶体呈扁平状 而在地表水溶液中形成的晶体则往往是细长的 石英和锡石矿物晶体亦有类似的情况 2 杂质溶液中杂质的存在可以改变晶体上不同面网的表面能 所以其相对生长速度也随之变化而影响晶体形态 例如 在纯净水中结晶的石盐是立方体 而在溶液中有少量硼酸存在时则出现立方体与八面体的聚形 3 粘度溶液的粘度也影响晶体的生长 粘度的加大 将妨碍涡流的产生 溶质的供给只有以扩散的方式来进行 晶体在物质供给十分困难的条件下生成 由于晶体的棱角部分比较容易接受溶质 生长得较快 晶面的中心生长得慢 甚至完全不长 从而形成骸晶 4 结晶速度结晶速度大 则结晶中心增多 晶体长的细小 且往往长成针状 树枝状 反之 结晶速度小 则晶体长得粗大 如岩浆在地下缓慢结晶 则生长成粗粒晶体组成的深成岩 如花岗岩 但在地表快速结晶则生成由细粒晶体甚至于隐晶 1 7晶体的溶解与再生1 7 1晶体的溶解晶面溶解时 将首先在一些薄弱地方溶解出小凹坑 称为蚀像 1 7 2晶体的再生破坏了的和溶解了的晶体处于合适的环境又可恢复多面体形态 称为晶体的再生 如斑岩中石英颗粒的再生 1 3晶体的对称 对称组合和晶体分类 1 1对称的概念对称 就是物体相同部分有规律的重复 晶体对称性 symmetry 最直观的表现在外形上 相同的晶面 plane 晶棱 arris 和角顶 cornerangle 作有规律的重复1 2晶体对称的特点1 所有的晶体都具有对称性 2 晶体的对称是有限的 3 晶体的对称既是外形上的对称 同时也是物理性质上的对称 由于以上特点 晶体的对称可以作为晶体分类 classifycrystal 的最好依据 1 3晶体外形对称要素1 4对称面 P 是一个假想的平面 相应的对称操作为对于此平面的反映 它将图形平分为互为镜像的两个相等部分 晶体中对称面与晶面 晶棱可能有如下关系 1 垂直并平分晶面 2 垂直晶棱并通过它的中心 3 包含晶棱 1 5对称轴 Ln 是一根假想的直线 相应的对称操作是围绕此直线的旋转 当图形围绕此直线旋转可使相等部分重复 旋转一周重复的次数称为轴次 n 重复时所旋转的最小角度称基转角 360 n 对称轴可能出露的位置 晶面的中心 晶棱的中点或角顶 蝴蝶的对称对称的花冠 1 6对称中心 C 是一个假想的点 相应的对称操作是对此点的反伸 或称倒反 如果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 必定可以找到对应点 1 7旋转反伸轴 Lin 是一根假想的直线 相应的对称操作是图形围绕此直线旋转一定角度后再对此直线上的一个点进行反伸 可使相等部分重复 Lin的轴次也可为1 2 3 4 6次 因此 结晶多面体中可能存在的对称要素只有9种 分别是 对称轴L1 L2 L3 L4 L6对称面P对称中心C旋转反伸轴Li4 Li6单个晶体中全部对称要素的组合称为该晶体的对称型 晶体中全部对称要素相交于一点 晶体中心 在进行对称操作时至少有一点不移动 因此对称型也称为点群 对称要素的组合必须满足组合定理 即符合空间格子构造规律 因此对称型是有限的 按照晶体对称特点进行的分类 分类依据如下 1 把属于同一对称型的晶体归为一个晶类 晶体中存在32种对称型 亦即有32个晶类 2 根据是否有高次轴以及有几个高次轴 把32个对称型归纳为低级 中级 高级三个晶族 低级晶族无高次轴中级晶族有一个高次轴高级晶族有多于一个的高次轴3 在各晶族中 再根据对称特点划分晶系 共有七个晶系 1 4晶体的理想形态 晶体定向及晶面符号 1 1单形理想形态指的是晶体由理想晶面构成 即晶体上同种性质的面网能得到同等发育 形成同形等大的晶面 分为单形和聚形两种 单形的概念由对称要素联系起来的一组晶面的总合 即藉对称型中全部对称要素的作用可以相互重复的一组晶面 单形上所有晶面不能封闭空间而占有一定体积者称为开形 开形不能独立存在 必需与其他单形聚合才能形成封闭的几何形态 闭形 单形上所有晶面能封闭空间而占有一定体积者 闭形能单独存在 也可以与其他单形相聚 1 2四十七种几何单形受对称要素的约束 47种单形在7个晶系中的分布有一定规律性 1 2 1低级晶族 7种 1 2 2中级晶族 25种 1 柱类 由若干晶面围成柱体 晶面平行于高次轴 z轴 横切面的形状如图 注意 复三方 复四方和复六方不等于六方 八方和十二方 因为复柱晶面的交角是相间地相等 2 单锥类 属于本类的单形系由若干晶面相交于高次轴上的一点而形成的单锥体 与柱的情况相似 按其横切面的形状 可分为属于四方晶系的四方单锥 复四方单锥 属于三 六方晶系的三方单锥 复三方单锥 六方单锥 复六方单锥等六种单形 3 双锥类4 四方四面体和复四方偏三角面体5 菱面体与复三方偏三角面体6 偏方面体组1 2 3高级晶族1 四面体组5种2 八面体组5种3 立方体组5种 两个以上的单形的聚合称为聚形 单形的聚合不是任意的 必须是属于同一对称型的单形才能相聚 换句话说 也就是聚形也必属于一定的对称型 因此 聚形中的每一单形的对称型当然都与该聚形的对称型一致 1 2 4聚形 1 2 5晶体定向 1 晶体定向的概念晶体定向就是在晶体中确定坐标系统 目的 晶面和晶棱的空间方位可用一定的指数予以表征 1 晶轴2 轴角3 轴长与轴率4 晶体常数 2 晶轴选择晶轴的选择应遵循下列原则 1 符合晶体所固有的对称性 因此 晶轴应与对称轴或对称面的法线重合 若无对称轴和对称面 则晶轴可平行晶棱选取 2 在上述前提下 应尽可能使晶轴垂直或近于垂直 并使轴长趋于或近于相等 即尽可能使之趋向于 90 a b c 3 使轴率尽可能为1 1 1 即轴单位尽可能相等 3 晶轴安置1 三轴定向Z轴 c 直立 正端朝上Y轴 b 左右方向 正端朝右X轴 a 前后方向 正端朝前2 四轴定向 只适用于三方和六方晶系 X Y U轴均与Z轴垂直 且正端互成120度夹角 Y 左右 X 左前 偏左30度 U 右前 正端朝后偏左30度 4 各晶系的晶体定向各晶系的对称特点不同 因而各有其具体选择晶轴的方法 其晶体常数特点也不一样 1 等轴晶系2 四方晶系3 三方及六方晶系4 斜方晶系5 单斜晶系6 三斜晶系 5 晶面符号 表征晶面空间方位的符号 称为晶面符号 通常采用米氏符号 系英国人米勒尔 W H Mi11er 于1839所创 晶面符号的确定方法如下 1 取晶面在各晶轴上的截距系数的倒数比1 p 1 q 1 r 2 乘以分母的最小公倍数 化成最简单的整数比h k l 1 p 1 q 1 r h k l为整数 3 去掉比例号 加上圆括号即为米氏符号 hkl 读作h k l 6 整数定律整数定律 晶面在晶轴上截距系数之比为简单整数比 7 单形符号单形符号是指在单形中选择一个代表面 把该晶面的晶面指数用 括起来 用以表征组成该单形的一组晶面 习惯上 选择代表晶面定形号时 一般是选择正指数最多的晶面 同时还遵循先前 即X轴上指数最大 次右 即Y轴上的指数次大 后上 即Z轴上的指数最小 的原则 1 5晶体化学 晶体化学的首要任务就是阐明晶体的化学组成与晶体结构的内在联系 指出互为因果的具体形式 1 1元素的离子类型天然矿物 除少数为单质外 绝大多数属于离子化合物 在离子化合物中 阴阳离子间的结合 主要取决于由它们的外层电子构型所决定的化学性质 一般离子类型可以分为 1 惰性气体型离子2 铜型离子3 过渡型离子 1 2原子和离子半径在晶体结构中 原子和离子的大小 特别是相对大小具有重要的几何意义 一般有以下规律 1 一般阳离子半径都小于阴离子半径 2 同种元素的氧化态相同时 离子半径随配位数的增高而增大 3 同种元素的原子半径 其共价半径总是小于金属原子半径 1 3球体的最紧密堆积在晶体结构中 质点之间趋于尽可能地相互靠近 形成最紧密堆积 以达到内能最小 而使晶体处于最稳定状态 1 4配位数和配位多面体晶体结构中 原子或离子总是按一定的方式与周围的原子与离子相接触的 每个原子或离子周围最邻近的原子或异号离子的数目称为该原子或离子的配位数 以一个原子或离子为中心 将其周围与之成配位关系的原子或离子的中心连接起来所获得的多面体称为配位多面体 1 5矿物中的键型与晶体类型在晶体结构中 质点之间的相互维系力 称为化学键 化学键的形成 主要是由于相互作用的原子 他们的价电子在原子核之间进行重新分配 以达到稳定的电子构型的结果 典型的化学键有四种 即分子键 离子键 共价键和金属键 1 6类质同象晶体结构中某种质点为其他种类似质点所代替 仅使晶格常数发生不大的变化 而结构形式并不改变 这种现象称为类质同象 他是引起化学成分变化的一个主要原因 地壳中有许多元素本身很少或根本不形成独立矿物 而主要是以类质同象混入物的形式赋存于与之性质相似的常量元素所组成的矿物晶格中 1 7同质多象同种化学成分的物质 在不同的物理化学条件下 形成不同结构的晶体的现象 称为同质多象 第二章矿物的化学成分 金Au 镁Mg 钙Ca 硅Si 铜Cu 银Ag 矿物的化学成分是组成矿物的物质基础 是决定矿物各项性质的最基本因素之一 对于许多有用矿物来说 人们就是利用其中的某些化学成分 例如从黄铜矿CuFeS2中提炼铜 从辰砂HgS中提炼汞等等 辰砂 汞 2 1前言 2 2矿物的化学成分类型 1 单质由同种元素的原子自相结合组成的矿物 称为单质矿物 即自然元素矿物 如自然金Au 自然铜Cu 金刚石C等 2 化合物由两种或两种以上不同元素的离子或络阴离子等组成的矿物 称为化合物矿物 化合物按其组成特点又分为 1 简单化合物由一种阳离子和一种阴离子化合而成 如方铅矿PbS 食盐NaCl 磁铁矿Fe3O4等 2 络合物由一种阳离子和一种络阴离子 酸根 组成的化合物 这种类型的矿物最多 各种含氧盐一般都是络合物 如方解石Ca CO3 钠长石Na AlSi3O8 等 3 复化合物由两种或两种以上的阳离子与阴离子或络阴离子组成的化合物 如黄铜矿CuFeS2等 水胶凝体是由水胶溶体凝结而成 其分散媒是水 分散相是固态的微粒 如蛋白石 SiO2 nH2O 褐铁矿 Fe2O3 nH2O 和许多粘土矿物 这是矿物学中通常所说的胶体矿物 结晶胶溶体又称结晶胶体 它的分散媒为固态晶质 分散相为气体 液体或固体 如乳石英 含气体分散相 红色方解石 含Fe2O3分散相 等 实际上是含有机械混入物的晶体 胶体是一种物质的微粒 粒径100 l0000nm 分散于另一种物质之中所形成的均匀的细分散系 前种物质称为分散相 或分散质 后种物质称为分散媒 或分散介质 2 3胶体矿物 胶核与胶粒 多数胶体的分散相质点都是晶质的 因此 它们的表面电性不饱和 称这个微粒为胶核 胶核优先吸附存在于介质中的与自己组成相同 或相似 的离子 在胶核外面形成一个吸附层 构成带一定电荷的胶粒 为了平衡吸附层的电荷 带电的胶粒还要吸附介质中的其他异性离子 这种离子在介质中有一定的自由移动能力 因而形成一个扩散层 胶粒就是胶核和吸附层的合称 胶体的选择吸附性 根据胶粒所带正负电荷的不同 可将胶体分为正胶体和负胶体 地壳中常见的正胶体有 Zr Ti Th Ce Cd Cr Al Fe3 的氢氧化物 负胶体有As Sb Cu Pb的硫化物 以及高岭石等粘土质点和腐植质等 有时氢氧化铁也带有负电荷 在自然界中负胶体比正胶体分布广泛 胶体的选择吸附 是指胶粒在不同溶液中仅能吸附某些与胶粒电荷相反的离子 而对其他物质吸附很少或完全不吸附 负胶体吸附介质中的阳离子 如MnO2负胶体可以吸附Cu Pb2 Zn2 Co2 Ni2 K Li 等40余种阳离子 正胶体吸附介质中的阴离子 如Fe OH 3正胶体能吸附V P As Cr等元素的络阴离子 胶体对离子吸附的选择性 还表现在对一些离子吸附的难易程度不同 进而表现为被吸附离子之间的交换 最常见的是粘土矿物的离子交换现象 一般情况下 阳离子电价愈高 置换能力愈强 一旦被粘土吸附 就难被置换 在电价相等时 置换能力随离子半径增大而增强 因为离子半径愈大 水化能力减小 使水化半径减小 与胶核中O2 的结合键能增加 金属阳离子置换能力按下列顺序递减 其中H 是例外的 H Al3 Ba2 Sr2 Ca2 Mg2 NH4 K Na Li 此顺序称为霍夫曼斯特顺序 3 1胶体溶液 出离地表的矿物或矿物集合体 在物理风化作用中 由于机械破碎或磨蚀而形成胶粒大小的质点 当它们分散于水中即成为胶体溶液 水胶溶体 或因化学风化作用 使原生矿物分解成离子或分子状态 然后进一步饱和聚集而成 胶体溶液是形成胶体矿物的物质基础 3 2胶体溶液的凝聚 己经形成的胶体矿物 随着时间的推移或热力学因素的改变 进一步发生脱水作用 颗粒逐渐增大而成为隐晶质 最终可转变为显晶质矿物 由胶体晶化而形成的晶质矿物特称为变胶体矿物 如蛋白石变为石髓 石英SiO2等 这种转化过程 称之为胶体的老化或陈化 胶体溶液在迁移过程中或汇聚于水盆地后 或因与带有相反电荷的质点发生电性中和而沉淀 或因水分蒸发而凝聚 从而形成各种胶体矿物 3 3矿物中的水 吸附水以中性水分子 H2O 存在 不参与组成矿物的晶体结构 而是被机械地吸附于矿物颗粒表面或缝隙中 吸附水不属于矿物的化学成分 不写入化学式 它们在矿物中的含量不定 随温度 湿度而变 常压下 当温度达到100 110 时 吸附水就全部从矿物中溢出而不破坏晶格 含在水胶凝体中的胶体水 作为分散媒被微弱的联结力附着在胶体的分散相的表面 这是吸附水的一种特殊类型 胶体水是胶体矿物本身固有的特征 应当作为一种组分列人矿物的化学成分 但其含量变化很大 如蛋白石SiO2 nH2O n表示水分子含量不固定 吸附水 结晶水 结晶水以中性水分子存在于矿物中 参与组成矿物的晶格 有固定的配位位置 是矿物化学组成的一部分 结晶水分子的数量与矿物中其他组分的含量成简单的比例关系 结晶水往往存在于具有大半径络阴离子的含氧盐矿物中 如石膏CaSO4 2H2O 胆矾CuSO4 5H2O等 某些矿物中的结晶水以一定的配位形式围绕着阳离子 有时也围绕阴离子 形成所谓的结晶水化物 结晶水由于受到晶格的束缚 结合较牢固 因此 要使它从晶格中释放出来 就需要有较高的温度 但一般不超过600 通常为100 200 结构水 结构水也称化合水 是以 OH H 或 H3O 离子的形式参加矿物晶格的水 其中尤以 OH 最为常见 如滑石 Mg3 Si4O10 OH 2 高岭石 Al4 Si4O10 OH 3 等中的水 就属于这种类型 结构水在晶格中占有固定的位置 在组成上具有确定的含量比 由于与其他离子的联结相当牢固 因此 需要较高的温度 大约在600 1000 之间 才能溢出 如高岭石的失水温度为580 滑石则为950 由于结构水是占有晶格位置的 所以失水后 晶格完全被破坏 沸石水 沸石水是存在于沸石族矿物中的中性水分子 沸石的结构水有大小不等的空洞及孔道 水就占据在这些空洞和孔道中 位置不十分固定 水的含量随温度和湿度而变化 由于沸石结构中 其空洞和孔道的数量及位置都是一定的 所以含水量有一个确定的上限值 此数值与矿物其他组分的含量成简单的比例关系 沸石族矿物 当加热至80 400 范围内 水即大量溢出 失水后原矿物的晶格不发生变化 只是它的某些物理性质如 透明度 折射率和比重等随失水量的增加而降低 失水后的沸石仍能重新吸水 恢复原有的物理性质 可见沸石水具有一定的吸附水的性质 但是含水量的这种变化是有一定范围限制的 当超过这一范围时 晶格将有所变化 脱水后就不能再吸水复原 层间水 层间水是存在于某些层状结构硅酸盐的结构层之间的中性水分子 它参与矿物晶格的构成 但数量可在相当大的范围内变动 这是因为某些层状硅酸盐矿物如蒙脱石等 其结构层本身 电价并未达到平衡 在结构层的表面还有过剩的负电荷 这部分过剩的负电荷还要吸附其他金属阳离子 而后者又再吸附水分子 从而在相邻的结构层之间形成水分子层 即层间水 水的含量多少与吸附阳离子的种类有关 如在蒙脱石中 当吸附阳离子为Na 时 在结构层之间常形成一个水分子层 若为Ca2 时 则经常形成两个水分子厚的水层 此外 它的含量还随外界温度 湿度的变化而变化 常压下当加热至110 时 水大量溢出 结构层间距相应缩小 晶胞轴长C0值减小 矿物的比重和折射率都增高 在潮湿的环境中又可重新吸水 矿物中含有各种不同形式的水 3 5矿物的化学式 将矿物的化学成分用元素符号按一定原则表示出来 就构成了矿物的化学式 它是以单矿物的化学全分析所得各组分的相对石分含量为基础计算出来的 其表示方法有两种 即实验式和结构式 晶体化学式 实验式 化学式的计算 结构式 或晶体化学式 结构式的书写方法如下 1 对于由单质元素构成的矿物 用元素符号表示 如自然金Au 金刚石C 若有类质同象代替 则按数量多少排列 用圆括号括起来 并用逗号分开 如银金矿一 Au Ag 2 对于金属互化物 按金属性递减的顺序从左至右排列 如砷铂矿一PtAs 3 对于离子化合物 书写的基本原则是阳离子在前 阴离子在后 具体的书写方法和意义如下 阳离子写在化学式的最前面 当存在两种以上的阳离子时 要按碱性由强到弱的顺序排列 如白云石CaMg CO3 2 当阳离子为同一元素而具不同价态时 则按电价由低至高排列 如磁铁矿FeFe2O4 即Fe2 Fe23 O4 阴离子或络阴离子写在阳离子的后面 络阴离子要用方括号 将它括起来 如方解石Ca CO3 透辉石CaMg Si2O6 若有附加阴离子时 通常将它写在主要阴离子或络阴离子的后面 如磷灰石Ca5 PO4 F Cl 互为类质同象代替的离子 用圆括号 括起来 它们中间用逗号 分开 含量多的元素写在前面 少者在后 如铁闪锌矿 Zn Fe S 矿物中水的书写方式 结构水 写在化学式的最后 如高岭石Al4 Si4O10 OH 8 结晶水 用圆括号括起来 写在与之相联系的阳离子后面 如Ni H2O 6 SO4 沸石水 写在化学式的最后 用圆点分开 其含量以其上限为准 如钠沸石Na2 Al2Si3O10 2H2O 层间水 用圆括号括起来 写在可交换的阳离子后面 如钠蒙脱石Na0 33 H2O 4 Al1 67Mg0 33 Si4O10 OH 2 吸附水 在化学式中不予表示 胶体水应表示出来 因为含量不定 故以nH2O或aq表示 写在化学式最后 也用圆点分开 如蛋白石SiO2 nH2O或SiO2 aq 结构式的计算 一 矿物的概念 矿物是地壳中的化学元素在各种地质作用下形成的自然产物 是岩石的组成单位 形成岩石的矿物称为造岩矿物 矿物可以是单一元素所组成的 也可以是几种元素组成的化合物 矿物的化学成分和内部构造都是比较均一的 因而具有一定的物理和化学性质 并以各种形态 固态 液态 气态 存在于自然界中 自然界的矿物绝大多数是固态 少数为液态或胶体状态 第三章矿物的物理性质 一 原生矿物和次生矿物 矿物按成因可分为原生矿物和次生矿物1 原生矿物由地壳深处熔融状态的岩浆冷凝固结而形成的矿物称原生矿物 如石英 长石 云母 辉石 角闪石等 2 次生矿物原生矿物经物理 化学风化作用 组成和性质发生化学变化 形成的新矿物称次生矿物 如方解石 高岭石等 二 结晶矿物和非结晶矿物 固体矿物按其内部构造不同 分为结晶质和非结晶质两种 1 结晶矿物结晶矿物指各种原子在三维空间有序地重复排列的矿物 绝大多数矿物是结晶矿物 2 非结晶矿物非结晶矿物又称无定形矿物 原子作无序或短程有序排列 无法用X射线或电子衍射检测其晶体结构的矿物或其他固态物质 如蛋白石等 二 矿物的物理性质 矿物的物理性质是多方面的 其中最具有鉴定意义的有 颜色 条痕 光泽 解理 断口 硬度等 此外 尚有透明度 弹性 比重等 一 颜色根据矿物呈色的原因 分为自色 他色和假色三种 自色是矿物本身所固有的颜色 它与矿物的成分和构造有关 如磁铁矿的铁黑色 孔雀石的翠绿色等 他色是由于外来的带色杂质 气泡等色体所引起的 与矿物本身的化学成分及构造无关 易变化而不稳定 如无色透明的水晶可被染成紫色 玫瑰色 黑色等便是很好的例子 假色是由于矿物内部解理面 表面氧化膜等所引起的光线干涉作用的呈色现象 如方解石内部微细解理面所呈之晕色 斑铜矿表面的蓝 紫色就是氧化薄膜造成的 二 条痕 条痕就是矿物粉末的颜色 将矿物在未上釉的瓷板上进行刻划 其留下的粉末痕迹就是条痕 条痕色可以消去假色 减弱他色 保存自色 所以条痕比矿物本身呈现的颜色更为固定 因而更具有鉴定意义 鉴定条痕 只限于硬度比瓷板小的矿物 因硬度比瓷板大的矿物 刻划后所得之粉末则是瓷板的粉末了 三 光泽 光泽是矿物表面对光线反射所呈现的光亮 矿物的光泽可分为金属光泽 半金属光泽和非金属光泽 金属光泽是具有金属的光亮 如黄铁矿 黄铜矿等 一般具金属光泽的矿物 条痕为黑色或深色 不透明的矿物常具金属光泽 透明和半透明的浅色矿物 通常不具金属光泽 称为非全属光泽 界于金属光泽和非金属光泽之间的称为半金属光泽 如赤铁矿即具有半金属光泽 非金属光泽又分为金刚光泽 玻璃光泽 脂肪光泽 珍珠光泽和丝绢光泽 四 硬度 矿物抵抗外力摩擦或刻划的能力称为硬度 一般采用摩氏硬度计来确定矿物的相对硬度 摩氏硬度计是以十种硬度不同的矿物作标准 用相互比较的方法来确定某种矿物的相对硬度 表2 1摩氏硬度表硬度1234567矿物滑石石膏方解石萤石磷灰石正长石石英硬度8910矿物黄玉刚玉金刚石 五 解理和断口 矿物受外力作用后 沿着一定方向的平行面裂开 这种现象称为解理 而裂开后形成的光滑平面则称为解理面 如矿物受外力作用后 不沿一定的方向裂开 而是破裂成不平坦 不规则的断面 则称之为断口 解理按其完善程度分为 极完全解理 完全解理 中等解理 不完全解理 极不完全解理 断口可按形状分为 贝壳状 锯齿状 纤维石膏 参差状 黄铁矿 土状 高岭石 及平坦状 蛇纹石 断口 六 透明度 矿物的透明度是指矿物可以透过可见光的程度 透明度的大小可以用透射系数Q表示 若进入矿物的光线强度为I0 当透过1cm厚的矿物时 其透射光的强度为I 则I I0的比值称为透射系数 透射系数大 矿物透明 反之矿物半透明或不透明 矿物的透明度决定于矿物的化学成分与内部构造 矿物的透明与不透明不是绝对的 因此 在研究矿物透明度时 应以同一厚度为准 根据矿物在岩石薄片 其标准厚度为0 03cm 中透光的程度 可将矿物的透明度分为 透明 半透明和不透明 七 弹性 矿物的弹性是指某些片状或纤维状的矿物 受外力作用时 能发生弯曲而不断裂 当外力解除后又能恢复到原来状态的性质 例如云母 石棉等矿物均具有弹性 矿物的弹性决定于晶格内部的结构特点 二 矿物的其他物理性质 一 磁性矿物的磁性是指矿物能被永久磁铁或电磁铁吸引 根据矿物在外磁场作用下所表现的性质 可将矿物的磁性分为三类 磁性矿物 电磁性矿物和逆磁性矿物 1 磁性矿物 是指能被永久磁铁吸引的矿物 分为强磁性和弱磁性 2 电磁性矿物 是指具有弱磁性 无论是颗粒或粉末均不能被永久磁铁吸引 但可被电磁铁吸引 这类矿物还可进一步分为强电磁性矿物和弱电磁性矿物 3 逆磁性矿物 是指具抗磁性被磁铁所排斥的矿物 磁性的强弱可用比磁化系数来表示 比磁化系数为1cm3的矿物在磁场强度为10e的外磁场中所产生的磁力 比磁化系数越大 表示矿物越容易被磁化 在选矿中 利用矿物比磁化系数的差异进行磁选 矿物按比磁化系数的大小 可分为四类 1 强磁性矿物比磁化系数大于3000 10 6cm3 g 2 中磁性矿物比磁化系数为600 10 6cm3 g 3000 10 6cm3 g 3 弱磁性矿物比磁化系数为15 10 6cm3 g 600 10 6cm3 g 4 非磁性矿物比磁化系数小于15 10 6cm3 g 二 发光性 发光性是指矿物受外来能量激发 能发出可见光的性质 根据发光激发源的不同 可将发光分为 光致发光 阴极射线发光 辐射发光 热致发光 此外 还有电致发光 摩擦发光 化学发光等 根据发光持续时间的长短又分为荧光和磷光两种类型 矿物的发光主要与矿物中的晶体缺陷和杂质有关 而多数组分纯净的矿物是不发光的 三 导电性与荷电性 1 导电性矿物对电流的传导能力称为导电性 矿物的导电性在很大程度上依赖于化学键的类型 具有金属键的矿物 因在其结构中有自由电子存在 所以导电性强 离子键或共价键矿物导电性弱或不导电 矿物的导电性根据电阻系数 cm 大小 将矿物分成下列三种 1 良导体矿物 电阻系数为102 10 6 cm 2 半导体矿物 电阻系数为103 1010 cm包括较少的富含铁和锰的硅酸盐及铁 锰等元素的氧化物 某些非导体当温度升高时 便变成半导体 3 非导体矿物 在室温下电阻系数为1011 1016 cm 或更大 的矿物 2 荷电性矿物在外部能量作用下 能激起矿物晶体表面荷电的性质 称为矿物的荷电性 具有荷电性的矿物 其导电性极弱或不具导电性 荷电性可分为 1 压电性 某些矿物晶体 在机械作用的压力下或张力影响下 因变形而导致的荷电性质称压电性 2 热电性 矿物的热电性是指某些矿物晶体 当受热或冷却时 在晶体的某些结晶方向产生荷电的性质 第四章矿床 矿石学基础 一 有关矿床的基本概念 一 矿产的种类 矿产的分类有多种方式 如按产出状态可分为气体矿产 液体矿产 固体矿产三种 按矿产的性质及其主要工业用途 又可分为金属矿产 非金属矿产 可燃有机矿产和地下水资源四类 考虑到宝玉石的具体情况 下列主要介绍后一种分类方案 1 金属矿产矿物展示 方铅矿 金矿 铬铁矿 金属矿产是指能从中可提取金属元素的矿物资源 按工业用途又分为 1 黑色金属 铁 锰 铬 钒 钛等 2 有色金属 铜 铅 锌 镍 钴 钨 锡 钼 铋 锑 汞等 3 轻金属 铝 镁等 4 贵金属 金 银 铂 钯 锇 铱 钌 铑等 1 金属矿产 5 放射性金属 铀 钍 镭等 6 稀有 稀士和分散金属 可分为三类 稀有金属 钽 铌 锂 铍 锆 铯 铷 锶等 稀土金属 包括原子序数39和57 71的16个元数 根据地球化学性质又分为 轻稀土金属 铈族元素 包括镧 铈 钕 钷 钐 铕等 重稀土金属 钇族元素 包括钇 钆 铽 镝 钬 铒 铥 镱 镥等 分散金属 如锗 镓 铟 铊 铪 铼 镉 钪 硒 碲等 2 非金属矿产矿物展示 石膏 沸石 石英 非金属矿产是从中可提取非金属元素或可直接利用的矿物资源 按工业用途又可分为 1 宝玉石及工业美术材料矿产 如钻石 翡翠 红宝石 蓝宝石等 2 建筑及水泥材料 如花岗岩 大理岩 石灰岩 砂岩 珍珠岩 松脂岩等 3 陶瓷及玻璃工业原料 如长石 石英砂 高岭土 和粘土等 4 压电及光学原料 如压电石英 光学石英 冰洲石 和粘土等 5 工业制造业原料 如石墨 金刚石 云母 石棉 重晶石 刚玉等 6 化学工业原料 如磷灰石 磷块岩 黄铁矿 钾盐 岩盐 明矾石等 7 冶金辅助原料 如萤石 菱镁矿 耐火粘土等 2 非金属矿产 3 可燃有机矿产 是指可为工业或民用提供能源的地下资源 按产出状态可分为三类 1 固体的可燃有机矿产 如煤 油页岩 地蜡 地沥青等 2 液体的可燃有机矿产 如石油 3 气体的可燃有机矿产 如天然气等 煤 石油 天然气 4 地下水资源 包括地下饮用水 技术用水 矿泉水 地下热水和卤水等 地下河出口瀑布 二 同生矿床和后生矿床 1 同生矿床是指矿体与围岩在同一地质作用过程中 同时或近于同时形成的矿床 如由沉积作用形成的沉积矿床 由岩浆结晶分异作用形成的岩浆矿床等 2 后生矿床指矿体的形成明显晚于围岩的一类矿床 例如某些热液矿床 其矿脉切穿围岩 其形成时间明显晚于围岩 三 矿体的形状和产状 1 矿体的形状 1 等轴状矿体 指三轴在三度空间大致均衡延伸的矿体 按其规模又有不同各称 例如直径数十米以上的称矿瘤 直径只有只米的称矿巢 直径更小的称矿囊或矿华袋等 这种矿体在宝玉石矿床中也较为常见 2 板块矿体 是指主要呈二维延伸的矿体 又有两种基本类型 矿层 是指沉积堆积作用形成的板块矿体 宝玉石矿床中的砂矿 残坡积矿床可呈这种类种产出 矿脉 是指产于各种岩石裂隙中的脉状矿体 属典型的后成矿床 宝玉石矿床呈这种形式产出和矿体较多 3 柱状矿体 是指一个方面延伸较大 而其它两个方面延伸较小的矿体类型 金刚石矿体常呈这种形状产出 2 矿体的产状指矿体产出的空间位置和地质环境 主要包括以下内容 1 矿体的空间位置 包括走向 倾向和倾角 2 矿体的埋藏情况 是露出地表 露天矿 或埋于地下 隐伏矿 3 矿体与岩浆岩的关系 4 矿体与围岩的关系 5 矿体与地质构造的关系 1 围岩指矿体周围的岩石 由于矿床成因的复杂性 因而矿体与围岩的关系也变化多端 2 母岩指在矿床形成过程中 为成矿提供主要成矿物质的岩石 与矿体的空间上 时间上 主要在成因上存在密切的联系 四 围岩和母岩 1 矿石是指从矿床中开采出来的 能从中提出有用组份 元素 化合物或矿物 的矿物或矿物集合体 矿体一般由矿石矿物和脉石矿物两部分组成 矿体矿物是指可被利的金属和非金属矿物 也称有用矿物 如红宝石矿床中的刚玉 脉石矿物是指不能被利用的矿物 也称无用矿物 如红宝石矿床中的石英 云母等 2 脉石一般泛指矿体中的无用物质 包括围岩的碎块 夹石 的脉石矿物 它们通常在矿床开采过程中被废弃掉 五 矿石和脉石 红宝石与刚玉 六 矿石的构造和结构 1 矿石的构造 是指组成矿石的矿物结合体的特点 即矿物集体的形态 相对大小及其空间相互的结合关系等所反映出来的形态特征 如玛瑙的条带状构造等 矿石的构造主要靠肉眼观察 柴状玛瑙石 是指矿石中矿物颗粒的特点 即矿物颗粒的形态 相对大小 及其空间相互关系等所反映出来的形态特征 如翡翠常的粒状镶嵌结构等 矿石的结构主要靠镜下观察 2 结构 七 矿石的品级和品位 1 品位矿石中有用组分的含量称为品位 我们还经常使用边界品位和工业品位两个名词 边界品位是用来划分矿体与非矿体的最低品位 即超过这个品位是矿体 达不到这个品位值不是矿体 工业品位是指在当前科学技术及经济条件下能供开采和利用矿段或矿体的最低平均品位 2 品级主要根据矿石的品位和有益 有害组成的含量来确定 矿石的品位越高 有益组分含量越高 有害组分含量越低 矿石的品级就越高 八 决定矿床工业价值的因素 决定矿床工业价值的因素很多 但主要因素有下列三个 1 矿床本身的特征和性质包括矿体的形态 产状和储量 矿石的质量 品位 品级 矿石综合利用价值和矿床开采 选矿 冶炼技术条件等 对宝玉石等非金属矿床 则不仅要注意矿床的储量和品位 而且要注意有用矿物的物理性质 化学性质 以及工艺技术特点 2 国民经济和国防建设对矿产的要求主要包括经济建设和国防建设计划中对各类矿产的需求量 矿床的地理分布 该地区的发展远景计划等 对宝石矿床则主要考虑市场的需求 所能创造的经济效益等 3 矿区的经济因素如劳力资源 水文地质 工程地质 交通运输以及粮食 劳动力供应等 九 矿床成因类型和工业类型 1 矿床成因类型是指按照矿床的形成作用和成因划分的矿床类型 如伟晶矿床 热液矿床 沉积矿床 风化矿床 变质矿床等 2 矿床工业类型是在矿床成因类型基础上 从工业利用的角度来进行划分的类型 二成矿作用 主要矿床及矿石类型 一 元素的富集和成矿 元素在地壳和上地幔中的含量运动变化的结果 或导致元素分散 或是导致元素集中 元素这种运动变化和迁移的过程 称为元素的迁移 可以说 没有元素的迁移 就没有成矿作用发生 即元素必须通过一定的地质作用发生迁移 并富集达到能成为矿床的程度 才能成为矿床 元素迁移富集的程度可用浓度系数表示 所谓浓度系数是该元素矿床工业品位与其在地壳中平均含量的比值 2 化学作用 2 化学作用通过化学反应而生成矿石矿物 导致元素集中 主要的作用有 1 化合作用 化合作用发生在气体 液体和固体之间 2 胶体化作用 如高岭土吸收溶液中的铜 形成硅孔雀石等 3 生物化学作用 如礁灰岩即就是又各种造礁生物通过生物化学作用而形成 实际上也是一种化学作用 但它是特指溶液与岩石在接触过程中 发生的一些组分代入和另一些组分代出的地球化学作用 这种作用广泛发生于岩浆岩与围岩相接触的地带 宝玉石中许多矿床的形成与此相关 如矽卡岩型红宝石矿床 石榴石矿床等 3 交代作用 4 离子交换作用 这种作用在内生和外生作用中均广泛存在 在宝玉石矿床成作中也占显著地位 是指矿物中的一种或多种元素被性质相同的另一种或多种元素置换 而矿的结晶学性质未发生变化 仅某些物理性质发生变化的现象 类质同象置换作用在宝玉石矿床形成中至关重要 对大多数宝玉石矿床而言 没有类质同象置换 就没有这类矿床的形成 例如红宝石 其矿物是刚玉 仅其中铝被铬类质同象置换而使其成为红宝石 若没有该作用 则仅为无色刚玉 没有宝石学价值 5 类质同象置换作用 二 成矿作用 成矿作用是指在地球的演化过程中 使分散元素地壳和上地幔的化学元素 在一定的地质环境中相对富集形成矿床的作用 它是地质作用的一部分 按作用的性质和能量来源 可将成矿作用划分为内生成矿作用 外生成矿作用和变质成矿作用三大类 1 内生成矿作用 主要是由地球内部的能量作用导致形成各种矿床的地质作用 地球内部能的来源有多种方式 如放射性元素蜕变能 岩浆热能 在地球重力场中物质调整过程中释放出的能量等 内生成矿作用按其物理化学条件不同 可分为岩浆成矿作用 伟晶成矿作用 接触交代成矿作用和热液成矿作用等 2 外生成矿作用 主要是在太阳能影响下 在岩石圈上部 水圈 气圈和生物圈的相互作用过程中 导致元素集中 从而形成矿床的作用 外生成矿作用可分为风化成矿作用和沉积成矿作用两大类 外生成矿作用对宝石矿床而言 意义十分重大 3 变质成矿作用 在内生作用和外生作用中形成的岩石或矿床 由于地质环境发生变化 特别是温度 压力的变化 并有其它气液的参加 造成它们的矿物成分 化学成分 物理性质经及结构构造等都要发生改变 造成元素集中 形成矿床的过程 许多玉石矿床就是变质作用的产物 变质成矿作用按其产生的地质环境不同 可分为接触变质成矿作用 区域变质成矿作用和混合岩化成矿作用等 4 叠生成矿作用 这是一种复合的成矿作用 在自然界是常发生的 即在先形成的矿床或含矿建造基础上 又有后期成矿作用叠加 从而形成矿床的过程 叠加过程可使矿床成矿或更加富集 同时也可使原矿床贫化 具体依情况而定 三 岩浆矿床 一 概念和特点 1 概念岩浆矿床是由各类岩浆在地壳深处 经过分异作用和结晶作用 使分散在岩浆中的成矿物质聚集而形成的矿床 2 特点 1 成矿作用和成岩作用基本同时进行 2 矿体主要产于岩浆岩母岩内 3 浸染状矿体与母岩一般呈浙变或迅速过渡关系 贯入式矿体与母岩的界线清楚 4 矿石的矿物组成与母岩基本相同 则有用矿物明显富集而也 5 成矿温度一般较高 二 形成的地质条件 1 岩浆条件是首要条件 岩浆类型决定矿床类型 如金刚石主要与金伯利岩有关 2 大地构造条件大地构造环境决定岩浆岩类型 并由此决定矿床类型 3 岩浆的挥发份作用挥发份也称矿化剂 对成矿至关重要 许多矿床是在挥发份的直接参与下成矿的 便伟晶岩矿床实际上就是在挥发份的直接参与下形成的 4 同化作用岩浆在其形成和向上运移过程中 往往会熔化或溶解一些外来物质 如围岩碎块 从而使岩浆成分发生改变的作用 就是同化作用 不完全的同化作用称混染作用 5 岩浆的多期多次侵入作用对成矿的控制岩浆作用往往不是一步到位 而是多期多阶段活动 而且从成矿作用看 越是晚期的岩浆 成矿越有利 三 岩浆矿床类型 1 岩浆分异作用与岩浆分结矿床岩浆中的矿物按顺序进行结晶 并在重力和动力作用影响下分异和聚集的过程 称为结晶分异作用 2 岩浆熔离作用与岩浆熔离矿床在较高温下为一种均匀的岩浆熔融体 当温度和压力降低时 分离成两种或两种以上不混熔的熔融体的作用称为岩浆熔离作用 3 岩浆爆发作用与岩浆爆发矿床经分异或熔离作用的岩浆 通过爆发的方式到达地表 称岩浆爆发作用 所形成的矿床称岩浆爆发矿床 典型的有产大金伯利岩岩筒中的金刚石矿床等 四 伟晶岩矿床 一 概念和特点 1 概念伟晶岩是一种矿物颗粒结晶粗大的 具有一定内部构造特征的 常呈不规则岩墙 岩脉或透镜体产出的地质体 当伟晶岩中的有用矿或组分富集并达到工业要求时 便成为伟晶岩矿床 2 特点 1 化学成分 主要是氧和亲氧元素 稀有 稀土 和分散元素 放射性元素和挥发组分等 2 矿物成分 丰富多彩 据统计有300多种 3 典型结构 巨晶结构 4 典型构造 带状构造 巨晶集中在核心带或中央带 5 岩体大小 差别较大 二 典型的矿石类型 由岩浆结晶分异作用形成的矿石主要超基性岩中的铬铁矿矿石和铂族金属矿石 以及基性岩中的钒钛磁铁矿石 五 气水热液矿床 一 概念 气水热液是指在一定深度 几 几十公里 下形成的 具有一定温度 几十 几百 和一定压力 几十万 几亿帕 的气态和液态的溶液 其成分是以水为主 并含有其它挥发份和成矿金属 热液在各类成矿作用中广泛存在 可以说没有气液 许多成矿作用均不能进行 但在矿床地质研究中 气水热液矿床主要指除其它类型矿床外 与气水热液相关的矿床 典型的如哥伦比亚的祖母绿矿床 六 接触交代矿床 一 概念和特点 1 概念接触交代矿床主要是在中酸性 中基性侵入体与碳酸盐类岩石 或本钙镁质岩石 的接触带或其附近 同于含矿气水溶液