结晶学与矿物学

结晶学与矿物学CrystallographyandMineralogy,课前的话,课程说明教材和参考书考试方式其他,课程说明,课程名称:结晶学与矿物学CrystallographyandMineralogy授课教师:胡华、孟宪富授课对象:地质、资工、地化总学时数:地质44(28+16)；资工、地化40(28+12)周学时数:4考查方式:闭卷考试,教材和参考书,教材矿物学简明教程，戈定夷，地质出版社，1989参考书基础结晶学与矿物学，罗谷风，南京大学出版社，1993结晶学及矿物学（上、下），潘兆橹，地质出版社，1993结晶学及矿物学，赵珊茸，高等教育出版社，2004,考试方式,平时成绩占20%(包括出勤、上课、作业和实验情况)考试成绩占80%,其他,准备一个作业本我的办公地点:地科院2楼地质系办公室课程中有问题随时解决,1.理解要点,一、矿物的概念,绪论,一般认为矿物是在地壳中各种地质作用综合作用下形成的天然单质或化合物。人工制作的、地球以外的应与之区别。矿物绝大多数为固态无机物，少量是液态（自然汞、水等）和气态（二氧化碳、水蒸气等）的，有机矿物较少（琥珀等）。化学上均匀，具有相对固定的化学成分，可用化学式表示，但可在一定范围内变化。固体矿物绝大多数是晶质体，其内部的原子或离子作规律的排列而具有一定的结构，少数“固态”矿物是非晶质的，其内部原子或离子不作规律排列。矿物不是固定不变的。,一、矿物的概念,2.矿物的定义,绪论,矿物是指地质作用中形成的单质或化合物，具有相对固定的化学成分，晶质矿物还具有确定的内部结构，稳定于一定的物理化学条件，是组成岩石和矿石的基本单元。,二、晶体的概念,1.晶体,绪论,晶体是具格子构造的固体。,2非晶质,绪论,二、晶体的概念,内部质点不做格子状规则排列的物质叫作非晶质。除气体和液体外，那些看起来是固体，而内部质点不做格子状排列的物质，如玻璃、松香等也是非晶质，应属过冷液体，只有晶体才能称为真正的固体。,由图可见，晶体的内部结构中原子、离子是有规律排列的，具格子构造；非晶体的内部结构是不规律的，不具格子构造。但是，非晶体的内部结构在很小的范围内也具有某些有序性（如一个小红点周围分布着三个小蓝点），这种有序性与晶体结构中的一样。我们将这种局部的有序称为近程规律，而在整个结构范围的有序称为远程规律。显然，晶体既有近程规律也有远程规律，非晶体则只有近程规律。液体的结构与非晶态结构相似，也只具有近程规律；在气体中无远程规律也无近程规律。,晶体与非晶体结构（平面）示意图(a)晶体，（b）玻璃（非晶体）,晶体与非晶体在一定条件下是可以互相转化的，例如，岩浆迅速冷凝而成的火山玻璃，在漫长的地质年代中，其内部质点进行着很缓慢的扩散、调整，趋于规则排列，即由非晶态转化为晶态，这一过程称为晶化（crystallizing）或脱玻化（devitrification）。晶化过程可以自发进行，因为非晶态内能高、不稳定，而晶态内能小、稳定。相反，晶体也可因内部质点的规则排列遭到破坏而转化为非晶态，这个过程称为非晶化（noncrystallizing）。非晶化一般需要外能，例如一些含放射性元素矿物晶体，由于受放射性蜕变所发出的射线的作用，晶体遭到破坏而转变为非晶态。,3.准晶体,1984年在电子显微镜研究中，发现了一种新的物态，其内部质点排列具有远程规律，但没有平移周期，即不具格子构造。左图就是一种具有远程规律，但没有平移周期的图形，这种物态是介于晶体与非晶体之间的一种状态，人们称之为准晶态或准晶体（quasicrystal）。,三、矿物学和结晶学的概念及其学习意义,1.矿物学的内容：,绪论,研究矿物的化学成分、内部构造、外表形态、物理性质及其相互关系，并阐述地壳中矿物的形成和变化历史，探讨其时间和空间分布的规律及其实际用途的科学。其研究的主要对象为地壳中产出的、无机的、晶质矿物。,矿物学是一门很古老的学科，它的产生和发展是人类长期生产实践的结果。早在我国史前的旧石器时代，人们即开始认识了矿物和岩石，并用来制作生产工具(石器)和装饰品。,古代人们用矿物作器具,世界上比较系统描述矿物原料的最早著作应首推我国春秋末战国初(即公元前475年)的山海经，比西方的似金属论、石头论等问世要早得多，且内容更丰富。明代李时珍的医药专著本草纲目(1596年)全面可靠地描述了38种药用矿物的成分、形态、性质、鉴定特征、产状、产地及药用等；而战国时期(公元前475年公元前221年)的管子.地数中之“管子六条”则系最早揭示矿物共生的客观规律及自然界中某些有用矿产的指示矿物，是成因矿物学(geneticmineralogy)的萌芽思想之一。德国人阿格里科拉(GeorgiusAgricola)在著作论矿物的起源(1556年)中首先将矿物与岩石分开，并引入“矿物”这个名词。,三、矿物学和结晶学的概念及其学习意义,2.结晶学的内容：,绪论,研究晶体发生、生长、外部形态、内部结构及物理性质的科学。早期主要研究对象是自然界中生长的矿物晶体,为矿物学的一部分、到了十九世纪后半叶，成为一门独立的科学，但仍然为矿物学中的重要组成部分。,三、矿物学和结晶学的概念及其学习意义,3.在地质专业中的地位：,绪论,重要的专业基础课、直接为后继课程岩石学、构造地质学、石油地质学等打基础。,一、表示晶体构造规律性的几何图形空间格子,1空间格子的概念,第一篇几何结晶学基础,第一章晶体的基本性质,用以表示晶体内部质点排列的规律性。是从实际晶体构造中抽象出来的一种由相当点排列而成的几何图形。,氯化铯的晶体构造,第一篇几何结晶学基础,第一章晶体的基本性质,一、表示晶体构造规律性的几何图形空间格子,质点（Cl-、Cs+）在晶体构造中的任一方向上的相同部分呈等间距、周期性的重复出现，排列成三度空间的立体格子。,相当点,第一篇几何结晶学基础,第一章晶体的基本性质,一、表示晶体构造规律性的几何图形空间格子,为晶体构造中的一系列几何点，这些点周围的环境是完全相同的，即各相当点在相同的方向上隔相同的距离，有相同的质点分布。,（3）空间格子(lattice),第一篇几何结晶学基础,第一章晶体的基本性质,一、表示晶体构造规律性的几何图形空间格子,从具体的晶体构造中抽象出空间格子，就是通过在晶体构造中选取相当点来实现的，不管相当点选在Cl-离子的中心，还是选在Cs+离子的中心或其他任何地方，抽象出来的空间格子都是一样的。由相当点排列而成的几何图形叫做空间格子，相当点的分布体现了晶体构造中所有质点的重复规律，为了研究晶体内部构造中质点重复的规律而不受晶体大小的限制，可以设想相当点在三度空间是做无限排列的。,图a为一晶体的平面结构图，我们在结构中任意选择一个点（例如选在灰色的点），然后在结构中找出此点的相当点，将这套相当点抽取出来，如图b所示（在有些书籍中，将晶体结构中的相当点抽取出来所形成的一系列点的分布图案，称为点阵。）再将相当点按一定规则相连就形成了空间格子，如图c所示。,我们也可以选择红点或绿点或蓝点作为相当点，可以得到与灰点同样的空间格子。即：晶体结构中的任一点都可以找到与之满足条件的相当点，画出空间格子。同一晶体中以不同套相当点画出的空间格子是完全相同的，如图。,2空间格子的要素,第一篇几何结晶学基础,第一章晶体的基本性质,一、表示晶体构造规律性的几何图形空间格子,结点,是空间格子中的点，代表晶体构造中的相当点，在实际晶体构造中，结点可以为相同的离子、原子或分子占据。但结点本身不代表任何质点,是只具有几何意义的几何点。,行列,第一篇几何结晶学基础,第一章晶体的基本性质,一、表示晶体构造规律性的几何图形空间格子,由结点在直线上排列而成。空间格子中任意二结点联结起来的直线就是一条行列。行列中相邻结点之间的距离称为该行列的结点间距，同一行列中结点间距相等，彼此平行的行列结点间距也是相等的，不平行的行列，结点间距一般不等。,面网,第一篇几何结晶学基础,第一章晶体的基本性质,一、表示晶体构造规律性的几何图形空间格子,由结点在平面上排列而成。空间格子中任意三个不在同一行列上的结点就可联结成一个面网。面网上单位面积内的结点数目称为面网密度。互相平行的面网，面网密度相等，不平行的面网，面网密度一般不等。互相平行的相邻两面网之间的垂直距离称为面网间距。,相互平行的面网，面网密度必相同，且任二相邻面网间的垂直距离面网间距(interplanarspacing)也必定相等；互不平行的面网，面网密度及面网间距一般不同。面网密度大的面网其面网间距亦大，反之，密度小，间距亦小，如左图所示，其中AA，BB，CC，DD的面网密度依次减小，它们的面网间距d1,d2,d3,d4也依次减小。,平行六面体,第一篇几何结晶学基础,第一章晶体的基本性质,一、表示晶体构造规律性的几何图形空间格子,是空间格子的最小单位，由三对平行而且相等的面构成。在实际晶体中，这样划分出来的最小单位称为晶胞。空间格子可以看成是平行六面体在三度空间平行、无间隙地重复堆砌而成的。而整个晶体结构可以视为晶胞在三度空间平行、无间隙的重复堆砌。,二、晶面发育的一般规律,第一篇几何结晶学基础,第一章晶体的基本性质,晶体的多面体外形是其格子构造在晶体形态上的反映：晶体多面体为晶面（相当于格子构造的最外层面网）所包围，晶面相交成晶棱（相当于最外边的行列），晶棱汇聚成角顶（相当于结点）。,晶面、晶棱、角顶与面网、行列、结点的关系示意图,1.科塞尔原理,第一篇几何结晶学基础,第一章晶体的基本性质,二、晶面发育的一般规律,自然界的晶体，绝大部分是从液体中结晶出来的。温度降低、溶液过饱和、产生晶芽、溶液中的质点向晶芽上粘附，使结晶格子逐渐扩大。科塞尔提出地晶面生长规律：如图所示：1（三面凹角位置）2（两面凹角位置）3（新的一层的起点），即先长完一条行列，然后再长相邻行列，长满一层面网或再长第二层面网。晶面是平行地向外推移的。,2.布拉维法则晶体为面网密度大的晶面所包围,第一篇几何结晶学基础,第一章晶体的基本性质,二、晶面发育的一般规律,生长速度大的晶面逐渐缩小、消失；速度小的扩大，保留。生长速度主要受面网本身的性质（密度）影响，即与晶面的面网密度成反比关系。质点间的吸引力与它们之间距离的平方成反比，密度最小的晶面对介质中的质点的吸引力最大，具有最大的生长速度。,3.面角恒等定律,二、晶面发育的一般规律,第一篇几何结晶学基础,第一章晶体的基本性质,在理想条件下，相同面网密度的晶面生长速度相同，应是同形等大的。但在外界条件影响下，这些晶面得不到相等的发育，形成偏离理想晶体的歪晶，使这些晶面大小悬殊、形状各异。但是，成分和构造相同的所有晶体，其对应晶面间的夹角恒等，称为面角恒等定律。可用格子构造解释：成分和构造相同的晶体，其对应晶面的面网相同，其夹角必然相等。晶体生长时晶面又是平行向外推移的，因此，不论晶体生长的形态如何，其晶面间的夹角是不会改变的。,三、晶体的基本性质,1.自限性(selfconfinement),第一篇几何结晶学基础,第一章晶体的基本性质,晶体具有自发的形成几何多面体形态的性质，即自限性。非晶质是无定形的，不能自发的形成几何多面体形态，如玻璃。,2.均一性和异向性(homogeneity五角十二面体:e210;八面体:o111,【物理性质】浅铜黄色，表面带有黄褐的锖色；条痕绿黑色；强金属光泽，不透明。无解理；断口参差状。硬度66.5。相对密度4.95.2。性脆。【鉴定特征】据其晶形、晶面条纹、颜色、硬度等特征可与相似的黄铜矿、磁黄铁矿相区别。,黄铁矿(Pyrite),黄铁矿晶体集合体,毒砂(Arsenopyrite),【化学组成】FeAsS，在毒砂成分中常有Co类质同像置换Fe，此外可含微量Bi、Sb、Zn、Se等，其中大部分系机械混入物。【晶体结构】单斜晶系。【形态】单晶常呈柱状，集合体往往为粒状或致密块状。,毒砂,【物理性质】锡白色至钢灰色；表面常带浅黄的锖色；条痕灰黑；金属光泽，不透明。解理不完全。硬度5.56。相对密度5.96.29。以锤击之发砷之蒜臭，灼烧后具磁性。性脆。【鉴定特征】锡白色，硬度高，锤击发蒜臭。与白铁矿相似，但毒砂条痕加HNO3研磨分解后，再加入钼酸铵，可产生鲜黄绿色砷钼酸铵沉淀。,毒砂(Arsenopyrite),毒砂,第二类对硫化物第三类含硫盐,一、概述,第三大类氧化物和氢氧化物,第三篇矿物各论,包括一系列金属和非金属元素阳离子与O2-和OH-结合而成的化合物。260余种，按重量占地壳17%，仅次于含氧盐大类。有重要的造岩矿物（石英），有重要矿产资源（含Fe、Al、Sn、Ti、Nb、Ta、U、Tr等金属的矿物，压电石英，刚玉等）。,二、晶体化学和物理性质,1.阳离子类型,第三大类氧化物和氢氧化物,第三篇矿物各论,惰性气体型和过渡型阳离子为主，铜型离子中Sn较重要，其它铜型离子的氧化物多为次生矿物；3价和4价阳离子常组成重要氧化物或氢氧化物；1、2、5价阳离子常组成复化合物。,2.类质同象替代广泛,二、晶体化学和物理性质,第三大类氧化物和氢氧化物,第三篇矿物各论,常异价置换，尤其在成分复杂的铌、钽氧化物中更为发育。化学性质相近的元素常成组出现于同一矿物中。,3.晶体结构特点,二、晶体化学和物理性质,第三大类氧化物和氢氧化物,第三篇矿物各论,（1）O2-的半径（1.32A）远大于阳离子，大多数氧化物中O2-作等大球体立方或六方最紧密堆积，阳离子位于八面体或四面体空隙中，配位数6和4；少数阳离子（如U4+）较大，O2-作其他较紧密堆积，阳离子位于立方体空隙中，配位数8。这些结构均较紧密，各向联结力强，对称度高，多为高、中级晶族。,二、晶体化学和物理性质,第三大类氧化物和氢氧化物,第三篇矿物各论,（2）个别矿物族（石英族）因Si4+电价高，半径小，氧离子间排斥力很大，其质点不作紧密排列，呈空隙较大的架状结构；氢氧化物多具链状和层状结构，层间距离大，联系力较弱。（3）O2-和（OH-）电负性高（3.5），本大类矿物主要为离子晶格。阳离子离子电位（电价/半径）很高时（石英、刚玉），化学键向共价键过渡；某些过渡型离子的氧化物（如磁铁矿），还可有一定金属键特征。,4.物理性质特点,二、晶体化学和物理性质,第三大类氧化物和氢氧化物,第三篇矿物各论,（1）氧化物多具较高的硬度（最高9），较大的比重（多4.0以上），仅作架状结构的石英比重较低；氢氧化物的硬度和比重一般均比氧化物低。（2）阳离子为惰性气体型的氧化物和氢氧化物，透明无色，玻璃光泽（含杂质除外）；为过渡型或铜型的氧化物和氢氧化物多具彩色或钢灰至铁黑色，半-不透明，金刚-半金属光泽。即使晶体结构为同一族的矿物也是如此，如刚玉（Al2O3,惰性气体型）和赤铁矿（Fe2O3,过渡型）。,三、成因特点,第三大类氧化物和氢氧化物,第三篇矿物各论,1.价态受环境影响低价态内生、还原条件为主，高价态外生、氧化条件为主。2.铜型离子的氧化物分布少此类离子倾向于形成硫化物，其氧化物仅常见于硫化矿床的氧化带内。,简单氧化物,刚玉族：刚玉(Al2O3)、赤铁矿(Fe2O3)金红石族：金红石(TiO2)、锡石(SnO2)、软锰矿(MnO2)晶质铀矿族：晶质铀矿(UO2)石英族：石英(SiO2)、蛋白石(SiO2H2O),第一类氧化物简单氧化物,刚玉,赤铁矿,镜铁矿,金红石,锡石,第一类氧化物简单氧化物,软锰矿,石英晶族,紫水晶,方英石,玛瑙,第一类氧化物,(一)简单氧化物,第三大类氧化物和氢氧化物,第三篇矿物各论,可分为简单和复杂两类氧化物，前者阳离子只有一种，后者两种以上。,刚玉族本族为A2X3型化合物，三方晶系，具刚玉型构造，O2-作六方最紧密堆积，阳离子充填于三分之二的八面体空隙中，配位数6。,刚玉(Corundum),【化学组成】Al2O3，有时含微量的Fe、Ti、Cr、Mn、V、Si等，以类质同像置换或机械混入物形式存在于刚玉中。【晶体结构】三方晶系。【形态】晶体通常呈腰鼓状、柱状，少数呈板状或片状。,刚玉集合体,【物理性质】一般为灰、黄灰色，含Fe者呈黑色；含Cr者呈红色者，称红宝石；含Ti而呈蓝色称蓝宝石；在有些红宝石和蓝宝石的0001面上可以看到成定向分布的六射针状金红石包体而呈星彩状，称星彩红宝石或星彩蓝宝石；玻璃光泽。无解理；常因聚片双晶或细微包体产生0001或101的裂开。硬度9。相对密度3.954.10。熔点20002030C，化学性质稳定，不易腐蚀。【鉴定特征】以其晶形，双晶条纹和高硬度作为鉴定特征。,刚玉(Corundum),赤铁矿(Hematite),【化学组成】Fe2O3，常含Ti、Al、Mn、Fe3+、Cu及少量Ca、Co类质同像混入物。有时含TiO2、SiO2、Al2O3等混入物。【晶体结构】三方晶系。【形态】单晶常呈板状，主要由板面(平行双面)与菱面体等所成之聚形(图Y-7)。集合体形态多样：显晶质的有片状、鳞片状或块状；隐晶质的有鲕状、肾状、粉末状和土状等。,赤铁矿的晶体集合体,【物理性质】显晶质的赤铁矿呈铁黑至钢灰色，隐晶质的鲕状，肾状和粉末状者呈暗红色；条痕樱桃红色；金属光泽(镜铁矿、云母赤铁矿)至半金属光泽，或土状光泽；不透明。无解理。硬度5.56，土状者显着降低。相对密度5.05.3。性脆。镜铁矿常因含磁铁矿细微包裹体而具较强的磁性。【鉴定特征】樱桃红色条痕是鉴定赤铁矿的最主要特征。此外，形态和无磁性(镜铁矿例外)可与磁铁矿相区别。,赤铁矿(Hematite),镜铁矿晶体集合体,第一类氧化物,第三大类氧化物和氢氧化物,第三篇矿物各论,金红石族AX2型，多数晶体构造属金红石型，O2-成六方最紧密堆积，阳离子位于八面体空隙中，配位数6；阳离子形成M4+O62-八面体沿C轴方向，以棱相连成牢固的链。多属四方晶系，常呈柱状、棒状、针状警惕，并具平行延长方向的解理。,金红石(Rutile),【化学组成】TiO2，常含Fe、Nb、Ta、Cr、Sn等类质同像混入物。【晶体结构】四方晶系。【形态】常见完好的四方短柱状、长柱状或针状，这与其形成条件有关。当有Nb、Ta、Fe、Sn等混入物存在时，常成双锥状、短柱状晶形；而当结晶速度较快，则出现长柱状、针状晶形。双晶依(101)成肘状双晶和三连晶以及环状六连晶;依(301)成心状双晶者少见。集合体成致密块状。,金红石的柱状晶体,【物理性质】常见褐红、暗红色，含Fe者呈黑色；条痕浅褐色；金刚光泽；微透明。解理平行110中等。硬度66.5。相对密度4.24.3。性脆。铁金红石和铌铁金红石均为黑色，不透明。铁金红石相对密度4.4，而铌铁金红石可达5.6。【鉴定特征】四方柱形,膝状双晶,带红的褐色、柱面解理完全为特征。溶于磷酸冷却稀释后，加入Na2O可使溶液变成黄褐色(钛的反应)。与相似矿物锡石和锆石的区别是：锡石具较大相对密度(6.87.0),而锆石具较大的硬度(7.5)。,金红石(Rutile),第一类氧化物,第三大类氧化物和氢氧化物,第三篇矿物各论,晶质铀矿族AX2型氧化物，等轴晶系，具萤石型结构，将晶胞分为八个小立方体，O2-位于每个立方体中心，形成简单的立方体格子，阳离子充填于8个O2-组成的立方体空隙中心（半数），对于晶胞而言，阳离子正好位于角顶和面心，配位数8。,第一类氧化物,第三大类氧化物和氢氧化物,第三篇矿物各论,石英族包括SiO2的一系列同质多象变体，以-石英最常见，-石英稳定于573以上，温度降低转变为-石英，-鳞石英和-方英石虽温度更高，但低温时转变慢，故可见于喷出岩中。,第一类氧化物,第三大类氧化物和氢氧化物,第三篇矿物各论,石英族晶格具架状结构，基本单位为四个O2-包围一个Si4+所形成的硅氧四面体，Si4+的配位数4。晶体结构中各四面体以角顶共用。各变体Si-O-Si连接角度不同。温度高者结构较为舒张。各晶体变体的对称、形态、物性等方面均有所不同。,第一类氧化物,第三大类氧化物和氢氧化物,第三篇矿物各论,-石英（1）-石英的晶形三方晶系，对称型L33L2，通常呈六方柱m101-0和菱面体r101-0、z011-1的聚形，柱面上具横纹；有的晶体上还可出现三方双锥s112-1和三方偏方面体x516-1；具s面上的细纹方向或x面的位置，可将-石英分为左形和右形，这是由于硅氧四面体的排列有左旋和右旋的原因。,第一类氧化物,第三大类氧化物和氢氧化物,第三篇矿物各论,（2）-石英的双晶常出现双晶：道芬双晶为两个左形或两个右形晶体依双晶轴c形成的双晶；巴西双晶由一左一右两个晶体依双晶面（112-0）而成的双晶；日本双晶较少见。,第一类氧化物,第三大类氧化物和氢氧化物,第三篇矿物各论,（3）-石英的常见变种显晶质的-石英可分为紫水晶、烟水晶、墨晶、乳石英等；隐晶质可分为碧玉、石髓（玉髓）、玛瑙、燧石等。,第一类氧化物简单氧化物,复杂氧化物,钛铁矿族：钛铁矿(FeTiO3)尖晶石族：磁铁矿(FeFe2O4)、铬铁矿(FeCr2O4)黑钨矿族：黑钨矿(Mn,Fe)WO4),第一类氧化物复杂氧化物,钛铁矿,尖晶石,磁铁矿,黑钨矿,铬铁矿,（二）复杂氧化物,第一类氧化物,第三大类氧化物和氢氧化物,第三篇矿物各论,尖晶石族AB2X4型氧化物，其中A为Mg2+、Fe2+、Zn2+、Mn2+等，B为Al3+、Fe3+、Cr3+、V3+、Ti4+等。按B离子种类，可分三个系列:尖晶石系列（Al3+为主）磁铁矿系列（Fe3+为主）铬铁矿系列（Cr3+为主）本族矿物均属等轴晶系，具尖晶石结构，O2-作立方最紧密堆积；三分之一的阳离子位于四面体空隙中，配位数4；三分之一的阳离子位于八面体空隙中，配位数6。尖晶石族类质同象现象十分广泛。,第一类氧化物,第三大类氧化物和氢氧化物,第三篇矿物各论,黑钨矿族包括钨锰矿MnWO4和钨铁矿FeWO4两种矿物，为完全类质同象关系，在自然界出现的主要是二者的类质同象混晶黑钨矿。,第一类氧化物复杂氧化物,第二类氢氧化物,第三大类氧化物和氢氧化物,第三篇矿物各论,为（OH）-的化合物，阳离子有Mg2+、Al3+、Fe3+以及Mn2+和Mn4+等。晶体结构有层状和链状两种基本类型。,层状结构由两层（OH）-或O2-离子，中间夹一层阳离子形成比较牢固的三重层，三重层间则以微弱的分子键联系（氢氧镁石Mg(OH)2），或以较弱的氢键联系（一水软铝石AlO(OH)）。在氢氧镁石中，（OH）-做六方最紧密堆积，其紧密层平行（0001），Mg2+则隔层进入八面体空隙，占满一层全空一层。形成（OH）Mg（OH）、（OH）Mg（OH）一系列的三重层互相叠置的晶体结构（与C轴垂直）。一般硬度较低、比重较小，晶形为片状。,第二类氢氧化物,第三大类氧化物和氢氧化物,第三篇矿物各论,链状结构中O2-和（OH）-与阳离子Al3+、Fe3+形成平行C轴的双排八面体链。双链联结处的阴离子为O2-而不是（OH）-，因而结构比较牢固。一般硬度和比重均较高，晶形针状。氢氧化物主要是原生矿物分解后形成的氢氧化物水溶胶就地或异地宁聚形成。常具鲕状、钟乳状、土状、多孔状、致密状等隐晶质几何体形态。晶体细小，成份复杂。,第二类氢氧化物,第三大类氧化物和氢氧化物,第三篇矿物各论,铝的氢氧化物铝土矿（铝矾土）铝土矿是由若干种铝的氢氧化物形成的细分散多矿集合体。,铁的氢氧化物褐铁矿铁的氢氧化物集合体成分复杂，统称褐铁矿，主要包括纤铁矿和针铁矿。,第二类氢氧化物,褐铁矿,针铁矿,硬锰矿,铝矾土,第二类氢氧化物,概述,第四大类含氧盐,第三篇矿物各论,含氧盐是金属阳离子和含氧酸根结合而成的化合物。分布极广，占已知矿物总数2/3以上。可分为八大类：硅酸盐类硼酸岩类磷酸盐砷酸盐钒酸盐类钨酸盐钼酸盐类铬酸盐类类硫酸盐类碳酸盐类硝酸盐类,1.络阴离子特点,概述,第四大类含氧盐,第三篇矿物各论,晶体结构中，含氧酸根呈独立的阴离子团（络阴离子），因不同络阴离子的形状、半径、电价等的不同，引起各类含氧盐的化学成分、物理性质、成因的不同；络阴离子的负电价越高，其无水正盐的硬度越大，越倾向于高温、内生条件下形成，如橄榄石；反之，矿物的硬度低，溶解度大，倾向外生低温条件下形成，如硫酸盐、硝酸盐等。,概述,第四大类含氧盐,第三篇矿物各论,2.阳离子特点,概述,第四大类含氧盐,第三篇矿物各论,参加含氧盐晶格的金属阳离子种类极为广泛，以惰性气体型最重要，次为部分过渡型离子，铜型离子较少进入含氧盐。一般说来，阳离子半径大小、电价高低与络阴离子的半径和电价是相适应的，即二者大半径和大半径、高价和高价结合才稳定，如锆石（ZrSO4）、独居石（Ce,La）PO4）、重晶石（BaSO4）、方解石（CaCO3）等，否则常形成含水盐，或只能在特定条件下形成，在地表易分解。,3.晶体化学特点,概述,第四大类含氧盐,第三篇矿物各论,含氧盐的晶体化学特点是阴离子团的中心阳离子具有小的离子半径和高的电荷，而配位数一般不大。其与氧结合形成络阴离子团，是由于静电价键力（简称价键力=阳离子价数/周围氧离子数）的存在。晶格中最强的阴-阳离子静电价键力的强度大于其阴离子静电价的1/2，（个别等于）。如O2-静电价的1/2为1价。含氧盐的络阴离子中的价键力一般都大于1。如NO31-为5/3；CrO42-为6/4；SO42-为6/4；CO32-为4/3；PO43-为5/4；AsO4-3为5/4；BO33-为3/3（即等于1）；SiO44-为4/4，也等于1。可见，氧离子与团内中心阳离子的结合力远比与团外阳离子的结合要牢固的多。,4.晶格特征,概述,第四大类含氧盐,第三篇矿物各论,含氧盐络阴离子内部以共价键为主，络阴离子与其外阳离子结合时则多为离子键，在整个晶体则为典型的离子晶格。矿物以透明、白色条痕、玻璃光泽为主。硬度变化极大，1-8，具层状结构者低。,一、概述,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,硅（27.72%）和氧（46.6%）是地壳中分布最广的两种元素。硅酸盐矿物是组成地壳的物质基础，占地壳总重近80%，矿物种类占已知矿物的1/3，约800种。是主要的造岩矿物，是土壤的主要组分，是重要的矿产资源。,二、结构特点,1.硅氧四面体,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,硅酸盐的络阴离子为硅氧四面体，化学式为SiO44-，可以单独和阳离子结合成正硅酸盐，也可以由两个、多个乃至无数个硅氧四面体通过共同顶点（共用一个氧）自行联结，形成复杂的络阴离子骨干。此时，相邻四面体只能共用顶点（一个氧），不能共用棱（两个氧）、面（三个氧），因为此时两个四面体中的Si4+距离太近，其斥力大而使晶格不稳定。,SiO4四面体,2.硅酸根的基本形式,二、结构特点,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,（1）孤立四面体SiO44-，没有自行联结，在晶格中仍以孤立的四面体形式存在；（2）双四面体Si2O76-，两个四面体通过一个共用的O2-联结起来形成的络阴离子，由于省去一个氧，故其氧是7个；络阴离子为-6价；,Si2O7双四面体,二、结构特点,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,（3）环状四面体骨干，常见者为六方环Si6O1812-,二、结构特点,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,（4）链状四面体骨干，硅氧四面体首尾沿一个方向（C轴方向）相联，无限延长，可分为：辉石式链Si2O64-，由硅氧四面体成单行无限联结而成；角闪石式链Si4O116-，双链状络阴离子，由两行辉石连侧向并联而成。此外还有矽线石链，较少见。,二、结构特点,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,（5）层状四面体骨干，常见者为四面体按六方网格状联结起来的层状络阴离子Si4O104-,层状四面体骨干Si4O10,二、结构特点,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,（6）架状四面体骨干AlxSin-xO2nx-，硅氧四面体在三度空间无限联结，在整个晶体构造中形成一个整体。当一个硅氧四面体的4个O2-都被共用时，Si和O的比率即为12，其“络阴离子”化学式为SiO20，即已无负价，不能成为阴离子，而是石英族矿物。但如果有部分Si4+被Al3+代替，即出现多余的负电荷和其他阳离子结合形成硅酸盐。,三、组成硅酸盐的主要离子,1.组成硅酸盐矿物的主要阳离子及阴离子的种类,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,组成硅酸盐矿物的阳离子主要是惰性气体型离子，部分过渡型离子，极少量铜型离子。作为阴离子，除去由Si-O所组成的络阴离子团外，还广泛出现各种附加阴离子，如O1-、F1-、Cl1-、(OH)1-以及S2-、CO32-、SO42-等，此外还有水分子加入。,2.阳离子的大小、电价及配位数情况,三、组成硅酸盐的主要离子,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,由于硅酸盐矿物中络阴离子团的连接方式多样，其不同晶格及不同方向上排列疏密不均，负电价不同，要求有大小不同、价态不同的阳离子进入晶格并保持电荷平衡。,三、组成硅酸盐的主阳离子,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,连接方式愈复杂的硅酸盐（架状），晶格愈开阔，空隙愈大，络阴离子所剩余的负电荷愈少，所要求的阳离子多为低电价和大半径的，其配位数也愈大（8、10、12），如K1+、Rb1+、Cs1+、Ca2+、Ba2+等。其余各亚类硅酸盐中的阳离子一般为电价偏高或中等、半径偏小、配位数较低（多为6，少量4、8，偶有9、7、5）的种类，如Fe2+、Mg2+、Ca2+、Al3+、Zr4+、Ti4+等。在同一矿物中的同种离子，可具有不同的配位数。主要阳离子的常见配位数为：4次：B3+、Be2+、Al3+、Ti4+、Fe3+、Zn2+6次：Al3+、Ti4+、Mg2+、Li1+、Zr4+、Mn2+、Ca2+、Fe2+8次：Zr4+、Na1+、Ca2+、Fe2+、Mn2+12次：K1+、Ba2+,3.硅酸盐矿物中的阳离子类质同象替代,三、组成硅酸盐的主要离子,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,由于硅酸盐晶格主要为离子型，不具方向性，同时SiO44-的变形性小，致使矿物中类质同象普遍发育，可以为等价类质同象，如橄榄石中的Mg2+与Fe2+呈（Mg、Fe）2SiO4；也可有异价类质同象，如斜长石中的Ca2+与Na1+呈（Ca、Na）（Al、Si）4SiO8。并在很多情况下可形成连续的矿物系列（完全类质同象系列），此时，矿物成份变化于两种性质相似的元素之间，但结构完全一致。,三、组成硅酸盐的主要离子,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,主要的类质同象系列有：Mg2+Fe2+Mn2+Ni2+Co2+Al3+Fe3+Cr3+Ti4+Na1+Ca2+TR3+Na1+K1+Ba2+K1+Rb1+Cs1+Zr4+Hf4+Th4+U4+Mg2+Al3+等等,三、组成硅酸盐的主要离子,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,4.硅酸盐矿物中的阴离子类质同象替代,阴离子之间也存在类质同象，如SiO4可被PO4或SO4替代；还可有广泛的附加阴离子进入晶格空隙以平衡电价。,5.硅酸盐矿物中的水,三、组成硅酸盐的主要离子,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,硅酸盐中的“水”常以（OH）-和H2O的形式存在矿物中。H3O+仅少量存在于某些层状硅酸盐中，且易转变为H+和H2O。H2O大多呈沸石水或层间水，只在少数硅酸盐中作为阳离子的配位体（结晶水）占有确定的位置（海泡石）。,四、铝在硅酸盐中的作用,1.铝在硅酸盐晶体结构中具有双重作用,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,（1）作为金属阳离子和硅酸根结合，形成铝的硅酸盐。如在绿柱石Be3Al2Si6O18中，Al3+作为阳离子，位于环状硅酸根之间，其配位数为6，位于O2-构成的八面体中；（2）代替硅进入四面体，形成铝硅酸根，和阳离子结合成铝硅酸盐。如正长石KAlSi3O8，此时Al和Si一样位于四面体中，配位数为4。,2.双重作用的原因,四、铝在硅酸盐中的作用,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,（1）铝元素的特点。氧化铝是两性氧化物，在酸性条件下形成阳离子，在碱性条件下形成铝酸根。Al3+的半径为0.51，与O2-的半径（1.32）的比值为0.386，接近配位数4和6的界限0.414。故在不同条件下可进入不同的晶格位置。（2）环境影响。由于在高温低压条件配位数趋于降低，高压低温趋于增大，所以，在高温低压、碱性条件下，Al3+趋向于替代硅进入四面体形成铝硅酸盐；反之在低温高压、酸性条件下，Al3+趋向于作为阳离子与硅酸根结合形成铝的硅酸盐。,四、铝在硅酸盐中的作用,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,铝硅酸盐易风化转变为铝的硅酸盐（低温条件），特别是在酸性环境中，如正长石KAlSi3O8风化为高岭石Al4Si4O10（OH）8；反之在变质（高温）条件下，高岭石等粘土矿物又可转为长石。当环境呈碱性时，即便是低温条件（如地表）也易于形成长石等铝硅酸盐。,五、晶格类型和性质,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,硅酸盐晶格中，在四面体骨干内部的Si与O间主要是共价键，在四面体骨干和阳离子之间主要是离子键，所以硅酸盐矿物主要表现透明、条痕白色、玻璃光泽等离子晶格的特点。但不同硅酸盐矿物所表现的物性十分复杂、多变，主要受两方面影响：,1.硅氧骨干,五、晶格类型和性质,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,硅氧骨干对矿物的成分、结构、形态、性质和成因均有重要影响，如岛状硬度大，主要形成内生和变质作用；层状硬度很低，主要形成外生条件。再如由于硅酸盐矿物中Si-O之间的化学键是最强的共价键，所以沿骨干排列方向矿物结合牢固，如具链状骨干的矿物晶体易长成柱、针、纤维等状，解理也只能在平行链的方向发生；具六方环状骨干的矿物，由于环中心空隙很大，矿物的比重和折光率较低，外形多呈六方柱状。,2.阳离子成分,五、晶格类型和性质,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,阳离子对硅酸盐的性质也有一定影响：惰性气体型离子的硅酸盐物色或浅色，过渡型离子硅酸盐颜色常很深。由于类质同象发育，常使同一族矿物在颜色、比重、折光率等性质上发生系统的过渡性变化。如：Mg2+Fe2+(Mn2+，Ni2+)，如橄榄石由Mg2SiO4过渡到Fe2SiO4，其颜色由白色逐渐加深到黄绿色，直到黑色。Al3+Fe3+(Cr3+、Ti4+)：如石榴石由Ca3Al2SiO43过渡到Ca3Fe2SiO43，其颜色由淡黄色、红褐色直到褐黑色。利用类质同象所引起的各种性质、成份的变化的规律，可通过类质同象组分（微量元素）的测定，判断矿物的形成环境。,六、硅酸盐类的分类,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,按络阴离子的形式分为五个亚类：岛状硅酸盐亚类络阴离子为孤立四面体和双四面体环状硅酸盐亚类络阴离子为环状硅氧骨干，其中以六方环最重要链状硅酸盐亚类络阴离子为链状硅氧骨干，其中以辉石式单链和角闪石式双链为重要层状硅酸盐亚类络阴离子为层状硅氧骨干，其中以六方网状层最重要架状硅酸盐亚类络阴离子在构造中联成一个整体，当无铝代替时，即为石英族，当有铝代硅时（个别情况是铍代替硅），即形成架状硅酸盐（铝硅酸盐）。,第一亚类岛状硅酸盐,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,硅氧骨干为孤立四面体SiO44-和双四面体Si2O76-，负电价分别为-4和-3，在所有硅氧骨干中是最高的。阳离子主要有：Zr4+、Ti4+、Al3+、Fe3+、Cr3+等，也是电价较高的，二价阳离子Mg2+、Fe2+、Mn2+、Ca2+等也大量参加晶格，但多是和高价阳离子一同进入。因结构紧密，电价较高，故硬度（5-6）、比重（3）和折光率一般都较高，常具较完整的晶形。主要为内生和变质成因，外生极少。,第一亚类岛状硅酸盐,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,锆,橄,榴,蓝,红,矽,第一亚类岛状硅酸盐,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,十,黄,榍,绿,符,1.锆英石族,第一亚类岛状硅酸盐,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,2.橄榄石族,第一亚类岛状硅酸盐,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,橄榄石,镁橄榄石,铁橄榄石,3.石榴石族,第一亚类岛状硅酸盐,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,化学式为A3B2SiO43，A为Mg2+、Fe2+、Mn2+、Ca2+等二价阳离子，B为Al3+、Fe3+、Cr3+等三价阳离子,第一亚类岛状硅酸盐,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,按阳离子间的类质同象关系可分为：铝榴石系（Mg2+、Fe2+、Mn2+）3Al2SiO43，包括镁铝榴石、铁铝榴石、锰铝榴石，其三价阳离子为半径较小的Al3+，二价阳离子Mg2+、Fe2+、Mn2+完全类质同象。钙榴石系Ca3（Al3+、Fe3+、Cr3+）2SiO43，包括钙铝榴石、钙铁榴石、钙铬榴石等，其二价阳离子为半径较大的Ca2+，三价阳离子Al3+、Fe3+、Cr3+之间完全类质同象。两系之间只能有限替代，自然界的最常见的石榴石一般均可从成分上分别归入镁铝-铁铝榴石和钙铝-钙铁榴石两个系列中的一个。,第一亚类岛状硅酸盐,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,晶体结构为等轴晶系，结构中的孤立四面体被三价阳离子联结成牢固格架，二价阳离子充填在空隙中，晶体结构远比纯由二价阳离子联结的橄榄石牢固，具较高的硬度，比重和较强的抗风化能力。,铁铝榴石,镁铝榴石,钙铝榴石,钙铁榴石,4.蓝晶石族,第一亚类岛状硅酸盐,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,化学成分同为Al2O3SiO2，包括蓝晶石、红柱石、矽线石三个变体，其中矽线石具链状硅氧骨干结构，但三者关系密切，将其合并讨论。三者在晶体结构上的差别在于Al3+的配位数。三者平行C轴方向均存在牢固的Al-O八面体链，因此虽然蓝晶石和红柱石为岛状硅酸盐，但也和矽线石一样，呈平行C轴延长的柱、针、板条状等形态。,第一亚类岛状硅酸盐,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,蓝晶石：Al2SiO4O，其Al3+的配位数均为6，即均为6个O2-所包围，形成于高压条件下；,蓝晶石,第一亚类岛状硅酸盐,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,红柱石：AlAlSiO4O，其一半的Al3+的配位数为6，另一半为5，即有一半的Al3+被5个O2-所包围，形成于中温、中压条件下；,第一亚类岛状硅酸盐,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,矽线石：AlAlSiO5，除一半Al3+仍为6个O2-包围外，另一半的配位数为4，即和Si4+一起进入骨干四面体中，实际上为阳离子铝的（链状）铝硅酸盐，形成于高温条件下。,5.十字石族,第一亚类岛状硅酸盐,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,6.黄玉族,第一亚类岛状硅酸盐,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,7.榍石族,第一亚类岛状硅酸盐,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,8.绿帘石族,第一亚类岛状硅酸盐,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,9.苻山石族,第一亚类岛状硅酸盐,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,第二亚类环状硅酸盐,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,晶体结构中的硅氧骨干是硅氧四面体环，其中主要是六方环Si6O1812-，矿物多属三方或六方晶系，具六方柱外形。环状络阴离子间以阳离子Al3+、Mg2+、Be2+等牢固联结，矿物硬度和化学稳定性较大。但环中空隙较大，除可容纳各种离子和分子外，还致使矿物比重减低。,绿柱石族：绿柱石（Be3Al2Si6O18）堇青石（(Mg,Fe)2Al3AlSi5O18）电气石族：电气石（Na(Mg,Fe,Mn,Li,Al)3Al6Si6O18BO33(OH,F)4）,第二亚类环状硅酸盐,1.绿柱石族,第二亚类环状硅酸盐,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,绿柱石(Beryl),【化学组成】Be3Al2Si6O18有些绿柱石可含Na、K、Li、Cs、Rb等碱金属。碱金属含量与交代作用有关。【晶体结构】六方晶系；【形态】晶体多呈长柱状，富含碱的晶体则呈短柱状，或沿0001发育成板状。柱面上常有平行c轴的条纹，不含碱的比含碱的绿柱石柱面上条纹明显。,绿柱石的晶体结构示意图,绿柱石,【物理性质】纯的绿柱石为无色透明，常见的颜色有绿色、黄绿色、粉红色、深的鲜绿色等，深蓝色的称海蓝宝石，其蓝色由Fe2+引起，碧绿苍翠的称祖母绿，是一种极珍贵的宝石，其颜色由Cr2O3引起，此外，含Cs则呈粉红色，含少量Fe2O3及Cl则呈黄绿色；玻璃光泽；透明至半透明。解理不完全。硬度7.58。相对密度2.62.9。【鉴定特征】根据晶形和硬度及解理不发育易于识别。,绿柱石(Beryl),祖母绿,海蓝宝石,第二亚类环状硅酸盐,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,堇青石,堇青石(Cordierite),【化学组成】(Mg,Fe)2Al3AlSi5O18，成分中Mg和Fe为完全类质同像代替，但大多数堇青石是富镁的，因为在堇青石晶体结构中，Mg、Fe是四次配位的，Mg2+比Fe2+的半径小，进入四面体中更稳定。骨干外的Al3+可被Fe3+代替。另外，成分中常含H2O、K、Na等，在结构中的大孔道中。【晶体结构】斜方晶系；【形态】完好晶体不常出现，有时呈假六方柱晶体。,堇青石,【物理性质】无色，或浅蓝色、浅黄色；玻璃光泽；透明至半透明。解理010中等；贝壳状断口。硬度77.5。相对密度2.532.78。【鉴定特征】很象石英，但产状不同。确切鉴别需要在显微镜下进行。,堇青石(Cordierite),堇青石,2.电气石族,第二亚类环状硅酸盐,第四大类含氧盐第一类硅酸盐,第三篇矿物各论,电气石(Tourmaline),【化学组成】Na(Mg,Fe,Mn,Li,Al)3Al6Si6O18BO33(OH,F)4，电气石是一种硼硅酸盐矿物，即除硅氧骨干外，还有BO3络阴离子团。电气石类质同象现象相当普遍，镁电气石黑电气石之间以及黑电气石锂电气石之间形成两个完全类质同像系列，镁电气石和锂电气石之间为不完全的类质同像。【晶体结构】三方晶系【形态】晶体呈柱状，柱面上常见纵纹，集合体呈棒状、放射状、束针状、亦成致密块状或隐晶质块状。,电气石,【物理性质】颜色随成分不同而异：富含Fe的电气石呈黑色，富含Li、Mn和Cs的电气石呈玫瑰色，亦呈淡蓝色，富含Mg的电气石常呈褐色和黄色，富含Cr的电气石呈深绿色。此外，电气石常具有色带现象，垂直c轴由中心往外形成水平色带，或c轴两端颜色不同。玻璃光泽。无解理；有时可有垂直L3的裂开。硬度77.5。相对密度3.033.25，随着成分中Fe，Mn含量的增加，相