地球中元素与矿物

1、 第二章第二章 地球中的元素及矿物地球中的元素及矿物 1. 1. 地球中的元素 2. 2. 地球中的矿物 地球的质量近地球的质量近6060万亿亿吨万亿亿吨 （5.9765.97610102727g g）l几乎都集中在平均半径为几乎都集中在平均半径为6371km6371km的固体地球内的固体地球内l以岩石和金属的形态出现以岩石和金属的形态出现l其平均密度为其平均密度为5.52g/cm5.52g/cm3 3 l大气、水和生物体的总质量不足大气、水和生物体的总质量不足0.1%0.1%1. 1. 地球中的元素l宇宙中的元素是通过热核聚变反应，经历了从简单到复杂的形成演化过程的。地球物质复杂多样地球物质

2、复杂多样l地球上多种多样的物质，都是从基本粒子聚变而地球上多种多样的物质，都是从基本粒子聚变而成氢开始的成氢开始的l然后是四个氢合成一个氦，氦再进一步合成其它然后是四个氢合成一个氦，氦再进一步合成其它元素元素l约在约在150150亿年前的大爆炸以后亿年前的大爆炸以后50 50 100 100亿年时，亿年时，从轻元素到重元素，现今所有的元素就已逐渐形从轻元素到重元素，现今所有的元素就已逐渐形成成 美国化学家克拉美国化学家克拉克克 (F.W.Clarke,1847-1931)(F.W.Clarke,1847-1931)l根据大陆地壳中的5159个岩石、矿物、土壤和天然水的样品分析数据，于1889年

3、第一次算出元素在地壳中的平均含量数值(平均重量百分比)，即元素的丰度丰度l后人为了纪念这个创举，将它命名为克克拉克值拉克值。地壳中各元素的丰度地壳中各元素的丰度 氧氧(45.2%(45.2%） 钠钠(2.32%)(2.32%) 硅硅(27.2%)(27.2%) 钾钾(1.68%)(1.68%) 铝铝(8%)(8%) 钛钛(0.68%) (0.68%) 铁铁 (5.8%)(5.8%) 氢氢(0.14%)(0.14%) 钙钙(5.06%) (5.06%) 锰锰(0.10%)(0.10%) 镁镁(2.77%)(2.77%) 磷磷(0.10%)(0.10%) 其它所有元素其它所有元素(0.95%)(0

4、.95%)地壳中其它重要元素地壳中其它重要元素l 10-5 : Cu 5.5, Pb 1.25, Zn 7, Co 2.5, Ni 7.5l10-6 : W 1.5, Sn 2, U 2.7, Mo 1.5, As 1.8l10-7 : Sb 2l10-8 : Ag 7, Au 4l10-9 : Pt 5整个地球的物质（按重量计算）各元素的丰度l 铁铁34.6%34.6%；氧氧29.5%29.5%；硅硅15.2%15.2%；镁镁12.7%12.7% 镍镍2.4%2.4%；硫硫1.9%1.9%；钙和铝钙和铝2.2%2.2%l 其它所有元素共占1.5% 地核地核： 大部分以金属状态存在的铁和镍大部

5、分以金属状态存在的铁和镍l地壳和地幔地壳和地幔 ：大部分是氧和硅。：大部分是氧和硅。 镁、铁、铝也较多镁、铁、铝也较多l水圈水圈 ：以氧和氢为主：以氧和氢为主l生物圈生物圈 ：主要为碳、氢、氧和氮：主要为碳、氢、氧和氮 大气圈、水圈和生物体中的所有元素的质量和大气圈、水圈和生物体中的所有元素的质量和地球的总质量相比，不及千分之一地球的总质量相比，不及千分之一自然界物质组成的元素差异2.自然界中的矿物l 天然产出的天然产出的、具有一定化学成分化学成分和和内部晶体结构内部晶体结构的的均匀固体，通常由无机作用所形成l 矿物的集合体矿物的集合体称为 岩石岩石 岩石是混合物岩石是混合物 请注意分清岩石和

6、矿物孔孔雀雀石石金金刚刚石石红宝石红宝石(刚玉刚玉)水水晶晶石英矿物的定义是由天然产出且具有特定矿物的定义是由天然产出且具有特定的（但一般并非固定的）化学成分和内部的（但一般并非固定的）化学成分和内部晶体结构的均匀固体，通常由无机作用所晶体结构的均匀固体，通常由无机作用所形成。形成。 人造矿物不属地质学范畴 （已知矿物多种） 具一定化学成分（每种矿物有较稳定 的化学成分）。 绝大多数矿物是固态，极个别液态 （g） 固体矿物分为晶体和非晶体。煤碳煤碳花岗岩花岗岩石油石油黄铁矿晶体矿矿 物物 种种 数数 从从2020世纪初的世纪初的 20002000多种多种 2020世纪世纪9090年代的年代的

7、50005000多种多种随着人类认识自然界的能力提高随着人类认识自然界的能力提高, 发现的矿物种类增多发现的矿物种类增多 晶体晶体内部质点（原子、离子）在内部质点（原子、离子）在三维空间周期性重复排列（即有序排列）的三维空间周期性重复排列（即有序排列）的固体。固体。 非晶体非晶体 内部质点排列无序。内部质点排列无序。 晶体矿物晶体矿物具有晶体结构的矿物。具有晶体结构的矿物。 晶体与非晶体 晶 体格子构造格子构造有序排列的质点按规律将有序排列的质点按规律将几何点连成的三维空间格子。几何点连成的三维空间格子。晶形晶形晶体外部形态。晶体外部形态。 矿物晶体内部矿物晶体内部 - - 格子构造格子构造

8、矿物晶体内部矿物晶体内部 - - 格子构造格子构造 硅酸盐矿物的晶体结构 岛状岛状 环状环状 单链状单链状 双链状双链状 片状片状 矿物晶体结构 矿物的DNA 绝大部分矿物都是晶体绝大部分矿物都是晶体 德国物理家冯德国物理家冯劳埃劳埃(M.Von Laue, 1879-1960)(M.Von Laue, 1879-1960)用用X X光观测晶体，发现不管晶体的外形如何，内部的原子光观测晶体，发现不管晶体的外形如何，内部的原子、离子、分子都是、离子、分子都是有序的排列有序的排列这种质点的有序排列，就好像生物的这种质点的有序排列，就好像生物的基因物质基因物质 脱氧脱氧核糖核酸（核糖核酸（DNADN

9、A）一样）一样矿物的各种特征不仅与它的化学成分相关更受到它晶体构造的控制石墨 与 金刚石矿物分类矿物分类l 自然元素矿物：自然元素矿物： 如金，金刚石、石墨、如金，金刚石、石墨、 铜、银等铜、银等l 卤化物矿物：卤化物矿物： 如如食盐、钾盐、萤石食盐、钾盐、萤石等等l 硫化物矿物：硫化物矿物： 如黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、如黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、 闪锌矿、辉钼矿、雄黄等闪锌矿、辉钼矿、雄黄等l氧化物和氢氧化物矿物：氧化物和氢氧化物矿物：如赤铁矿、磁铁矿如赤铁矿、磁铁矿 铬铁矿、锡石、铝土矿、软锰矿、铬铁矿、锡石、铝土矿、软锰矿、 硬锰矿、石英等硬锰矿、石英等石英石英（SiOSiO2 2）l含氧

10、酸盐矿物：含氧酸盐矿物： 最重要的是下面三种：最重要的是下面三种： 硫酸盐矿物：硫酸盐矿物： 有有石膏石膏、芒硝芒硝、重晶石重晶石等等 碳酸盐矿物：碳酸盐矿物： 如如方解石方解石、孔雀石孔雀石、白云石白云石 硅酸盐矿物硅酸盐矿物： 约占已知矿物种数的约占已知矿物种数的1/41/4硅硅 酸酸 盐盐 矿矿 物物 l氧离子和硅离子结合的基础上，再与金属离子氧离子和硅离子结合的基础上，再与金属离子结合而成硅酸盐矿物结合而成硅酸盐矿物l种类繁多，约占已知矿物种数的种类繁多，约占已知矿物种数的1/41/4，占地壳，占地壳总重量的总重量的85%85%l其中最常见的就是各类其中最常见的就是各类长石、云母、辉石

11、、角长石、云母、辉石、角闪石、橄榄石闪石、橄榄石等几种，它们广泛分布在地壳与等几种，它们广泛分布在地壳与地幔内地幔内硅氧四面体硅氧四面体硅酸盐矿物的晶体结构 岛状 环状 单链状 双链状 片状硅酸盐的架状结构（长石结构）硅酸盐的链状结构（角闪石结构）层状结构（白云母结构） 同质多象同质多象 与与 类质同象类质同象同质多象同质多象相同化学成分的物质在不同的地相同化学成分的物质在不同的地 质条件（质条件（P、T）下，可以形成不同的）下，可以形成不同的 晶体结构，从而成为不同的矿物。晶体结构，从而成为不同的矿物。如 石墨、金刚石、化学成分都是C，物理性质则完全不同；石英（iO2）分柯石英、斯石英等石墨

12、 与 金刚石类质同象类质同象矿物晶体结构中的某种原子或离矿物晶体结构中的某种原子或离 子可以部分地被性质相似的它种原子或子可以部分地被性质相似的它种原子或 离子替代而不改变晶体结构。其物理性离子替代而不改变晶体结构。其物理性 质差异一质差异一 般不大。般不大。如 铁、镁橄榄石同质多象同质多象 与与 类质同象类质同象 矿物的矿物的非晶质体非晶质体： 黑曜岩、珍珠岩、蛋白石黑曜岩、珍珠岩、蛋白石l由于仪器观测精度越来越高，过去许多由于仪器观测精度越来越高，过去许多以为是非晶质的矿物，其实是晶体微小以为是非晶质的矿物，其实是晶体微小的的“ “ 隐晶质隐晶质”l原来被列为非晶质矿物的种数变得越来原来被

13、列为非晶质矿物的种数变得越来越少越少矿物肉眼鉴定主要是依据矿物的 晶体形态 光学性质 力学性质 其它一些物理性质矿物单体的形态矿物单体的形态（晶形）（晶形）矿物的形态 花瓣状 矿物集合体形态 瓦状 板状 纤维状 针状 枝状 柱状 矿物集合体形态 矿物集合体形态 豆状 球状自色自色 矿物的颜色 矿物的颜色他色他色 假假 色色 矿物的颜色 矿物的条痕实际上就是矿物粉末的颜色,一般,从瓷板上划出的线条颜色来确定。 有些矿物的颜色与条痕一致，如金的颜色和条痕都是金黄色; 而有些矿物的颜色同条痕不相同 ,如赤铁矿不管外表是暗红色还是铁黑色，但它的条痕总是樱红色 ; 矿物光学特征条痕条痕 矿物光学特征条痕

14、条痕 光泽，就是光线照射到矿物表面上反射光的能力 由强强 到 弱弱 可以把光泽分为四级：(1)(1)金属光泽：金属光泽：反光很强，如同金、银的反光， 例如自然铜、方铅矿、磁铁矿等。(2)(2)半金属光泽：半金属光泽：反光较强，较金属光泽稍弱，类似没 有磨光的金属器皿的反光，如辰砂、黑钨矿(3)(3)金刚光泽：金刚光泽：象金刚石状光亮，如金刚石、锡石、 浅色闪锌矿等。(4)(4)玻璃光泽：玻璃光泽：反光较弱，象玻璃一样反光。自然界 多数矿物是玻璃光泽，如水晶、正长石等 矿物光学特征光泽光泽 矿物的光泽矿物的光泽金刚光泽金刚光泽半金属光泽半金属光泽玻璃光泽玻璃光泽金属光泽金属光泽 矿物光泽矿物光泽

15、土状光泽土状光泽油脂光泽油脂光泽丝娟光泽丝娟光泽珍珠光泽珍珠光泽 矿物透过光线的程度, 可分为三级。 透明：矿物象玻璃那样能透过光线， 如水晶，冰洲石均是透明矿物； 半透明：只有边缘薄处才能透过少量的光线 如闪锌矿，辰砂等； 不透明：矿物一点光线也透不过去， 如黄铁矿、磁铁矿等。矿物的透明程度常与矿物的光泽有关，一般玻璃光泽矿物的透明程度常与矿物的光泽有关，一般玻璃光泽、油脂光泽、金刚光泽的矿物都是透明至半透明的矿、油脂光泽、金刚光泽的矿物都是透明至半透明的矿物；金属光泽和半金属光泽的矿物都是不透明矿物。物；金属光泽和半金属光泽的矿物都是不透明矿物。矿物的透明度矿物的透明度透明矿物透明矿物不透

16、明矿物不透明矿物半透明矿物半透明矿物矿物的透明度矿物的透明度 摩氏硬度计矿物的硬度德国德国Friedrich Mohs于于1812年提出年提出 野外缺少摩氏标准矿物时，可用其它简便工具进行测试: 矿物的硬度用“刻划能力”来衡量，取决于原子和离子结合在一起的化学键的强度。 矿物被敲打后，沿一定方向规则破裂的矿物被敲打后，沿一定方向规则破裂的性质，叫做性质，叫做解理解理。这种破裂面破裂面就称为解理面解理面。解理面一般非常平滑而有光泽。不同矿物或同一矿物的不同方向上，解理发育的程度是不一样的。矿物的解理只有一个方向一个方向，称一组解理；矿物的解理有两个方向两个方向，称二组解理；矿物甚至有三个或四个方向三个或四个方向的解理，称多组解理。 解理矿物的解理一组解理矿物的解理二组解理矿物的解理三组解理矿物的解理多组解