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第一节矿物

地球的大陆岩石圈，尤其是岩石圈的表壳，是人类生存环境的基本组成之一。岩石圈是由各种各样的岩石组成的，而组成岩石的基本单元就是矿物，其中尤以硅酸盐类为主的矿物构成了地球表面的绝大多数岩石。

一、矿物的一般概念

矿物（minerals）是岩石的基本组成单元，它是天然产出的、具有一定化学成分和内部结构的无机固体物质。自然界中的绝大多数矿物都是晶体。

矿物的另一个属性就是无机固体。自然界中伴随着岩石的形成，不但有无机的矿物形成，而且还有一些有机的固体和液体物质形成。

二、矿物的化学成分

矿物是地球物质中通过物理手段可分离的最基本的组成单元，但并不意味着它是不可再分的。矿物的最基本的组成单元就是化学元素的原子或离子。这些原子或离子按一定的空间结构通过各种化学键相互联结起来，就构成了矿物的晶体。有8种元素（表1-2）组成了大陆地壳的98%以上。亦即这8种元素基本上构成了几乎地壳中所有的矿物，一般称其为造岩元素。

从上述8种元素在地壳中所占的体积比例来看，整个地壳基本上由氧原子所充填（占地壳的93.77%），而其他元素的原子只是充填于氧原子所留下的孔隙之间。也可以看出这些元素所组成的化合物——矿物，以硅酸盐和铝硅酸盐占绝大多数。

亲石元素，极易与O2结合生成氧化物和含氧盐矿物（主要为硅酸盐矿物），形成大部分的造岩矿物，这些元素有时也称造岩元素或者亲氧元素。

亲铜元素，容易与S结合形成硫化物矿物，往往形成硫化物金属矿产资源，这部分元素有时也称造矿元素或亲硫元素。

亲铁元素，既可以与O结合形成氧化物或者含氧盐矿物，也可以与S结合形成硫化物。

亲气元素，具有易挥发性或易形成易挥发化合物，主要集中于大气圈中。

三、矿物的晶体结构

将有一定几何外形的自然矿物或者合成矿物称为晶体，但晶体的准确厘定应该在其内部的结构上。

晶体结构指组成晶体的质点（原子、离子或离子团）在三维空间中有规律或者周期性的重复排列（C.Klein,）。晶体与非晶体的根本区别，是其内部的组成质点在三维空间的周期性重复结构。

四、矿物中的元素替代（类质同象）及其意义五、矿物的形态与物理性质

岩石乃至大陆壳的物理性质直接取决于其组成矿物的物理性质和岩石的结构特征。此外，肉眼认识岩石首先是从认识矿物开始的，而对矿物的肉眼识别特征是指凭借肉眼（或借助放大镜）和小刀等简单工具，能够直接观察到的矿物特征，主要包括矿物的形态、力学性质和光学性质。

（一）矿物的形态

矿物的形态包括矿物单体和集合体形态。所谓单体是指矿物的单个晶体，所谓集合体是指同种矿物多个单体聚集在一起形成的整体。

1.矿物的单体形态

矿物单体形态的研究包括晶体的形态和晶体习性等方面。

（1）晶体的形态

晶体常生长成某种规则的集合多面体形状（图1-3），多面体外表面的规则面称为晶面，相邻晶面相交的线称为晶棱，晶棱的相交点称为角顶。理想晶体中晶面、晶棱及角顶的分布是有规律的。

晶体形态按发育程度可分为三种类型：①自形，晶体完全被晶面所包围，如图1-4中的石榴子石晶体；②半自形，晶体的个别晶面发育，而有些晶面不发育，致使晶体的几何多面体不完整，如图1-1中的石英晶体，花岗岩中的黑云母、角闪石等；③他形，晶体上几乎没有任何完整的晶面发育，晶体的形态也呈不规则状，如花岗岩中的石英。4

（2）晶体的习性

矿物晶体在一定条件常常趋向于形成的某一习惯性形态，称为晶体的习性，简称晶习。

根据单晶体在三维空间发育的相对比例，可将矿物的晶习分为三类（图1-5）:①三向等长：晶体在三维空间发育程度基本相等，即a≈b≈c（图1-5a），晶体呈粒状，如石榴子石、黄铁矿等。②二向延长：晶体沿两个方向特别发育，而另一方向不太发育，即a≈b≥c（图1-5b），晶体呈板状或片状，如重晶石、云母等。③一向伸长：晶体只沿一个方向特别发育，而另两个方向均不发育，即a≈b≤c（图1-5c），晶体呈柱状、针状或纤维状，如红柱石、软锰矿、纤维石膏等。以上是三种基本的晶体习性，在它们之间还存在一些过渡类型，如短柱状、厚板状等。在描述晶体习性时，要灵活掌握。

2.矿物的集合体形态

矿物的集合体形态取决于矿物单体的形态和它们的集合方式。根据集合体中矿物颗粒的大小（或可辨度）可分为三种类型：①肉眼可以辨认出单体的，称显晶集合体；②显微镜下才能辨认出单体的，称隐晶集合体；③在显微镜下不能辨认出单体的，称胶态集合体。

（二）矿物的光学性质

矿物的光学性质是指矿物对光线的反射、吸收及折射所表现出的各种特征，以及矿物引起的光线干涉和散射现象，包括矿物的颜色、条痕、透明度、光泽等。矿物的光学性质是鉴定矿物的重要依据。

1.矿物的颜色

矿物的颜色是矿物对白光中不同波长光波吸收的结果，所呈现的颜色是被吸收光的补色。如果对各种波长的光波普遍而均匀地吸收，则随吸收程度不同而呈现黑、灰、白色。如对各种波长的光波有选择性地吸收，则呈现各种较鲜艳的颜色，如红、蓝、绿、橙等。

2.矿物的条痕

矿物的条痕是矿物粉末的颜色，一般是指矿物在白色瓷板上划擦时所留下的粉末的颜色。条痕是矿物呈粉末状态时对光线中不同波长光波吸收的结果，矿物的条痕可以与其本身的颜色一致，也可以不一致。

3.矿物的透明度

矿物的透明度是指矿物透过可见光波的能力。根据光波透过矿物的不同程度，可将矿物的透明度分为三级：

透明隔着透明矿物可看到另一侧物体的清晰轮廓，如水晶、冰洲石等。

半透明隔着半透明矿物仅能看到另一侧物体的模糊阴影，如闪锌矿等。

不透明隔着不透明矿物完全无法看到另一侧物体的影像，如黄铁矿、石墨等。

4.矿物的光泽

矿物表面对可见光波的反射能力称为光泽。矿物光泽的强弱取决于矿物的折射率、吸收系数和反射率，反射率越大，矿物的光泽越强，反之越弱。根据矿物反射率的大小可将矿物光泽分为四级：

金属光泽这种光泽反光很强，好像金属的新鲜面一样，光亮耀眼。这类矿物具金属色（如铁黑、铅灰色等），条痕呈黑色或金属色，如黄铁矿。

半金属光泽这种光泽反光较强，呈较暗的金属状光泽。这类矿物的条痕多为深彩色，如赤铁矿、铬铁矿等。

金刚光泽这种光泽反光较强，但无金属色彩，有像金刚石那样灿烂耀眼的光泽。这类矿物的条痕为浅彩色及无色、白色，如金刚石等。

玻璃光泽这种光泽反光弱，像玻璃表面那样。这类矿物的条痕多为无色或白色，如6石英、方解石等。

以上四级光泽是指矿物的平坦表面如晶面、解理面对光的反射情况，当矿物表面不平坦或成集合体时，常呈现一些特殊的光泽，常见的有以下光泽：

油脂光泽具有这种光泽的矿物表面像涂了一层油脂似的，多见于透明矿物的断口面上，如石英等。

蜡状光泽有些矿物表面有像蜡烛一样的光泽，在透明矿物的隐晶质或非晶质致密块状集合体表面常见。

丝绢光泽在纤维状集合体表面呈现这种光泽，好像丝绸的表面一样。如纤维状石棉、石膏等。

珍珠光泽似珍珠或贝壳内壁的光泽。在透明矿物的极完全解理面上常见，如云母。

土状光泽有些矿物表面暗淡无光，像土一样。这种光泽多见于粉末状、土状集合体表面，如高岭石。

（三）矿物的力学性质

矿物的力学性质是指矿物在受到外力作用下所表现出来的一系列特征，不同的矿物有着不同的力学性质。矿物的力学性质包括：解理、断口、硬度、密度以及矿物的脆性和延展性、矿物的弹性和挠性。

1.解理和断口

解理是矿物沿着晶体中某些特定的方向裂开，出现平整破裂面的趋势，所形成的面称为解理面。解理面代表了晶体中化学键结合比较弱的方向，而且在这个方向上必须保持电中性，如图1-2中食盐晶体的前后、左右及上下的3个方向就可形成立方体解理面。云母类矿物极易剥成很薄的片，表明其有极好的解理。一般根据解理面发育的程度，可以将解理分为以下五级：

极完全解理解理面光滑、密集、平整，如云母类矿物。

完全解理具有解理的矿物很容易裂开成规则块体，解理面光滑、平整，如方解石、方铅矿等。

中等解理解理面较明显，断续相连、较光滑，如辉石类矿物、角闪石类矿物、长石类矿物等。

不完全解理解理面不太发育，间距较大，也不平整，如橄榄石等。

极不完全解理有些矿物很难出现或实际上无解理，见到断面一般都是断口，如石英、黄铁矿等。

当晶体受力后，有时解理面出现的方向不止一个，可能有若干个，这就涉及解理的组数。所谓解理的组数，指沿不同方向出现的解理方位的数量。如白云母只在一个方向出现解理面，我们就认为其只有一组解理；而辉石和角闪石类矿物常常能见到两个平行柱面的解理，就是两组解理，图1-6中为方解石的三组不同方向的解理面。

当出现两组或者两组以上解理面时，就存在不同解理面的夹角。解理面的夹角是矿物鉴定的有力特征。如辉石类矿物平行柱面的两组解理的夹角为87°，肉眼看起来就跟直角一样，但角闪石类矿物对应的解理夹角为56°。还有方解石的解理夹角基本上接近60°，等等。

在实际观察中，注意区分解理面与晶面，不要把两者混淆了。解理面是晶体在受力时，晶体内部出现的连续、等间距的一系列平面，而晶面只出现于晶体的表面，受力后晶面更不会出现像解理面那样向晶体内部“复制”的现象。

矿物受力后不沿解理面破裂而形成的断面称为断口。断口按其形态可分为以下几种：

贝壳状断口这种断口面呈弯曲的凹面，具有不规则的同心纹，形似贝壳

锯齿状断口断口呈尖锐的锯齿状，如自然铜。

参差状断口断口面参差不齐，较粗糙，如磷灰石。

土状断口多为黏土矿物的断面，断口呈细粉砂状，如高岭石类矿物集合体。

2.硬度

硬度指矿物表面抵抗刻划力的强度。矿物硬度的大小主要取决于矿物晶体中化学键的强度。其简易的测量方法，是用已知硬度的物体刻划未知矿物的表面，如能刻划出痕迹，就表明未知矿物的硬度小于已知物体的硬度，然后，再用硬度更小的物体去做同样的测试，直到找到未知矿物的硬度即可。地质上常用一套已知硬度的矿物作为对照物去检测未知矿物的硬度，这就是所谓的摩氏硬度计（Mohshardnessscale）（表1-3）。这是德国矿物学家FriedrichMohs（～）于多年前发明的，迄今仍有使用价值。其实，当我们在野外作业时，手头不一定有现成的摩氏硬度计，但如果用已知硬度的一些物体无疑会起到替代摩氏硬度矿物的作用。如指甲的硬度通常略大于2，铜币的硬度大约等于3，小刀的硬度略大于5，普通玻璃的硬度为5.5等。测试时必须用矿物的新鲜面，否则结果不准确。矿物的硬度也可用仪器测量，目前使用较多的为Vicker法，是用合金或金刚石制成一定形状的压头，加以一定的负荷压在矿物的光面上，以负荷与压痕的表面积的关系，求得矿物的绝对硬度。

有些矿物表面的不同方向表现出不同的硬度，这与矿物晶体内部结构的异向性有较大的关系，即晶体不同方向上表现出不同的物理性质。如蓝晶石在平行柱状方向的硬度为4.5，而在垂直柱状方向的硬度则为6，故蓝晶石有时也称作“二硬石”。

3.密度和相对密度

在肉眼鉴定矿物时，一般根据矿物的相对密度将矿物分为三类：

轻矿物矿物的相对密度小于2.5，如石膏。

中等密度矿物矿物的相对密度在2.5～4之间，如石英、方解石等。自然界中大多数矿物属于此类。

重矿物矿物的相对密度大于4，如重晶石、方铅矿等。

4.矿物的脆性和延展性

脆性是指矿物受外力作用时容易破碎的性质。

延展性是指矿物在锤击或拉引下，容易形成薄片和细丝的性质。

5.矿物的弹性和挠性

弹性矿物受外力作用发生弯曲形变，但当外力作用取消后，能使弯曲形变恢复原状，这种性质称为弹性，如云母。

挠性矿物受外力作用发生弯曲形变，如外力作用取消后，弯曲了的形变不能恢复原状，这种性质称为挠性，如滑石。

六、矿物的分类

矿物的分类方法很多。早期，曾采用单纯以化学成分为依据的化学成分分类。近年来，又有人提出以元素的地球化学特征分类和以矿物成因为依据的成因分类等。但目前矿物学中所广泛采用的是以矿物的成分、结构为依据的晶体化学分类。矿物的本质是成分和结构的统一。它们决定了矿物本身的性质，并与一定的生成条件有关，在一定程度上也反映了自然界元素结合的规律。因此，这是一种比较合理的分类方法（表1-4）。

矿物分类的基本单位是种。所谓“种”，应当把它理解为具有一定的晶体结构和一定的化学成分的独立单位。这里所谓的“一定”也是有相对意义的，由于类质同象的代换，它们可以在一定的范围内产生变化。

对于连续类质同象系列，通常可根据端元组分所占的不同比例而划分为几个矿物种或亚种。如橄榄石的类质同象系列可分为：镁橄榄石Mg2［SiO4］-橄榄石（Mg,Fe）2［SiO4］-铁橄榄石Fe2［SiO4］三个矿物种。不同学者对某些系列的划分方法也可以有所不同，也有的学者把一个连续类质同象系列视为一个种，其下再进一步划分亚种。但根据国际及我国新物及矿物命名委员会的规定，在类质同象系列中，只有端元矿物才能独立命名，而中间成分称为变种。

对于同质多象的各个变体，虽然它们的化学成分相同，但晶体结构不同，性质各异，因此它们各自应被视为独立的矿物种。

变种的晶体结构相同，但成分或物性稍异，划分的标志如下：

1）成分稍异：如黄铁矿（FeS2）中，当含有一定量Co时，就形成异种钴黄铁矿（Fe,Co）S2。

2）物性稍异：如水晶一般无色透明，而其异种紫水晶具有紫色特征。

对于多型的不同变体，由于它们成分相同，在结构和性质上的差异也很小，一般仍把它们视为同一个矿物种。

根据上述分类原则，可将矿物进行如表1-5的具体分类。

七、主要造岩矿物简介

如前所述，地壳中含量最多的8种元素为O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K，由这8种元素组成的矿物占地壳中岩石矿物的主要部分。因此，我们将由以上8种元素组成的矿物称为地壳中的主要造岩矿物。这些矿物可分为硅酸盐矿物、碳酸盐矿物和氧化物矿物三类。

1.硅酸盐矿物

硅和氧是地壳中分布最广、平均含量最高的元素，其克拉克值分别为26.8%和45.5%（表1-2）。硅和氧除结合形成石英（SiO2）矿物外，主要形成络阴离子与其他阳离子结合形成大量的硅酸盐。

硅酸盐矿物有余种，约占已知矿物种类的1/4，是三大类岩石（沉积岩、变质岩、岩浆岩）的主要造岩矿物，就其质量而言，约占地壳岩石圈质量的85%。表1-6列举了主要硅酸盐矿物的具体特征及产出岩石类型。

2.碳酸盐矿物

目前已知的碳酸盐矿物逾种。碳酸盐矿物在地壳中主要构成碳酸盐岩，即灰岩-白云岩系列。因此，在地壳中最常见的碳酸盐矿物为方解石（CaCO3）和白云石（CaMg［CO3］2）。其主要特征见表1-7。

3.氧化物矿物

迄今为止，在地壳中发现的氧化物矿物已有余种。它们在地壳中分布十分广泛，其中属于主要造岩矿物的是石英族矿物。石英族矿物包括成分为SiO2的一系列同质多象变体，自然界中已发现10余种。表1-8列举了主要的几种氧化物矿物的特征。

在地壳中除了以上几类主要的矿物之外，还有其他类型的矿物如硫酸盐矿物、硝酸盐矿物、硫化物矿物等，表1-9中列举了一些常见的硫酸盐矿物、硝酸盐矿物等的一些基本特征。

八、常见造岩矿物及肉眼识别

现已发现自然界矿物有余种，其中，常见的主要造岩矿物仅十余种，如石英、钾长石、斜长石、角闪石、辉石橄榄石、云母、方解石、白云石等。

1.石英

无色透明，油脂光泽或玻璃光泽，贝壳状断口，硬度为7，相对密度为2.65。结晶程度较好的石英称作水晶。化学成分为SiO2。石英是中酸性岩浆岩的常见造岩矿物，如流纹岩、石英安山岩、闪长岩、花岗岩等；石英也是多数变质岩的造岩矿物，如片岩、片麻岩、硅质岩等；石英还是陆源碎屑岩的主要造岩矿物，如砂岩、粉砂岩、泥岩等。

鉴定特征：柱状晶形；高硬度；无解理；断口具有油脂光泽，等。

2.钾长石

为花岗岩的重要组成矿物之一，常呈肉红色、灰紫色、灰白色、深蓝绿色等。格子双晶或卡式双晶。硬度为6～6.5，大于小刀。化学成分为K［AlSi3O8］。

鉴定特征：常见肉红色；卡式双晶；两组完全解理夹角90°；硬度高，等。

3.斜长石

是岩浆岩和变质岩中的常见主要造岩矿物，一般为白色，半透明，条痕为无色。玻璃光泽，硬度为6～6.5，大于小刀。化学成分为：Na［AlSi3O8］—Ca［Al2Si2O8］，随着矿物中Na与Ca含量的不同，矿物的性质略有差别。

鉴定特征：常见白色或灰白色；常具有聚片双晶；两组完全解理不正交；硬度高，等。

4.普通角闪石

在侵入岩和区域变质岩中都有产出，中酸性火成岩中大量出现，常见于闪长岩、正长岩和辉长岩等岩石中。一般呈暗绿色，条痕无色或白色，玻璃光泽，不透明，长柱状，两组解理，夹角56°，硬度为5～6，相对密度3.2。主要化学成分有：Ca、Na、Mg、Fe、Al、Si、O。分子式为NaCa2（Mg,Fe,Al）5［（Al,Si）4O11］2（OH）2。

鉴定特征：常见浅、深绿色或黑色；长柱状；两组解理夹角近60°；断口近菱形，等。

5.普通辉石

是基性、超基性岩的主要矿物。常呈灰褐、褐、绿黑色等。短柱状，两组完全解理，夹角为87°。硬度为5.6，大于小刀，相对密度为3.2～3.4。化学成分为：XY［Si2O6］，其中，Y＝Mg,Fe2+,Mn,Al,Fe3+;X＝Ca,Mg,Fe2+,Mn,Na,Al。

鉴定特征：常见黑绿色或黑色；短柱状或粒状；两组解理夹角近90°；硬度高，等。

6.橄榄石

普通橄榄石一般为黄绿色，玻璃光泽，结晶好的透明，两组解理（差），硬度为6.5～7，大于小刀，贝壳状断口。主要化学成分为（Mg,Fe）2［SiO4］。随着橄榄石中铁、镁含量比例的变化，可以形成镁橄榄石和铁橄榄石之间的完全类质同象系列。

鉴定特征：常见橄榄绿色；粒状；常见贝壳状断口；硬度高，等。

7.黑云母

薄片状，无色透明，玻璃光泽，一组极完全解理，硬度2.5～3，小于指甲硬度，相对密度为2.8～3.2。化学成分为K（Mg,Fe）3［AlSi3O10］（OH）2。三大类岩石中都有分布，尤其在片麻岩、云母片岩、千枚岩、中酸性岩浆岩以及云母煌斑岩等岩类中含量较高。

鉴定特征：常见黑色、褐黑色、绿黑色；片状；极完全解理；薄片具弹性，等。

8.白云母

薄片状，无色透明，玻璃光泽，解理面为珍珠光泽，细小鳞片状的白云母称为绢云母，呈丝绢光泽。一组极完全解理，硬度为2～2.5，小于指甲，相对密度为2.7～3.1。化学成分为KAl2［AlSi3O10］（OH）2。原岩为泥岩的结晶片岩、片麻岩、千枚岩等变质岩，酸性火山岩中也常见。

鉴定特征：常见无色；片状；极完全解理；薄片具弹性等。

9.方解石

结晶好的方解石呈无色、透明至半透明，玻璃光泽，三组解理，完全透明的方解石称作冰洲石。硬度为3～3.5，介于小刀与指甲硬度之间，相对密度为2.72。化学成分为CaCO3。常见于各种碳酸盐岩中，是沉积岩的重要矿物，也出现于变质岩和岩浆岩当中。

鉴定特征：常见白色；菱形体解理；硬度3；遇冷稀盐酸剧烈起泡等。

10.白云石

纯净的白云石多呈白色，含铁者灰色-暗褐色，表面为褐红色，玻璃光泽，三组完全解理，硬度为3.5～4，介于指甲与小刀硬度之间。相对密度为2.85，较方解石大。化学成分为CaMg［CO3］2。是组成白云岩、白云质灰岩的主要矿物，同时也产于变质岩和热液交代矿床中。

鉴定特征：常见白色或灰白色；菱形体解理；晶面常完全呈马鞍形；块体遇冷稀盐酸不起泡，但其粉末遇冷稀盐酸起泡等。

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