第3章 矿物与岩石.doc

149 第3章 矿物与岩石 第3章 矿物与岩石 第1节 概述 一、矿物与岩石的概念 地壳的物质组成可分为3个层次元素、矿物、岩石，分别是地球化学、矿物学、岩石学三个学科的研究对象。三者之间既有区别，又有联系元素形成矿物，矿物组成岩石，岩石构成地壳及上地幔。 矿物是在各种地质作用下形成的具有相对固定化学成分和物理性质的均质物体，是组成岩石的基本单位。其含义包括3个方面①矿物是在各种地质作用下或各种自然条件下形成的自然产物，比如在岩浆活动过程中，在风化作用过程中，或者在湖泊、海洋的作用下都可形成矿物；②矿物由地壳中的各种化学元素组成，具有相对固定和均一的化学成分（大多数是化合物，少部分是单质元素）及物理性质，在一定程度上讲，矿物是一种自然产生的均质物体；③矿物不是孤立存在的，而是按照一定的规律结合起来形成各种岩石。 近年来，随着科学技术的发展，人们对矿物的认识范围进一步扩大，包括了地球内层及宇宙空间所形成的自然产物。如组成陨石、月球岩石和其它天体的矿物，被称为陨石矿物、月岩矿物，统称宇宙矿物。 在此特别强调矿物是自然产物，因为许多人造物品具有矿物的某些特性，但不是真正的矿物。例如食糖，它具有一定的化学成分和物理性质（如透明、硬度小、溶于水、味甜等），但在自然条件下不能形成食糖，因此食糖不是矿物。而食盐，它具有相对固定的化学成分即NaCl（因其中常含有不定量的杂质，所以说是相对固定），也具有相对均一的物理性质（如透明、硬度很小、立方形晶体、溶于水、味咸等），但在一定的自然条件下（如内陆湖泊在干燥气候条件下蒸发沉淀）可以形成食盐。所以说，食盐是一种矿物。 许多人工合成的化学药品虽都各有其化学成分和物理特性，但均不算作矿物。如果某些人工制造的化合物具有与天然矿物相近的成分和性质，则可称之为人造矿物或合成矿物，如人造金刚石、人造红宝石、人造水晶等。 矿物是人类生产资料和生活资料的重要来源之一，是构成地壳岩石的物质基础。自然界的矿物大约有3 000种，但最常见的只有50～60种，至于构成岩石主要成分的只不过20～30种。组成岩石主要成分的矿物称造岩矿物。它们共占地壳重量的99。 岩石是在各种地质作用下，按一定方式结合而成的矿物集合体，它是构成地壳及地幔的主要物质。有些岩石主要是由一种矿物组成，但更多的岩石是由几种矿物组成。如大理岩主要是由方解石组成，而花岗岩是由石英、长石、黑云母等矿物组成。通常所说的岩石是指地球岩石，是地球发展的产物。广义的岩石也宇宙天体的固体组成，如陨石和月岩。 岩石记录了过去发生的地质事件。为了探讨地球的发展历史和规律，岩石是最重要的客观依据；岩石是地质作用的产物，又是地质作用的对象，所以岩石是研究各种地质构造和地貌的物质基础；岩石中含有各种矿产资源，有些岩石本身就是重要矿产，一定的矿产都与一定的岩石相联系。由此可见，研究岩石具有重要的理论和实际意义。 根据成因，岩石可以分为3大类火成岩、沉积岩和变质岩。火成岩和变质岩占地壳重量的95，沉积岩占5；但沉积岩出露面积占75，火成岩和变质岩只占25。人类对于岩石成因的认识经过了漫长的历程与激烈的学术争论，其历史是地质学逐步发展的历史。 二、矿物学与岩石学理论的建立 在古代，岩石与矿物统称为“石”，是人类最早开发利用的自然资源之一。从旧石器时代、新石器时代到青铜时代、铁器时代，人类关于矿物与岩石的知识不断积累，古代典籍中有关岩矿资源的记载反映人类对地壳物质组成的最初认识。中国的山海经将矿物分金、玉、石、土4类记述色泽、特征和产地。古希腊泰奥弗拉斯托斯的石头论分金属、石质和黏土3大类描述了70多种矿物的物理性质，是最早的有关岩矿的专门著作。 矿物、矿石、岩石概念的区分大约在15世纪。但是，在18世纪中叶以前，人类关于岩石与矿物的认识，还主要是物理特征的描述与分类。例如，16世纪初，莱奥纳尔都斯的石志论述了200多种矿物。中国明代医学家李时珍1578年写成的本草纲目，叙及的矿物、岩石、化石有200多种，按水部、土部、金石部分类，又将金石部细分为金类、玉类、石类、卤石类等。 近代矿物学体系的建立是以结晶矿物学和矿物化学为基础的。1837年，美国J D 丹纳的矿物学系统出版，1844年再版，总结了已有矿物晶体结构与化学组成分类的成果，标志着近代矿物学的体系已臻成熟。此后，矿物学随着新技术和新理论的引进和应用而发展。19世纪中叶偏光显微镜开始用于矿物鉴定和研究，20世纪初X射线开始用于矿物晶体结构分析，20世纪30年代以来对矿物形成的物理化学条件及相平衡的研究，20世纪60年代以后固体物理学、量子化学方面的理论和先进的实验技术在矿物学中的应用，均促进了矿物学变革性的发展。运用晶体场理论及配位场理论、固体物理学理论与测试方法，对矿物的形成条件、标型特征和物理性质进行更深入的研究，则是现代矿物学的主要内容。 关于地层以及岩石成因的“水火之争”是岩石学发展历史上著名的学术论战，其结果是岩石学基础理论的建立。 关于岩石形成的理论，古希腊哲学家泰勒斯“一切都来自于水，又复归于水”的论断，可以视为沉积岩形成理论的思想萌芽。1695年，英国的J 伍德沃德（Woodward）明确提出岩石是由水的作用形成的（即水成论），他利用圣经关于挪亚洪水的传说解释岩石和化石的成因。与水成论的观点不同，意大利的莫罗（A L Moro）提出了火成论。他在“论在山里发现的海洋生物”（1740）一文中指出，高山上存在贝壳化石的现象不能用挪亚洪水来说明，只能用火山作用加以解释，认为是地下火的爆发是陆地和山脉隆起，地球内部爆发出来的物质形成了新的地层。 18世纪下半叶到19世纪20年代，随着德国和法国煤矿的开采，特别是水成论集大成者德国的A G 维尔纳的影响，水成论占了上风。维尔纳的岩层的简明分类和描述（1787）是水成论观点的代表作。他在野外观察基础上，将萨克逊地区地层分为原生岩、过渡岩、层状岩、冲积岩和火山岩，并相信这一层序在全球普遍适用。他提出结晶岩，如花岗岩，是原始大洋化学沉淀结晶的产物，玄武岩也是沉积形成的。原始大洋退却后，即形成灰岩，同时生物开始出现。火山喷发是地下煤层燃烧所致。 火成论的集大成者是英国的J 赫顿。1788年他发表地球的理论反对单纯的水成论观点，认为“火”对地壳地层系统的形成起了重要作用。为进一步充实他的理论，赫顿多次到苏格兰、英格兰、阿尔卑斯山考察，并在1795发表他的经典著作地球的理论证据和说明。赫顿认为结晶岩是地下深处熔融物质上升到地表结晶后形成的；层状岩石虽经过水的沉积作用，却是在上部压力和地下热的作用下固结成岩，再经火山爆发、地壳隆起，形成陆地。1802年，赫顿的朋友J 普莱费尔著赫顿学说的解释，有力推动了赫顿学说和现实主义思想的传播。 水成论与火成论各以自己的观点排斥对方，把所有的岩石基本看成是同一成因。1830年英国的C 莱伊尔提出岩石的成因分类，分为水成岩类、火山岩类、深成岩类和变质岩类。以多种成因观点代替单一成因观点的分类，标志着岩石学理论的基本建立。 此后，岩石学朝着更深入、细致的方向发展。偏光显微镜与岩石薄片制作技术的改进，使显微岩石学得到很大发展。1856年英国的H C 索比，1867年德国的H P J 福格尔桑，1873年F 齐克尔和1873年K H F 罗森布施等分别发表的有关显微镜下岩石矿物学的著作，奠定了显微岩石学的基础。美国的F W 克拉克和德国的A 奥桑对岩石成分和性质的研究，创立了岩石化学。英国物理学家J 霍尔对岩石进行的高温熔融实验，开创了实验岩石学，挪威的J H L福格特和美国的N L鲍温的系统研究奠定了实验岩石学的基础。 现代岩石学已经发展成包括火成岩岩石学、沉积岩岩石学、变质岩岩石学、实验岩石学、工业岩石学、地幔岩石学、宇宙岩石学、岩石化学（化学岩石学）、构造岩石学等的学科体系。 第2节 矿物 一、矿物的基本特性 绝大部分矿物具有晶体结构，只有一小部分矿物属于胶体矿物。各种矿物都具有一定的外表特征形态和物理性质，可以作为鉴别矿物的依据。 （一）矿物的内部结构和晶体形态 1．晶质体和非晶质体 图3-1 食盐的内部构造 右图中小球代表Na，大球代表Cl- 绝大部分矿物都是晶质体。所谓晶质体，就是化学元素的离子、离子团或原子按一定规则重复排列而成的固体。矿物的结晶过程实质上就是在一定介质、一定温度、一定压力等条件下，物质质点有规律排列的过程。由于质点规则排列的结果，就使晶体内部具有一定的晶体构造，称为晶体格架。这种晶体格架相当于一定质点（离子等）在三度空间所成的无数相等的六面体、紧密相邻和互相平行排列的空间格子构造。如食盐的晶体格架是按正六面体（立方体）规律排列（图3-1）。不同的矿物，组成其空间格子的六面体的三个边长之比及其交角常不相同。因此，各种矿物具有多种多样的晶体构造。 图3-2 从溶液中结晶形成的粒状 集合体示意图 A.形成结晶中心；B.晶体围绕结晶中心成长；C.晶体继续生长受到空间限制；D.最后形成不规则粒状集合体 在适当的环境里，例如有使晶质体生长的足够空间，则晶质体往往表现为一定的几何外形，即具有平整的面，称为晶面；晶面相交称为晶棱。这种具有良好几何外形的晶质体，通称为晶体。但是，大多数晶质体矿物由于缺少生长空间，如图3-2所示，许多个晶体同时生长，结果互相干扰，不能形成良好的几何外形。实际上，晶质体和晶体除了外表形态有区别外，内部结构并无任何区别，所以二者概念基本相同。 有少数矿物呈非晶质体结构。凡内部质点呈不规则排列的物体都是非晶质体，如天然沥青、火山玻璃等。这样的矿物在任何条件下都不能表现为规则的几何外形。 2．晶形 在一定条件下（如晶体生长较快，生长能力较强，生长顺序较早，或有允许晶体生长的空间晶洞、裂缝等），矿物可以形成良好的晶体。晶体形态多种多样，但基本可分成2类一类是由同形等大的晶面组成的晶体，称为单形，单形的数目有限，只有47种。一类是由两种以上的单形组成的晶体，称为聚形。聚形的特点是在一个晶体上具有大小不等、形状不同的晶面。聚形千变万化，种类可以千万计。图3-3列举了一部分常见的单形和聚形。应该指出，自然界晶体在结晶过程中因受各种条件限制，往往形成不甚规则或不甚完整的晶形。 在自然晶体中，常发现两个或两个以上的晶体有规律地连生在一起，称为双晶。最常见的有3种类型 接触双晶由2个相同的晶体，以一个简单平面相接触而成（图3-4左）。 穿插双晶由2个相同的晶体，按一定角度互相穿插而成（图3-4中）。 图3-3 常见的单晶和聚形 第一行六面体，八面体，菱形十二面体； 第二行五角十二面体，四角三八面体，六面体（α）和八面体（o）的聚形； 第三行六方双锥，六方柱（m）与六方双锥的聚形，正方柱（m）与正方双锥（P）的聚形，菱面体； 第四行斜方双锥，2种斜方双锥的聚形（P，s），斜方柱（m）与3种平行双面（b，c，y）的聚形 聚片双晶由2个以上的晶体，按同一规律，彼此平行重复连生一起而成（图3-4右）。 对某些矿物来说，双晶是重要的鉴定特征之一。 3．结晶习性 虽然每种矿物都有它自己的结晶形态，但由于晶体内部构造不同，结晶环境和形成条件不同，以致晶体在空间三个相互垂直方向上发育的程度也不相同。在相同条件下形成的同种晶体经常具有的形态，称为结晶习性。大体可分为3种类型 有的矿物晶体，如石棉、石膏等常形成柱状、针状、纤维状，即晶体沿1个方向特别发育，称一向延伸型。 有的矿物晶体，如云母、石墨、辉钼矿等常形成板状、片状、鳞片状，即晶体沿2个方向特别发育，称二向延伸型。 有的矿物晶体，如黄铁矿、石榴子石等常形成粒状、近似球状，即晶体沿3个方向特别发育，称三向延伸型。 图3-4 双晶举例 a.石膏燕尾接触双晶；b.萤石穿插双晶；c.钠长石聚片双晶 熟悉这些特性，对于鉴定矿物有一定用处。此外，还有些矿物晶体的晶面上常具有一定形式的条纹，称晶面条纹。如在水晶晶体的六方柱晶面上具有横条纹，在电气石晶体的柱面上具有纵条纹，在黄铁矿的立方体晶面上，具有互相垂直的条纹，在斜长石晶面上常有细微密集的条纹（双晶纹）。这些特征对于鉴定矿物也有一定意义。 （二）矿物的化学成分 1．矿物的化学组成类型 每种矿物都有一定的化学成分。大致可分为以下几种类型 （1）单质矿物基本上是由一种自然元素组成的，如金、石墨、金刚石等。在自然界里这样的矿物数量不多。 （2）化合物自然界的矿物绝大多数都是化合物，但化合物是多种多样的，按组成情况又可分为 ①成分相对固定的化合物其化学组成是固定的，但往往含有或多或少的杂质或混入物，因此又带有一定的相对性。可分为以下几种 简单化合物由一种阳离子和一种阴离子化合而成，成分比较简单，例如，岩盐NaCl、方铅矿PbS、石英SiO2以及刚玉Al2O3等。 络合物由一种阳离子和一种络阴离子组合而成，为数最多，常形成各种含氧盐矿物，如方解石CaCO3、硬石膏CaSO4等等。 复化物大多数复化物是由两种以上的阳离子和一种阴离子或络阴离子构成，如铬铁矿FeCr2O4和白云石CaMgCO32。也有些阳离子是共同的，而阴离子是双重的，如孔雀石CucO3CuOH2。还有阳离子和阴离子都是双重的，但比较少见。 ②成分可变的化合物成分不是固定的，而是在一定范围内或以任一比例发生变化。这种化合物主要是由类质同像引起的。所谓类质同像是指在结晶格架中，性质相近的离子可以互相顶替的现象。互相顶替的条件是离子半径相差不大，离子电荷符号相同，电价相同。例如镁橄榄石Mg2[SiO4]，由于Mg2和Fe2都是二价阳离子，半径分别是0.78和0.83（即大小近似），因此其中的Mg2经常可以被Fe2所置换，但并不破坏其结晶格架。这样，就使在纯Mg2[SiO4]和纯Fe2[SiO4]之间，出现含Fe2[SiO4]百分比不同的过渡类型。 类质同像中离子置换又有两种情况一是互相置换的离子电价相等，如Mg2，Fe2，Ni2，Zn2，Mn2等或者Fe3，Cr3，Al3等，称为等价类质同像。一是几种离子同时置换，置换的离子电价各异，但置换后的总电价必须相等。如斜长石是钠长石NaAlSi3O8和钙长石CaAl2Si2O8的类质同像系列，其置换方式是Na和Ca2互相置换，Si4和Al3互相置换，置换结果是NaSi4Ca2Al3总电价相等。 有的组分是在一定限度内进行离子置换，称为不完全类质同像。如闪锌矿ZnS中的Zn2可以被Fe2所置换，但一般不超过20。有的没有一定限制，即两种组分可以以任何比例进行离子置换，形成一个连续的类质同像系列，称为完全类质同像。如NaAlSi3O8和CaA12Si2O8即可形成完全类质同像系列。这种系列，一般是根据两种组分的百分比而划分出不同的矿物亚种。 类质同像是矿物中一个非常普遍的现象，是形成矿物中杂质的主要原因之一，也是许多稀散元素在矿物中存在的主要形式。 具有类质同像的矿物分子式，一般将类质同像互相置换的元素用括号括在一起，中间用逗号分开，把含量高的放在前边。络阴离子团用方括号括起来。如橄榄石是Mg，Fe2[SiO4]，黑钨矿是Fe，Mn[WO4]，有时不加括号，写成一般化学式。 （3）含水化合物一般指含有H2O和OH–、H、H3O离子的化合物而言。又可分为吸附水和结构水2类。 吸附水是渗入到矿物或矿物集合体中的普通水，呈H2O分子状态，含量不固定，不参加晶格构造。这种水可以是气态的，形成气泡水；也可以是液态的，或者包围矿物的颗粒形成薄膜水，或者填充在矿物裂隙及矿物粉末孔隙中形成毛细管水，或者以微弱的联结力依附在胶体粒子表面上，形成胶体水，如蛋白石即为一种含不固定胶体水的矿物，化学式为SiO2nH2O。在常压下，当温度达到100～110℃或更高一点时，吸附水就可从矿物中全部逸出。 结构水是参加矿物晶格构造的水，其中一类叫结晶水，这种水以H2O分子形式并按一定比例和其它成分组成矿物晶格，如石膏（CaSO42H2O）含2个结晶水。结晶水在一定热力条件下可以脱水，脱水后矿物晶格结构也破坏了，随之矿物的物理性质也改变了。如石膏加热至100～120℃水分开始逸出，变为性质不同的熟石膏。不同的含结晶水矿物，其失水温度是一定的，这种特性有助于了解矿物的形成温度。结晶水逸出温度多为100～200℃，一般不超过600℃。另一类是介于结晶水和吸附水之间过渡性质的水，如黏土矿物之一胶岭石Mg3OH4[Si4O8OH2]nH2O，是具有层状格架的矿物，水分可以进入层间，使层状格架间距加大；又可排出水分，使格架间距缩小，因此胶岭石具有吸水体积膨胀的特性。这种水就是层间水。还有一类是狭义的结构水，这种水是以OH–、H、H3O离子形式参与矿物晶格，如高岭石Al4[Si4O10]OH8、天然碱Na3H[CO3]22H2O、水云母K，H3O Al3[AlSi3O10]OH2等。这种水与结构联系紧密，需要在较高温下，大约在600～1000℃，才能使晶格破坏，使水分逸出。在一种矿物中可以同时存在几种形式的水。 2．矿物的同质多像 同一化学成分的物质，在不同的外界条件（温度、压力、介质）下，可以结晶成2种或2种以上的不同构造的晶体，构成结晶形态和物理性质不同的矿物，这种现象称同质多像。在矿物中，同质多像相当普遍，例如碳（C）在不同的条件下形成石墨和金刚石，二者成分相同，但结晶形态和物理性质相差悬殊（表3-1） 表3-1 碳素同质二像变体的比较 性 质 金 刚 石 石 墨 晶 系 等 轴 六 方 形 态 八 面 体 六 方 片 状 颜 色 无 色 黑色，刚灰色 透明度 透 明 不 透 明 硬 度 10 1 比 重 3.47～3.56 2.09～2.23 光 泽 金 刚 光 泽 金 属 光 泽 导电性 半 导 体 良 导 体 掌握同质多像的规律，对于确定矿物的形成温度具有一定意义，许多同质多像矿物的变体，被称为矿物学温度计。例如，α石英（三方）和β石英〈六方〉在常压条件下的转变温度为573℃。压力的变化对同质多像的转变也有影响，如在3000个大气压条件下，α石英和β石英的转变温度则为644℃。介质的成分、杂质、酸碱度等对同质多像变体的形成也有一定影响。例如，FeS2在相同温度和压力下，在碱性介质中生成黄铁矿（等轴），而在酸性介质中则生成白铁矿（斜方）。由此可见，研究同质多像有助于研究矿物形成的环境。 3．胶体矿物 地壳中分布最广的除去各种晶体矿物外，还有些是胶体矿物。一种物质的微粒分散到另一种物质中的不均匀分散体系称为胶体。前者称为分散相，其大小为10-5～10-7cm；后者称为分散媒。在胶体分散体系中，当分散媒多于分散相时称为胶溶体；反之则称为胶凝体。在自然界分布最广的是某些细微固体质点分散到水中所成的胶溶体，即所谓胶体溶液。这些固体质点的最大特点是常常带有正或负电荷。如FeOH2、AlOH3的分散颗粒带正电荷，SiO2、MnO、硫化物等的分散颗粒带负电荷。这些胶体质点的另一特点是因其带电而具有吸附作用，即从周围环境中吸附大量带异性电荷的离子，这种特性虽然使某些胶体矿物常含有很多其它成分或杂质，但也往往形成钴、镍等重要沉积矿产。这些带电胶体质点的第三个特点是当其电荷被中和时，如河流中的胶体质点，进入海洋就被海水中的电解质所中和，即发生凝聚而沉淀（也可叫胶凝作用），并富集成矿。这样形成的矿物实际上是胶体溶液失去大部分水分而成的胶凝体，也就是所说的胶体矿物。如SiO2、FeOH3等胶体溶液失水胶凝后，即可形成蛋白石、褐铁矿等。 胶体矿物在形态上一般呈鲕状、肾状、葡萄状、结核状、钟乳状和皮壳状等等，表面常有裂纹和皱纹，这是由胶体失水引起的。在结构上，可以是非晶质的、隐晶质的或显晶质的，这决定于胶体的晶化程度。在化学成分上往往含有较多的水，并且成分不很固定，其原因是由于胶体的吸附作用和离子交换所引起的。 （三）矿物的集合体形态和物理性质 1．矿物的集合体形态 自然界矿物可呈单独晶体出现，但大多数是以矿物晶体、晶粒的集合体或胶体形式出现的。集合体形态往往具有鉴定特征的意义，有时候还反映矿物的形成环境。现将主要的集合体形态分述如下 （1）粒状集合体由粒状矿物所组成的集合体，如雪花石膏是由许多石膏晶粒组成的集合体，花岗岩是由石英、长石、云母等晶粒组成的集合体。粒状集合体多半是从溶液或岩浆中结晶而成的，当溶液达到过饱和或岩浆逐渐冷却时，其中即发生许多“结晶中心”，晶体围绕结晶中心自由发展，及至进一步发展受到周围阻碍，便开始争夺剩余空间，结果形成外形不规则的粒状集合体（如图3-2所示）。 （2）片状、鳞片状、针状、纤维状、放射状集合体如石墨、云母等常形成片状、鳞片状集合体，石棉、石膏等常形成纤维状集合体，还有些矿物常形成针状、柱状、放射状集合体。 图3-5 晶簇形成过程图解 （3）致密块状体由极细粒矿物或隐晶矿物所成的集合体，表面致密均匀，肉眼不能分辨晶粒彼此界限。 （4）晶簇生长在岩石裂隙或空洞中的许多单晶体所组成的簇状集合体叫晶簇。它们一端固着于共同的基底上，另一端自由发育而形成良好的晶形（图3-5）。常见的有石英晶簇（图3-6a）、方解石晶簇等，生长晶簇的空洞叫晶洞。许多良好晶体和宝石是在晶洞中发育而成的。 （5）杏仁体和晶腺矿物溶液或胶体溶液通过岩石气孔或空洞时，常常从洞壁向中心层层沉淀，最后把孔洞填充起来，其小于2cm者通称杏仁体；大于2cm者可称晶腺。如玛瑙往往以此形态产出（图3-6b）。 照片 图3-6 石英晶簇（a）与玛瑙（b） （6）结核和鲕状体矿物溶液或胶体溶液常常围绕着细小岩屑、生物碎屑、气泡等由中心向外层层沉淀而形成球状、透镜状、姜状等集合体，称为结核。常见的有黄铁矿、赤铁矿、磷灰石等结核，在黄土中常有石灰（方解石）结核。其大小可由数厘米到数十厘米甚至更大。 如果结核小于2mm，形同鱼子状，具同心层状构造，叫鲕状体，鲕状体常彼此胶结在一起，如鲕状赤铁矿、鲕状铝土矿等。 （7）钟乳状、葡萄状、乳房状集合体这些形态大多数是某些胶体矿物所具有的特点。胶体溶液因蒸发失水逐渐凝聚，因而在矿物表面围绕凝聚中心形成许多圆形的、葡萄状的、乳房状的小突起。如石灰洞中由CaCO3形成的钟乳石、石笋以及褐铁矿、软锰矿、孔雀石等表面常具此形态。 （8）土状体疏松粉末状矿物集合体，一般无光泽。许多由风化作用产生的矿物如高岭土等常呈此形态。 （9）被膜不稳定矿物因受风化作用在其表面往往形成一层次生矿物的皮壳，称为被膜。如各种铜矿表面常有一层因氧化作用而产生的翠绿色孔雀石及天蓝色蓝铜矿的被膜。 照片 图3-7 假化石 此外，我们在岩石裂缝中还常发现一种黑色的树枝状物质，酷似植物化石，但缺少植物应有的结构（如叶脉等），称为假化石（图3-7）。这是由氧化锰等溶液沿着裂缝渗透沉淀而成的。 2．矿物的物理性质 由于矿物的化学成分不同，晶体构造不同，从而表现出不同的物理性质。其中有些必须借助仪器测定（如折光率、膨胀系数等），有些则可凭借感官即能识别，后者是肉眼鉴定矿物的重要依据。 （1）颜色矿物具有各种颜色，如赤铁矿、黄铁矿、孔雀石、蓝铜矿、黑云母等都是根据颜色命名的。矿物的颜色有自色、他色和假色之分。 因矿物本身固有的化学组成中含有某些色素离子而呈现的颜色，称为自色。具有自色的矿物，颜色大体固定不变，因此是鉴定矿物的重要标志之一。如矿物中含有Mn4，呈黑色；含有Mn2，呈紫色；含有Fe3，呈樱红色或褐色；含有Cu2，呈蓝色或绿色，等等。 有些矿物的颜色，与本身的化学成分无关，而是因矿物中所含的杂质成分引起的，称为他色。如纯净水晶（SiO2）是无色透明的，若其中混入微量不同的杂质，即可具有紫色、粉红色、褐色、黑色等。无色、浅色矿物常具他色，他色随杂质不同而改变，因此一般不能作为矿物鉴定的主要特征。 有些矿物的颜色是由某些化学的和物理的原因而引起的，称为假色。如片状集合体矿物常因光程差引起干涉色，称为晕色，如云母；易氧化的矿物在其表面往往形成具一定颜色的氧化薄膜，称为锖色，如斑铜矿。 （2）条痕矿物粉末的颜色称为条痕。通常是利用条痕板（无釉瓷板），观察矿物在其上划出的痕迹的颜色。由于矿物的粉末可以消除一些杂质和物理方面的影响，所以比其颜色更为固定。有些矿物如赤铁矿，其颜色可能有赤红、黑灰等色，但其条痕均为樱红色；有些矿物如黄金、黄铁矿，其颜色大体相同，但其条痕则相差很远，前者为金黄色，后者则为黑或黑绿色。因此条痕在鉴定矿物上具有重要意义。 （3）光泽指矿物表面反射光线时表现的特点。光泽有强有弱，主要取决于矿物表面对光线的反射能力。光泽可以分为以下几种 ①金属光泽矿物表面反光极强，如同平滑金属表面所呈现的光泽。某些不透明矿物，如黄铁矿、方铅矿等，均具有金属光泽。 ②半金属光泽较金属光泽稍弱，暗淡而不刺目。如黑钨矿具有这种光泽。 ③非金属光泽是一种不具金属感的光泽。又可分为 金刚光泽光泽闪亮耀眼。如金刚石、闪锌矿等的光泽。 玻璃光泽象普通玻璃一样的光泽。大约占矿物总数70的矿物，如水晶、萤石、方解石等具此光泽。 此外，由于矿物表面的平滑程度或集合体形态的不同而引起一些特殊的光泽。有些矿物（如玉髓、玛瑙等）呈脂肪光泽；具片状集合体的矿物（如白云母等）常呈珍珠光泽；具纤维状集合体的矿物（如石棉及纤维石膏等）则呈丝绢光泽；而具粉末状的矿物集合体（如高岭石等）则暗淡无光，或称土状光泽。 （4）透明度指矿物允许光线透过的程度。矿物的透明度可以分为3级 ①透明矿物的碎片边缘能清晰地透见他物，如水晶、冰洲石等。 ②半透明矿物的碎片边缘可以模糊地透见他物或有透光现象，如辰砂、闪锌矿等。 ③不透明矿物的碎片边缘不能透见他物，如黄铁矿、磁铁矿、石墨等。 一般所说矿物的透明度与矿物的大小厚薄有关。大多数矿物标本或样品，表面看是不透明的，但碎成小块或切成薄片，却是透明的，因此不能认为是不透明。 透明度又常受颜色、包裹体、气泡、裂隙、解理以及单体和集合体形态的影响。例如无色透明矿物，其中含有众多细小汽泡就会变成乳白色；又如方解石颗粒是透明的，但其集合体就会变成不完全透明，等等。 （5）硬度指矿物抵抗外力刻划、压入、研磨的程度。根据高硬度矿物可以刻划低硬度矿物的原理，德国摩氏（F Mohs）选择了10种标准矿物，将硬度分为10级，制成“摩氏硬度计”。摩氏硬度计只代表矿物硬度的相对顺序，而不是绝对硬度。在矿物磨光面上用一定重量的金刚石角锥压入，可以测得其重量与压痕面积之比（kgmm-2）。显然，产生单位面积压痕所需重量越大，矿物的硬度越大。用这种方法确定的硬度称压入硬度，是矿物绝对硬度的一种。以绝对硬度来衡量摩氏硬度分级，发现它们并不均匀，如滑石的压入硬度为石英的1/560，而金刚石的压入硬度为石英的8.9倍（表3-2）。 表3-2 摩氏硬度计与压入硬度 矿物 名称 化学组成 摩氏 硬度 压入硬度/kgmm-2 矿物 名称 化学组成 摩氏 硬度 压入硬度/kgmm-2 滑石 Mg3[Si4O10][OH] 2 1 2 正长石 K[AlSi3O8] 6 930 石膏 CaSO42H2O 2 35 石英 SiO2 7 1120 方解石 CaCO3 3 172 黄玉 Al2[SiO4][F，OH] 2 8 1250 萤石 CaF2 4 248 刚玉 Al2O3 9 2100 磷灰石 Ca5[PO4]5[F，Cl] 5 610 金刚石 C 10 ～10000 尽管如此，由于摩氏硬度计测定矿物硬度很方便，仍是野外工作和岩矿肉眼鉴定常用的试硬方法。例如将待定矿物与硬度计中某矿物（假定是方解石）相刻划，若彼此无损伤，则硬度相等，即可定为3；若此矿物能刻划方解石，但不能刻划萤石，相反却为萤石所刻划，则其硬度当在3～4之间，可定为3.5。余此类推。 在野外工作，还可利用指甲（2～2.5）、小钢刀（5～5.5）等来代替硬度计。据此，可以把矿物硬度粗略分成软（硬度小于指甲）、中（硬度大于指甲，小于小刀）、硬（硬度大于小刀）三等。有少数矿物用石英也刻划不动，可称为极硬，但这样的矿物比较少。 测定硬度时必须选择新鲜矿物的光滑面试验，才能获得可靠的结果。同时要注意刻痕和粉痕（以硬刻软，留下刻痕；以软刻硬，留下粉痕）不要混淆。对于粒状、纤维状矿物，不宜直接刻划，而应将矿物捣碎，在已知硬度的矿物面上摩擦，视其有否擦痕来比较硬度的大小。 图3-8 石墨的晶格结构 （6）解理在力的作用下，矿物晶体按一定方向破裂并产生光滑平面的性质叫做解理。沿着一定方向分裂的面叫做解理面。解理是由晶体内部格架构造所决定的。例如石墨，在不同方向碳原子的排列密度和间距互不相同，如图3-8所示，竖直方向质点间距等于水平方向质点间距的2.5倍。质点间距越远，彼此作用力越小，所以石墨具有一个方向的解理，即一向解理。 有的矿物具有二向、三向、四向或六向节理，如食盐具有三个方向的解理，萤石具有四个方向的解理。 不同的矿物，解理程度也常不一样。在同一种矿物上，不同方向的解理也常表现不同的程度。根据劈开的难易和肉眼所能观察的程度，解理可分为下列等级 ①最完全解理，矿物极易裂成薄片，解理面较大而平整光滑，如云母、石膏等。 ②完全解理，矿物极易裂成平滑小块或薄板，解理面光滑，如方解石、石盐等。 ③中等解理，解理面往往不能一劈到底，不很光滑，且不连续，常呈现小阶梯状，如普通角闪石、普通辉石等。 ④不完全解理，解理程度很差，在大块矿物上很难看到解理，只在细小碎块上才可看到不清晰的解理面，如磷灰石等。 ⑤极不完全解理（无解理），如石英、磁铁矿等。 对具有解理的矿物来说，同种矿物的解理方向和解理程度总是相同的，性质很固定，因此，解理是鉴定矿物的重要特征之一。 （7）断口矿物受力破裂后所出现的没有一定方向的不规则断开面叫做断口，断口出现的程度是跟解理的完善程度互为消长的，即一般说来，解理程度越高的矿物不易出现断口，解理程度越低的矿物才容易形成断口。 图2-9 水晶上的贝壳状断口 （据李尚宽） 根据断口的形状，可以分为贝壳状断口、锯齿状断口、参差状断口、平坦状断口等。其中最常见的为在石英、火山玻璃上出现的具同心圆纹的贝壳状断口（图2-9、2-10）。一些自然金属矿物常出现尖锐的锯齿状断口。 （8）脆性和延展性矿物受力极易破碎，不能弯曲，称为脆性。这类矿物用刀尖刻划即可产生粉末。大部分矿物具有脆性，如方解石。 矿物受力发生塑性变形，如锤成薄片、拉成细丝，这种性质称为延展性。这类矿物用小刀刻划不产生粉末，而是留下光亮的刻痕。如金、自然铜等。 （9）弹性和挠性矿物受力变形，作用力失去后又恢复原状的性质，称为弹性。如云母，屈而能伸，是弹性最强的矿物。 矿物受力变形，作用力失去后不能恢复原状的性质，称为挠性。如绿泥石，屈而不伸，是挠性明显的矿物。 （10）比重矿物重量与4℃时同体积水的重量比，称为矿物的比重。矿物的化学成分中若含有原子量大的元素或者矿物的内部构造中原子或离子堆积比较紧密，则比重较大；反之则比重较小。大多数矿物比重介于2.5～4之间；一些重金属矿物常在5～8之间；极少数矿物（如铂族矿物）可达23。 （11）磁性少数矿物（如磁铁矿、钛磁铁矿等）具有被磁铁吸引或本身能吸引铁屑的性质。一般用马蹄形磁铁或带磁性的小刀来测验矿物的磁性。 （12）电性有些矿物受热生电，称热电性，如电气石；有些矿物受摩擦生电，如琥珀；有的矿物在压力和张力的交互作用下产生电荷效应，称为压电效应，如压电石英。压电石英已被广泛地应用于现代科学技术方面。 照片 图3-10 黑耀岩的贝壳状断口 （13）发光性有些矿物在外来能量的激发下发生可见光，若在外界作用消失后停止发光，称为萤光。如萤石加热后产生蓝色萤光；白钨矿在紫外线照射下产生天蓝色萤光；金刚石在X射线照射下亦发生天蓝色萤光。有些矿物在外界作用消失后还能继续发光，称为磷光，如磷灰石。利用发光性可以探察某些特殊矿物（如白钨矿）。 （14）其它性质有些矿物具易燃性，如琥珀；有些易溶于水的矿物具有咸、苦、涩等味道；有些些矿物具有滑腻感；有些矿物如受热或燃烧后产生特殊的气味。 总之，充分利用各种感官，并通过反复实践，抓住矿物的主要特征，就可逐渐达到掌握肉眼鉴定重要矿物的目的。肉眼鉴定矿物是进一步鉴定的基础，也是野外工作所需要掌握的。 二、矿物的分类 目前已发现的矿物大约有3 000种，随着现代研究手段的改进，逐年不断有新矿物发现，近年平均每年发现约四五十种。1949年以来中国发现并得到确认的新矿物约40种。 矿物分类的方法很多，当前常用的是根据矿物的化学成分类型分为5大类自然元素矿物、硫化物及其类似化合物矿物、卤化物、氧化物及氢氧化物矿物、含氧盐矿物。根据阴离子或络阴离子还可把大类再分为若干类，如含氧盐大类可以分为硅酸盐矿物、碳酸盐矿物、硫酸盐矿物、钨酸盐矿物、磷酸盐矿物以及钼酸盐矿物、砷酸盐矿物、硼酸盐矿物、硝酸盐矿物等类。 在众多矿物名称中，有一部分是以人名和地名来命名的，如高岭石是因江西省高岭而命名，全世界都叫这个名字；有一部分是根据化学成分、形态、物理性质命名的，如方解石是因沿解理极易碎成菱形方块而命名；赤铁矿、黄铁矿是根据其颜色和主要成分而命名；重晶石是根据其比重较大而命名，等等。在中文矿物名称中，有一部分是源于中国传统名称，如石英、石膏、辰砂等，但大部分是由外文翻译成中文名称。具有金属光泽或可提炼金属的矿物多称为某某矿，如方铅矿、黄铜矿、磁铁矿等；具非金属光泽的矿物多称为某某石，如方解石、长石、萤石等。 三、重要矿物简述 下面简单介绍重要的有用矿物、造岩矿物以及某些在中国特别丰富的矿物，共39种。 （一）自然元素矿物 这类矿物较少，其中包括人们所熟知的矿物，如金、铂、自然铜、硫黄、金刚石、石墨等。这里只介绍石墨和金刚石。 （1）石墨C通常为鳞片状、片状或块状集合体。铁黑色或钢灰色，条痕黑灰色，晶体良好者具强金属光泽，块状体光泽暗淡，不透明。有一组极完全解理，硬度1～2，薄片具挠性。比重2.09～2.23。具滑腻感，高度导电性，耐高温（熔点高）。化学性稳定，不溶于酸。 鉴定特征钢灰色，染手染纸，滑腻感。 图3-11 金刚石晶体 石墨多在高温低压条件下的还原作用中形成，见于变质岩中；一部分由煤炭变质而成；也常见于陨石中。石墨可制坩埚、电极、铅笔、防锈涂料、熔铸模型以及在原子能工业中用作减速剂。中国主要的石墨产地有山东、黑龙江、内蒙古、吉林、湖南等省（区）。 （2）金刚石C晶体类似球形的八面体或六八面体（图3-11）。无色透明，含杂质者黑色（黑金刚），强金刚光泽，硬度10。解理完全，性脆。比重3.47～3.56。紫外线下发萤光。具高度的抗酸碱性和抗辐射性。 鉴定特征最大硬度和强金刚光泽。 金刚石多产于一种叫金伯利岩的超基性岩中。含金刚石岩石风化后可形成砂矿。 透明金刚石琢磨后称钻石。不纯金刚石用于钻探研磨等方面。目前，金刚石还用于红外、微波、激光、三极管、高灵敏度温度计等各种尖端技术方面。