第三章地质学基础知识

第三章矿物与岩石
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。

自然界的矿物有3000多种，常见的有50~60种。

其中，大约有20~30种是构成岩石的主要成分，占地壳总质量的99%，称造岩矿物，如石英、长石、云母等。

由于矿物组成成分和晶体结构的不同，矿物往往呈现出各种各样的形态、颜色、透明度等自我特性，构成一幅幅绚丽多彩的矿物景观。

4个方面的含义：
(1)矿物是在各种地质作用下或各种自然条件下形成的。

如岩浆活动、湖泊、海洋、风化作用等条件下。

(2)矿物由地壳中各种化学元素组成，具有相对固定和均一的化学成分和物理性质，因而是一种自然产生的均质物体。

区别自然矿物和人工矿物：食糖和食盐；合成药品；人造矿物(人造水晶、人造金刚石、人造金红石等)
(3)矿物不是孤立存在的，而是按一定规律结合起来形成的各种岩石。

(4)现代矿物概念已延伸至地球内层及宇宙空间所形成的自然产物，称宇宙矿物，如陨石矿物、月岩矿物等。

一、矿物的内部结构和晶体形态
矿物的结晶过程——在一定介质、一定温度、一定压力等条件下(如介质温度缓慢下降或溶液达到饱和等)，物质质点有规律排列的过程。

晶体格架——即晶体构造，即相当于一定质点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。

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过去的定义：具有几何多面体的水晶或凡是天然具有几何多面体形态的固体。

现代的定义：具有格子构造的固体，即化学元素的离子、离子团或原子按一定规则重复排列而成的一切固体，称晶质体；具有良好几何外形的晶质体，称晶体。

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与晶质体相反，凡内部质点呈不规则排列的物体，称非晶质体。

即在任何条件下都不能表现为规则的几何外形
3、晶形
在一定条件下，如晶体生长较快、生长顺序较早、有允许晶体生长的空间(晶洞、裂缝)等，矿物可以形成多种良好的晶体形态。

主要分为：
矿物晶体由一种同形等大的晶面所组成，共有47种。

如有六个正六面体的食盐，具有六个同形大小的棱面的方解石。

即同一单形的各晶面必然形状相同、大小相等。

上万。

如六方柱和棱面体两种单形组成的石英。

，穿插双晶（两个晶体按一定角度穿插）和聚片双晶（两个以上晶体，按一定规律彼此平行重复连生）。

4、结晶习性
由于晶体内部构造不同，结晶环境和形成条件不同，使得晶体在空间三个相互垂直方向上发育的程度也不相同，也称矿物的单体形态。

在相同条件下形成的同种晶体经常所具有的形态称结晶习性。

大体分为三种主要类型：
5、晶面条纹
具有纵条纹，黄铁矿的立体晶面上具有相互垂直的条纹，斜长石晶面上常有细微密集的条纹（双晶纹）。

二、矿物的化学成分
1、矿物的化学组成类型
①单质矿物—由一种自然元素组成的矿物。

在自然界该类矿物极少数，有金(Au) 、石墨(C)、金刚石(C)、水银(Hg )、硫磺(S)、铜(Cu)、银(Ag)等。

②化合物—由两种或两种元素以不同形式化合而成，绝大部分矿物属此类。

按组成情况分为二类：
③含水化合物—含有H2O和OH-、H+、H3O+
1.1 成分相对固定的化合物
严格遵守化学组成不变的定律，其化学性质和物理性质比较固定，可再分为下述三种。

a(NaCl)、方铅矿(PbS)、石英(SiO2)和刚玉(Al2O3) 等。

b(即酸根)化合而成，为数最多，常形成各种含氧盐矿物，如方解石(CaCO3)、硬石膏(CaSO4)等。

c FeCr2O4和白云石CaMg(CO3)2。

也有些阳离子是共同的，而阴离子是双重的，如孔雀石CuCO3.Cu(OH)2，还有阳离子和阴离子都是双重的，但比较少见。

1.2 成分可变的化合物
类质同像—在结晶格架中，性质相似的离子(即离子半径相差不大，离子电荷符号相同，电价相同)可以互相顶替的现象。

包括两种情况：
a Mg2+、Fe2+、 Ni2+、Zn2+、Mn2+； Fe3+、Cr3+、Al3+。

b、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。

按置换程度分为：
a20％。

b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。

类质同像是矿物中非常普遍的现象，也是矿物中杂质(特别是稀有元素)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(Mg,Fe)2[SiO4]、黑钨矿(Fe,Mn)[WO4]
1.3 含水化合物
(1)H2O渗入到矿物集合体中呈分子状态。

可呈气态或液态充填到矿物裂隙中，或者依附在胶体粒子表面，形成胶体水。

如蛋白石SiO2.H2O—一种含不定胶体水的矿物。

在常压下，温度在100 C 以上时，吸附水就可从矿物中逸出。

(2)H2O分子参与矿物结晶结构中，加热之后晶格破坏。

如石膏(CaSO4 .2H2O)含两个结晶水，加热之后形成熟石膏(CaSO4 . H2O )。

在这种情况下，矿物的物理性质也改变了。

(3)OH-、H+、H3O+离子形式参加到矿物的结晶结构中。

如高岭石Al4 [Si4O10](OH8)，水云母(K, H3O)Al2 [AlSi3O10](OH) 2等。

吸附水、结晶水和结构水对矿物的连接力是不同的，依次增大。

破坏这种结构所需温度也相应增高，依次为100C左右，100～200C最高不超过600C和600～1000C。

2、矿物的同质多像
同一化学成分的物质，在不同的外界条件下(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。

三、矿物的集合体形态
自然界大多数矿物是以其晶体或晶粒的集合体或胶体形式表现出来的，具有鉴定特征的意义，有时还可反映矿物的生成环境。

主要的集合体形态包括：粒状集合体、片状－鳞片状－针状－纤维状－放射状集合体、致密块状集合体、晶簇、杏仁体－晶腺、结核－鲕状体、针乳状－葡萄状－乳房状集合体、土状体、被膜等。

1、粒状集合体
粒状矿物所组成的集合体。

这种集合体大多是从溶液或岩浆中结晶而成。

当溶液达到过饱和或岩浆逐渐冷却时，发生许多“结晶中心”，晶体围绕结晶中心自由发展，当发展受阻，便开始争夺自由空间，形成不规则的粒状集合体。

例子：钙长石、花岗岩(石英、长石、云母)等。

2、片状、鳞片状、针状、纤维状、放射状集合体
3、致密块状体
由极细粒矿物或隐晶矿物所组成的集合体，表面致密均匀，肉眼不能分辨晶粒本身的界限。

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。

其一端固着在共同的基底上，另一端自由发育而形成良好的晶形。

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 者称杏仁体；大于2cm者称晶腺。

晶腺常具有同心层构造，各层成分和颜色有差异，形成不同颜色的色环。

6、结核和鲕(鱼卵)状体
矿物溶液或胶体溶液围绕着细小岩屑、生物碎屑、气泡等由中心向外层层沉淀而形成的球形、透镜状、姜状等集合体，如黄铁矿、赤铁矿、磷灰石等结核。

如果结核小于2cm，形同鱼子状，具同心层状构造的，称鲕状体，常彼此胶结在一起，如鲕状赤铁矿、鲕状铝土矿。

7、针乳状、葡萄状、乳房状、肾状等集合体
胶体溶液因蒸发失水逐渐凝聚，在矿物表面围绕凝聚中心形成许多圆形的、葡萄状、乳房状、肾状的小突起。

8、土状体
疏松粉末状的无光泽的矿物集合体。

颗粒细，放大镜看不出晶粒，如风化形成的高岭土等。

9、被膜
不稳定矿物因受风化作用而在其表面形成一层次生矿物的皮壳，如铜矿表面往往有一层氧化作用形成的翠绿色孔雀石或天蓝色蓝铜矿的被膜等。

10、假化石
岩石中由氧化锰等溶液沿裂隙发育而成的酷似植物化石，但缺少植物应有结构的矿物集合体。

“沙漠漆”专指形成于干旱－极端干旱的戈壁荒漠区岩石表面上的一层极薄的薄膜(漆皮)，是由荒漠，戈壁滩上岩石自身的矿物质或土壌中的矿物质，经过长期的风吹、日晒、雨淋等自然条件下的氧化作用、毛细作用等，在石体表面所覆盖的一层赤、橙、棕、黑、褐、黄等各种色泽的氧化保护薄膜。

其颜色由形成漆膜的矿物质比例所决定。

红色一般来说是含铁的，绿色含铜，黑色含锰，黄色含钙。

一般来说，含锰的比例越高，则颜色越深，反之就浅。

四、矿物的物理性质
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(1)自色：因矿物本身固有的化学组分中含有某些色素离子而呈现的颜色，是鉴定矿物的重要标志之一。

门捷列夫元素周期表的过渡金属离子对光谱的某些波段特别敏感，包括钛(蓝色)、钒(绿、蓝、黄)、铬(红、绿)、锰(黑、紫)、铁(蓝、黄、绿)、钴(蓝)、镍(绿、黄)、铜(绿、蓝)等，这些元素不同价（带电子数目）的离子，其颜色也不尽相同。

如矿物中含有Mn4+呈黑色，含Mn2+呈紫色，含Fe3+呈樱红色， Fe2+或Cu2+呈蓝色或绿色。

(2)他色：因矿物含有气泡、有色杂质等包裹，而使矿物呈色，这种颜色与矿物本身的化学成份和内部结构无关。

他色一般不能作为矿物鉴定的主要特征。

即外来的带颜色的物质机械混入而使矿物染上的颜色。

(3)假色：由某些化学的和物理的原因而引起的。

如片状集合体因光程差引起的干涉色，称晕色；容易氧化的矿物表面往往被上一层氧化薄膜，称锖色。

矿物在白色无釉瓷板(硬度7)上摩擦所留下的痕迹的颜色，即矿物的粉末颜色。

由于条痕的颜色相对固定，可以消除一些杂质和物理方面对颜色的影响，因此条痕对鉴定矿物具有重要意义。

但只限对于硬度小或脆性的有色矿物具有重要鉴定意义；对于无色的、硬度大于瓷板的矿物无条痕色，无鉴定意义。

矿物的光泽是指矿物表面对光的反射能力。

其强弱取决于矿物折射率和吸收系数等有关，可用反射率R＝I/I0(I 为矿物平滑表面反射光的强度，I0为入射光的强度)表示。

根据反射率的大小可分为四级：
(1)金属光泽R>25%，反射能力极强，如同金属抛光表面上所呈现的光泽，天然的金属单质及其互化物和大多数的硫化物都表现为金属光泽，如自然金、方铅矿等。

(2) 半金属光泽R在19%~25%之间，反射能力强，表现为未经抛光的金属表面所呈现的光泽，暗淡而不刺目。

一些天然的半金属元素矿物、部分氧化物和硫化物矿物，特别是硫盐矿物，如自然砷、黑钨矿、黝铜矿等。

(3) 金刚光泽R在10%~19%之间，反射能力较强，表现为金刚石表面所呈现的光泽，闪亮耀眼。

部分自然非金属元素、硫化物、氧化物和含氧盐矿物具有此种光泽，如金刚石、辰砂、锡石、锆石等等。

(4) 玻璃光泽R在4%~10%之间，反射能力较弱，表现为平板玻璃所呈现的光泽，绝大多数透明矿物都是这种光泽(约占矿物总数的70%)，如长石、石英、萤石、方解石、橄榄石等。

特殊光泽—因矿物表面的光滑程度、矿物内部缝隙或解理面的存在等引起的。

(a) 珍珠光泽：类似珍珠表面或蚌壳内壁具有的柔和而多彩的光泽，如透石膏、白云母等解理面上的光泽。

(b)丝绢光泽：类似一束蚕丝所呈现的光泽，如纤维状石棉、石膏等。

(c) 油脂、树脂或沥青光泽：主要呈现在矿物的不平坦的断口上。

如石英、霞石的油脂光泽；浅色闪锌矿和独居石的树脂光泽；沥青铀矿等黑色矿物所表现的沥青般反光的沥青光泽。

(d)腊状光泽：如石蜡表面所呈现的光泽，块状叶腊石。

(e)土状光泽：出现在粉末状或土块集合体表面，暗淡如土的光泽，如高岭土和褐铁矿等。

矿物的透明度是指光线透过矿物多少的程度。

其取决于矿物对光的吸收率和矿物的厚薄等。

一般金属矿物的吸收率高，多不透明；非金属矿物的吸收率低，多透明或半透明。

肉眼观察矿物标本时，通常以矿物碎片边缘能否透见他物作为标准，并以此将其分为3级：
(1)透明矿物—矿物碎片边缘(或隔着约1cm的矿物)能清晰地透见他物，如水晶、冰洲石、金刚石等。

(2) 半透明矿物—矿物碎片边缘(或隔着≤1cm的矿物)可以模糊地透见他物或透光现象，如辰砂、闪锌矿、自然硫等。

(3) 不透明矿物—矿物碎片边缘(或隔着极薄的矿物)不能透见他物，如磁铁矿、石墨、黄铁矿等。

但在矿物显微镜鉴定时，一般以矿物磨成0.03mm的标准厚度的薄片的透光程度为标准，该薄片厚度下能透光者为透明矿物，不透光者为不透明矿物。

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矿物在外力(敲打、刻划等)作用下所表现出来的各种物理性质，包括硬度、解理、断口、延展性、脆性等。

硬度(hardness)：矿物抵抗外来刻划、研磨或压入等机械作用的能力，用H表示。

矿物硬度大小取决于晶体结构的牢固程度，与其化学键类型及强度密切相关。

一般来说，典型的共价键矿物硬度大(如金刚石)，金属键矿物硬度小(如自然金)，分子键矿物硬度最小(如自然硫)，氢键矿物硬度很小(如水镁石)。

离子晶格的硬度则受离子半径、离子电价、结构紧密程度等有关。

根据硬度高的矿物可以刻划硬度低的矿物的道理，德国摩氏(F.Mohs)选择10种具有不同硬度的常见矿物作为标准，按大小顺序排列分为10级，即滑石(1)－石膏(2)－方解石(3)－萤石(4)－磷灰石(5)－正长石(6)－石英(7)－黄玉(8)－刚玉(9)－金刚石(10)。

摩氏硬度计只代表矿物硬度的相对顺序，而不是绝对硬度的等级，绝对硬度可用显微硬度计仪器来测定。

根据力学数据，滑石硬度为石英的1/3500，金刚石硬度为石英的1150倍。

测试硬度时必须选择新鲜矿物的光滑面试验，同时注意刻痕(以硬刻软)与粉痕(以软刻硬)；粒状或纤维状矿物，不宜直接刻划，而应将矿物捣碎，然后在已知硬度的矿物上摩擦，看有无擦痕。

鉴定时，一般可采用上述摩氏硬度计来粗略估计。

实际工作上，还可借用指甲(2.5)、铜针(3)、普通窗玻璃(5.5)、小钢刀(5.5~6)。

如某一矿物能刻动方解石，但又能被萤石所刻划，则该矿物的硬度为3－4之间，可写成3－4或3.5。

硬度大于7的矿物很少，一般在2—6之间。

记忆顺口诀：“滑膏方，萤磷长，英黄刚，最硬属金刚”或“滑石方萤磷，长英黄刚金”。

在力的作用下，矿物晶体沿着一定方向破裂并产生光滑平面的性质称解理。

裂开的光滑平面称解理面。

如果矿物受力，不是按一定方向破裂，破裂面呈各种凸凹不平的形状(如锯齿状、贝壳状)叫断口。

没有解理或解理不清楚的矿物才易形成断口。

例如：方解石(有解理)、石英(无解理，有断口)。

2.2.1 解理
解理是由晶体内部格架结构所决定的。

因晶体具有异向性，不同结晶方向的化学键力有差异，在外力作用下，那些键力弱的面网之间就会产生解理，即解理总是沿着晶体中连接较弱的面网之间发生。

原子晶格——解理出现在面网引力最小处，如金刚石。

离子晶体——同号离子相邻的面网或电性中和的异号离子组成的面网(同号离子的斥力或静力弱)，如萤石和石盐。

不同化学键类型的晶体——平行化学键力最强的方向，如石墨层内C-C是很强的共价键，层间为很弱的分子键。

金属晶格——原子之间通过弥漫于整个晶格的自由电子联系，受力后晶体易于发生晶格滑移而不致引起断键，因此，延展性好的金属都没有解理，如自然金、自然铜等。

如果晶体内部构造中质点各个方向的结合力都相等而且很大时，则只有断口无解理。

不同矿物的解理，可能有一个方向，也可能有几个方向。

如石墨解理只有垂直Z轴的一个方向，称一向解理；正长石、普通角闪石等解理有两个方向，称二向解理；常见的石盐、方解石等解理，可以沿立方体的三个方向裂开，称三向解理。

此外，还有四向解理（如萤石）、六向解理（如闪锌矿）等。

根据裂成光滑解理面的难易程度和肉眼所能观察到的程度，可以分为以下等级：极完全解理：矿物极易裂成薄片，甚至用指甲即可揭成片，解理面较大且极平滑，很难发生断口，如云母、石膏。

完全解理：矿物常裂成规则的平滑小解理块或薄板，其面相当光滑，很难发生断口。

如方解石、石盐。

中等解理：解理程度差，往往不能一劈到底，常裂成小阶梯状，或某一方向有不太平滑的解理，较易出现断口，如长石、角闪石。

不完全解理: 矿物碎块中难以找到解里面，只在一些细小碎块上才可看到不清晰的解理面，断口常见，如磷灰石。

极不完全解理：无解理，如石英、磁铁矿等。

2.2.2 解理面与晶面的区别
解理是矿物的有效的鉴定特征之一．但应注意解理面与晶面的区别。

解理面常比较新鲜、平整，光滑、无晶面条纹，并多成组出现。

描述矿物解理时应说明解理方向、组数、发育程度等，有时还要说明解理交角的大小。

例如，重晶石有三组解理，发育程度不同，其中一组完全解理，一组是中等解理，一组是不完全解理，前二组解理交角为90º。

2.2.3 断口与解理的关系
断口在矿物晶体、集合体及非晶质体中均可见到。

在晶体中，断口与解理是互为消长的；一个晶体如果解理发育，则在解理面方向就不易出现断口。

两者之间大致有如下表关系：
2.2.4 断口
按裂面形状划分：
贝壳状断口(conchoidal fracture )：似蚌壳的内表面形态，呈圆形或椭圆形曲面，同心圆波纹。

如石英、黑曜岩次贝壳状断口：光滑曲面形态，一般无或只有少数同心圆纹。

如钛铀矿、玉髓
锯齿状断口(hackly or uneven fracture)：呈尖锐的锯齿状。

如自然金
参差状断口(splintery fracture )：呈参差不齐，粗糙不平状。

多数脆性矿物、块状矿物、粒状矿物有此断口。

如橄榄石、磷灰石。

按裂面形状划分：
平坦状断口：断口面平坦，无粗糙起伏。

一些呈土状或致密状断口体的矿物有此断口。

如高岭土。

阶梯状断口(stepped fracture)：呈解理面与断口面胶体出现引起的台阶状。

如角闪石、长石等。

刀片状或纤维状断口：重叠排列的刀片或纤维。

如软玉
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4 C之水的质量之比。

比重大小主要取决于矿物化学成分和晶体构造。

组成矿物的元素的原子量越大、晶体结构中质点堆积愈紧密，则比重愈大；反之则比重较小。

各种矿物比重由<1(如石蜡)到大至23(如铂族矿物)，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。

例子：方铅矿(207.2/7.4~7.6)与二氧化硅(60.1 /2.5~2.8)，金刚石与石墨按比重大小可作如下分级：
<2.5为轻矿物(石墨2.23,石盐2.1-2.2)
2.5-4为中等比重矿物(黄玉
3.4-3.6)
>4为重矿物(黄铁矿4.9-5.2)
>7为极重矿物(方铅矿和黑钨矿6.7-7.5)
在第四纪碎屑沉积物研究中将比重<2.9和>2.9的矿物分别称轻矿物和重矿物，对于揭示古代沉积环境或查明物质来源等方面具有重要意义。

例如，重矿富集的地方往往是古河道中心，淡水之地。

通常可分为三类：
磁性矿物：磁铁矿、磁黄铁矿、钛铁矿等。

常温下，其粉末或细小颗粒可被普通磁铁所吸引。

鉴定时，可用马蹄形磁铁或带磁性的小刀来测试。

电磁性矿物：具有顺磁性或反磁性的矿物。

其一般不被普通永久磁铁所吸引。

如黑云母、普通角闪石。

无磁性矿物：绝大多数矿物属于此类，即所有抗磁性矿物以及某些弱顺磁性或反铁磁性矿物。

其在最强的电磁铁作用下也不被吸引。

如方解石、石英等。

矿物的磁性不仅在实际的找矿勘探中具有重要的实际意义(磁法找矿)，对于古气候研究也具有重要的利益意义。

如古地磁的研究作为研究地壳演化的重要定年工具。

对地磁的研究发现：地磁极在地质历史时期曾多次发生180º的改变，即地磁极的极性发生倒转。

在对深海钻井岩芯进行古地磁测定后发现，大洋海岭（洋中脊）两侧对称分布着一系列走向平行的正反磁极相间的条带。

这些条带与熔岩从大洋海岭（洋中脊）中涌出，向两侧扩张形成的以海岭为对称中心的岩带，配上同位素测年资料，并按地层年代顺序进行编排，从而形成地磁极性地质年代表。

若外界作用消失后停止发光的，称为“萤光”(fluorescence)。

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射线照射下发出天蓝色萤光。

若外界作用消失后还能继续发光的，称为磷光，如磷灰石。

(方解石)。

矿物受力后发生如锤成薄片、拉成细丝等塑性变形的，称延展性(自然金、自然铜)。

如云母。

矿物受力变形、作用力失去后不能恢复原状的姓氏，称“挠性”，如绿泥石。

(电气石)；摩擦生电(琥珀)；石英等矿物在有压力和张力的交互作用下可产生电荷效应(压电效应/压电石英)。

3.7 其它性质：易燃性；滑腻感；受热或燃烧后的特殊气味；咸、苦、涩等味道等。