矿石矿物学05

鲍世聪矿石及矿物学OreandMineralogy05SchoolofMaterialScienceandEngineering,[e-mail]矿物的物理性质矿物的物理性质鉴定矿物判断成因矿物利用矿物的物理性质矿物的化学组成和晶体结构矿物的形成条件§4.1矿物的光学性质矿物的光学性质是指矿物对自然光的反射、折射和吸收等所表现出来的各种性质。包括矿物的颜色、条痕、光泽和透明度。一束光通过晶体时的路径示意图电磁波谱图longershorter1.矿物的颜色定义：一种生理感觉，当波长在大约390770nm范围内的电磁波辐射，刺激人们的视神经时，就有颜色的感觉。颜色是对光选择性吸收的结果矿物的光学效应——反射、吸收、透射矿物对光全部吸收时，矿物呈黑色对所有波长的色光均匀吸收，矿物呈不同程度的灰色基本上都不吸收则为无色或白色选择吸收某些波长的色光，矿物呈现吸收色光的互补色矿物的呈色机理1)过渡金属元素的内部电子跃迁当矿物中含有过渡金属元素时，无论是主要还是次要成分，它们都是矿物产生颜色的基础。这是由于过渡金属离子的d轨道或f轨道，会发生晶体场分裂。所产生的能量差大约在25000cm1到14000cm1的范围，与可见光相当，d-d或f-f轨道的电子跃迁，便可吸收可见光，从而呈色。色素离子是使矿物呈色的主要离子。如第四周期的Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni及稀土元素。惰性气体型离子所构成的矿物通常是无色的。因为其p轨道同其最邻近的空轨道间的能量差远大于可见光的能量，其电子在可见光能量的作用下，不能被激发，不发生电子跃迁，从而可见光不能被吸收，因此矿物是无色的。离子颜色矿物举例离子颜色矿物举例Cr3+红刚玉(红宝石)Fe2+绿阳起石，绿泥石绿钙铬榴石Fe3+红赤铁矿Mn2+玫瑰菱锰矿蔷薇辉石褐褐铁矿黄绿绿帘石绿高岭石Mn4+黑软锰矿Cu2+蓝蓝铜矿[UO2]2+黄钙铀云母绿孔雀石，绿松石常见矿物呈色的过渡型离子2)元素离子间的电子转移或电荷转换在晶体结构中相邻离子间在外来能量作用下可产生电子转移，即电子可以从一个原子的轨道上跃迁到另一个原子的轨道上去，离子产生电荷转移，伴随着电子转移有很强烈的吸收。如蓝宝石，Fe2+的一个电子可吸收白光中的橙黄色光而发生跃迁，转移到相邻的Ti4+中去，使(Fe2++Ti4+)组合变为(Fe3++Ti3+)组合，晶体则表现为深蓝色。实质上是光化学反应的氧化－还原过程。3)晶体结构缺陷造成的电子转移一些矿物在晶体结构中具有能吸收光而呈现颜色的色心。色心是晶体结构缺陷，主要是晶格位置未被离子占据而形成的空位，故能捕获电子，并使该电子的能量状态发生变化，其激发态和基态之间能量差与可见光相对应。最常见的色心是F色心(电子色心)，它是一电子占据阴离子的空位而形成的。如果电子占据到晶格间隙之中称为F’色心，它也能造成矿物呈色。阳离子的空位而形成的色心叫V色心。a)Schottky(vacancy)-seenwithsteelballsinlastframeb)ImpurityForeignionreplacesnormalone(solidsolution)NotconsideredadefectForeignionisadded(interstitial)Bothcombineda.Schottkydefectb.Interstitial(impurity)defect4)能带间的电子转移在晶体结构中，由于原子间的距离很小，每个原子的外层电子都与邻近原子中的电子发生强烈的相互作用，形成具有一定宽度的能量范围的能带。完全被电子占据的称为满带；部分占据的称为导带；相邻能带之间的能量范围称为禁带。不同能带间的电子受到激发时可发生跃迁。而能带间的能量差多与可见光的能量相对应，故可吸收一定波长的可见光而使晶体呈色。矿物颜色的类型自色、他色、假色自色(idiochromatic)：矿物本身固有的成分结构所决定的颜色他色(allochromatic)：由杂质、气液包裹体所引起的颜色假色(pseudochromatic)：是因物理光学效应而产生的颜色体色、表色体色：物体内部所表现出来的颜色。当白光透入矿物达一定深度，且在此过程中选择吸收不同波长的色光而呈现出其互补色，为矿物所固有的颜色，如橄榄石吸收紫光而呈橄榄绿色表色：即反射色，只有物体的反射光所呈现的颜色，不透明矿物因吸收非常强，因而表现的都是表面色。物理光学效应(假色)蛋白光(opalescence)：在乳蛋白石上可以看到，是一个略带蓝色的乳白光。它是由于蛋白石的SiO2胶体微粒使入射光发生漫射而引起的。锖色(tarnish)：是由于光的干涉作用引起的。硫化物表面常因氧化产生很薄的薄膜,受日光照射后薄膜的两侧均会反射，反射光干涉后有的光波消失或减弱，有的则得到加强。因而在矿物表面上看到的是斑驳陆离的彩色。变彩(playofcolour)：是由于衍射现象而呈色的。在拉长石的某些面上，可以看到随观察方向的不同而有蓝、绿、黄、红等颜色的变换，故称变彩。锖色晕色变彩矿物颜色的命名和描述方法矿物的颜色多种多样，在描述时所采用的原则是简明、通俗，力求确切A.标准色谱法：利用标准色谱色描述矿物的颜色。B.类比法：利用常见物体的颜色作比较，如铅灰、铁黑、天蓝、樱红、乳白等。C.二名法：当矿物的色彩是由多种色调构成时，便采用此法，如黄绿、橙黄等。如系同一颜色，但在色上有深浅、浓淡之分时，则在色别之前加上适当的形容词，如深蓝、暗绿、鲜红等。在观察与描述矿物颜色时，应注意下列问题：a.以矿物新鲜面颜色为准；b.注意观察矿物颜色的细微差别。2.条痕（粉末色）条痕是矿物在条痕板上擦划后留下的痕迹（实际上是矿物的粉末）的颜色。由于它消除了假色，减低了他色，因而比矿物颗粒的颜色更为固定，故可用来鉴定矿物。如黄铜矿与黄铁矿，外表颜色近似，但黄铜矿的条痕颜色为带绿的黑色，而黄铁矿的条痕为黑色，以此，可以区别它们。同种矿物有时可出现不同的颜色，如块状赤铁矿，有时为黑色，有时为红色，但它们的条痕都是樱红色。条痕对不透明矿物的鉴定很重要，而透明矿物的条痕大多为白色、灰白色，因此，对这类矿物来说，条痕则失去了鉴定矿物的意义。3.透明度矿物允许可见光透过的程度，称为矿物的透明度。它取决于矿物对光的吸收率和矿物的厚薄等因素。金属矿物吸收率高，一般都不透明；非金属矿物吸收率低，一般都是透明的。在观察矿物的透明度时，为了消除厚度的影响，通常是隔着矿物的破碎刃边（或薄片）观察光源一侧的物体。根据所见物体的清晰程度，可将矿物的透明度大体分为透明、半透明和不透明三种。透明：矿物能允许绝大部分的透射光透过，隔着这个矿物的薄片可以清晰地看到位于其另一侧的物体轮廓细节，这样的矿物称为透明矿物。如石英、长石、方解石等。半透明：矿物可允许部分透射光透过，隔着这种矿物的薄片能够看到另一侧有物体存在，但分辨不清轮廓，这样的矿物称为半透明矿物。如辰砂、雄黄等。不透明：矿物基本上不允许可见光透过，这样的矿物为不透明矿物，如磁铁矿、方铅矿、石墨等。4.光泽矿物的光泽是指矿物表面对光的反射能力。光泽的强弱用反射率R来表示。反射率是指光垂直入射矿物表面时的强度与反射光强度的比值。矿物反射率的大小，主要取决于折射率和吸收系数。矿物的折射率和吸收系数越大，反射率越高，光泽也就越强。矿物的光泽通常根据反射光由强到弱的次序，可分为四级：金属光泽，半金属光泽，金刚光泽和玻璃光泽。按照反射率的大小，光泽分为四级：金属光泽R25%。呈抛光金属般的光泽半金属光泽R=25-19%。呈未抛光金属般的光泽金刚光泽R=19-10%。金刚石般的光泽玻璃光泽R=10-4%。玻璃般的光泽矿物光泽的分级金属光泽半金属光泽金刚光泽玻璃光泽另外，由于反射光受到矿物的颜色、表面平坦程度及集合方式的影响，常呈现出特殊的变异光泽：油脂光泽：颜色浅、具有玻璃光泽或金刚光泽的矿物，在不平坦断面上呈现的如同油脂面上见到的那种光泽。如石英，断口为油脂光泽。树脂光泽：颜色黄－黄褐、具金刚光泽的矿物，如闪锌矿、雄黄等，在不平坦面上，可以见到象松香等树脂平面所呈现的那样的光泽。丝绢光泽：在透明、具玻璃光泽且个体细小呈纤维状集合体或解理完全的矿物，如石棉、纤维石膏等，具有象蚕丝或丝织品那样的光泽。珍珠光泽：解理发育的浅色透明矿物，如白云母、滑石等，在它们的解理面上所看到的那种象贝壳凹面上呈现的那种柔和而多彩的光泽。矿物光学性质关系表5.矿物的发光性矿物在接受外界能量的照射下，能发射可见光的性质称为发光性。其实质是矿物晶格吸收了较高外加能量，然后以较低能量再发射出来造成的。发光体一旦停止受激(108秒)，发光现象消失，所发的光为萤光(fluorescence)；在外界能量撤除以后(108秒)，还能发的光叫磷光(phosphorescence)。矿物受热而发的光的性质称为热光性。§4.2矿物的力学性质是矿物在外力作用下表现出来的各种物理性质，解理、裂理(裂开)、断口、硬度、延展性、弹性和脆性等。解理和硬度可鉴定矿物。1.解理、裂开和断口(1)解理(cleavage)矿物晶体在外力作用下，沿着一定的结晶学方向破裂成一系列光滑平面的固有性质，叫做解理。裂成的光滑平面，叫做解理面。解理面一般平行于面网密度最大的面网、阴阳离子电性中和的面网、两层同号离子相邻的面网以及化学键力最强的方向。解理产生的原因A解理面一般平行于面网密度最大的面网B平行于由异号离子组成的电性中和的面网C当相邻面网为同号离子的面网时，其间易产生解理D平行于化学键力最强的方向根据解理的完好程度，一般分为五级：1)极完全解理：极易获得解理，解理面大而平坦，极光滑，解理片极薄，如云母、石墨等的解理。2)完全解理：易获得解理，常裂成规则的解理块，解理面较大光滑而平坦，如方解石、方铅矿等。3)中等解理：较易得到解理，但解理面不大，平坦和光滑程度也较差，碎块上即有解理面又有断口，如普通辉石等矿物的解理。4)不完全解理：较难得到解理，解理面小且不光滑平坦，碎块上主要是断口，如磷灰石、绿柱石。5)极不完全解理：很难得到解理，仅在显微镜下偶尔可见零星的解理面，石英一般认为没有解理。不同种的矿物，其解理特征不同，有的无解理；有的有一组解理；而有的则有几组解理。(2)断口(fracture)：具极不完全解理的矿物，尤其是没有解理的晶质和非晶质矿物，她们受外力打击后，都会发生无一定方向的破裂，其破裂面就是断口。根据的断口形状，断口可分为：贝壳状断口：呈圆形的光滑曲面，面上常出现不规则的同心条纹，形似贝壳状。如石英和玻璃质体。锯齿状断口：呈尖锐锯齿状，如自然铜的断口。参差状断口：呈参差不平的形状，如磷灰石的断口。土状断口：为土状矿物所特有的粗糙断口，如块状高岭石的断口。锯齿状断口参差状断口土状断口贝壳状断口(3)裂理(parting)矿物受外力作用，有时可沿着一定的结晶学方向裂成平面的非固有性质，称为裂理或裂开。与解理的成因不同：A裂开通常是沿着双晶结合面特别是聚片双晶的结合面发生，B因晶格中某一定方向的面网间存在它种物质的夹层而造成定向破裂。刚玉晶体上的{1011}裂理2.硬度是指矿物抵抗某种外来机械作用力（如刻划、压入或研磨）侵入能力。通常用摩氏硬度计作为硬度的等级的标准。其他矿物的硬度是与摩氏硬度计中的标准矿物互相刻划，相比较来确定的。在野外工作中，用摩氏硬度计中的矿物作为比较标准有时不够方便，常借用指甲(2)、铜具(3)、小刀(56.5)等代替标准硬度的矿物来帮助测定被鉴定矿物的硬度。摩氏硬度是一种相对硬度，应用时极为方便，但较粗略。因此在对矿物作详细研究时，常需要测矿物的绝对硬度。通常采用的绝对硬度值是维克压入法测定的，称为维氏硬度。摩氏硬度计十种矿物的维氏硬度如下(单位kg/mm2)：①滑石2⑥正长石930②石膏35⑦石英11