矿物

矿物

矿物mineral

由地质作用所形成的天然单质或化合物，具有相对固定的化学组成，有序的原子排列，通常由无机作用所形成的均匀固体。具有确定的内部结构，在一定的物理化学条件范围内稳定，是组成岩石和矿石的基本单元。已知的矿物约有3000种，绝大多数是固态无机物，有人把液态的(如自然汞)、气态的（如火山喷气）以及有机物（如琥珀）算作矿物，但它们仅有数十种。在固态矿物中，绝大部分都属于晶质矿物，只有极少数（如水铝英石）属于非晶质矿物。绝大多数矿物都是无机化合物和单质，仅有极少数是通过无机作用形成的有机物（如草酸钙石等）。来自地球以外其他天体（如月岩及陨石）的天然单质或化合物，称为宇宙矿物。由人工方法合成，而各方面特性均与天然产出的矿物相同或类同的产物，如人造金刚石、人造水晶等，称为人工合成矿物。矿物原料和矿物材料是极为重要的一类天然资源，广泛应用于工农业及科学技术的各个领域。

矿物形态矿物千姿百态，就单体而言，它们的大小悬殊，有的肉眼或用一般放大镜可见（显晶），有的需借助显微镜或电子显微镜辨认（隐晶），有的晶形完好，呈规则的几何多面体形态，有的呈不规则的颗粒存在于岩石或土壤之中。矿物单体形态大体上可分为三向等长（如粒状）、二向延展（如板状、片状）和一向伸长（如柱状、针状、纤维状）3种类型。而晶形则服从一系列几何结晶学规律。矿物单体有时可以产生规则的连生，同种矿物晶体可以彼此平行连生，也可以按一定对称规律形成双晶，非同种晶体间的规则连生称浮生或交生。矿物集合体可以是显晶或隐晶的。隐晶或胶态的集合体常具有各种特殊的形态，如结核状、豆状或鲕状、树枝状、晶腺状（如玛瑙）、土状（如高岭石）等。

矿物的物理性质人们根据物理性质来识别矿物。如颜色、光泽、硬度、解理、比重和磁性等都是矿物肉眼鉴定的重要标志。

颜色矿物颜色多种多样。矿物学中一般将颜色分为3类：白色是矿物固有的颜色；他色是指由混入物引起的颜色；假色则是由于某种物理光学过程所致，如斑铜矿新鲜面为古铜红色，氧化后因表面的氧化薄膜引起光的干涉而呈现蓝紫色的锖色。呈色的原因，一类是白色光通过矿物时，内部发生电子跃迁过程而引起对不同色光的选择性吸收所致；另一类则是物理光学过程所致。导致矿物内电子跃迁的原因有：①色素离子的存在，如Fe3+使赤铁矿呈红色，V3+使钒榴石呈绿色；②晶格缺陷形成“色心”，如萤石的紫色等。当矿物内部含有定向的细微包体，在转动矿物时可出现颜色变幻的变彩；透明矿物的解理或裂隙有时可引起光的干涉而出现彩虹般的晕色等。在鉴定矿物时，为消除假色，减弱他色，通常在白色无釉的瓷板上擦划出粉末的痕迹，称条痕颜色，以此鉴定和区分矿物。

光泽矿物表面反射可见光的能力。由强而弱分为金属光泽（如方铅矿表面金属反光）、半金属光泽（如磁铁矿等一般金属表面的反光）、金刚光泽（如金刚石的反光）、和玻璃光泽（状如玻璃板的反光）4级。此外，若矿物的反光面不平滑或呈集合体时，还可出现油脂光泽、树脂光泽、蜡状光泽、土状光泽及丝绢光泽和珍珠光泽等。

透明度指矿物透过可见光的程度，通常是在厚为0.03毫米薄片条件下，将矿物透明的程度分为：透明矿物（如石英）、半透明矿物（如辰砂）和不透明矿物（如磁铁矿）。由于厚度、含有包裹体、表面不平滑等外在因素的影响，许多在手标本上看来并不透明的矿物，实际上都属于透明矿物，如普通辉石等。

断口、解理和裂理矿物在外力作用如敲打下，沿任意方向产生的各种断面称为断口。依其形状断口有贝壳状、锯齿状、参差状、平坦状等。在外力作用下矿物晶体沿着一定的结晶平面破裂的固有特性称解理。解理面平行于晶体结构中键力最强的方向，一般也是原子排列最密的面网发生，并服从晶体的对称性。解理面可用单形符号表示，如方铅矿具立方体｛100｝解理、普通角面石具柱面｛110｝解理等。根据解理产生的难易和解理面完整的程度将解理分为极完全解理（如云母）、完全解理（如方解石）、中等解理（如普通辉石）、不完全解理(如磷灰石)和极不完全解理（如石英）。裂理也称裂开，是矿物晶体在外力作用下沿一定的结晶学平面破裂的非固有性质。它外观极似解理，但两者产生的原因不同。裂理往往是因为含杂质夹层或双晶的影响等并非某矿物所必有的因素所致。

硬度是指矿物抵抗外力作用（如刻划、压入、研磨）的机械强度。矿物学中最常用的是莫氏硬度(又称摩氏硬度)，它是通过与具标准硬度的矿物相互刻划比较而得出的。10种硬度的矿物组成了莫氏硬度计，从1度到10度分别为滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石。10个等级只表示相对硬度的大小。为简便还可用指甲（2.5）、小钢刀（5～5.5）、窗玻璃（5.5）作为辅助标准。另一种是维氏硬度，它是压入硬度，用显微硬度仪测出，以千克／平方毫米表示。矿物硬度与晶体结构中化学键型、原子间距、电价和原子配位等密切相关。

其他物理性质矿物比重是指矿物与同体积水在4℃时重量之比。它决定于组成元素的原子量和晶体结构的紧密程度。矿物比重差异很大，琥珀小于1，而自然铱比重可高达22.7，但大多数矿物具有中等比重（2.5～4）。

某些矿物如云母显示弹性；绿泥石显示挠性，大多数矿物显示脆性。少数的如自然金具延展性。有的矿物具磁性（如磁铁矿）常被用于探矿和选矿。

某些矿物受外来能量激发能发出可见光。如阴极射线、紫外线、X射线的照射等。激发停止，发光即停止的称为萤光；激发停止发光仍可保持一段时间的称为磷光。发光性可用于矿物鉴定、找矿和选矿。

矿物化学成分和晶体结构化学组成和晶体结构是每种矿物的基本特征，是决定矿物形态和物理性质以及成因的根本因素；也是矿物分类的依据。矿物的利用也与它们密不可分。

化学成分化学元素是组成矿物的物质基础。氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁8种元素占地壳总重量的97％。其中氧约占地壳总重量的49％，硅占总重量的26％。故地壳中上述元素的氧化物和氧盐（特别是硅酸盐）矿物分布最广。它们构成了地壳中各种岩石的主要组成矿物。其余元素相对而言微不足道，由于它们的地球化学性质不同，如锑、铋、金、银、汞等克拉克值甚低，均在2／1000以下，但因趋向于聚集，可形成独立矿物种，有时还可富集成矿床；而有些元素如铷、镓等含量虽远高于上述元素，但趋于分散，不易形成独立矿物种，一般仅以混入物形式分散于某些矿物成分之中。

矿物的化学成分，就其性质来说，大体可以分为两类，一类是单质，即同种元素自相结合，如自然金（金）、金刚石（碳）等；而另一类是更为普遍的化合物类型，其中包括由阴、阳离子组成的简单化合物（如石盐NaCl等）和含有一种络阴离子的较复杂化合物（如方解石Ca〔CO3〕等)，还包括由两种以上的阳离子和同种阴离子或络阴离子组成的复化合物（如尖晶石MgAl2O4、白云石CaMg〔CO3〕2等）。因此每种矿物都有比较固定的化学成分，但它们的固定程度可以在一个或宽或窄的范围内变化。对于结晶物质来说，是由于类质同象代替；对胶体矿物，则是因胶体的吸附作用的影响。某些矿物成分中，常存在不同形式的水，它们对矿物性质有很大影响。

矿物的化学成分一般采用晶体化学式表达。它既表明矿物中各种化学组分的种类、数量，又反映了原子结合的情况。如铁白云石Ca（Mg，Fe，Mn）〔CO3〕2，圆括号内按含量多少依次列出相互成类质同象替代的元素，彼此以逗号分开；方括号内为络阴离子团。当有水分子存在时，常把它写在化学式的最后，以圆点与其他组分隔开，如石膏Ca〔SO4〕·2H2O。

晶体结构矿物都是晶体，都有一定的几何多面体外形，但决定晶体本质的是晶体内部的结构。晶体结构是组成晶体的原子、离子或分子在晶体内部以一定的键力相结合而构成的空间分布。这种分布具有一定规律的周期性和对称性。晶体结构的基本特征是质点在三维空间的周期性平移重复。探讨质点的重复规律和原子的具体排布（原子的堆积和配位）是晶体结构研究的主要内容。在非共价键的矿物（如自然金属、卤化物及氧化矿物等）晶体结构中，原子常呈最紧密堆积，配位数（即原子或离子周围最邻近的原子或异号离子数）取决于阴阳离子半径的比值。当共价键为主时（如硫化物矿物），配位数和配位型式取决于原子外层电子的构型，即共价键的方向性和饱和性。对于同一种元素，其原子或离子的配位数还受到矿物形成时的物理化学条件的影响。温度增高，配位数减小；压力增大，配位数增大。矿物晶体结构可以看成是配位多面体（把围绕中心原子并与之成配位关系的原子用直线联结起来获得的几何多面体）共角顶、共棱或共面联结而成。

一定的化学成分和一定的晶体结构构成一个矿物种。晶格中质点的替代，即类质同象替代，是矿物化学成分在一定范围内变化的主要原因。可相互取代、在晶体结构中占据等同位置的两种质点，彼此可以呈有序或无序的分布。

矿物的晶体结构取决于化学成分，还受外界条件的影响。同种成分的物质，在不同的物理化学条件（如温度、压力、介质）下可形成结构各异的不同矿物种，这一现象称为同质多象。如金刚石和石墨的成分同是碳单质，但晶体结构不同，性质上有很大差异。

矿物分类矿物分类方法很多。早期曾采用纯化学成分为依据的化学成分分类。以后有人提出以元素地球化学特征为依据的地球化学分类，以矿物的工业用途为依据的工业矿物分类等。一般广泛采用以矿物本身的成分和结构为依据的晶体化学分类。按此分为下列大类：自然元素矿物（如自然铂、自然铜、金刚石、石墨等）；硫化物及其类似化合物矿物（如辉铜矿、辰砂、黄铜矿、黄铁矿等）；卤化物矿物（如萤石、石盐、钾石盐等）；氧化物及氢氧化物矿物（如刚玉、金红石、尖晶石、铬铁矿、铝土矿、褐铁矿等）；含氧盐矿物（包括硅酸盐、硼酸盐、碳酸盐、磷酸盐、砷酸盐、钒酸盐、硫酸盐、钨酸盐、钼酸盐、硝酸盐、铬酸盐矿物等）。

矿物的命名中国习惯上把具金属或半金属光泽的、或可以从中提炼某种金属的矿物，称为某某矿，如方铅矿、黄铜矿；把具玻璃或金刚光泽的矿物称为某某石，如方解石、孔雀石；把硫酸盐矿物称为某矾，如胆矾、铅矾；把玉石类矿物常称为某玉，如硬玉、软玉；把地表松散矿物常称为某华，如砷华、钨华。至于具体命名则又有各种不同的依据。有的依据矿物本身的特征，如成分、形态、物性等命名；有的以发现、产出该矿物的地点或某人的名字命名。矿物的中文名称除少数由中国学者发现和命名（如锂铍石、香花石、彭志忠石等）及沿用中国古代名称（如石英、云母、方解石、雄黄等）者外，主要均来源于外文名称。其中有的意译，如金红石（按颜色）、重晶石（比重大）、十字石（按双晶形态）等；少数为音译；大多数系根据矿物成分，间或考虑物性、形态等特征另行定名，如硅灰石（原文wollastonite为纪念英国化学家W.H.Wollaston而来）、黝铜矿（原文teterahedrite意译应为四面体矿）等；还有音译首音节加其他考虑的译名，如拉长石（原文labradorite来源于加拿大拉布拉多地区地名Labrador）等。

矿物的成因产状矿物是化学元素通过地质作用等过程发生运移、聚集而形成的。具体的作用过程不同，所形成的矿物组合也不相同。矿物形成后，还会因环境的变迁而遭受破坏或形成新的矿物。岩浆作用发生于温度和压力较高的条件下。主要从岩浆熔融体中结晶析出橄榄石、辉石、闪石、云母、长石、石英等主要造岩矿物，它们组成了各类岩浆岩。同时还有铬铁矿、铂族元素矿物、金刚石、钒钛磁铁矿、铜镍硫化物以及含磷、锆、铌、钽的矿物形成。伟晶作用中矿物在700～400℃、外压大于内压的封闭系统中生成。所形成的矿物颗粒粗大。除长石、云母、石英外，还有富含挥发组分氟、硼的矿物如黄玉、电气石，含锂、铍、铷、铯、铌、钽、稀土等稀有元素的矿物如锂辉石、绿柱石和含放射性元素的矿物形成。热液作用中矿物从气液或热水溶液中形成。高温热液（400～300℃）以钨、锡的氧化物和钼、铋的硫化物为代表；中温热液（300～200℃）以铜、铅、锌的硫化物矿物为代表；低温热液（200～50℃）以砷、锑、汞的硫化物矿物为代表。此外，热液作用还有石英、方解石、重晶石等非金属矿物形成。

风化作用中早先形成的矿物可在阳光、大气和水的作用下化学风化成一些在地表条件下稳定的其他矿物，如高岭石、孔雀石、蓝铜矿等。金属硫化物矿床经风化产生的CuSO4和FeSO4溶液，渗至地下水面以下，再与原生金属硫化物反应，可产生含铜量很高的辉铜矿、铜蓝等，从而形成铜的次生富集带。化学沉积中，由真溶液中析出的矿物如石盐、硼砂等；由胶体溶液凝聚生成的矿物如鲕状赤铁矿、肾状硬锰矿等。生物沉积可形成如硅藻土等。

区域变质作用形成的矿物趋向于结构紧密、比重大和不含水。接触变质作用包括接触交代和热变质作用。当围岩为碳酸盐岩石时，可形成矽卡岩，它由钙、镁、铁的硅酸盐矿物如透辉石、石榴子石、符山石、硅镁石等组成。后期常伴随着热液矿化形成铜、铁、钨和多金属矿物的聚集。围岩为泥质岩石时可形成红柱石、堇青石等矿物。

空间上共存的矿物，属于同一成因和同一成矿期形成的，则称它们为共生，否则为伴生。研究矿物的共生、伴生组合与生成顺序，有助于探索矿物的成因和生成历史。就同一种矿物，在不同的条件下形成时，其成分、结构、形态或物性上可能显示不同的特征，称为标型特征，它是反映矿物生成和演化历史的重要标志。