Question

矿物的力学性质

Answer 1

矿物的力学性质（mechanical properties）是指矿物在外力（如敲打、挤压、拉引或刻划等）作用下所表现出来的性质。

1.矿物的解理、裂理和断口

解理、裂理和断口均为矿物在外力作用下表现出的破裂特性。由于决定破裂特征的主要因素不同，下分述之。

（1）解理

当矿物晶体遭受超过其弹性极限的外力作用时，矿物晶体便沿着一定结晶学方向破裂成一系列光滑的平面，这种定向破裂的特性称为解理（cleavage），破裂形成的一系列光滑平面称为解理面（cleavage plane）。

解理的发育取决于矿物晶体内化学键类型、化学键的强度和分布等晶体化学因素，是矿物的固有属性。在不同晶格类型矿物中解理的发育具有一定的规律。

在原子晶格的矿物中，各结晶学方向的化学键强度近似相等，产生解理的方向往往平行于面网密度最大（即相应面网间距最大）的面网。例如，金刚石在｛100｝，｛110｝，｛111｝结晶学方向的面网间距分别为0.089nm，0.126nm，0.154nm，其解理即沿着｛111｝方向产生。

在离子晶格的矿物中，由于异号离子组成的电性中和面面网内部的静电引力强，而相邻面网之间静电引力较弱，解理往往平行于电性中和面的面网方向发育。例如，石盐晶体结构中存在｛100｝方向的电性中和面，所以具有平行｛100｝方向的3组解理。此外，由于同号离子间存在静电斥力，由同号离子组成的相邻面网间的连接力便较弱，沿着这样的面网方向也易发育解理。如，萤石结构中的｛111｝方向由F^-离子所组成，故发育平行｛111｝面网的4组解理。

在金属晶格的矿物中，维系晶体结构稳定存在的自由电子具有极大的可移动性，因此金属键的方向和强度极易发生变化。当受到外力作用时，金属键一般不表现为断裂，而是通过滑移来调整并消耗应力，所以金属晶格的矿物晶体不发育解理而具强延展性。

在具有多键型晶格的矿物中，解理面往往平行于由较强化学键连接的面网方向。如石墨呈层状结构，层内由较强的共价键连接，层间则由较弱的分子键连接，因而其解理方向平行于｛0001｝方向。链状矿物则常具平行于链的方向的柱面解理。

尽管解理是矿物晶体固有的性质，但随矿物的不同而有很大差异。根据解理产生的难易程度及其表现形式，一般将其分为5个等级：

极完全解理（eminent cleavage）矿物晶体受力后极易裂成薄片，解理面平整宽大且光滑，如云母的｛001｝解理、石墨的｛0001｝解理、透石膏的｛010｝解理等。

完全解理（perfect cleavage）矿物受力后易裂成光滑的平面，解理面较宽大，可呈阶梯状发育。方铅矿的｛100｝解理、方解石的｛

｝解理都属于完全解理。

中等解理（good or fair cleavage）矿物晶体受力后破裂而成一系列阶梯状排列的较小且不太连续的平面，每个独立的解理面清晰可见。普通辉石和普通角闪石的｛110｝解理、蓝晶石的｛010｝解理等为中等解理。

不完全解理（poor or imperfect cleavage）矿物晶体受力后破裂成由断续小平面组成的近似平整的解理面，如磷灰石的｛0001｝解理，橄榄石的｛100｝解理等。

极不完全解理（cleavage in traces）矿物晶体受力后很难出现平坦面，通常称为无解理。石英、石榴子石、磁铁矿等均无解理。

鉴定矿物晶体时，应对解理的等级、方向、组数及其夹角进行详细观察和记录。解理的方向、组数及夹角通常以与其对应的单形符号表示。例如，石盐、方铅矿的解理一般描述为平行｛100｝完全解理。由于石盐和方铅矿都是等轴晶系矿物，因此其｛100｝解理包括平行于（100）、（010）和（001）的3个互相垂直的方向，闪锌矿（等轴晶系）的解理平行｛110｝完全，表示存在6组完全解理，且分别平行菱形十二面体的6个方向，彼此间的夹角为120°；石墨（六方晶系）的解理平行｛0001｝极完全，表明只有平行（0001）方向的一组极完全解理。

根据所对应单形的特征，解理也可按单形名称或其位置特征来描述，如立方体完全解理、底面解理等（图12-2）。

图12-2 几种特征解理

（据潘兆橹等，1993）

a—石盐的立方体解理；b—萤石的八面体解理；c—闪锌矿的菱形十二面体解理；d—方解石的菱面体解理；e—重晶石的三组解理；f—石墨的底面解理

在实际矿物晶体中，不完全和极不完全两个等级的解理常不易观察，可简单描述为“解理不发育”或“无解理”。有时解理等级较高且有多组，但难以确认其组数时，描述为“发育多组解理”即可。

同一矿物晶体若存在一个方向以上不同等级的解理，应予分别描述。如透石膏具｛010｝极完全解理，｛100｝和｛011｝中等解理。

需要说明的是，解理是晶质矿物的物性，非晶态的固体如蛋白石等准矿物不存在解理。隐晶质矿物的解理只有在显微镜下才能观察。

（2）裂理

裂理（parting）是指矿物晶体遭受外力作用时，有时沿着一定的结晶方向，但并非晶格本身薄弱方向破裂成平面的性质。这种平面称裂开面。

裂理与解理的表现形式非常相似，但成因却完全不同。裂理是杂质、包裹体、固溶体等组分在矿物结晶过程中沿某些结晶学方向上均匀规则排列，致使该方向成为力学薄弱面，当受到外力作用时表现出来的类似于解理的特性。显然，裂理不是矿物晶体固有的性质，如果矿物中不存在定向缺陷，该矿物就不具裂理。比如，磁铁矿有时出现平行｛111｝方向的裂理，是因为在其｛111｝面网分布有微细的钛铁矿和钛铁晶石的出溶片晶之故。

由于矿物中的缺陷并不一定对称分布，裂理也不严格遵循晶体的对称性。裂理在少数矿物的晶体中常有出现，可作为鉴定这些矿物的辅助标志（如刚玉常有｛0001｝或｛

｝裂理），也可据以推测其形成时的环境条件。

（3）断口

当矿物遭受超过其弹性极限的外力作用（敲击、挤压等）时，沿任意方向破裂成不平整的断面，这样的破裂面称为断口（fracture）。

一般来说，矿物晶体中的化学键在三维方向强度近等时，受力后可沿任意方向破裂而出现断口，却不易形成解理；如果矿物晶体中的化学键分布明显存在强度和方向上的差异，其受力后容易沿强键方向破裂成解理面，而在垂直强键方向出现断口。显然，解理和断口的出现几率具有一定的消长关系。

与解理不同，断口在晶质矿物和非晶质准矿物及矿物集合体上都可能出现。由于某些矿物或矿物集合体的断口常呈特殊的形态，但不能体现矿物内部结构的对称性，因此断口只能作为矿物鉴定的辅助依据。

图12-3 石英的贝壳状断口

矿物的断口常依其形态或质感进行描述。常见的断口有：

贝壳状断口（conchoidal fracture）呈扇形或圆形、椭圆形光滑曲面，常见以曲面最低点为中心的似同心纹，形似贝壳内壁。结构均匀紧密、质地细腻的隐晶质矿物集合体（如玉髓）非晶质准矿物（如玛瑙及火山玻璃）易出现此类断口，单晶石英中也颇常见（图12-3）。

锯齿状断口（hackly fracture）垂直断裂面方向出现具尖锐突起的断口。金属性较强的矿物，如自然金、自然铜等，因受力时具延展性而易出现此类断口。

参差状断口（uneven fracture）凹凸不平的断口。脆性较强的非金属矿物（如磷灰石、石榴子石、橄榄石等）和一些粒状、块状晶质，非晶质集合体）易出现此类断口。

平坦状断口（even fracture）断面较平坦的断口。一些细粒致密的块状非金属矿物集合体如高岭石岩或非晶质集合体有时出现此类断口。

土状断口（earthy fracture）似粘质土块的断面，呈细粉末状，对光线有漫反射效应，有时具疏松感。该类断口多属粘土矿物集合体的特征。

纤维状断口（fibrous fracture）断面呈纤维丝状，对光线具丝绢效应。专指纤维状矿物集合体（如石棉）的断口。

2.矿物的硬度

矿物的硬度（hardness）是矿物抵抗刻划、压入、研磨等机械作用能力的度量，通常以H表示。

矿物的硬度是矿物晶体化学的反映。它与组成矿物的元素种类及其堆积紧密程度和联系方式密切相关。

对于具原子晶格的矿物，由于原子间以强大的共价键相联系，其硬度通常很高，如金刚石为10，碳硅石（a SiC）H≈10。具离子晶格的矿物因其离子间的联系力在不同矿物间变化很大，其硬度随矿物不同也有很大的变化，如方钍石为6.5，而方解石仅为3。具金属晶格的矿物通常硬度较小，而具分子晶格和氢键型晶格的矿物硬度最小，如金属晶格的自然金硬度为2.5～3；分子晶格的自然硫为1～2；以氢键为主的水镁石为2.5。

具离子晶格的矿物之所以硬度变化很大，是由离子半径、电价、配位数、结构紧密程度等所决定的。一般地，由小半径、高电价离子组成的化学键强、配位数高、结构紧密的矿物硬度较大。例如，具等型结构的菱镁矿（Mg［CO₃］）和方解石（Ca［CO₃］），因

为 0.066nm，

为0.108nm，硬度分别为3.5～4.5和3；离子半径相近的萤石（CaF₂）和方钍石（ThO₂）［

（Ⅷ配位）为0.112nm，

（Ⅷ配位）为0.105nm］，因Ca为+2 价而Th为+4 价，硬度分别为4和6.5；成分相同的方解石和文石（同为Ca［CO₃］），因其相对密度（反映结构紧密程度）分别为2.74和2.94，Ca²⁺的配位数分别为6和9，其硬度分别为3和3.5～4。

此外，含水（H₂O或OH^-）矿物较不含水矿物硬度偏低，如石膏Ca［SO₄］·2H₂O和硬石膏Ca［SO₄］的硬度分别为2和3～3.5。

矿物硬度的测定方法很多，主要的有刻划法和压入法，还有研磨法、弹跳法和摇摆法等。以下介绍前两种方法。

刻划法 是用已知固体刻划未知矿物以确定其硬度相对大小的方法。1812年，奥地利矿物学家Friedrich Mohs提出选用10种矿物作为标准，用未知矿物与其刻划来确定硬度相对大小。这10种标准矿物是滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石，它们对应的硬度级别分别为1至10，称作摩斯硬度计（Mohs’hardness）。由此获得的矿物硬度称为摩斯硬度（简称H_M）。本教材未加特别说明的硬度均为摩斯硬度。在矿物硬度鉴定时需首先对未知矿物的硬度值作初步估计，再选取硬度相近的标准矿物在需鉴定矿物新鲜单晶表面逐一刻划以求得其硬度值范围。当硬度计携带不便时，可利用人手指甲、小钢刀等粗略估计矿物硬度。人手指甲的硬度约为2.5，铜针约为3，小钢刀约为5.5，普通陶瓷约为6，玻璃约为7。

压入法 是用金刚石角锥（多用四方锥）作压入头，在矿物磨光面压入一定深度，据所施压力与压痕面积之比确定矿物硬度值的方法。该法适合标定脆性较小而延展性较大的矿物硬度。因此法所得压痕较小，常称作显微硬度法，所得硬度值称维氏硬度（Vickers hardness，简称H_V，单位为kg/mm²）。维氏硬度值系通过实验计算所得，其结果较刻划法更为精确。Хрущов，М.М.提出摩斯硬度（H_M）与维氏硬度（H_V）数值之间大致存在以下换算关系（金刚石不适用）：H_M=0.675

。

矿物的硬度也能反映其对称性和异向性，蓝晶石｛100｝各晶面上沿c轴和b轴方向的摩斯硬度分别为4.5和6，｛010｝和｛001｝各晶面上的硬度也随方向而异，习称二硬石，便是其异向性的表现。

3.矿物的弹性与挠性

矿物在外力作用下发生弯曲形变，撤除外力后能自行恢复原状的性质称为矿物的弹性（elasticity）；当外力撤除后不能恢复原状的性质称为挠性（flexibility）。

弹性和挠性是层状或链状结构矿物易表现出来的力学性质，矿物所受外力大小和结构层或链间的键力强弱决定其呈弹性抑或挠性。如受外力作用时，应力较集中的晶格位置上的层或链间弱键被拉长而产生拉伸变形，若外力导致的晶格应力不足以将化学键拉断，去除外力后，凭借化学键本身的回缩力可使形变复原，矿物即表现出弹性；若外力导致的晶格应力将化学键拉长至断裂临界值时，化学键会通过替换或调整键合离子（称化学键位移）而释放应力，新键合的化学键由于没有拉伸变形而不存在回缩力，外力去除后不能凭借化学键本身的回缩力使形变复原，矿物便表现出挠性。若结构层或链间的键强稍大如为离子键时，其强度能保证在一定范围（弹性极限）内变形而撤除外力后恢复原状，从而使矿物呈现弹性；若层或链间的键强太弱如为分子键时，矿物变形后将无力恢复而表现为挠性。

片状和纤维状矿物如云母和石棉等具弹性，石墨、辉钼矿、水镁石、绿泥石、滑石、蛭石等具挠性。鉴定粒度较大的此类矿物时，弹性和挠性颇为有效。

4.矿物的脆性与延展性

矿物受外力作用时易发生碎裂的性质称作脆性（brittleness）。矿物受拉伸成丝或碾压成片的性质，分别称为延性（ductility）和展性（mallebility）。矿物的延性和展性几乎总是并存的，故合称为延展性。

矿物显示脆性还是延展性，主要取决于其晶格中的化学键性质与强度。离子和原子晶格的矿物受外力作用强度超过其离子键和共价键的强度时，化学键断裂，显示脆性；金属晶格的矿物受到外力作用时，由自由电子形成的金属键通过及时替换键合离子（晶格滑移）来消耗晶格应力而不发生断裂，外形上变薄或伸长，显示延展性。非金属晶格矿物，如金刚石、自然硫、石英、石榴子石、方解石、萤石、石盐等显示较强的脆性；金属晶格的矿物如自然金、自然铜，金属键性较强的硫化物如辉铜矿等显示较强的延展性。显然，脆性与硬度无特定关系，是与延展性、弹性和挠性相反的性质。

进行矿物肉眼鉴定时，常用小刀刻划的方法判别其脆性和延展性。小刀刻划矿物新鲜面时若易打滑或出现粉末，则矿物具有较强的脆性；若矿物表面留下光亮的沟痕且没有或很少出现粉末，则矿物显示较强的延展性。