Question

矿物的形态与物理性质

Answer 1

岩石乃至大陆壳的物理性质直接取决于其组成矿物的物理性质和岩石的结构特征。此外，肉眼认识岩石首先是从认识矿物开始的，而对矿物的肉眼识别特征是指凭借肉眼(或借助放大镜)和小刀等简单工具，能够直接观察到的矿物特征，主要包括矿物的形态、力学性质和光学性质。

(一)矿物的形态

矿物的形态包括矿物单体和集合体形态。所谓单体是指矿物的单个晶体，所谓集合体是指同种矿物多个单体聚集在一起形成的整体。

1.矿物的单体形态

矿物单体形态的研究包括晶体的形态和晶体习性等方面。

1)晶体的形态:晶体常生长成某种规则的集合多面体形状(图1-3)，多面体外表面的规则面称为晶面，相邻晶面相交的线称为晶棱，晶棱的相交点称为角顶。理想晶体中晶面、晶棱及角顶的分布是有规律的。晶体形态按发育程度可分为三种类型:①自形，晶体完全被晶面所包围，如图1-4中的石榴子石晶体;②半自形，晶体的个别晶面发育，而有些晶面不发育，致使晶体的几何多面体不完整，如图1-1中的石英晶体，花岗岩中的黑云母、角闪石等;③他形，晶体上几乎没有任何完整的晶面发育，晶体的形态也呈不规则状，如花岗岩中的石英。

图1-3 几种矿物的晶体形态

图1-4 石榴子石的颜色与晶体习性

2)晶体的习性:矿物晶体在一定条件下常常趋向于形成的某一习惯性形态，称为晶体的习性，简称晶习。根据单晶体在三维空间发育的相对比例，可将矿物的晶习分为三类|(图1-3):①三向等长，晶体在三维空间发育程度基本相等，即a≈b≈c(图1-5(1))，晶体呈粒状，如石榴子石、黄铁矿等;②二向延展，晶体沿两个方向特别发育，而另一方向不太发育，即a≈b≥c(图1-5(2))，晶体呈板状或片状，如重晶石、云母等;③一向伸长，晶体只沿一个方向特别发育，而另两个方向均不发育，即a≈b≤c(图1-5(3))，晶体呈柱状、针状或纤维状，如红柱石、软锰矿、纤维石膏等。以上是三种基本的晶体习性，在它们之间还存在一些过渡类型，如短柱状、厚板状等。在描述晶体习性时，要灵活掌握。

图1-5 矿物晶体习性分类(1)三向等长;(2)二向延长;(3)一向伸长

2.矿物的集合体形态

矿物的集合体形态取决于矿物单体的形态和它们的集合方式。根据集合体中矿物颗粒的大小(或可辨度)可分为三种类型:肉眼可以辨认出单体的，称显晶集合体;显微镜下才能辨认出单体的，称隐晶集合体;在显微镜下还不能辨认出单体的，称胶态集合体。

(二)矿物的光学性质

矿物的光学性质是指矿物对光线的反射、吸收及折射所表现出的各种特征，以及矿物引起的光线干涉和散射现象，包括矿物的颜色、条痕、透明度、光泽等。矿物光学性质是鉴定矿物的重要依据。

1.矿物的颜色

矿物的颜色是矿物对白光中不同波长光波吸收的结果，所呈的颜色为被吸收光的补色。如果对各种波长的光波普遍而均匀地吸收，则随吸收程度不同而呈黑、灰、白色。如对各种波长的光波有选择性地吸收，则呈现各种较鲜艳的颜色，如红、蓝、绿、橙等。

2.矿物的条痕

矿物的条痕是矿物粉末的颜色，一般是指矿物在白色瓷板上划擦时所留下的粉末的颜色。条痕是矿物呈粉末状态时对光线中不同波长光波吸收的结果，矿物的条痕可以与其本身的颜色一致，也可以不一致。

3.矿物的透明度

矿物的透明度是指矿物透过可见光波的能力。根据光波透过矿物的不同程度，可将矿物的透明度分为3级。

透明:隔着透明矿物可看到另一侧物体的清晰轮廓，如水晶、冰洲石等。

半透明:隔着半透明矿物仅能看到另一侧物体的模糊阴影，如闪锌矿等。

不透明:隔着不透明矿物完全无法看到另一侧物体的影像，如黄铁矿、石墨等。

4.矿物的光泽

矿物表面对可见光波的反射能力称为光泽。矿物光泽的强弱取决于矿物的折射率、吸收系数和反射率，反射率越大，矿物的光泽越强，反之越弱。根据矿物反射率的大小可将矿物光泽分为四级。

金属光泽:这种光泽反光很强，好像金属的新鲜面一样，光亮耀眼。金属光泽的矿物具金属色(如铁黑、铅灰色等)，条痕呈黑色或金属色，如黄铁矿。

半金属光泽:这种光泽反光较强，呈较暗的金属状光泽。矿物条痕多为深彩色，如赤铁矿、铬铁矿等。

金刚光泽:反光较强，但无金属色彩，有像金刚石那样灿烂耀眼的光泽。这种矿物的条痕为浅彩色及无色、白色，如金刚石等。

玻璃光泽:玻璃光泽反光弱，像玻璃表面那样。这类矿物的条痕多为无色或白色，如石英、方解石等。

以上四级光泽是指矿物的平坦表面如晶面、解理面对光的反射情况，当矿物表面不平坦或成集合体时，常呈现一些特殊的光泽，常见的有以下光泽。

油脂光泽:具有这种光泽的矿物表面像涂了一层油脂似的，多见于透明矿物的断口面上，如石英等。

蜡状光泽:有些矿物表面有像蜡烛一样的光泽，在透明矿物的隐晶质或非晶质致密块状集合体表面常见。

丝绢光泽:在纤维状集合体表面呈现这种光泽，好像丝绸的表面一样，如纤维状石棉、石膏等。

珍珠光泽:似珍珠或贝壳内壁的光泽。在透明矿物的极完全解理面上常见，如云母。

土状光泽:有些矿物表面暗淡无光，像土一样。这种光泽多见于粉末状、土状集合体表面，如高岭石。

(三)矿物的力学性质

矿物的力学性质是指矿物在受到外力作用下所表现出来的一系列特征，不同的矿物有着不同的力学性质。力学性质包括矿物的解理、断口、硬度、密度(比重)以及矿物的脆性和延展性、矿物的弹性和挠性。

1.解理和断口

解理是矿物沿着晶体中某些特定的方向裂开，出现平整破裂面的趋势，所形成的面为解理面。解理面代表了晶体中化学键结合比较弱的方向，而且在这个方向上必须保持电中性，如图1-2中食盐晶体的前后、左右及上下的3个方向就可形成立方体解理面。云母类矿物极易剥成很薄的片，表明其有极好的解理。一般根据解理面发育的程度，可以将解理分为五级。

极完全解理:解理面光滑、密集、平整，如云母类矿物。

完全解理:具有解理的矿物很容易裂开成规则块体，解理面光滑、平整，如方解石、方铅矿等。

中等解理:解理面较明显，断续相连、较光滑，如辉石类矿物、角闪石类矿物、长石类矿物等。

不完全解理:解理面不太发育，间距较大，也不平整，如橄榄石。

极不完全解理:有些矿物很难出现或实际上无解理，见到断面一般都是断口，如石英、黄铁矿等。

当晶体受力后，有时解理面出现的方向不止一个，可能有若干个，这就涉及解理的组数了。所谓解理的组数，指沿不同方向出现的解理方位的数量。如白云母只在一个方向出现解理面，我们就认为其只有一组解理;而辉石和角闪石类矿物常常能见到两个平行柱面的解理，就是两组解理，图1-6中为方解石的三组不同方向的解理面。

图1-6 方解石的三组解理

图1-7 石英的贝壳状断口

当出现两组或者两组以上解理面时，就存在不同解理面的夹角。解理面的夹角是矿物鉴定的有力特征。如辉石类矿物平行柱面的两组解理的夹角为87°，肉眼看起来就跟直角一样，但角闪石类矿物对应的解理夹角为56°，看起来与60°很接近。还有方解石的解理夹角基本上接近60°，等等。

在实际观察中，注意区分解理面与晶面，不要把两者混淆了。解理面是晶体在受力时，晶体内部出现的连续、等间距的一系列平面，而晶面只出现于晶体的表面，受力后晶面更不会出现像解理面那样向晶体内部“复制”的现象。

矿物受力后不沿解理面破裂而形成的断面称为断口。断口按其形态可分为以下几种:

贝壳状断口:这种断口面呈弯曲的凹面，具有不规则的同心纹，形似贝壳，如石英晶体的断口(图1-7)。

锯齿状断口:断口呈尖锐的锯齿状，如自然铜。

参差状断口:断口面参差不齐，较粗糙，如磷灰石。

土状断口:多为粘土矿物的断面，断口呈细粉砂状，如高岭石类矿物集合体。

2.硬度

硬度指矿物表面抵抗刻划力的强度。矿物硬度的大小主要取决于矿物晶体中化学键的强度。其简易的测量方法，是用已知硬度的物体刻划未知矿物的表面，如能刻划出痕迹，就表明未知矿物的硬度小于已知物体的硬度，然后，再用硬度更小的物体去做同样的测试，直到找到未知矿物的硬度即可。地质上常用一套已知硬度的矿物作为对照物去检测未知矿物的硬度，这就是所谓的摩氏硬度计(Mohs hardness scale)(表1-3)。这是德国矿物学家Friedrich Mohs(1773～1839)一百多年前发明的，迄今仍有使用价值。其实，当我们在野外作业时，手头不一定有现成的摩氏硬度计，但如果用已知硬度的一些物体无疑会起到替代摩氏硬度矿物的作用。如指甲的硬度通常略大于2，铜币的硬度大约等于3，小刀的硬度略大于5，普通玻璃的硬度为5.5等。测试时必须用矿物的新鲜面，否则结果不准确。矿物的硬度也可用仪器测量，目前使用较多的为Vicker法，是用合金或金刚石制成一定形状的压头，加以一定的负荷压在矿物的光面上，以负荷与压痕的表面积的关系，求得矿物的绝对硬度，一般以kg/mm²表示。

表1-3 摩氏硬度计

有些矿物表面的不同方向表现出不同的硬度，这与矿物晶体内部结构的异向性有较大的关系，即晶体不同方向上表现出不同的物理性质。如蓝晶石在平行柱状方向的硬度为4.5，而在垂直柱状方向的硬度则为6，故蓝晶石有时也称作“二硬石”。

3.比重与密度

矿物的比重，指矿物相对于等体积的水的重量。它的大小取决于矿物组成成分及其内部质点(原点或者离子)堆积的紧密程度。严格来说，比重(G)应该是矿物在空气中的重量与同体积水(4℃)重量的比值，即

综合地质学

比重的测量方法完全基于阿基米德定律，如果一个物体全部浸在水中，它失去的重量等于排开同体积水的重量。自然界中大部分矿物的比重为2.7，而金属矿物的比重较大，如自然金的比重为19;银为10.5;铜为8.9。比重的测量有两种途径:①称重法，在天平上分别把矿物在空气中和水或者其他已知密度的液体中称重，然后代入上式即可求出矿物的比重;②重液法，将矿物放入已知比重的不同重液中，如饱和盐水溶液(比重为1.13)、三溴甲烷(2.9)、二碘甲烷(3.33)等，如果矿物悬浮于某一种重液中，则可知矿物的比重与该重液的比重相同。

目前许多文献中矿物的重量参数常用密度来表示。所谓密度，是指单位体积的物质质量，其单位为g/cm³，水在4℃时的密度为1g/cm³。矿物的密度(D)可由下式计算得出:

综合地质学

式中:M为晶体化学式中元素的原子量之和;Z为单位晶胞中晶体化学式的分子数;V为晶胞体积;N为阿佛伽德罗常数，1/N=1.6605。

比重与密度的关系，就是比重代表了两种物质的相对密度，即

综合地质学

因为水在4℃时的密度为1g/cm³，故矿物的密度值与比重值相同。值得注意的是，比重没有量纲，而密度是有量纲的，即g/cm³。因此，密度的测量往往是通过测比重而得到的。

在肉眼鉴定矿物时，一般根据矿物相对比重将矿物分为三类。

轻矿物:矿物的比重小于2.5，如石膏。

中等比重矿物:矿物的比重在2.5～4之间，如石英、方解石等。自然界中大多数矿物属于此类。

重矿物:矿物比重大于4，如重晶石、方铅矿等。

4.矿物的脆性和延展性

矿物的脆性:指矿物受外力作用时容易破碎的性质。

矿物的延展性:指矿物在锤击或拉引下，容易形成薄片和细丝的性质。

5.矿物的弹性和挠性

矿物的弹性:矿物受外力作用发生弯曲形变，但当外力作用取消后，能使弯曲形变恢复原状，这种性质称为弹性，如云母。

矿物的挠性:矿物受外力作用发生弯曲形变，如外力作用取消后，弯曲了的形变不能恢复原状，则这种性质称为挠性，如滑石。