4.3 矿物与岩石

岩石圈的物质组成是岩石，岩石是矿物的集合体，矿物则是由元素及其化合物形成的。矿物和岩石构成了地壳物质的基础，是地质作用的对象，也是地质学研究的主要对象，了解和研究地壳或岩石圈的地质过程，就必须了解矿物、岩石的地球化学行为和岩石学特征以及地质过程对它们的影响。

矿物

矿物是指自然条件下，在一定的物理-化学环境中形成的元素或化合物。大多数的矿物是晶体，少数为非晶体。矿物的晶体机构表现为规则的几何多面体，天然的矿物晶体形态是多种多样的（图4-5），其形态是由原子、离子、分子等基本质点在空间上按一定的规律排列形成的。

物理-化学条件和热力学条件对于矿物的形成具有重要意义。在不同的物理-化学条件下，相同的物质可以形成不同的晶体形态。石墨和金刚石是一个最好的例子，两种矿物都是由纯碳元素组成，由于构成石墨的是六方晶系的板状晶体，成为一种最软的矿物，其硬度只有1；金刚石则属于正方晶系，是自然界中最硬的矿物，硬度达到了10。化学成分相同的物质形成不同晶格的固体形态的性能被称为多形现象。

矿物由于质点有规律的排列形成晶格，造成了矿物的各向异性。几乎所有矿物的物理特征（导热性、导电性、硬度、光性等）都会表现出某一个方向具有某种特殊的性质，不同的方向则具有不同的性质，被认为是非均质体；而未结晶的物质（如玻璃），由于质点无序排列，经常表现出各向同性的特点，被称为均质体。

矿物的形态与性质

矿物的外形 矿物常具有一定的外形，根据矿物的外形可以区别一些常见的矿物。如磁铁矿是正八面体，黄铁矿是正方体或五角十二面体，云母为薄片状，石英则为六边柱状体等（图4-5）。矿物还常常会以许多较小的单体聚集在一起，形成矿物的集合体。如粒状集合体、片状集合体、肾状集合体、纤维状集合体等（图4-6）。实际上自然界中的矿物由于晶体的生长受到限制。其外形往往是不规则的，只有在矿物形成的过程中有足够的时间和空间，才能形成形态完整的矿物。

矿物的颜色和光泽 矿物的颜色是多种多样的，色彩艳丽的颜色尤为引人注目，很多矿物就是因为其颜色而得名，如赤铁矿（红色）、褐铁矿（褐色）、孔雀石（蓝绿色）等。同一种矿物由于所含的杂质不同也会有不同的颜色，如不含杂质的石英是无色透明的，而当石英含有杂质时则可以形成紫水晶、烟水晶等（图4-7）。矿物的外观除了形态、颜色不同以外，还会有光泽的差异，矿物光泽是指矿物对可见光反射的能力。矿物光泽的强弱取决于矿物的折射率和吸收系数和反射率。反射率越大，矿物的光泽就越强。在矿物学中将光泽的强度依反射率（R）分为三级：金属光泽（R＞0.25）；半金属光泽（R=0.19～0.25）；和非金属光泽（R=0.19～0.04）。非金属光泽常见的有：

● 金刚光泽 是指同金刚石等宝石的磨光面上所反射的光泽，如白铅矿的光泽。

● 玻璃光泽 如同玻璃表面所反射的光泽，例如方解石的光泽。

● 珍珠光泽 某些矿物呈浅色透明状，由于一系列平行的解理对光多次反射的结果而呈现出如蚌壳内面的珍珠层所表现的那种光泽，例如透石膏、白云母等。

● 油脂光泽 在某些透明矿物的断口上，由于反射表面不平滑，使部分光发生散射而呈现的如同油脂般的光泽，例如石英、霞石断口上的光泽。

● 丝绢光泽 在呈纤维状集合体的浅色透明矿物中，由于各个纤维的反射光相互影响的结果，而呈现出如一束蚕丝所表现的那种光泽，例如石棉的光泽。

● 蜡状光泽 某些隐晶质块体或胶凝体矿物表面，呈现出如石蜡所表现的那种光泽。

矿物的条痕 条痕是指矿物在坚硬的物质上留下划痕的颜色，其本质是矿物粉末的颜色。矿物的颜色与矿物的条痕经常是不一致的，如黄铜矿的颜色是铜黄色，而条痕却是暗绿色。一般地说，条痕只适合于低硬度矿物的鉴定。

矿物的硬度 矿物的软硬程度称为矿物的硬度。硬度是反映矿物表面抵抗外力的能力，地质学中通常采用的是相对硬度的方式来确定矿物的硬度。如用甲矿物去划乙矿物，乙矿物出现划痕而甲矿物未受损伤，则认为甲矿物的硬度大于乙矿物。标准摩氏硬度计的10种矿物列于表4-2。

把需要鉴定硬度的矿物与摩氏硬度计中的矿物相互刻划比较即可确定其硬度，如某种矿物的能被石英刻动而不能被正长石刻动，则硬度可以大致确定为6.5。在野外还可以利用一些简易方法确定矿物的硬度，如指甲的硬度约为2.5，小刀的硬度约为5.5，玻璃的硬度约为6.5。需要注意的是野外鉴定矿物硬度时，矿物的表面会因为风化作用而降低硬度，因此需要在矿物的新鲜面上鉴定矿物的硬度，才能反映矿物的真实情况。

矿物的解理和断口 矿物受力后会沿一定的方向裂开成光滑面的特性称为矿物的解理，光滑的平面称为解理面。如云母可以揭成一层层的小薄片是因为云母具有一组极完全解理，方解石打碎后仍然呈菱面体是因为方解石具有三组完全解理。矿物的这种特性是因为矿物晶格按某种特殊的结构排列，并形成了一些薄弱面的表现（图4-8）。另外一些矿物，在受力后并不沿着一定的方向破裂，而是形成不规则的破裂面，这种破裂面称为断口。常见的断口形态有贝壳状、锯齿状、羽状和不规则状等。解理和断口是互为消长关系的，解理发育的矿物，断口则不发育，反之亦然。

一些常见的矿物

石墨（C）晶体是六方片状，但比较少见。一般集合体呈鳞片状或块状，铁灰黑色或钢灰色，条痕为黑色，半金属光泽，不透明。硬度1，一组极完全解理。比重2.21～2.26。手摸时有滑感，会污手（图4-9a）。石墨最常见于变质岩中，是有机碳物质变质形成的，煤层经热变质也可形成石墨。有些火成岩中也可出现少量石墨。石墨可用于制造电极、润滑剂、铅笔芯、原子反应堆中的中子减速剂等，以及用来合成金刚石。

方铅矿（PbS）晶体为立方体，一般为粒状或块状，铅灰色，条痕呈灰黑色，金属光泽。硬度2～3，比重7.4～7.6，三组解理，故它很容易裂成立方体小块，是铅的主要矿物类型（图4-9b）。方铅矿是硫化物中很著名的矿物，它由金属元素铅和非金属元素硫组成，分子式是PbS，组成中常含有Ag、Bi、Sb、As、Cu、Zn、Se等元素。

黄铜矿（CuFeS2）晶体呈四面体，但少见，常呈粒状或块状产出。铜黄色，风化后会有蓝、紫、褐多种颜色，绿黑色的条痕，硬度3～4，小刀可以刻破，断口参差状，性脆，比重4.1～4.3，是一种重要的铜矿石（图4-9c）。黄铜矿是提炼铜的主要矿物之一，是仅次于黄铁矿的最常见的硫化物之一，也是最常见的铜矿物。

黄铁矿（FeS）完整的晶体为正方体或五角十二面体，立方体晶面上常可见到相互垂直的晶面条纹，集合体呈致密块状、粒状或结核状。浅铜黄色和明亮的金属光泽，常被误认为是黄金，条痕绿黑色，硬度6～6.5，小刀刻不动。比重4.9～5.2，无解理，是重要的制硫矿物（图4-5）。

铁矿（Fe2O3）晶体呈板状或片状，但很少见，常见的为致密块状、鲕状、豆状、肾状等。颜色通常为吐红色、暗红色、猪肝色等，条痕樱红色，金属光泽至半金属光泽，硬度5.5～6，比重5.0～5.3，无解理，赤铁矿是自然界分布极广的铁矿物，是重要的炼铁原料，也可用作红色颜料（图4-6）。

磁铁矿（Fe3O4）晶体为正八面体或菱形十二面体，通常为致密块状、粒状。铁黑色或深灰色。无解理，硬度5.5～6，具强磁性，是重要的铁矿石（图4-5）。

萤石（CaF2）晶体属等轴晶系的卤化物矿物。常见的为块状、粒状集合体，一般为绿色、紫色、黄色，条痕白色，玻璃光泽，透明至不透明，无色透明的较为少见。在紫外线、阴极射线照射下或加热时发出蓝色或紫色萤光，并因此而得名。硬度4，比重3.18，四组完全解理，是重要的工业原料（图4-9d）。

磷灰石（Ca5[PO4]3[F, Cl……]）晶体为六方柱状，集合体为柱状、致密块状等，属六方晶系的磷酸盐矿物的总称。有绿色、黄色、黄褐色、浅紫色等，玻璃光泽，加热后可发磷光。解理沿底面不完全，性脆，断口不平坦，油脂光泽，透明至不透明，硬度5，比重3.18～3.21。将钼酸铵粉末置于磷灰石上，加硝酸，可生成黄色的磷钼酸铵，用以快速试磷（图4-9e）。

石膏（CaSO4·2H2O）属单斜晶系的含水硫酸盐矿物。晶体为板状，集合体为块状或纤维状，常为白色或无色透明，玻璃光泽，纤维状者呈丝绢光泽。含杂质时呈多种颜色。硬度2，比重2.3，一组极完全解理，薄片具挠性。用于塑模、医疗、添加剂等（图4-9f）。

石英（SiO2）晶体呈六方柱双锥状，柱面可见生长纹，常见为粒状、块状集合体，有时可见石英晶簇（图4-10a）。无色透明的石英称为水晶，含各种杂质可形成多种颜色，硬度7，比重2.65，无解理，贝壳状断口，受压或受热能产生电效应。石英是最常见的造岩矿物，也是重要的工业原料，无裂隙、无缺陷的水晶单晶用作压电材料，来制造石英谐振器和滤波器。一般石英可以作为玻璃原料，紫色、粉色的石英和玛瑙还可作雕刻工艺美术的原料。石英是最重要的造岩矿物之一，在火成岩、沉积岩、变质岩中均有广泛分布。巴西是世界著名的水晶出产国，曾发现直径2.5m、高5m、重达40余吨的水晶晶体。

正长石（KAlSi3O8）晶体属单斜晶系的架状结构硅酸盐矿物。正长石是钾长石的亚稳相变体，钾长石和钠长石不完全类质同象系列。短柱状或厚板状晶体，常见卡斯巴双晶（图4-10e）、巴温诺双晶和曼尼巴双晶，集合体为致密块状。肉红或浅黄、浅黄白色，玻璃光泽，解理面珍珠光泽，半透明。两组解理（一组完全、一组中等）相交成90°，由此得正长石之名。硬度6，比重2.56～2.58。900℃以上生成的无色透明长石称透长石。正长石广泛分布于酸性和碱性成分的岩浆岩、火山碎屑岩中，在钾长片麻岩和花岗混合岩以及长石砂岩和硬砂岩中也有分布。正长石是陶瓷业和玻璃业的主要原料，也可用于制取钾肥。

白云母（KAl2[AlSi3O8][OH]2）集合体呈片状或致密块状。一般为无色透明，可因所含杂质而呈淡黄或淡褐色，珍珠光泽（图4-10b）。硬度2～3，一组极完全解理。白云母也是一种主要造岩矿物，岩浆作用和变质作用都可以形成。白云母的绝缘性能好，可在电器工业中用于绝缘材料。

黑云母（K[Mg, Fe]3[AlSi3O10][OH]2）常见为片状集合体，颜色有黑色、棕色、褐色等（图4-10c），硬度2～3，一组极完全解理。主要为岩浆作用形成。

斜长石（Na[AlSi3O8]——Ca[Al2Si2O8]）类质同象系列的长石矿物的总称，共分为6个矿物种：钠长石（An0-10Ab100-90）、奥长石（An10-30Ab90-70）、中长石（An30-50Ab70-50）、拉长石（An50-70Ab50-30）、倍长石（An70-90Ab30-10）和钙长石（An90-100Ab10-0）。岩石学中将前二者统称为酸性斜长石，而将后三者统称为基性斜长石。晶体多为柱状或板状，常见聚片双晶，在晶面或解理面上可见细而平行的双晶纹。白至灰白色，有些呈微浅蓝或浅绿色，玻璃光泽，半透明。两组解理（一组完全、一组中等）相交成86°24′，故得名斜长石（图4-10d）。硬度6～6.5，比重2.6～2.76。斜长石广泛分布于岩浆岩、变质岩和沉积碎屑岩中。斜长石是陶瓷业和玻璃业的主要原料，色泽美丽者可作宝玉石材料，如日光石。

普通角闪石（Ca2Na[Mg, Fe]4[Fe, Al][（Al, Si）4O11] [OH]2）晶体呈长柱状，横断面为近菱形的六边体，集合体常呈粒状、针状或纤维状（图4-10f）。颜色为绿黑至黑色，条痕浅灰绿色，玻璃光泽，近乎不透明。两组完全解理，交角为124°或56°。硬度5～6，比重3.1～3.4。普通角闪石是火成岩和变质岩的主要造岩矿物。

普通辉石（[Ca, Na][Mg, Fe, Al, Ti][（Si, Al）2O6]）晶体短柱状，横断面近八边体，集合体常为粒状、放射状或块状。绿黑至黑色，条痕无色至浅灰绿色，玻璃光泽（风化面光泽暗淡），近乎不透明（图4-10g）。两组柱面中等解理，相交近直角（87°或93°）。硬度5～6，比重3.23～3.52。普通辉石是火成岩，尤其是基性岩、超基性岩中很常见的一种造岩矿物，在月岩中也很丰富，变质岩中偶有出现。

橄榄石（[Mg, Fe][SiO4]）晶体为短柱状，多呈粒状集合体，因常呈橄榄绿色而得名（图4-10h）。偏于富镁的镁铁橄榄石最常见，一般称为橄榄石，随Fe含量增多，可由浅黄绿色至深绿色，玻璃光泽，透明至半透明。解理中等或不完全，常具贝壳状断口，性脆。硬度6～7，比重3.3～4.4。橄榄石是组成上地幔的主要矿物，也是陨石和月岩的主要矿物成分。它作为主要造岩矿物常见于基性和超基性火成岩中。镁橄榄石还可产于镁矽卡岩中。橄榄石受热液作用蚀变变成蛇纹石。透明色美的橄榄石可作宝石。

石榴子石（[Ca, Mg][Al, Fe][SiO4]3）晶体一般为菱形十二面体或四角三八面体，集合体常为粒状。颜色多种多样，有红色、褐色、浅绿色、黑色等（图4-10i）。无解理，硬度6～8.5，多为变质作用所形成。

方解石（CaCO3）晶体为菱面体，集合体多种多样，有粒状、致密块状、鲕状、钟乳状等，因所含杂质不同而呈现各种各样的颜色，条痕白色。三组完全解理，硬度3，遇酸会强烈起泡。方解石主要是沉积作用和变质作用形成的，岩浆作用也可形成。以方解石为主要成分的石灰岩可以用来烧石灰或作为水泥原料。无色透明的方解石称为冰洲石，具有特殊的双折射现象，是非常重要的光学材料（图4-11）。

岩石

矿物在地质作用下所形成的集合体称为岩石。岩石可以是由单一矿物组成的，如纯净的大理岩就是由方解石组成的，但大多数的岩石是由两种或两种以上的矿物组成的，如花岗岩就是由石英、长石和云母三种矿物组成的。构成地壳的岩石按照其成因可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类，分别由岩浆作用、沉积作用和变质作用形成（请阅读相应的章节）。

岩石的矿物组成 岩石的矿物组成是指组成岩石的矿物种类及其在岩石中所占的比例，是区别岩石类型的主要依据。

岩石的化学成分 研究表明，几乎所有天然元素都可以在岩石中发现，岩石的化学成分是指构成岩石的10种主要元素的氧化物（SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、CaO、MgO、MnO、Na2O、K2O、TiO2），它们在岩石中所占的比例超过了99%。对于难以确定其矿物成分的岩石，通常采用岩石的化学成分来确定岩石的种类。

岩石的颜色 岩石的颜色主要取决于岩石的物质成分，以及组成岩石的矿物特征。成分相同的岩石有时在颜色上会有很大的差异。对于沉积岩而言，岩石的颜色还会在很大程度上反映其沉积时的环境。

岩石的结构 结构是岩石中矿物之间的相互关系的反映，如隐晶质结构、斑状结构（图4-12）、等粒结构等。

岩石的构造 构造是岩石中由于物质组成的差异或结构的差异所反映出的外观的总体特征，如块状构造、气孔状构造（图4-13）、层状构造、片麻状构造等。

常见的岩石类型将在相关的章节里介绍。