3.2 矿物
矿物是组成岩石的基本物质单元。矿物是地壳中的元素在各种地质作用下由一种或几种元素结合而成的天然单质或化合物，它是在地质作用中产生的，具有一定化学成分、结晶构造、外部形态和物理性质的天然物质。绝大多数矿物为化合物，如石英（SiO2）、正长石（K［AlSi3O8］）、方铅矿（PbS）等；少数矿物为单质，如石墨（C）、金刚石（C）、自然金（Au）等。
矿物不仅具有一定的化学成分，而且绝大多数的矿物具有确定的内部构造，即内部的原子或离子是在三维空间成周期性重复排列的，具有这种结构的称为晶体。绝大多数矿物都是晶体，它们具有各自特定的晶体结构，因而具有一定形态及物理性质。石英与非晶质的玻璃其化学成分都是SiO2，但石英的质点排布有规律，而玻璃则没有。所以，石英在适当的条件下可具有一定的晶形。
▶ 3.2.1 矿物的分类
1）按照矿物的成因分类
自然界的矿物按其成因可分为以下三大类型。
原生矿物：在成岩或成矿的时期内，从岩浆熔融体中经冷凝结晶过程中所形成的矿物，如石英、长石、辉石、角闪石、云母、橄榄石、石榴石等。
次生矿物：原生矿物遭受风化作用而形成的新矿物，如高岭石、蒙脱石、伊里石、绿泥石等，或在水溶液中析出生成的，如方解石、石膏、白云石等。
变质矿物：在变质作用过程中形成的矿物，如区域变质的结晶片岩中的蓝晶石和十字石等。
2）按照矿物的物质成分分类
自然界的各种元素可以结合成各种不同种类的矿物，而且各种矿物在地质作用下有可能相互转化，地壳中已知的矿物有3 000多种，但常见的不过200多种。矿物按照其物质成分可分为造岩矿物和造矿矿物两大类：
造岩矿物指斜长石、正长石、石英、白云母、黑云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、石榴石等组成岩石的常见矿物。
金属造矿矿物指磁铁矿、赤铁矿、黄铜矿、黄铁矿和方铅矿等形成矿产的常见矿物。
▶ 3.2.2 矿物的形态特征
矿物的形态特征受其成分、结晶构造和成因的影响，相同结晶构造的矿物，其形态特征也必然有共同的规律。矿物根据其形态特征可分为单体形态和集合体形态。
1）单体矿物形态
（1）结晶质和非结晶质矿物
造岩矿物绝大部分都是结晶质的，结晶质的基本特点是组成矿物的元素质点（离子、原子或分子）在矿物内部按照一定的规律重复排列，形成稳定的格子构造，在生长过程中如条件适宜，能生成具有一定几何外形的晶体，如食盐的正立方晶体（见图3.3），石英的六方双锥晶体等。在结晶质矿物中，还可根据肉眼能否分辨而分为显晶质和隐晶质两类。
图3.3 食盐晶体构造
非晶质矿物内部质点排列没有一定的规律性，所以外表就不具有固定的几何形态，如蛋白石（SiO2·nH2O）、褐铁矿（Fe2O3·nH2O）等。非晶质可分为玻璃质和胶质两类。
（2）矿物的结晶习性
在相同条件下生长的同种晶粒，总是趋向于形成某种特定晶形的特性称为结晶习性。
尽管矿物的晶体多种多样，但归纳起来，根据晶体在三维空间的发育程度不同，可分为以下三类（见图3.4）。
图3.4 常见矿物晶体的形态
①一向延长
晶体沿一个方向特别发育，其余两个方向发育差，呈柱状、棒状、针状、纤维状等，如角闪石辉石、石棉、纤维石膏、文石等。
②二向延长
晶体沿两个方向发育，呈板状、片状、鳞片状等。如板状石膏、云母、绿泥石等。
③三向延长
晶体在三维空间发育，呈等轴状、粒状等。如岩盐、黄铁矿、石榴子石等。
2）矿物集合体形态
同种矿物多个单体聚集在一起的整体就是矿物集合体。矿物集合体的形态取决于单体的形态和它们的集合方式。集合体按矿物结晶粒度大小进行分类，肉眼可辨认其颗粒的叫显晶矿物集合体，肉眼不能辨认的则叫隐晶质或非晶质矿物集合体。
显晶集合体形态有规则连生的双晶集合体，如接触双晶和穿插双晶以及不规则的粒状、块状、片状、板状、纤维状、针状、柱状、放射状、晶簇状等。其中晶簇（见图3.5）是以岩石空洞洞壁或裂隙壁作为共同基底而生长的晶体群。
图3.5 辉锑矿晶簇
隐晶和胶态集合体可以由溶液直接沉积或由胶体沉积生成。主要形态有球状、土状、结核体、鲕状、豆状、分泌体、钟乳状、笋状集合体等。其中结核体是围绕某一中心自内向外逐渐生长而成。钟乳状集合体通常是由真溶液蒸发或胶体凝聚，由同一基底逐层堆积而成，可呈葡萄状、肾状、石钟乳状等。分泌体是在形状不规则或球状孔洞中，胶体或晶质矿物由洞壁向中心逐层沉淀填充而成。
▶ 3.2.3 矿物的物理性质及化学成分
1）矿物的物理性质
自然界中的大多数矿物都具有确定的物理性质，不同矿物的化学成分或内部构造不同，因而反映出不同的物理性质。研究矿物的物理性质，可作为对矿物进行鉴定的依据。矿物的物理性质是鉴别矿物的重要依据。矿物的物理性质主要包括形状、颜色、条痕、透明度、光泽、硬度（见图3.6）、解理、断口、密度等，见表3.2。
图3.6 摩氏硬度特征矿物（从左到右，矿物硬度越来越大）
表3 2矿物的物理性质
矿物除普遍具有表3.2中的物理性质外，还有一些矿物具有独特的性质，如导电性、磁性、弹性、挠性、延展性、脆性、放射性等，这些性质同样是鉴定矿物的可靠依据。矿物受外力作用后发生弯曲变形，外力解除后仍能恢复原状的性质称为弹性，如云母的薄片具有弹性。矿物受外力作用后发生弯曲变形，当外力解除后不能恢复原状称为挠性，如绿泥石、滑石具有挠性。矿物能锤击成薄片或拉长细丝的特性称为延展性，如自然金、自然银等具有延展性。矿物的一些简单化学性质，对于鉴定某些矿物也是十分重要的。如方解石滴上稀盐酸能剧烈起泡，白云石滴上浓盐酸或热酸可以起泡，其他矿物不具备这种性质，常以此作为鉴定它们的依据。
2）矿物的化学成分和结晶构造
矿物的化学成分和结晶构造，在一定地质条件下综合反映了矿物的形态和物理性质。因此，研究矿物的化学成分和结晶构造对于鉴定矿物、利用矿物和分析矿物的形成条件等方面都是很重要的。
①地壳中化学元素的分布具有不均匀性，不同元素组成的矿物种数及各种矿物在地壳总质量中所占的比率也不相同。矿物种数最多的是那些占有质量分数较多的元素，如含氧的矿物种数占矿物总种数的80%；含硅的矿物占25%。但也有些占有质量分数小的元素反而比占有质量分数大的元素形成的矿物种数多。形成矿物种类不仅与占有质量分数有关，而且更重要的是与元素本身的化合特性有关。有些矿物是独立的矿物，另一些矿物往往混于其他矿物中。
②元素在自然界以原子、离子、分子三种状态存在于物质之中，在矿物中化学元素主要是以离子状态（少数呈分子、原子状态）存在，根据离子的最外电子层结构可将离子分为三种类型：惰性气体型离子、铜型离子、过渡型离子。元素间性质不同，各自形成一系列独立的矿物种。所以多种元素在同一条件下互相作用，就会形成共生的一些矿物群。如热水溶液中富集有Si4+、Fe2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+、S2－及O2－等许多离子，这些离子按其化合性质不同可分别形成SiO2（石英）、FeS2（黄铁矿）、PbS（方铅矿）, ZnS（闪锌矿）和CuFeS2（黄铜矿）等。这些元素不能共同形成一种矿物，各矿物彼此嵌生，量少的有时可被包在量多的矿物中。
③质点有规律地排布成格子状构造是矿物晶体的共同规律。比较一下金刚石（C）、食盐（NaCl）、萤石（CaF2）及方解石（CaCO3）的结晶构造，可以看出，不同成分的矿物其结晶构造不同，而且成分越简单，结晶构造也越简单。结晶构造中质点之间的作用力或者联结力称为化学键。
④矿物的化学成分并不是固定不变的，它可以在一定的范围内发生变化。对于同种化学成分的物质，在不同条件下，也可以形成不同的结构。
类质同象是指矿物中两种或两种以上的类似质点互相替换，使矿物的化学成分和某些物理性质发生一定变化，但不改变其晶体结构的现象。
类质同象是矿物中一种相当普遍的现象，比如闪锌矿，有浅色的 ZnS，也有深色的（Zn, Fe）S。后者实际是少量的Fe2+代替了Zn2+，占据了这些Zn2+在晶格中的位置。随着含铁量的增加，闪锌矿的颜色与条痕色将不断加深，相对密度也将增大，但晶形和物理性质却不发生变化。经X射线分析证明，两者的晶体结构是相同的，仅晶格常数有微小变化（见图3.7）。
图3.7 闪锌矿构造中Fe的类质同象
同质多象是指同种化学成分的物质，在不同环境（温度、压力、介质酸碱度等）条件下，可以形成两种或两种以上结构不同、形态和性质各异的晶体的现象。
这种现象在矿物中也不少，典型的例子是金刚石和石墨，两者成分都是C。金刚石是在极高压力条件下形成的，石墨则是在较低压力条件下形成的。由于生成环境的差异，它们的晶体内部结构完全不同（见图3.8），物理性质也极不相同，石墨很软、摩氏硬度仅为1，而金刚石极硬，摩氏硬度为10。
晶体的结构是化学成分在一定条件下的产物，是成分与环境的统一。因此，研究同质多象可以获得有关矿物形成条件的信息。
图3.8 石墨（a）和金刚石（b）的构造
⑤矿物的化学成分虽然可变，但还是有规律的，它是在一定范围内变化的，并且其主要化学成分间原子数的比值是一定的，所以每种矿物有一定的化学成分，并可以用化学式来表示。结晶水以αH2O（α为定数），胶体水以nH2O（n为不定数），写在化学式的最后，并以“·”分开，如石膏——Ca［SO4］·2H2O，蛋白石——SiO2·nH2O。
▶ 3.2.4 常见造岩矿物的鉴定
自然界产出的矿物，已知有3 000种左右，而对于形成岩石的造岩矿物则不过数10种。主要造岩矿物，绝大多数为硅酸盐，其余为氧化物、硫化物、卤化物、碳酸盐和硫酸盐等。正确地识别和鉴定矿物，对于岩石命名、鉴定和研究岩石的性质，是一项非常重要的工作。准确的鉴定方法需要借助各种仪器和化学分析，最常用的为偏光显微镜、电子显微镜等。但对于一般常见造岩矿物，用简易鉴定方法或称肉眼鉴定方法即可进行初步鉴定。所谓简易鉴定方法，即借助一些简单工具如小刀、放大镜、条痕板等对矿物进行直接观察测试。为便于鉴定，表3.3列出了常见造岩矿物的鉴定特征。
表3 3主要造岩矿物鉴定特征表
续表
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