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        1. 礦物

            礦物指由地質作用所形成的天然單質或化合物。它們具有相對固定的化學組成,呈固態者還具有確定的內部結構;它們在一定的物理化學條件范圍內穩定,是組成巖石和礦石的基本單元。絕對的純凈物是不存在的,所以這里的純凈物是指物質化學成分相對單一的物質。

          定義

          礦物
                           礦物
            礦物一般是自然產出且內部質點(原子離子)排列有序的均勻固體。其化學成分一定并可用化學式表達。所謂自然產出是指地球中的礦物都是由地質作用形成的。
            地殼中存在的自然化合物和少數自然元素,具有相對固定的化學成分和性質。都是固態的(自然汞常溫液態除外)無機物。礦物是組成巖石的基礎。(地質博物館中有明確概念:一般而言礦物必須是均勻的固體。礦物必須具有特定的化學成分,一般而言礦物必須具有特定的結晶構造(非晶質礦物除外),礦物必須是無機物,所以煤和石油不屬于礦物。參考:南京地質博物館新館二樓)。
            實驗室已經能夠制造出某些礦物晶體(但制造出來的不屬于礦物),如人工水晶、人工鉆石等。
            已知的礦物約有4700種左右,在固態礦物中,絕大部分都屬于晶質礦物,只有極少數(如水鋁英石)屬于非晶質礦物。來自地球以外其他天體的天然單質或化合物,稱為宇宙礦物。由人工方法所獲得的某些與天然礦物相同或類同的單質或化合物,則稱為合成礦物如人造寶石。礦物原料和礦物材料是極為重要的一類天然資源,廣泛應用于工農業及科學技術的各個部門。煤的化學成分很不穩定不是礦物,是典型的混合物。

          命名

            中國習慣上把具金屬或半金屬光澤的,或可以從中提煉某種金屬的礦物,稱為某某“礦”,如方鉛礦﹑黃銅礦;把具玻璃或金剛光澤的礦物稱為某某“石”,如方解石孔雀石;把硫酸鹽礦物常稱為某“礬”,如膽礬鉛礬;把玉石類礦物常稱為某“玉”,如硬玉﹑軟玉;把地表松散礦物常稱為某“華”,如砷華﹑鎳華、鎢華。至于具體命名則又有各種不同的依據。有的依據礦物本身的特征,如成分﹑形態﹑物性等命名;有的以發現﹑產出該礦物的地點或某人的名字命名。例如鋰鈹石liberite(成分)﹑金紅石rutile(顏色)﹑重晶石barite(比重大)﹑十字石staurolite(雙晶形態)﹑香花石hsianghualite(發現于湖南臨武香花嶺)﹑彭志忠石 pengzhizhongite(紀念中國結晶學家和礦物學家彭志忠)等。礦物的中文名稱除少數由中國學者發現和命名(如鋰鈹石﹑香花石﹑彭志忠石等)及沿用中國古代名稱(如石英云母﹑方解石﹑雄黃等)者外,主要均來源于外文名稱。其中有的意譯,如上述的金紅石重晶石十字石等;少數為音譯,如埃洛石(halloysite)等;大多數則系根據礦物成分,間或考慮物性﹑形態等特征另行定名,如硅灰石(原文wollastonite為紀念英國化學家W.H.Wollaston而來)﹑黝銅礦(原文 tetrahedrite,意譯應為四面體礦)等;還有音譯首音節加其他考慮的譯名,如拉長石(原文labradorite來源于加拿大地名Labrador)等。

          簡介

            在科學發展史上,礦物的定義曾經多次演變。按現代概念,礦物首先必須是天然產出的物體,從而與人工制備的產物相區別。但對那些雖由人工合成,而各方面特性均與天然產出的礦物相同或密切相似的產物,如人造金剛石﹑人造水晶等,則稱為人工合成礦物。
            早先,曾將礦物局限于地球上由地質作用形成的天然產物。但是近代對月巖及隕石的研究表明,組成它們的礦物與地球上的類同。有時只是為了強調它們的來源,稱它們為月巖礦物和隕石礦物,或統稱為宇宙礦物。另外還常分出地幔礦物,以與一般產于地殼中的礦物相區別。
            其次,礦物必須是均勻的固體,氣體和液體顯然都不屬于礦物。但有人把液態的自然汞列為礦物,一些學者把地下水﹑火山噴發的氣體也都視為礦物。至于礦物的均勻性則表現在不能用物理的方法把它分成在化學成分上互不相同的物質,這也是礦物與巖石的根本差別。
            此外,礦物這類均勻的固體內部的原子是作有序排列的,即礦物都是晶體。但早先曾把礦物僅限于“通常具有結晶結構”。這樣,作為特例,諸如水鋁英石等極少數天然產出的非晶質體,也被劃入礦物。這類在產出狀態和化學組成等方面的特征均與礦物相似,但不具結晶構造的天然均勻固體特稱為似礦物(mineraloid)。似礦物也是礦物學研究的對象,往往并不把似礦物與礦物嚴格區分。每種礦物除有確定的結晶結構外,還都有一定的化學成分,因而還具有一定的物理性質。礦物的化學成分可用化學式表達,如閃鋅礦和石英可分別表示為ZnS和SiO2。但實際上所有礦物的成分都不是嚴格固定的,而是可在程度不等的一定范圍內變化。造成這一現象的原因是礦物中原子間的廣泛類質同象替代。
            例如閃鋅礦中總是有Fe2+替代部分的Zn2+,Zn﹕Fe(原子數)可在1﹕0到約6﹕5間變化﹐此時其化學式則寫為(Zn﹐Fe)S,石英的成分非常接近于純的SiO2,但仍含有微量的Al3+或Fe3+等類質同象雜質。最后,礦物一般是由無機作用形成的。早先曾把礦物全部限于無機作用的產物,以此與生物體相區別,后來發現有少數礦物,如石墨及某些自然硫和方解石,是有機起源的,但仍具有作為礦物的其余全部特征,故作為特例,仍歸屬于礦物。至于煤和石油,都是由有機作用所形成,且無一定的化學成分,故均非礦物,也不屬于似礦物。絕大多數礦物都是無機化合物和單質,僅有極少數是通過無機作用形成的有機礦物,如草酸鈣石[Ca(C2O4).2H2O]等。
            礦物是自然形成的純物質或化合物,化學成份組成變化不大,有結晶結構。巖石是一或多種礦物的聚合體,化學成份不定,通常無結晶結構。

          成因產狀

          礦物
                              礦物
            礦物是化學元素通過地質作用等過程發生運移﹑聚集而形成。具體的作用過程不同,所形成的礦物組合也不相同。礦物在形成后,還會因環境的變遷而遭受破壞或形成新的礦物。

          ·形成

            巖漿作用發生于溫度和壓力均較高的條件下。主要從巖漿熔融體中結晶析出橄欖石輝石﹑閃石﹑云母﹑長石﹑石英等主要造巖礦物,它們組成了各類巖漿巖。同時還有鉻鐵礦﹑鉑族元素礦物﹑金剛石﹑釩鈦磁鐵礦﹑銅鎳硫化物以及含磷﹑鋯﹑鈮﹑鉭的礦物形成。偉晶作用中礦物在700~400℃﹑外壓大于內壓的封閉系統中生成。所形成的礦物顆粒粗大。除長石﹑云母﹑石英外,還有富含揮發組分氟﹑硼的礦物如黃玉﹑電氣石,含鋰﹑鈹﹑銣﹑銫﹑鈮﹑鉭﹑稀土等稀有元素的礦物,如鋰輝石﹑綠柱石和含放射性元素的礦物形成。熱液作用中礦物從氣液或熱水溶液中形成。高溫熱液(400~300℃)以鎢﹑錫的氧化物和鉬﹑鉍的硫化物為代表;中溫熱液(300~200℃)以銅﹑鉛﹑鋅的硫化物礦物為代表;低溫熱液(200~50℃)以砷﹑銻﹑汞的硫化物礦物為代表。此外,熱液作用還有石英﹑方解石﹑重晶石等非金屬礦物形成。
            風化作用中早先形成的礦物可在陽光﹑大氣和水的作用下化學風化成一些在地表條件下穩定的其他礦物,如高嶺石﹑硬錳礦﹑孔雀石﹑藍銅礦等。金屬硫化物礦床經風化產生的CuSO4和FeSO4溶液,滲至地下水面以下,再與原生金屬硫化物反應,可產生含銅量很高的輝銅礦﹑銅藍等,從而形成銅的次生富集帶。化學沉積中,由真溶液中析出的礦物如石膏﹑石鹽﹑鉀鹽硼砂等;由膠體溶液凝聚生成的礦物如鮞狀赤鐵礦﹑腎狀硬錳礦等。生物沉積可形成如硅藻土(蛋白石)等。
            區域變質作用形成的礦物趨向于結構緊密﹑比重大和不含水。在接觸變質作用中,當圍巖為碳酸鹽巖石時,可形成夕卡巖,它由鈣﹑鎂﹑鐵的硅酸鹽礦物如透輝石透閃石﹑石榴子石﹑符山石﹑硅灰石﹑硅鎂石等組成。后期常伴隨著熱液礦化形成銅﹑鐵﹑鎢和多金屬礦物的聚集。圍巖為泥質巖石時可形成紅柱石﹑堇青石等礦物。

          ·特征

            礦物在空間上的共存稱為組合。組合中的礦物屬于同一成因和同一成礦期形成的,則稱它們是共生,否則稱為伴生。研究礦物的共生﹑伴生﹑組合與生成順序,有助于探索礦物的成因和生成歷史。就同一種礦物而言,在不同的條件下形成時,其成分﹑結構﹑形態或物性上可能顯示不同的特征,稱為標型特征,它是反映礦物生成和演化歷史的重要標志。

          物理性質

            長期以來,人們根據物理性質來識別礦物,如顏色﹑光澤﹑硬度﹑解理﹑比重和磁性等都是礦物肉眼鑒定的重要標志。
            作為晶質固體,礦物的物理性質取決于它的化學成分和晶體結構,并體現著一般晶體所具有的特性──均一性﹑對稱性和各向異性。

          ·形態

            礦物千姿百態,就其單體而言,它們的大小懸殊,有的肉眼或用一般的放大鏡可見(顯晶),有的需藉助顯微鏡或電子顯微鏡辨認(隱晶);有的晶形完好,呈規則的幾何多面體形態;有的呈不規則的顆粒,存在于巖石或土壤之中。礦物單體形態大體上可分為三向等長(如粒狀)、二向延展(如板狀﹑片狀)和一向伸長(如柱狀﹑針狀﹑纖維狀)3種類型。而晶形則服從一系列幾何結晶學規律。
            礦物單體間有時可以產生規則的連生,同種礦物晶體可以彼此平行連生,也可以按一定對稱規律形成雙晶,非同種晶體間的規則連生稱浮生或交生。
            礦物集合體可以是顯晶或隱晶的。隱晶或膠態的集合體常具有各種特殊的形態,如結核狀(如磷灰石結核)、豆狀或鮞狀(如鮞狀赤鐵礦)﹑樹枝狀(如樹枝狀自然銅)﹑晶腺狀(如瑪瑙)﹑土狀(如高嶺石)等。

          ·顏色

            礦物的顏色多種多樣。呈色的原因,一類是白色光通過礦物時,內部發生電子躍遷過程而引起對不同色光的選擇性吸收所致;另一類則是物理光學過程所致。導致礦物內電子躍遷的內因,最主要的是色素離子的存在,如Fe3+使赤鐵礦呈紅色,V3+使釩榴石呈綠色等。是晶格缺陷形成“色心”,如螢石的紫色等。礦物學中一般將顏色分為3類:自色是礦物固有的顏色;他色是指由混入物引起的顏色;假色則是由于某種物理光學過程所致。如斑銅礦新鮮面為古銅紅色,氧化后因表面的氧化薄膜引起光的干涉而呈現藍紫色的錆色。礦物內部含有定向的細微包體,當轉動礦物時可出現顏色變幻的變彩,透明礦物的解理或裂隙有時可引起光的干涉而出現彩虹般的暈色等。礦物在白色無釉的瓷板上劃擦時所留下的粉末痕跡。條痕色可消除假色,減弱他色,通常用于礦物鑒定。

          ·光澤與透明度

            指礦物表面反射可見光的能力。根據平滑表面反光的由強而弱分為金屬光澤(狀若鍍克羅米金屬表面的反光,如方鉛礦)﹑半金屬光澤(狀若一般金屬表面的反光,如磁鐵礦)﹑金剛光澤(狀若鉆石的反光,如金剛石)和玻璃光澤(狀若玻璃板的反光,如石英)四級。金屬和半金屬光澤的礦物條痕一般為深色,金剛或玻璃光澤的礦物條痕為淺色或白色。此外,若礦物的反光面不平滑或呈集合體時,還可出現油脂光澤﹑樹脂光澤﹑蠟狀光澤﹑土狀光澤及絲絹光澤和珍珠光澤等特殊光澤類型。
            指礦物透過可見光的程度。影響礦物透明度的外在因素(如厚度﹑含有包裹體﹑表面不平滑等)很多。通常是在厚為0.03毫米薄片的條件下,根據礦物透明的程度,將礦物分為:透明礦物(如石英)﹑半透明礦物(如辰砂)和不透明礦物(如磁鐵礦)。許多在手標本上看來并不透明的礦物,實際上都屬于透明礦物如普通輝石等。一般具玻璃光澤的礦物均為透明礦物,顯金屬或半金屬光澤的為不透明礦物,具金剛光澤的則為透明或半透明礦物。

          ·斷口解理與裂理

            礦物在外力作用如敲打下,沿任意方向產生的各種斷面稱為斷口。斷口依其形狀主要有貝殼狀﹑鋸齒狀﹑參差狀﹑平坦狀等。在外力作用下,礦物晶體沿著一定的結晶學平面破裂的固有特性稱為解理。解理面平行于晶體結構中鍵力最強的方向,一般也是原子排列最密的面網發生,并服從晶體的對稱性。解理面可用單形符號(見晶體)表示,如方鉛礦具立方體{100}解理﹑普通角閃石具{110}柱面解理等。根據解理產生的難易和解理面完整的程度將解理分為極完全解理(如云母)﹑完全解理(如方解石)﹑中等解理(如普通輝石)﹑不完全解理(如磷灰石)和極不完全解理(如石英)。裂理也稱裂開,是礦物晶體在外力作用下,沿一定的結晶學平面破裂的非固有性質。它外觀極似解理,但兩者產生的原因不同。裂理往往是因為含雜質夾層或雙晶的影響等,并非某種礦物所必有的因素所致。

          ·硬度與比重

          礦物
                              礦物
            硬度與比重是指礦物抵抗外力作用(如刻劃﹑壓入﹑研磨))的機械強度。礦物學中最常用的是摩氏硬度,它是通過與具有標準硬度的礦物相互刻劃比較而得出的。10種標準硬度的礦物組成了摩氏硬度計,它們從1度到10度分別為滑石﹑石膏﹑方解石﹑螢石﹑磷灰石﹑正長石﹑石英﹑黃玉﹑剛玉﹑金剛石。十個等級只表示相對硬度的大小,為了簡便還可以用指甲(2-2.5)﹑小鋼刀(6-7)﹑窗玻璃(5.5-6)作為輔助標準﹐粗略地定出礦物的摩氏硬度。另一種硬度為維氏硬度,它是壓入硬度,用顯微硬度儀測出,以千克/平方毫米表示。摩氏硬度H m與維氏硬度H v的大致關系是(kg/mm2),礦物的硬度與晶體結構中化學鍵型﹑原子間距﹑電價和原子配位等密切相關。
            指礦物指純凈、均勻的單礦物在空氣中的重量與同體積水在4℃時重量之比。礦物的比重取決于組成元素的原子量和晶體結構的緊密程度。雖然不同礦物的比重差異很大,琥珀的比重小于1,而自然銥的比重可高達22.7,但大多數礦物具有中等比重(2.5~4)。礦物的比重可以實測,也可以根據化學成分和晶胞體積計算出理論值。
            礦物的密度(D)是指礦物單位體積的重量,度量單位為克/立方厘米(g/cm3)。礦物的比重在數值上等于礦物的密度。
            礦物比重的變化幅度很大,可由小于1(如琥珀)至23(如餓釘族礦物)。自然金屬元素礦物的比重最大,鹽類礦物比重較小。
            礦物比重可分為三級:
            輕級比重小于2.5。如石墨(2.5)、自然硫(2.05-2.08)、食鹽(2.1-2.5)、石膏(2.3)等。
            中級比重由2.5到4。大多數礦物的比重屬于此級。如石英(2.65)、斜長石(2.61-2.76)、金剛石(3.5)等。
            重級 比重大于4。如重晶石(4.3-4.7)、磁鐵礦(4.6-5.2)、白鎢礦(5.8-6.2)、方鉛礦(7.4-7.6)、自然金(14.6-18.3)等。
            礦物的比重決定于其化學成分和內部結構,主要與組成元素的原子量、原子和離子半徑及堆積方式有關。此外礦物的形成條件--溫度和壓力對礦物的比重的變化也起重要的作用。
            應該指出,同一種礦物,由于化學成分的變化、類質同象混入物的代換、機械混入物及包裹體的存在、洞穴與裂隙中空氣的吸附等等對礦物的比重均會造成影響。所以,在測定礦物比重時,必須選擇純凈、未風化礦物。

          ·四性、磁性與發光性

            某些礦物(如云母)受外力作用彎曲變形,外力消除可恢復原狀,顯示彈性;而另一些礦物(如綠泥石)受外力作用彎曲變形,外力消除后不再恢復原狀,顯示撓性。大多數礦物為離子化合物,它們受外力作用容易破碎,顯示脆性。少數具金屬鍵的礦物(如自然金),具延性(拉之成絲)﹑展性(捶之成片)。
            根據礦物內部所含原子或離子的原子本徵磁矩的大小及其相互取向關系的不同,它們在被外磁場所磁化時表現的性質也不相同,從而可分為抗磁性(如石鹽)﹑順磁性(如黑云母)﹑反鐵磁性(如赤鐵礦)﹑鐵磁性(如自然鐵)和亞鐵磁性(如磁鐵礦)。由于原子磁矩是由不成對電子引起的,因而凡只含具飽和的電子殼層的原子和離子的礦物都是抗磁的,而所有具有鐵磁性或亞鐵磁性﹑反鐵磁性﹑順磁性的礦物都是含過渡元素的礦物。但若所含過渡元素離子中不存在不成對電子時(如毒砂),則礦物仍是抗磁的。具鐵磁性和亞鐵磁性的礦物可被永久磁鐵所吸引;具亞鐵磁性和順磁性的礦物則只能被電磁鐵所吸引。礦物的磁性常被用于探礦和選礦。
            一些礦物受外來能量激發能發出可見光。加熱﹑摩擦以及陰極射線﹑紫外線﹑X 射線的照射都是激發礦物發光的因素。激發停止,發光即停止的稱為螢光;激發停止發光仍可持續一段時間的稱為燐光。礦物發光性可用于礦物鑒定﹑找礦和選礦。

          化學性質

          ·晶體結構

            化學組成和晶體結構是每種礦物的基本特征,是決定礦物形態和物理性質以及成因的根本因素,也是礦物分類的依據﹐礦物的利用也與它們密不可分。

          ·化學組成

            化學元素是組成礦物的物質基礎。人們對地殼中產出的礦物研究較為充分。地殼中各種元素的平均含量(克拉克值)不同。氧﹑硅﹑鋁﹑鐵﹑鈣﹑鈉﹑鉀﹑鎂八種元素就占了地殼總重量的97%,其中氧約占地殼總重量的一半(49%),硅占地殼總重的1/4以上(26%)。故地殼中上述元素的氧化物和氧鹽(特別是硅酸鹽)礦物分布最廣,它們構成了地殼中各種巖石的主要組成礦物。其余元素相對而言雖微不足道,但由于它們的地球化學性質不同,有些趨向聚集,有的趨向分散。某些元素如銻﹑鉍﹑金﹑銀﹑汞等克拉克值甚低,均在千萬分之二以下,但仍聚集形成獨立的礦物種,有時并可富集成礦床;而某些元素如銣﹑鎵等的克拉克值雖遠高于上述元素,但趨于分散,不易形成獨立礦物種,一般僅以混入物形式分散于某些礦物成分之中。

          ·原子與配位數

            共價鍵的礦物(如自然金屬﹑鹵化物及氧化物礦物等)晶體結構中,原子常呈最緊密堆積(見晶體),配位數即原子或離子周圍最鄰近的原子或異號離子數,取決于陰陽離子半徑的比值。當共價鍵為主時(如硫化物礦物),配位數和配位型式取決于原子外層電子的構型,即共價鍵的方向性和飽和性。對于同一種元素而言,其原子或離子的配位數還受到礦物形成時的物理化學條件的影響。溫度增高,配位數減小,壓力增大,配位數增大。礦物晶體結構可以看成是配位多面體(把圍繞中心原子,并與之成配位關系的原子用直線聯結起來獲得的幾何多面體)共角頂﹑共棱或共面聯結而成。

          ·成分和結構

            一定的化學成分和一定的晶體結構構成一個礦物種。但化學成分可在一定范圍內變化。礦物成分變化的原因,除那些不參加晶格的機械混入物﹑膠體吸附物質的存在外,最主要的是晶格中質點的替代,即類質同象替代,它是礦物中普遍存在的現象。可相互取代,在晶體結構中占據等同位置的兩種質點,彼此可以呈有序或無序的分布(見有序-無序)。
            礦物的晶體結構不僅取決于化學成分,還受到外界條件的影響。同種成分的物質,在不同的物理化學條件(溫度﹑壓力﹑介質)下可以形成結構各異的不同礦物種,這一現象稱為同質多象。如金剛石和石墨的成分同樣是碳單質,但晶體結構不同,性質上也有很大差異,它們被稱為碳的不同的同質多象變體。如果化學成分相同或基本相同,結構單元層也相同或基本相同,只是層的疊置層序有所差異時,則稱它們為不同的多型。如石墨2H 多型(兩層一個重復周期,六方晶系)和3R 多型(三層一個重復周期,三方晶系)。不同多型仍看作同一個礦物種。

          ·晶體化學式

            礦物的化學成分一般采用晶體化學式表達。它既表明礦物中各種化學組分的種類﹑數量,又反映了原子結合的情況。如鐵白云石Ca(Mg﹐Fe﹐Mn)[CO3]2,圓括號內按含量多少依次列出相互成類質同象替代的元素,彼此以逗號分開;方括號內為絡陰離子團。當有水分子存在時,常把它寫在化學式的最后,并以圓點與其他組分隔開,如石膏Ca[SO4]2H2O。

          分類

          礦物
                             礦物
            礦物的分類方法很多。早期曾采用純以化學成分為依據的化學成分分類。以后有人提出以元素的地球化學特征為依據的地球化學分類,以礦物的工業用途為依據的工業礦物分類等。一般廣泛采用以礦物本身的成分和結構為依據的晶體化學分類。
            礦物分為下列大類:自然元素礦物﹑硫化物及其類似化合物礦物﹑鹵化物礦物﹑氧化物及氫氧化物礦物﹑含氧鹽礦物(包括硅酸鹽﹑硼酸鹽﹑碳酸鹽﹑磷酸鹽﹑砷酸鹽﹑釩酸鹽﹑硫酸鹽﹑鎢酸鹽﹑鉬酸鹽﹑硝酸鹽﹑鉻酸鹽礦物等)。
            新礦物。世界上已知礦物約3000種,隨著研究手段的改進,新礦物種的發現逐年增多。若以20年為一個計算單位,則新礦物的發現,1880~1899年為87種,1900~1919年為185種,1920~1939年為256種,1940~1959年為347種。80年代平均每年發現新礦物約40~50種。中國從1958年發現香花石開始,至1989年已發現新礦物約70種。
          川岛丽奈