地质地貌学矿物ppt课件.ppt

第一章 矿 物,地质与地貌学,2018.9,第一节 地壳中的元素第二节 矿物的形态第二节 矿物的物理性质第三节 矿物的化学性质第四节 矿物的形成与共生第五节 矿物的分类及鉴定,本 章 内 容,第一节 地壳中的元素,一、基本概念,1、元素是构成地球的最基本物质,由同种原子所组成. 目前已知的化学元素有108种，天然存在的为92种，其中绝大多数元素都在地壳中有所分布。地壳正是由这些化学元素自然形成矿物并组合成的岩石所构成的。,2、同位素:是中子数不同（原子量不同）的同种元素的变种。,放射性同位素主要用来测定岩浆岩石的绝对年龄;稳定同位素主要用来确定岩石的物质环境与来源；如地壳,地幔,水圈,大气圈,生物圈,月球,陨石等。,放射性同位素:主要有 U238,U235,U234,Th232,Rb87,K40等稳定同位素：主要有O16,O17,O18,C12,C13,S32,S33,S36,H1,同位素研究是当代倍受重视的国际前沿,地化专业主攻.,3、半衰期：放射性元素蜕变到其原来数量的一半所需时间.,如: Rb87-Sr87 : 500亿年, Th232-Pb208: 139亿年, U238-Pb206：45亿年, K40-Ar40 :15亿年, U235-Pb207 :7.13亿年, C14-N14 : 5692年,二、地壳中的元素与克拉克值,克拉克值（地壳元素丰度）地壳中化学元素平均含量百分比。,表31 地壳主要元素的克拉克值（刘英俊等，1984）,从表、图中可以看出，地壳中的各种化学元素分布是极不均匀的：O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg这八种元素就占了地壳总量的99，而其它元素的总和还不到总量的1。,地壳中的化学元素绝大部分是以矿物的形式存在的，再由矿物有规律地组合而成各种岩石。地质学就是通过对矿物岩石的分析、鉴定来认识地壳的物质组成。,第二节 矿物的形态Crystal Form of Mineral,概念：矿物是指天然产出的具有相对固定的化学成分和物理特征的单质与化合物。,概念：矿物是指天然产出的具有相对固定的化学成分和物理特征的单质与化合物。,矿物是岩石或矿石的基本组成单位。 所谓自然产出就是地球中的矿物都是由地质作用形成的。那些人工合成的产物，如人造金刚石等其特性与天然产出的矿物相同但不属于矿物，常称人造矿物。 矿物必须是均匀的固体。 水、空气并非固体不是矿物； 花岗岩虽是固体，但是它是由长石、石英、黑云母等多种物质聚集而成的，其不同部分并不均匀，故不是矿物；煤无一定的化学式，也不属于矿物。,矿物的形态是指矿物的单体及同种矿物集合体的形状而言。 由于化学成分与内部结构不同，不同矿物具有不同性质与特征，根据其性质与特征就能识别和鉴定它们。,矿物形态：指矿物单体、矿物规则连生体及同种矿物集合体的形态。,重要鉴定特征；成因信息载体；找矿标志；宝玉石加工；磨料选择,晶质体与非晶质体 晶质体是指内部质点（原子、离子或分子）在三维空间周期性重复且有规律排列的固体，简称晶体。 矿物大都属于晶体。 晶体中各质点间的结合力就是化学键，包括离子键、共价键、金属键。此外，还有分子间的引力。 由于晶体内质点呈有序的排列，所以晶体内部就具有格子构造，称为晶体结构。在晶体中，习惯上还根据肉眼对晶粒的能否分辨而分为显晶质和隐晶质两类。 按规律排列且具有格子构造的物质既为结晶质，结晶质在空间的有限部分即为晶体。,图2-1 盐岩晶体构造,例如，盐岩（NaCl），由于其内部的和在空间的三个方向上按等距离排列，所以外表就呈现出立方体的晶形。不同晶体，其质点的种类不同，质点的排列方式和间距不同，因而具有不同的晶体结构。,非晶质体中内部质点的排列没有一定的规律，所以外表就不具有固定的几何形态。例如蛋白石（SiO2）、褐铁矿等。 大多数矿物是晶质的，但非晶体矿物中的胶体矿物也有一定数量。 应该指出，晶质和非晶质并非一成不变的，在一定的温度、压力条件下是可以相互转化的。例如结晶的铁氢氧镁石可以变为非晶质，而蛋白石可以转化为结晶的石英。,蛋白石,石英,矿物单晶体的形态,三层含义： 晶体的单形或聚形； 结晶的完好程度(自形、半自形、它形)； 晶体在三维空间的相对发育情况。,单晶体的晶体习性,晶体习性(crystal habit)的概念： 在一定的外界条件下，矿物晶体常常趋向于形成某种特定形态，称为该矿物的晶体习性，也称为结晶习性，简称晶习。,单体形态可分为两种，一种是由单一形状的晶面所组成的晶体，称为单形。例如，图2-2所示黄铁矿的立方体晶形，就是有六个同样的正方形晶面所组成的；磁铁矿的八面体晶形则是由八个同样的等边三角形晶面所组成的。另一种是由数种单形聚合而成的晶体，称为聚形。如石英的晶体通常是由六方双锥和六方柱这两种单晶聚合而成的（图2-2）。,单形,聚形,1）自形晶： 晶体完全被自身应该发育的晶面包围。反映未受相邻晶体发育的干扰，有足够的生长空间。2）半自形晶： 只有晶体的其中一部分被自身固有的规则几何晶面所包围。反映晶体在生长过程受到相邻晶体发育的干扰或生长空间受限。3）它形晶： 没有（或几乎没有）被自身应有的晶面包围，而完全呈现其它形态。,结晶的完好程度,黑云母自形晶（右，新疆）,自形晶,正长石自形晶-平行双晶（左，河北）,20,自形结构（霞石） （MacKenzie和Adams，1993）,自形结构橄榄玄武岩中的橄榄石（MacKenzie等，1982）,由于在岩石中矿物结晶有先有后，较后结晶的矿物由于部分先结晶的完整晶体存在而使晶粒不可能完全发育自己的晶面。,半自形晶,磁铁矿 它形晶,一向延长型： 柱状、针状和纤维状等。 如：水晶、绿柱石、电气石、角闪石和金红石等。二向延展型： 板状、片状、鳞片状和叶片状等。 如：重晶石、云母、石墨和绿泥石等。三向等长型： 粒状或等轴状。 如：黄铁矿、石榴子石和橄榄石等。过渡类型：短柱状、板柱状、板条状和厚板状等。,根据晶体在三维空间的发育程度，分为：,2023/1/1,针状钠沸石,粒状萤石,柱状水晶,粒状白榴石,片状黑云母,矿物集合体形态 （一）矿物显晶集合体的形态 显晶集合体(phanerocry stalline aggregate)是肉眼或借助于放大镜即能分辨出矿物各单体的集合体 。 根据单体的晶体习性及集合方式，显晶集合体的形态常见有 柱状(columnar)、 针状(acicular)、 板状(tabular)、 片状(schistic)、 鳞片状(scaly)、 叶片状(foliated)、 粒状(granular)。,柱状集合体（石英）,针状集合体（辉锑矿）,片状集合体（白云母）,粒状集合体（方铅矿）,其他特殊形态的集合体：(1) 纤维状集合体(fibrous aggregate): (2) 放射状集合体(radiated aggregate)： (3) 晶簇(druse)：,纤维状集合体（直闪石石棉）,放射状集合体（红柱石）,水晶晶簇,矿物隐晶集合体和胶体的形态 1、隐晶集合体(cryptocrystalline aggregate)： 只在显微镜的高倍镜下才可分辨矿物单体的集合体。,玉 髓 雕 件,黄 龙 玉,2、胶态集合体(colloidal aggregate)： 即使在显微镜下也不能辨别出单体界线的集合体，不存在单体。 胶体的表面张力胶态集合体趋向于球状，内部形成同心状或放射纤维状构造(radial fibrous structure)。 按照形成方式及外貌特征，常见的隐晶及胶态集合体主要有： (1) 分泌体(secretion) ； (2) 结核体(concretion)； (3) 鲕状及豆状集合体(oolitic & pisolitic aggregates) (4) 钟乳状集合体(stalactitic aggregate）。,第三节 矿物的物理性质Physical Properties of Minerals,一、矿物的光学性质二、矿物的力学性质三、矿物的其它性质 电学性质 磁学性质 热学性质 ,一、矿物的光学性质 矿物的光学性质(optical properties)是指矿物对可见光的反射、折射、吸收等所综合表现出来的各种性质。 包括： 矿物的颜色 、 条痕、 光泽、 透明度。,颜色互补示意图,紫,青,黄绿,绿,蓝,红,橙,黄,（一）矿物的颜色：1、颜色(color)的定义：是矿物对入射的白色可见光(390770nm)中不同波长的光波吸收后，透射和反射的各种波长可见光的混合色。自然光呈白色，由红、橙、黄、绿、蓝、青、紫七种色光组成。对角扇形区为互补色。,矿物颜色与其对光的作用关系： 黑色均匀地全部吸收自然白光；白色或无色基本上不吸收；灰色均匀地吸收各种色光；被吸收的色光的补色选择性地吸收某种波长的色光。 矿物颜色的成因类型： 自色 他色 假色,(1) 自色(Idiochromatic color)： 由矿物本身固有的化学成分和内部结构所决定的颜色。(2) 他色(allochromatic color)： 是指矿物因含外来带色的杂质、气液包裹体等所引起的颜色。如烟水晶(3) 假色(pseudochromatic color)： 是自然光照射在矿物表面或进入到矿物内部所产生的反射、干涉、衍射、散射等物理光学效应而引起的矿物呈色。假色只对个别矿物有辅助鉴定意义。,矿物中常见的假色主要有： 锖色(tarnish)：指某些不透明矿物表面氧化薄膜引起反射光的干涉而呈现出的彩色。如斑铜矿表面的蓝、靛、红、紫斑驳色。 晕色(iridescence)：指某些透明矿物内部平行密集的解理面或裂隙面对光连续反射使矿物表面出现如同彩虹般的色带。在白云母、冰洲石、透石膏等无色透明晶体的解理面上最易见到。 变彩(play of color)：指从不同方向观察某些透明矿物时，其不均匀分布的各种颜色会随之发生变换。这是由于矿物内部存在有许多厚度与可见光波长相当的微细叶片状或层状结构，引起光的衍射、干涉作用所致。例如，拉长石即具有美丽的蓝绿、金黄、红紫等连续改变的变彩；贵蛋白石呈现蓝、绿、紫、红等色的变彩。 乳光(也称蛋白光，opalescence)：指在矿物中见到的一种类似于蛋清般略带柔和淡蓝色调的乳白色浮光。它是由于矿物内部含有许多远比可见光波长为小的其他矿物或胶体微粒，使入射光发生漫反射而引起的。如月长石和乳蛋白石均可见到这种乳光。,2、矿物的呈色（致色）机理含过渡型离子的矿物离子内部电子跃迁(internal electron transition)： 当自然光照射时，矿物中致色元素离子吸收光能而从基态跃迁到激发态。矿物将呈现所吸收色光的补色。 （外电子层d轨道或f轨道能级分裂，能级间的能量差与可见光中的某种波长的光波相当而致其被吸收，又称dd跃迁或ff跃迁。 含变价元素矿物离子间电荷转移(interionic charge transfer)： 在外加能量的激发下，矿物晶体结构中变价元素的相邻离子之间发生电子跃迁(称为电荷转移)，而使矿物致色。 如Fe2+与Fe3+，Mn2+与Mn3+或Ti3+与Ti4+之间最易发生电荷转移。例如蓝闪石即是由于结构中存在Fe2+与Fe3+之间的电荷转移而呈蓝色。,自然金属或硫化物矿物能带间电子跃迁(interband transition)： 能带理论认为，矿物中的原子或离子，其外层电子均处于一定的能带。能带的下部为价带(valence band)，上部为导带(conduction band)，两者间为禁带(forbidden band) 。 矿物可吸收能量高于禁带宽度的色光，使电子从价带跃迁到导带而呈色。 如辰砂(HgS)的禁带宽度为3210-16J，相当于620nm的波长，故矿物能吸收除红光以外的其它色光而呈红色。碱金属和碱土金属化合物矿物色心(color centre)： 色心是一种能选择性吸收可见光波的晶格缺陷，它能引起相应的电子跃迁而使矿物呈色。 如萤石(CaF2)的紫色、石盐(NaCl)的蓝色即分别是因晶格中F-空位和Cl-空位所引起的F心所致。,说明：A）能够使矿物呈色的过渡型离子称为色素离子(chromophoric ion)。主要有周期表中第四周期的Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni，以及次要的W、Mo、U、Cu和稀土元素的离子，其中最常见的是通常分别使矿物致绿色和褐红色的Fe2+和Fe3+。B）对于仅由惰性气体型离子所构成的矿物，因其基态与激发态能级间的能量差远比可见光的能量为大，可见光不能激发电子而使其发生跃迁，即矿物对可见光不吸收，故呈现无色或白色。,（二）矿物的条痕： 1、条痕(streak)的概念：矿物的条痕是矿物粉末的颜色。通常是指矿物在白色无釉瓷板上擦划所留下的粉末的颜色。 2、矿物的条痕的意义：能消除假色、减弱他色、突出自色。 条痕对于鉴定不透明矿物和鲜艳彩色的透明半透明矿物，尤其是硫化物或部分氧化物和自然元素矿物，具有重要意义。根据条痕的微细变化，可大致了解矿物成分的变化，推测矿物的形成条件。,（三）矿物的透明度1、矿物透明度(transparency或diaphaneity)的概念：透明度是指矿物允许可见光透过的程度。一般将矿物的透明度划分为三级：(1) 透明(transparent或diaphanous)：能允许绝大部分光透过，矿物条痕常为无色、白色或略浅色。如石英、方解石和普通角闪石等。(2) 半透明(translucent)：可允许部分光透过，矿物条痕呈各种彩色(如红、褐等色)。如辰砂、雄黄和黑钨矿等。(3) 不透明(opaque)：基本不允许光透过，矿物具黑色或金属色条痕。如方铅矿、磁铁矿和石墨等。2、判别透明度等级的依据：1）矿物边缘的透光程度条痕；2）0.03mm厚度的矿物薄片，在偏光显微镜下观察。,3、影响透明度的因素：1）化学组成和晶体结构。吸收系数大的矿物，其透明度即低。一般地，金属晶格由于内部存在着自由电子，因而其对光的吸收比原子晶格和离子晶格要强得多。而离子晶格的吸收程度又因离子类型而异：铜型离子对光的吸收很强，过渡型离子、惰性气体型离子的吸收能力则依次降低。2）颜色深浅和厚度；3）矿物中的裂隙、包裹体；4）矿物的集合方式；5）表面风化程度。,二 矿物的力学性质矿物的力学性质(mechanical properties)是指矿物在外力(如敲打、挤压、拉引和刻划等)作用下所表现出来的性质。 包括： 解理、裂开和断口； 硬度； 脆性； 延展性； 弹性和挠性。,(一) 矿物的解理、裂开和断口 1、解理(cleavage)（1）解理的概念 矿物晶体在应力（敲打、挤压等）作用下，沿一定结晶学方向破裂成一系列光滑平面的固有特性称为解理，这些光滑的平面称为解理面(cleavage plane)。,（2）解理的分级：通常按照破裂的难易程度，将解理分为五个等级。I.极完全解理(eminent cleavage)：矿物受力后极易裂成薄片，如云母的解理；石墨的解理。II. 完全解理(perfect cleavage)：矿物受力后易裂成光滑的平面或规则的解理块，常见平行解理面的阶梯。如方铅矿的解理；方解石的解理等。III. 中等解理(good or fair cleavage)：解理面较小而不很平滑，且不太连续，常呈阶梯状，如蓝晶石的解理等。IV. 不完全解理(poor or imperfect cleavage)：V. 极不完全解理(cleavage in traces)：,(3)解理发育的一般规律及其主要影响因素有：（I）解理沿着晶格中面网密度最大的方向发育。例如金刚石平行的面网间距分别为0.089nm、0.126nm、0.154nm，因而其解理沿产生。（II）解理面平行于由异号离子组成的电性中和面。例如石盐具平行解理。（III）当相邻面网为同号离子组成的面网时，解理面易平行于该面网发育。如萤石结构中面网的间距虽非最大，但该方向存在均由F-离子组成的相邻面网，由于静电斥力使其面网间联结力弱，导致解理沿面网产生。（IV）解理面易平行于晶体内化学键最强的方向发育。对多键型的分子晶格，解理面平行于由分子键联结的面网，如石墨具层状结构，层内键力远比层间的分子键强，故其解理平行。,注意：1）解理是某些晶体固有的性质，解理面总是平行晶格中特定的面网，它既表现出明显的异向性，也反映了晶体的对称性。2）描述：单形符号-方向、组数、夹角 等级。3）解理的概念只适用于矿物显晶质单晶体。,(4)解理面和晶面的区别：（1）本质上说，晶面受力消失，解理面受力后出现；（2）晶面黯淡，解理面光亮；（3）晶面微观不平坦，常有晶面花纹，解理面平坦，或出现规则解理台阶。,2裂开（1）裂开(或称裂理，parting) 是指某些矿物晶体在应力作用下，有时可沿着晶格内一定的结晶方向破裂成平面的性质。裂开的平面称为裂开面(parting plane)。（2）裂开解理区别 产生的原因不同。表示方式相同单形符号。 裂开：杂质夹层、聚片双晶的接合面。不是矿物本身固有的特性。 解理：结构决定。矿物本身固有的特性 如某些含钛磁铁矿可见平行的裂开；方解石在应力作用下，常可沿聚片双晶裂开等。 裂开面不直接受晶体结构控制。因而裂开不是矿物本身固有的特性，它只出现于某些矿物在特定环境下形成的某些晶体上。,3断口(fracture) 断口是矿物受力后沿任意方向破裂而形成的断面，称为断口。常见的矿物断口，主要有如下几种：(1) 贝壳状断口(conchoidal fracture)(2) 锯齿状断口(hackly fracture) (3) 参差状断口(uneven fracture) (4) 平坦状断口(even fracture) (5) 土状断口(earthy fracture) (6) 纤维状断口(fibrous fracture),(二) 矿物的硬度1、矿物的硬度(hardness)：是指矿物抵抗外来机械作用(如刻划、压入或研磨等)的能力。它是鉴定矿物的重要特征之一。 2、测定硬度的方法： 大致可分为刻划法、压入法、研磨法等，其中前两种目前应用最广。（1）刻划法。1812年奥地利Friedrich Mohs提出用十种硬度递增的矿物为标准来测定矿物的相对硬度，以确定矿物抵抗外来刻划的能力，此即摩斯硬度计(Mohs scale of hardness)。 摩氏硬度计：1滑石；2石膏；3方解石；4萤石；5磷灰石；6长石；7石英；8黄玉；9刚玉；10金刚石。,指甲(2.02.5)、小钢刀(56)、铜针(3)、玻璃(5.56.0)、钢针(5.56.0),3、影响矿物硬度的主要因素：（1）化学键的类型及强度。 一般地，典型原子晶格离子晶格 金属晶格分子晶格氢键为主的矿物。（2）含H2O或OH-者硬度通常都很低。如石膏(CaSO42H2O)和硬石膏(CaSO4)的硬度分别为2和33.5。,3、影响矿物硬度的主要因素：（3）离子晶格矿物：当矿物结构类型相同(等型结构)时，若离子电价也相同，则矿物的硬度随离子半径的减小而增高。例：rMg2+0.066nm，rCa2+0.108nmH菱镁矿(MgCO3)=3.54.5H方解石(CaCO3)(3) 若离子半径相近，则离子电价越高的矿物硬度越大。例: rCa2+=0.112nm, rTh4+=0.105nmH萤石(CaF2)= 4H方钍石(ThO2) (6.5)。当结构类型不同，但其他因素类同时，矿物的硬度则随质点堆积的紧密程度的增高(即阳离子的配位数增高)而增大。例：D方解石（CaCO3）= 2.72D文石（CaCO3）=2.94，CNCa2+方解石=6CN文石=9H3方解石H文石3.54。,二、类质同象和同质异象,相同化学成分的物质在不同的地质条件下形成不同的晶体结构而成为不同的矿物，这种现象称为同质异象。例如碳原子在一种情况下形成金刚石，另一种情况下形成石墨，而它们的性质极不相同，金刚石是无色透明的最硬矿物，石墨是黑色不透明的极软矿物，如图2-13所示。矿物晶体结构中的某种原子或离子可以部分地被性质相似的其它原子或离子替代而不破坏其晶体结构，此种现象称为类质同象。例如，橄榄石 中的 与 就是类质同像的替代关系。矿物的化学式中凡是写在统一圆括弧内并用逗号隔开的元素都有此种关系。,