chap3 矿物的物理性质.ppt.ppt

二、矿物的物理性质,矿物的物理性质,鉴定矿物,判断成因,矿物利用,矿物的物理性质,矿物的化学组成 和晶体结构,矿物的形成条件,（一）矿物的光学性质 矿物的光学性质是指矿物对自然光的反射、折射和吸收等所表现出来的各种性质。包括矿物的颜色、条痕、光泽和透明度。,电磁波谱图,1、颜色 颜色是人对可见光波的视觉感应。当约390nm770nm波长范围内的电磁波刺激视神经时，人就会有颜色的感应。,（一）矿物的光学性质,矿物对光全部吸收时，矿物呈黑色 对所有波长的色光均匀吸收，矿物呈不同程度的灰色 基本上都不吸收则为无色或白色 选择性吸收白光中某些特定波长的色光，矿物就会呈现彩色。,对于透明矿物，颜色是光波被矿物吸收后，透射出的光波的混合色，显示被吸收色光的补色，也叫体色，如橄榄石吸收紫光而呈橄榄绿色。对于不透明矿物，由于它对光波的吸收非常强，入射光难以深入矿物内部，其颜色主要是矿物表层对入射光吸收后再辐射出的光波的混合色，也称为表面色或反射色。,矿物的呈色机理：矿物的呈色机制可分为两种情况：一种是矿物成分中的原子或离子，其外层电子发生跃迁，选择性地吸收可见光，导致矿物呈色；另一种是由于漫射、反射、衍射、干涉等物理光学作用造成的呈色现象。,矿物的呈色机理：1）过渡金属元素的内部电子跃迁 电子跃迁发生在某一离子内部，如矿物中含有过渡金属元素(主要是Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni)及Cu,U和稀土元素离子时，这些离子的d 轨道或f 轨道，会发生晶体场分裂。所产生的能量差与某种可见光的波长相当，其间的电子跃迁，便可吸收某种可见光使矿物呈色，这些离子也称为色素离子。,经常使矿物呈色的过渡型离子,名贵的红宝石拉贾拉那星光红宝石 世界上最大的红宝石（非原石）当属拉贾拉那星光红宝石，英文名：Rajaratna Ruby，在印度。重2475 克拉。,兰卡之星“兰卡之星”星光红宝石，藏于斯里兰卡首都科伦坡国家博物馆。重392克拉，排行第二。,兰卡之星,星光红宝石：1999佳士得拍卖会，266万港元成交，产自缅甸。,2）元素离子间的电子转移或电荷转换 在晶体结构中相邻离子间在外来能量作用下可产生电子转移，即电子可以从一个原子的轨道上跃迁到另一个原子的轨道上去，离子产生电荷转移，伴随着电子转移有很强烈的吸收。如蓝宝石，Fe2+的一个电子可吸收白光中的橙黄色光而发生跃迁，转移到相邻的Ti4+中去，使（Fe2+Ti4+）组合变为（Fe3+Ti3+）组合，晶体则表现为深蓝色。实质上是光化学反应的氧化还原过程。,星光蓝宝石：1998 香港佳士得秋季拍卖会，574万港元成交。重66.42ct。产自缅甸。,藏于美国华盛顿史密斯博物馆的4位美国前任总统的雕刻头像，其中林肯总统 的头像高4cm，重1318克拉，颜色为黑色，带有深蓝色斑点，是从一颗发现于澳大 利亚昆士兰、重量2302克拉的蓝宝石中雕刻而成的。,3）晶体结构缺陷造成的电子转移 一些矿物在晶体结构中具有能吸收光而呈现颜色的色心。色心是晶体结构缺陷，主要是晶格位置未被离子占据而形成的空位。最常见的色心是F色心（阴离子色心），它是阴离子占据的空位而形成的。阳离子的空位而形成的色心叫V色心。,萤石,矿物颜色的类型,自色、他色、假色,自色(idiochromatic)：矿物本身固有的化学成分所决定的颜色。如黄铁矿的亮黄色、孔雀石的翠绿色等。自色较为固定，可作为矿物的鉴定特征。,矿物颜色的类型,自色、他色、假色,他色(allochromatic)：是矿物的非固有因素引起的颜色，但不包括物理光学效应引起的颜色。一般是由外来杂质和晶格缺陷等引起的，如红宝石的红色、烟晶等。,假色(pseudochromatic)：是因物理光学效应（光的干涉、衍射、漫射等）而产生的颜色。常见的假色有：蛋白光（乳光）、晕色、锖色、变彩等。,晕色(iridescence)：某些无色透明矿物内部表现出来的如彩虹般的色带。一般成带分布，并按一定色序排列。在方解石、白云母等解理发育的矿物常见，是由一系列平行密集的解理面或裂隙面对光连续反射，引起光的干涉引起的。,蛋白光(opalescence):是一种朦胧柔和的略带淡蓝色调的乳白光。它是由于矿物内部含有的许多远比可见光波长小的其他矿物或胶体颗粒对入射光产生漫反射所致。乳蛋白石和月光（长）石中可见。,锖色(tarnish):是由于光的干涉作用引起的。硫化物表面常因氧化产生很薄的薄膜,受日光照射后薄膜的两侧均会反射，反射光干涉后有的光波消失或减弱，有的则得到加强。因而在矿物表面上看到的是斑驳陆离的彩色。如斑铜矿。,变彩(play of colour):矿物随着变化观察角度可呈现不同色彩变化的现象。是由于光的衍射现象而呈色的。如拉长石、欧泊。,矿物颜色的命名和描述方法 矿物的颜色多种多样，在描述时所采用的原则是简明、通俗，力求确切，A 标准色谱法：利用标准色谱描述矿物的颜色。B 类比法：最好用常见物体作比喻，如铅灰、铁 黑、天蓝、樱红、乳白等。C 二名法：当矿物的色彩是由多种色调构成时，便采用此 法，如黄绿、橙黄等。如系同一颜色，但在色 上有深浅、浓淡之分时，则在色别之前加上适 当的形容词，如深蓝、暗绿、鲜红等。在观察与描述矿物颜色时，应注意下列问题：a 以矿物新鲜面颜色为准；b 注意观察矿物颜色的细微差别。,2.条痕（粉末色）条痕是矿物在条痕板上擦划后留下的痕迹（实际上是矿物的粉末）的颜色。由于它消除了假色，减低了他色，因而比矿物颗粒的颜色更为固定，故可用来鉴定矿物。条痕对不透明矿物的鉴定很重要，而透明矿物的条痕大多为白色、灰白色，因此，对这类矿物来说，条痕则失去了鉴定矿物的意义。,例如黄铜矿与黄铁矿，外表颜色近似，但黄铜矿的条痕颜色为带绿的黑色，而黄铁矿的条痕为黑色，以此，可以区别它们。同种矿物有时可出现不同的颜色，如块状赤铁矿，有时为黑色，有时为红色，但它们的条痕都是樱红色。有些矿物由于类质同象混入物的影响，条痕可能会有所变化，如闪锌矿。,3.透明度 矿物允许可见光透过的程度，称为矿物的透明度。它取决于矿物对光的吸收率和矿物的厚薄等因素。金属矿物吸收率高，一般都不透明；非金属矿物吸收率低，一般都是透明的。在观察矿物的透明度时，为了消除厚度的影响，通常是隔着矿物的破碎刃边（或薄片）观察光源一侧的物体。根据所见物体的清晰程度，可将矿物的透明度大体分为透明、半透明和不透明三种。,透明：矿物能允许绝大部分的透射光透过，隔着1cm厚的矿物薄片可以清晰地看到位于其另一侧的物体轮廓和细节，这样的矿物称为透明矿物。如石英、长石、方解石等。,其条痕为白色或略呈色。,半透明：矿物可允许部分透射光透过，隔着1 cm或不足1 cm厚的矿物薄片能够看到另一侧有物体存在，但分辨不清轮廓，这样的矿物称为半透明矿物。如辰砂、雄黄等。,其条痕呈彩色。,不透明：矿物基本上不允许可见光透过，隔着极薄的矿物样品，也观察不到其后面的物体，这样的矿物为不透明矿物，如磁铁矿、方铅矿、石墨等。,其条痕呈黑色或金属色。,3.透明度 矿物的透明度主要受其组成成分和晶格类型的制约，一般来说金属晶格的矿物和以共价键为主的矿物多不透明，离子晶格和原子晶格的矿物透明度高。此外，矿物表面的光滑程度、粒度、致密程度、有无包裹体或裂缝等也都对矿物透明度有不同程度的影响。,4光泽矿物的光泽是指矿物表面对光的反射能力。光泽的强弱用反射率R来表示。反射率是指光垂直入射矿物表面时的强度与反射光强度的比值。矿物反射率(R)的大小，主要取决于折射率(N)和吸收系数(K)。反射率越高，光泽就越强。,按照反射率的大小，光泽分为四级：金属光泽 R25%。呈抛光金属般的光泽,如黄铁矿、方铅矿。半金属光泽 R=19%-25%。呈未刨光金属般的光泽,如磁铁矿。金刚光泽 R=10%-19%。如同金刚石般的光泽，如金刚石。玻璃光泽 R=4%-10%。如同玻璃般的光泽，如石英、方解石。,矿物光泽的分级,黄铁矿,磁铁矿,金刚石,水晶,其中，金属光泽和半金属光泽的共同特点是反光像金属，两者的界线划分可通过两种方法。一种是以反射率R（25%）为准；另一种是以条痕为准，条痕黑色或金属色者为金属光泽，条痕为彩色者属半金属光泽。两种划分方法有时不很一致，如石墨，R=510%，条痕色黑。赤铁矿R=2730%，条痕樱红。由于按条痕划分容易掌握，实际上采用条痕划分。金刚光泽和玻璃光泽的反光不像金属，两者的区别为反光强弱，以反射率R=10%为界。,矿物的光泽是矿物成分、结构同可见光相互作用的一种反映。它本质上与矿物晶体结构中原子或离子的电子结构能级的性质有关。,另外，由于反射光受到矿物的颜色、表面光滑程度及集合方式的影响，常呈现出特殊的变异光泽：油脂光泽：色浅、透明的矿物，在不平坦断面上呈现的如同脂肪表面上见到的那种光泽。如石英，断口为油脂光泽。,石英断口面,羊脂白玉,树脂光泽：颜色黄黄褐、具金刚光泽的矿物，如闪锌矿、雄黄等，在不平坦面上，可以见到像松香等树脂平面所呈现的那样的光泽。,丝绢光泽：在透明、具玻璃光泽且个体细小呈纤维状集合体或解理完全的矿物，如石棉、纤维石膏等，具有象蚕丝或丝织品那样的光泽。,虎睛石,珍珠光泽：解理发育的浅色透明矿物，如白云母、滑石等，在它们的解理面上所看到的那种像贝壳凹面上呈现的那种柔和而多彩的光泽。,玉髓,蜡状光泽：在一些半透明或透明、低硬度矿物的隐晶质或非晶质块状集合体上，呈现类似于石蜡表面的反光，如块状叶蜡石、玉髓、鸡血石等。,鸡血石,叶腊石,土状光泽：在粉末状或土状集合体表面，光泽暗淡如土，如高岭石、褐铁矿等矿物集合体。,5.矿物的发光性 矿物在接受外界能量的照射下，能发射可见光的性质称为发光性。根据激发源的不同，可分为光致发光、热发光、电致发光、摩擦发光、化学发光等。根据发光持续时间的长短，可分为荧光(fluorescence)和磷光(phosphorescence)。发光体一旦停止受激(10-8秒)，发光现象消失，所发的光为萤光；在外界能量撤除以后(10-8秒)，还能发的光叫磷光。,矿物的发光性与矿物晶格中存在微量杂质（激活剂）有关，因杂质而产生的晶格缺陷带来了局部附加能级，它可成为发射可见光的中心。一般来说，激活剂（即促使矿物发光的物质）在矿物中的含量很低，一般不超过1%。引起硅酸盐矿物发光的激活剂，通常是铁族过渡元素（尤其是Mn）和稀土元素；引起硫化物发光的激活剂常常是阴或铜。激活剂的表示方法如CaCO3:Mn2+。在矿物鉴定上有意义的主要是那些比较稳定的发光，如金刚石在X射线下发天蓝色荧光。,这颗夜明珠直径1.6米，重6.2吨，通体为绿色，圆滑而光润，仿佛大翡翠一般可爱。在白天还看不到它的光芒，但是到夜晚的时候，在黑暗中自然发出由绿到白的荧光，犹如一轮明月。这颗夜明珠已被评为上海大世界吉尼斯之最。据悉，这颗夜明珠是由一个矿工在云南发现的，当时是不规则的形状，体积有7吨多，后来经过打磨之后才变成圆形。,（二）矿物的力学性质 是矿物在外力作用下表现出来的各种物理性质，解理、裂理（裂开）、断口、硬度、延展性、弹性和脆性等。解理和硬度可鉴定矿物。1.解理、裂开和断口(1)解理(cleavage)：矿物晶体在外力作用下，沿晶格中特定的面网发生破裂的固有性质，叫做解理。裂成的光滑平面，叫做解理面。,解理产生的原因,A 解理面一般平行于面网密度最大的面网,B 平行于由异号离子组成的电性中和的面网,C 当相邻面网为同号离子的面网时，其间易产生解理,D 平行于化学键力最强的方向,根据解理的完好程度，一般分为五级：(1)极完全解理：极易获得解理，解理面大而平坦，极光滑，解理片极薄，如云母、石墨等的解理。,根据解理的完好程度，一般分为五级：(2)完全解理：易获得解理，常裂成规则的解理块，解理面较大光滑而平坦，如方解石、方铅矿等。,根据解理的完好程度，一般分为五级：(3)中等解理：较易得到解理，但解理面不大，平坦和光滑程度也较差，碎块上即有解理面又有断口，如普通辉石等矿物的解理。,根据解理的完好程度，一般分为五级：(4)不完全解理：较难得到解理，解理面小且不光滑平坦，碎块上主要是断口，如磷灰石、绿柱石。,根据解理的完好程度，一般分为五级：(5)极不完全解理：很难得到解理，仅在显微镜下偶尔可见零星的解理面，石英一般认为没有解理。,（2）断口(fracture)：矿物受外力作用下，在任意方向破裂成各种凹凸不平的断面，称为断口。断口在矿物晶体、集合体及非晶质体中均可出现。在晶体中，断口和解理是互为消长的。根据的断口形状，断口可分为：贝壳状断口:呈圆形的光滑曲面，面上常出现不 规则的同心条纹，形似贝壳状。如石英和玻璃质体。,锯齿状断口：呈尖锐锯齿状，如自然铜的断口。,参差状断口：呈参差不齐，粗糙不平的形状，大多数脆性矿物以及块状和粒状矿物集合体常具这种断口，如磷灰石、橄榄石的断口。,平坦状断口：断口面比较平坦，无粗糙起伏。一些土状或致密块状的矿物所特有的断口，如块状高岭石的断口。阶梯状断口：断口面台阶状，是由于解理面和断口面交替出现而引起的。出现在中等解理的矿物中，如角闪石。刀片状或纤维状断口：断口面如重叠排列的刀片或纤维。纤维交织集合体上可见这种断口，如软玉。,（3）裂理(parting)矿物受外力作用，有时可沿着一定的结晶学方向裂开成平面的非固有性质，称为裂理或裂开。与解理的成因不同：A 裂开通常是沿着双晶 结合面特别是聚片双 晶的结合面发生，B 或因晶格中某一定方 向的面网间存在它种 物质的夹层而造成定 向破裂。,刚玉晶体上的1011裂理,2.硬度 是指矿物抵抗某种外来机械作用力（如刻划、压入或研磨）侵入能力。通常用摩氏硬度计作为硬度的等级的标准。其他矿物的硬度是与摩氏硬度计中的标准矿物互相刻划，相比较来确定的。在野外工作中，用摩氏硬度计中的矿物作为比较标准有时不够方便，常借用指甲（2）、铜具（3）、小刀（5.56）等代替标准硬度的矿物来帮助测定被鉴定矿物的硬度。,摩氏硬度是一种相对硬度，应用时极为方便，但较粗略。因此在对矿物作详细研究时，常需要测矿物的绝对硬度。通常采用的绝对硬度值是维克用压入法测定的，称为维氏硬度。,摩氏硬度计十种矿物的维氏硬度如下（单位kg/mm2）：滑石 2 正长石 930 石膏 35 石英 1120 方解石 172黄玉 1250 萤石 248 硬玉 2100 磷灰石 610金刚石 10000,矿物硬度是内部结构牢固程度的表现，主要取决于化学键的类型和强度。共价键型矿物硬度高、金属键型矿物硬度低、分子键型矿物硬度最低。离子键型矿物硬度变化较大，随离子电位（电价/半径）的绝对值增大而提高。决定化学键强度的因素及对硬度的影响有以下几个方面：1）离子价态和间距：矿物的硬度随组成矿物的离子电价的增高而增大，与离子间距的平方成反比。2）质点的排列方式：结构不紧密，硬度降低。比如刚玉和石英。3）离子共价键的状态 大多数矿物中，组成元素之间的化学键为离子共价键的中间过渡类型，硬度随共价性程度的增大而增大。硬度还体现晶体的各向异性，即不同方向上的硬度不同。,3矿物的比重：是指矿物（纯净的矿物）的重量与4时同体积水的重量之比。其数值与密度的数值相同。矿物的比重变化范围很大，从小于1（如琥珀）到23（铂族矿物）不等。自然金属元素矿物比重最大，盐类矿物比重最小。大多数矿物的比重都在23.5之间。矿物比重可分为三级：轻级：比重小于2.5。如石墨等。中级：比重2.54，大多数矿物的比重属于此 级。重级：比重大于4。,对晶体结构类型相同的矿物来讲，矿物的比重随所含元素原 子量的增大而增大，随原子或离子半径的增大而减小。方铅矿 PbS(Pb=207.21,7.4-7.6 g/cm3)重晶石 BaSO4(Ba=137.36,4.3-4.7 g/cm3)但当原子量的增大不足以抵消因原子或离子半径增大所减小的比重时，则原子量虽然增大，比重反而减小。,在原子量、原子或离子半径相同或相近的情况下，原子或离子的配位数越大，比重越大。方解石 CaCO3(6,2.71 g/cm3)文石 CaCO3(9,2.95 g/cm3),矿物形成时的温度(T)和压力(P)对矿物的比重也有影响,T增大 形成小比重矿物 方解石中温 文石低温,P增大 形成大比重矿物 石墨 2.23 金刚石3.50,4矿物的脆性和延展性 脆性是指矿物受外力作用时易破碎的性质。如食盐、方解石等。脆性是离子键矿物的一种特性。具有过渡型离子共价键的矿物，离子键彻底程度越高，矿物的脆性就越强。延展性：是指矿物在锻压或拉伸下，容易成为薄片或细丝而不断裂的性质。如自然金等。5矿物的弹性和挠性 弹性：是指矿物在外力作用下发生弯曲形变，当外力解除后又恢复原状的性质。如云母。挠性：是指矿物受外力作用发生弯曲形变，当外力作用解除后不能恢复原状的性质。如滑石、绿柱石等,（三）矿物的电学性质1.导电性：是指矿物对电流的传导能力。它取决于化学键的类型。具金属键的矿物，因为在晶体结构中有自由电子存在，导电性就强。如自然金属矿物和某些金属硫化物，是电良导体；离子键或共价键矿物导电性弱或不导电。如石棉、云母等。因此，矿物的导电能力差别很大。某些矿物当温度增高时导电性增强，温度降低时具绝缘体性质。还有些矿物的导电性具有方向性。2.荷电性：矿物在外部能量作用下，能激起矿物晶体表面荷电的性质，称为矿物的荷电性。荷电性分为：,a压电性：是指某些矿物晶体，当受到定向压力或张力作用时，因变形效应而使垂直于应力的两边表面上荷电的现象。荷电量正比于应力大小，应力反向，电荷易号。,b热电性：是指某些矿物晶体，当受热或冷却时，能激起矿物晶体表面荷电的现象。,L3,+,-,电气石受热荷电,68,（四）矿物的磁性,指矿物受外磁场作用时，因被磁化而呈现出能被外磁场吸引或排斥的性质,矿物的磁性分为三类,矿物磁性分成三级,强磁性 矿物粉末能被永久磁铁吸起。如磁铁矿（大块）、磁黄铁矿（碎屑）弱磁性 矿物颗粒不能被永久磁铁吸引，但能被磁场强度大得多的电磁铁吸引。如赤铁矿、普通角闪石、黄铜矿等。无磁性 矿物粉末不能被强大的电磁场吸引的矿物，如石英。,逆磁性矿物 矿物在外磁场作用下，产生很弱的感应磁场，其磁化方向与外磁场方向相反，磁化率很小，表现为被永久磁铁所排斥；电磁性矿物 矿物在外磁场作用下，产生的感应磁性稍大，其磁化方向与外磁场方向相同，磁化率不大，为正值，表现为受磁场的吸引。这类矿物不被永久磁铁吸引，但可被电磁铁吸引；磁性矿物 矿物的碎块或粉末能被永久性磁铁所吸引。,思考题,闪锌矿（Zn,Fe）S的黑褐色，含有细分散赤铁矿的红色石英，透明方解石在裂隙附近呈现的五颜六色分别属于自色、他色和假色的哪一类颜色？何谓条痕色？条痕色和透明度有何关系？简述晶格类型对光学性质的影响。何谓相对硬度和绝对硬度？摩氏硬度属于哪一类硬度，它如何分级？解理的定义。画示意图说明解理产生的各种原因。裂理和解理有何异同？肉眼鉴定中比重如何分级？何谓矿物的发光性？何谓荧光，何谓磷光？何谓矿物的弹性和挠性？,