矿物的物理性质.docx

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矿物的物理性质

矿物的物理性质

矿物的比重

　　矿物的比重是指纯净、均匀的单矿物在空气中的重量与同体积水在4℃时重量之比。

如果矿物在空气中的重量为P克，同体积水在4℃时的重量为P1克，则

　　矿物的密度（D）是指矿物单位体积的重量，度量单位为克/立方厘米（g/cm3）。

矿物的比重在数值上等于矿物的密度。

　　矿物比重的变化幅度很大，可由小于1（如琥珀）至23（如饿钉族矿物）。

自然金属元素矿物的比重最大，盐类矿物比重较小。

　　矿物比重可分为三级：

　　轻级比重小于2.5。

如石墨（2.5）、自然硫（2.05-2.08）、食盐（2.1-2.5）、石膏（2.3）等。

　　中级比重由2.5到4。

大多数矿物的比重属于此级。

如石英（2.65）、斜长石（2.61-2.76）、金刚石（3.5）等。

　　重级比重大于4。

如重晶石（4.3-4.7）、磁铁矿（4.6-5.2）、白钨矿（5.8-6.2）、方铅矿（7.4-7.6）、自然金（14.6-18.3）等。

　　矿物的比重决定于其化学成分和内部结构，主要与组成元素的原子量、原子和离子半径及堆积方式有关。

此外矿物的形成条件--温度和压力对矿物的比重的变化也起重要的作用。

　　应该指出，同一种矿物，由于化学成分的变化、类质同象混入物的代换、机械混入物及包裹体的存在、洞穴与裂隙中空气的吸附等等对矿物的比重均会造成影响。

所以，在测定矿物比重时，必须选择纯净、未风化矿物。

矿物的硬度

　　矿物的硬度是指矿物抵抗外来机械作用力（如刻画、压入、研磨等）侵入的能力。

　　早在1822年，Friedrichmohs提出用10种矿物来衡量世界上最硬的和最软的物体，这是所谓的摩氏硬度计。

按照他们的软硬程度分为十级：

1）滑石

6）正长石

2）石膏

7）石英

3）方解石

8）黄玉

4）萤石

9）刚玉

5）磷灰石

10）金刚石

　　各级之间硬度的差异不是均等的，等级之间只表示硬度的相对大小。

　　利用摩氏硬度计测定矿物硬度的方法很简单。

将预测矿物和硬度计中某一矿物相互刻划，如某一矿物能划动方解石，说明其硬度大于方解石，但又能被萤石所划动，说明其硬度小于萤石，则该矿物的硬度为3到4之间，可写成3-4。

　　指甲的硬度为2.5、小刀的硬度为5.5。

因而它把矿物的硬度粗劣的划分为小于指甲（<2.5）、指甲与小刀之间（2.5-5.5）和大于小刀（>5.5）三个级别。

　　风化、裂隙、杂质以及集合体方式等因素会影响矿物的硬度。

风化后的矿物硬度一般会降低。

有裂隙及杂质的存在，会影响矿物内部连接能力，也会使硬度降低。

集合体如呈细粒状、土状、粉末状或纤维状，则很难精确确定单体的硬度。

因此测试矿物硬度要尽量在颗粒大的单体的新鲜面上进行。

有时某些矿物具明显脆性，当他被小刀刻化时极易碎裂成小粒脱落，这并非表示该矿物的硬度小于小刀。

　　有时在同一矿物的相同晶面的不同方向上，会测定出不同的硬度数值，这就是矿物晶体的硬度的异向性。

由于在同一截面上，不同方向的行列中质点排列的密度不同，沿着质点排列紧密的行列刻画较为容易，而垂直质点排列紧密的行列刻划则较为困难。

　　再如晶体内部结构的缺陷、机械混入物等等也要影响矿物的硬度。

　　矿物的硬度是矿物的重要物理常数和鉴定标志。

某些矿物的硬度的细微变化常与形成条件有关，因此根据硬度可以探讨矿物的成因。

　　矿物的硬度在工业技术上有重要意义。

例如高精度的金刚石广泛的用于研磨、切割、抛光等重要工具，低硬度的石墨是重要的固体润滑剂。

高明的“几何学家”

　　解理、裂开与断口都是矿物在外力作用下发生破裂的性质。

但它们的特点及决定因素各有不同。

　　矿物晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破裂，并且能裂出光滑平面的性质称为解理，这些平面称为解理面。

解理是晶体异向性的表现之一，矿物晶体的解理严格受其内部结构的控制。

解理面一般平行于面网密度最大的面网、阴阳离子电性中和的面网、两层同号离子相邻的面网以及化学键力最强的方向。

　　例如石墨，在平行{0001}方向易裂成解理，这是由于石墨具有层状结构，层内原子间距（c-c）为1.42A，层间距离为3.40A；层内为共价解以及派键，层间为分子键。

所以层与层间连接力较弱，解理就沿层的方向{0001}产生。

　　根据晶体在外力的作用下裂成光滑的解理面的难易程度，可以把解理分成下列五级：

　　1）极完全解理矿物在外力作用下极易裂成薄片。

解理面光滑、平整，很难发生断口。

例如云母、石墨、石膏等。

　　2）完全解理在外力作用下，很易沿解理方向列成平面（不成薄片）。

解理面平滑，较难发生断口。

如方解石、方铅矿、萤石等。

　　3）中等解理在外力作用下，可以沿着解理方向裂成平面。

解理面不太平滑，断口易出现。

如白钨矿、普通辉石等。

　　4）不完全解理矿物在外力作用下，不容易裂出解理面。

解理面不平整，容易成为断口。

如磷灰石等。

　　5）极不完全解理（即无解理）矿物受外力的作用后，极难出现解理面。

在碎块上常为断口。

如石英、石榴子石等。

裂开和断口

　　裂开与断口也是矿物在外力作用下发生破裂的性质。

　　从现象上看，裂开与解理很相似，但它们的成因不同。

裂开产生原因大致是：

　　1）裂开面可能是沿着双晶接合面特别是聚片双晶接合面发生。

　　2）裂开面的产生还可能是因为沿某一种面网存在有它种成分的细微包裹体，或者是固溶体离溶物，这些物质作为该方向面网间的夹层，因而使得矿物产生裂开，如图所示，磁铁矿沿{111}方向裂开。

　　我们可以这样认为，裂开只发生在某一矿物种的某些矿物个体中，在另一些个体中可以没有；而对于解理来说，凡是具有解理的矿物种，其所有矿物个体中都存在解理。

　　对于某些矿物来说，裂开可作为一种鉴定特征，有时还可以帮助分析矿物成因和形成历史。

　　断口在晶体或非晶体矿物上均可发生。

断口常具有一定的形态，因此也是鉴定矿物的特征之一。

矿物断口的形状主要有下列几种：

　　1）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。

如石英和玻璃质体。

　　2）锯齿状断口呈尖锐的锯齿状。

延展性很强的矿物具有此种断口。

如自然铜。

　　3）参差状断口面参差不齐，粗糙不平，大多数矿物具有此种断口。

如磷灰石。

　　4）土状港口面呈细粉状，断口粗糙，为土状矿物所特有。

如高龄石。

矿物的弹性和挠性

　　矿物受外力作用发生弯曲形变，但当外力作用取消后，则能使弯曲形变恢复原状，此性质称为弹性。

例如云母、石棉等矿物均具有弹性。

　　如当外力作用取消后，歪曲了的形变不能恢复原状，则此性质称为挠性。

例如滑石、绿泥石、至石等矿物均有挠性。

　　弹性的实质是：

一些层状结构的矿物，其单位层之间存在着一定的离子键连接力，当受外力弯曲时，这些离子键也被拉长或压短，各单位层能够变弯和移动。

当外力取消后，这些离子键恢复正常，并使各个单位层恢复到原位。

　　具挠性的矿物，在其内部结构中，单位层与层之间，靠余键相连，当它受外力弯曲时，两层之间可相对移动，能够形成新的余键而处于平衡，没有恢复力，因而弯曲后不能恢复原状。

矿物的延展性

　　矿物在锤击或拉引下，容易形成薄片和细丝的性质称为延展性。

通常温度升高，延展性增强。

　　延展性是金属矿物的一种特性，金属键的矿物在外力作用下的一个特征就是产生塑性形变，这就意味着离子能够移动重新排列而失去粘接力，这是金属键矿物具有延展性的根本原因。

金属键程度不同，则延展性也有差异。

　　自然金属矿物，如自然金、自然银、自然铜等都具有良好的延展性。

　　当用小刀刻划具有延展性的矿物时，矿物表面被刻之处立即留下光亮的沟痕，而不出现粉末或碎粒，据此可区别于脆性。

姹紫嫣红的矿物颜色

　　颜色是矿物的重要光学性质之一。

不少矿物有它的特殊颜色，因此它可以作为矿物的一种鉴定特征。

例如孔雀石的特殊绿色、蓝铜矿的特殊蓝色都是鉴别这些矿物的重要特征。

　　有些矿物因具有鲜艳的颜色而可作为宝石原料和天然颜料。

例如红色或兰色的刚玉，绿色的绿柱石可作为宝石原料；绿色的孔雀石、褐红色的赤铁矿等都可作为天然颜料。

　　矿物的颜色是矿物对白光中不同波长的光波吸收的结果。

如果是对各种波长的光波普遍而均匀地吸收，则随吸收程度不同而呈现黑、灰、白等色。

如对各种波长的光波有选择性的吸收，则呈现各种较鲜艳的颜色。

对于透明矿物来说，所有透过光波的颜色就是该矿物的颜色（如自然硫，是透明矿物，可以认为由于它较多地吸收了透射光中的紫、蓝、绿、橙、红色光波而透过较多的黄色光波而成黄色）；对于不透明矿物来说，它的颜色主要决定于其表面反射光波的颜色（如黄铁矿表面反射出来的是以黄光为主，所以呈现黄色）；白色方解石、自然银等分别表现为对透射光波、反射光波普遍而均匀的吸收、反射而呈现出白色。

　　在不同的地质条件下所生成的同一种矿物，往往在颜色上也有所差别。

如闪锌矿（ZnS），若其形成温度较高，则含铁质较多，它的颜色容易呈现黑色或褐黑色；如其形成温度不高，则含铁质较少，因而呈现较浅的黄色、褐黄色。

善于伪装的矿物条痕

　　矿物的条痕是矿物粉末的颜色。

一般是指矿物在白色无釉瓷板上划擦时留下的粉末的颜色。

　　矿物的条痕可以与其本身的颜色一致，也可以不一致。

如方铅矿的颜色是铅灰色，条痕却是黑色；斜长石的颜色是白色，条痕也是白色。

矿物的条痕可以消除假色，减弱它色，因而要比矿物颜色稳定得多，所以，它是鉴定矿物的重要标志之一。

　　由于形成条件的不同，也有一些矿物，由于类质同像混入物的不同，矿物的条痕会产生变化。

如闪锌矿，含类质同像混入物铁多的时候，则条痕呈现褐色；含铁少时，条痕则呈淡黄色或黄白色。

　　如果欲鉴定的矿物，不能直接画出条痕，则可用小刀刮下粉末放在瓷板上或者白纸上进行观察。

　　应该注意的是，有的带色条痕，经过摩擦以后，其粉末越细颜色会发生变化。

例如，石墨与辉目矿，是很相似的矿物，他们的条痕均为黑色（或灰黑色），但两者经摩擦后他们的条痕则有了明显的差别，石墨仍为黑色，辉目矿则显示绿黄色，借此可以帮助我们鉴别矿物。

晶莹剔透的水晶石

　　矿物的透明度就是指矿物透过可见光波的能力。

　　矿物透明度的大小可以用透射系数表示。

设进入矿物的光线强度为I0，透过矿物的光线强度为I，当矿物的厚度为一厘米时，则I/I0的比值Q称为矿物的透射系数。

不难看出，吸收愈强愈不透明，即透射系数越小。

　　根据矿物在专门磨制的岩石薄片（厚度约为0.003cm）中透明的程度，可将矿物分为透明矿物（如石英、长石等）、半透明矿物（如闪锌矿、辰砂等）和不透明矿物（如黄铁矿、磁铁矿等）。

　　用肉眼鉴定矿物透明度时，常常用矿物的条痕来配合：

透明矿物的粉末无色或白色；半透明矿物，由于呈粉末状态时更有条件显示出对不同光波吸收的差异程度，而呈各种彩色（例如红、黄和褐色等）；对于不透明矿物来说，其条痕常为黑色。

　　同一种矿物的透明度受矿物中的杂质、包裹体、气泡、裂隙、放射性影响以及集合体方式的不同而发生差异。

　　自然界没有绝对透明或绝对不透明的矿物。

例如企业薄的金箔也能透过一部分光，极深的水也可表现为不透明。

云罗绸缎般的矿物

　　矿物表面反光的能力称为光泽。

　　物理光学告诉我们，矿物光泽的强弱决定于矿物对可见光的吸收，吸收愈大则反射愈大、光泽愈强，反之则弱。

　　矿物光泽的分级：

一般分为金属光泽和非金属光泽，非金属光泽又细分为半金属光泽、金钢光泽和玻璃光泽。

下面的数字指标可供参考：

金属光泽

N>3，R=20-95%

半金属光泽

N=2.6-3.0，R=8-20%

金刚光泽

N=1.9-2.6，R=10-29%

玻璃光泽

N=1.3-1.9，R=2-10%

　　由于光泽与条痕、透明度相互有关，故观察者可以配合条痕、透明度来判断光泽的等级。

现将肉眼划分金属光泽等级的标志介绍如下：

　　金属光泽呈明显的金属状光亮，不透明，条痕为黑色。

例如自然铜、方铅矿、磁铁矿等。

　　半金属光泽呈弱金属状光亮，半透明，条痕以深彩为主。

如辰砂、黑色闪锌矿等。

　　金刚光泽呈金刚石状光亮，半透明或透明，条痕为浅彩色、无色或白色。

例如金刚石、白钨矿、浅色闪锌矿等。

　　玻璃光泽呈玻璃状光亮，透明，条痕为无色或白色。

如水晶、正长石，冰洲石等。

　　如果矿物表面不平，或带有细小孔隙，或不是单体而是集合体，则其表面所反射出来的光量因经受多次折射、反射而增加了散射的光量，从而造成下列特殊光泽：

　　丝绢光泽透明矿物，呈纤维状集合体时，表面具丝绢光亮。

如纤维状石膏、石棉等。

　　珍珠光泽透明矿物，在极完全的解理面上具珍珠状光亮。

如云母、石膏等。

　　油脂光泽透明矿物，解理不发育，在不平坦的断口上具油脂状光亮。

如石英、石榴子石磷灰石等。

　　沥青光泽半透明或不透明的黑色矿物，解理不发育，在不平坦的断口上具沥青状光亮。

例如锡石、磁铁矿、沥青铀矿等。

　　土状光泽粉末状和土状集合体的矿物，表面暗淡无光。

如高岭石、褐铁矿等。

　　光泽是鉴定矿物的依据之一，也是评价宝石的重要标志。

矿物的发光性

　　一矿物在外加能量如紫光、紫外光和X射线等的照射下能发射可见光的性质称为发光性。

　　发光性的实质是矿物晶格吸收了较高的外加能量，然后以较低能量（可见光）再发射出来造成的。

除发射可见光外，有些矿物还能发射红外光。

　　可见紫光、紫外光和X射线的光量子具有较高的能量，他们将矿物晶体结构中原子或离子的外层电子，从基态激发到能量较高的激发态。

如果激发态与基态间有另外一些激发态存在，当被激发到能量较高激发态的电子落回到较低激发态时则发射出光子。

如果这两种激发态之间的能量间隔相当于某可见光子的能量，则发射出具有该能量差的可见光，由此而发射出的光呈现一定的颜色。

这种发光性称为萤光。

具萤光性矿物只要在外加能量连续作用下，就能连续发射某种可见光。

　　还有另外一些矿物，它们的晶体构中激发电子被晶体缺陷所捕获，如果捕获是暂时的，激发电子以一定速度落回到基态，能持续地发射出一定能量的可见光。

故在外加能量停止后仍然继续发光，此缓慢衰退的发光称为磷光。

　　假如在矿物晶体结构中存在一种能量屏障，它能够抑制激发电子落回到基态，即激发电子处于一种被抑制状态。

当矿物被加热的时候，它能使被抑制的激发电子活化，而突破能量屏障落回到基态时发射出某种可见光，称为热光性。

　　影响矿物发光性的因素有哪些呢？

主要是矿物成分中含有的过渡元素，特别是与稀土元素的种类和数量有关。

　　例如：

含有稀土元素的萤石和方解石常常产生萤光；方柱石、白榴石、玻璃蛋白石的发光与铀有关。

对于萤光来说，不同地点所出产的同种矿物，常可发生不同颜色的萤光，而不同的矿物也可以有近似的萤光。

如白钨矿在紫外光照射下，通常显光亮的浅兰色萤光（Mo含量约0.5%）；若含Mo量为0.96-4.8%时，则为黄色荧光；当Mo含量达4.8%以上时,则为白色荧光。

　　矿物的发光性对于某些矿物的鉴定和找矿以及勘探工作中有一定意义。

特别是对白钨矿、金刚石、锆石等矿物的找矿和选矿上更为有效。

矿物的磁学性质

　　矿物的磁性是指矿物被永久磁铁和电磁铁吸引，或矿物本身能够吸引铁质物体的性质。

最早的指南针就是利用天然磁铁矿制成的，因此，我国人民早在4000年以前就已经发现了矿物的磁性。

　　矿物为什么具有磁性呢？

矿物的磁性，主要是由于矿物成分中含有铁、钴、镍、钛等元素所致。

磁性的强度与矿物中含有这些元素的多少，特别是与含铁的多少有关。

某些矿物的磁性是变化的，这与其中含有铁的类质同象混入物或铁质包裹体的多少有关。

　　矿物的磁性主要是由组成元素的电子构型和磁性结构所决定。

根据磁化率的大小，矿物的磁性可分为抗磁性、顺磁性及铁磁性三种：

　　1）抗磁性矿物在外磁场作用下，只有很弱的感应磁性，其磁化方向与外磁场方向相反，磁化率很小，为负值，表现为受磁场的排斥。

当磁场移去，抗磁性即消失。

如方解石、石盐、自然银等，它们能被永久磁铁所排斥。

　　2）顺磁性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力。

通常是由矿物组成中含有微量过渡金属元素所引起的。

这类矿物较多，他们不能被永久磁铁吸引，但可被强的电磁铁所吸引。

如角闪石、电气石、辉石等。

　　3）铁磁性当具有磁距的原子或离子之间存在很强的相互作用时，在低于一定温度和无外磁场情况下，它们的磁距在一定区域内呈方向性的有序排列，也就是说，它们具有自发磁化的性质，因此磁化率较大。

属于铁磁性的矿物很少，如磁铁矿、磁黄铁矿等，它们均具有较高的正磁化率值，一般在几千以上。

　　一般地质工作者，对矿物的磁性可概括的分为四级：

　　1）强磁性可用普通马蹄磁铁吸引；

　　2）中等磁性用普通马蹄磁铁不能吸引，而能用弱电磁铁吸引；

　　3）弱磁性用强电磁铁才能吸引；

　　4）无磁性强电磁铁也不能吸引。

　　利用磁性不仅可以用来鉴定和分选矿物，同时还是磁法探矿的依据。

矿物的放射性

　　放射性元素能够自发地从原子核内部放出粒子或射线，同时释放出能量，这种现象叫做放射性，这一过程叫做放射性衰变。

含有放射性元素（如U、Tr、Ra等）的矿物叫做放射性矿物。

　　原子序数在84以上的元素都具有放射性，原子序数在83以下的某些元素如K、Rb等也具有放射性。

放射性元素的原子核不稳定，它通过一次衰变或一系列衰变最后形成稳定的元素或同位素（原子序数相同、质量数不同的元素）的原子核。

　　在含有放射性元素离子的矿物中，这些离子经过衰变后所产生的稳定元素离子的大小和电价都发生了变化，必然要使矿物结构遭到破坏，如四价的U238最后衰变到Pb4+，常使晶格破坏而形成变非晶质体。

主要组成为U、Th的矿物可完全成为变非晶质体，像沥青铀矿；当U、Th呈少量类质同象存在时，经过漫长地质时代可部分形成变非晶质体，像前寒武纪岩浆岩或变质岩中的锆石。

　　值得指出的是，放射性核放出的a-粒子即He2+具有很强的电子亲合性，为一强氧化剂，这种衰变可使矿物中或相邻矿物中所含的过渡金属离子（如Fe2+）氧化成高价离子（Fe3+），从而使晶体结构发生破坏，可形成部分的变非晶质体。

前者的例子很多，例如含有U、Th及Fe的铌钽复杂氧化物；后者常见的例子是黑云母中的放射性矿物包裹体，在放射性矿物周围常出现部分变非晶质体并使黑云母出现退色晕圈。

在许多情况下通过加热可使变非晶质矿物恢复其原始晶体结构。

　　利用矿物的放射性不仅可以鉴定放射性元素矿物和找寻放射性元素矿床，同时对于计算矿物及地层的绝对年龄也极为重要。

　　测定放射性的方法通常是用盖式记数器、闪烁计数器、照片感光法等。

矿物的其它物理性质

　　矿物的其它物理性质还有导电性、压电性、焦电性等。

这些性质在鉴定找矿以及应用上都有重要意义。