礦物的物理性質(zhì)

第三章礦物的物理性質(zhì)

PhysicalPropertiesofMinerals一、礦物的光學(xué)性質(zhì)二、礦物的力學(xué)性質(zhì)三、礦物的其它性質(zhì)

——電學(xué)性質(zhì)

——磁學(xué)性質(zhì)

——熱學(xué)性質(zhì)

……

一礦物的光學(xué)性質(zhì)

礦物的光學(xué)性質(zhì)(opticalproperties)是指礦物對(duì)可見(jiàn)光的反射、折射、吸收等所綜合表現(xiàn)出來(lái)的各種性質(zhì)。

包括：礦物的顏色、條痕、光澤、透明度。顏色互補(bǔ)示意圖紫青黃綠綠藍(lán)紅橙黃（一）礦物的顏色：1、顏色(color)的定義：是礦物對(duì)入射的白色可見(jiàn)光(390～770nm)中不同波長(zhǎng)的光波吸收后，透射和反射的各種波長(zhǎng)可見(jiàn)光的混合色。自然光呈白色，由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、青、紫七種色光組成。對(duì)角扇形區(qū)為互補(bǔ)色。

礦物顏色與其對(duì)光的作用關(guān)系：

黑色——均勻地全部吸收自然白光；白色或無(wú)色——基本上不吸收；灰色——均勻地吸收各種色光；被吸收的色光的補(bǔ)色——選擇性地吸收某種波長(zhǎng)的色光。

礦物顏色的成因類(lèi)型：

——自色

——他色

——假色(1)自色(Idiochromaticcolor)：

由礦物本身固有的化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的顏色。(2)他色(allochromaticcolor)：

是指礦物因含外來(lái)帶色的雜質(zhì)、氣液包裹體等所引起的顏色。如煙水晶(3)假色(pseudochromaticcolor)：

是自然光照射在礦物表面或進(jìn)入到礦物內(nèi)部所產(chǎn)生的反射、干涉、衍射、散射等物理光學(xué)效應(yīng)而引起的礦物呈色。如斑銅礦礦物中常見(jiàn)的假色主要有：①錆色(tarnish)：指某些不透明礦物表面氧化薄膜引起反射光的干涉而呈現(xiàn)出的彩色。如斑銅礦②暈色(iridescence)：指某些透明礦物內(nèi)部平行密集的解理面或裂隙面對(duì)光連續(xù)反射使礦物表面出現(xiàn)如同彩虹般的色帶。白云母、冰洲石、透石膏③變彩(playofcolor)：指從不同方向觀察某些透明礦物時(shí)，其不均勻分布的各種顏色會(huì)隨之發(fā)生變換。拉長(zhǎng)石，貴蛋白石

2、礦物的呈色（致色）機(jī)理①含過(guò)渡型離子的礦物——離子內(nèi)部電子躍遷(internalelectrontransition)：當(dāng)自然光照射時(shí)，礦物中致色元素離子吸收光能而從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。礦物將呈現(xiàn)所吸收色光的補(bǔ)色。

②含變價(jià)元素礦物——離子間電荷轉(zhuǎn)移(interionicchargetransfer)：在外加能量的激發(fā)下，礦物晶體結(jié)構(gòu)中變價(jià)元素的相鄰離子之間發(fā)生電子躍遷(稱為電荷轉(zhuǎn)移)，而使礦物致色。

如Fe2+與Fe3+，Mn2+與Mn3+或Ti3+與Ti4+之間最易發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。例如藍(lán)閃石即是由于結(jié)構(gòu)中存在Fe2+與Fe3+之間的電荷轉(zhuǎn)移而呈藍(lán)色。

③自然金屬或硫化物礦物——能帶間電子躍遷

礦物可吸收能量高于禁帶寬度的色光，使電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶而呈色。

④堿金屬和堿土金屬化合物礦物——色心

色心是一種能選擇性吸收可見(jiàn)光波的晶格缺陷，它能引起相應(yīng)的電子躍遷而使礦物呈色。如螢石(CaF2)的紫色、石鹽(NaCl)的藍(lán)色即分別是因晶格中F-空位和Cl-空位所引起的F心所致。

能夠使礦物呈色的過(guò)渡型離子稱為色素離子(chromophoricion)。主要有Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni，以及次要的W、Mo、U、Cu和稀土元素的離子，其中最常見(jiàn)的是通常分別使礦物致綠色和褐紅色的Fe2+和Fe3+。對(duì)于僅由惰性氣體型離子所構(gòu)成的礦物，因其基態(tài)與激發(fā)態(tài)能級(jí)間的能量差遠(yuǎn)比可見(jiàn)光的能量為大，可見(jiàn)光不能激發(fā)電子而使其發(fā)生躍遷，即礦物對(duì)可見(jiàn)光不吸收，故呈現(xiàn)無(wú)色或白色。（二）礦物的條痕：

1、條痕(streak)的概念：礦物的條痕是礦物粉末的顏色。通常是指礦物在白色無(wú)釉瓷板上擦劃所留下的粉末的顏色。

2、礦物的條痕的意義：能消除假色、減弱他色、突出自色。鑒定對(duì)象：不透明礦物和鮮艷彩色的透明—半透明礦物。

根據(jù)條痕的微細(xì)變化，可大致了解礦物成分的變化，推測(cè)礦物的形成條件，如閃鋅礦。

（三）礦物的透明度1、礦物透明度(transparency或diaphaneity)的概念：透明度是指礦物允許可見(jiàn)光透過(guò)的程度。0.03mm厚度的礦物薄片，在偏光顯微鏡下觀察。一般將礦物的透明度劃分為三級(jí)：(1)透明(transparent或diaphanous)：能允許絕大部分光透過(guò)，礦物條痕常為無(wú)色、白色或略淺色。如石英、方解石和普通角閃石等。(2)半透明(translucent)：可允許部分光透過(guò)，礦物條痕呈各種彩色(如紅、褐等色)。如辰砂、雄黃和黑鎢礦等。(3)不透明(opaque)：基本不允許光透過(guò)，礦物具黑色或金屬色條痕。如方鉛礦、磁鐵礦和石墨等。2、影響透明度的因素：（1）化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)。吸收系數(shù)大的礦物，其透明度即低。一般地，金屬晶格由于內(nèi)部存在著自由電子，因而其對(duì)光的吸收比原子晶格和離子晶格要強(qiáng)得多。而離子晶格的吸收程度又因離子類(lèi)型而異：銅型離子對(duì)光的吸收很強(qiáng)，過(guò)渡型離子、惰性氣體型離子的吸收能力則依次降低。（2）顏色深淺和厚度；（3）礦物中的裂隙、包裹體；（4）礦物的集合方式；（5）表面風(fēng)化程度。（四）礦物的光澤1、礦物光澤(luster)的概念：指礦物表面對(duì)可見(jiàn)光的反射能力。礦物對(duì)光的折射和吸收越強(qiáng)，反光能力越大，光澤越強(qiáng)，反之則弱。2、礦物光澤的等級(jí)：

根據(jù)儀器測(cè)試反射率(1)金屬光澤(metallicluster)：(2)半金屬光澤(submetallicluster)：(3)金剛光澤(adamantineluster)：(4)玻璃光澤(vitreousluster)：注意：礦物肉眼鑒定時(shí)，根據(jù)礦物新鮮平滑的晶面、解理面或磨光面上反光能力的強(qiáng)弱，同時(shí)配合礦物的條痕和透明度進(jìn)行光澤等級(jí)的判定。金剛光澤（辰砂）金屬光澤（金）半金屬光澤（針鐵礦）玻璃光澤（水鎂石）金屬光澤（黃鐵礦）半金屬光澤（鉻鐵礦）玻璃光澤（水晶）金剛光澤（金剛石）絲絹光澤（石棉）珍珠光澤（白云石）土狀光澤（高嶺土）3、礦物的特殊光澤：(1)油脂光澤(greasyluster)：石英斷口(2)樹(shù)脂光澤(resinousluster)：(3)瀝青光澤(pitchyluster)：(4)蠟狀光澤(waxyluster)：(5)絲絹光澤(silkyluster)：(6)珍珠光澤(pearlyluster)：(7)土狀光澤(earthyluster)：一般來(lái)說(shuō)：具金屬鍵的礦物------常呈現(xiàn)金屬或半金屬光澤；具共價(jià)鍵、離子鍵或分子鍵的礦物---------呈現(xiàn)金剛光澤或玻璃光澤。二礦物的力學(xué)性質(zhì)礦物的力學(xué)性質(zhì)(mechanicalproperties)是指礦物在外力(如敲打、擠壓、拉引和刻劃等)作用下所表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)。

包括：解理、裂開(kāi)和斷口；硬度；脆性；延展性；彈性和撓性。(一)礦物的解理、裂開(kāi)和斷口1、解理(cleavage)（1）概念：

礦物晶體在應(yīng)力（敲打、擠壓等）作用下，沿一定結(jié)晶學(xué)方向破裂成一系列光滑平面的固有特性稱為解理，這些光滑的平面稱為解理面(cleavageplane)。方向、系列、平面（2）解理的分級(jí)：

通常按照破裂的難易程度，將解理分為五個(gè)等級(jí)。I.極完全解理：礦物受力后極易裂成薄片，如云母，石墨I(xiàn)I.完全解理：礦物受力后易裂成光滑的平面或規(guī)則的解理塊，如方鉛礦，方解石III.中等解理：解理面較小而不很平滑，且不太連續(xù)，如藍(lán)晶石的｛010｝解理IV.不完全解理V.極不完全解理---肉眼觀察不到敲擊、擠壓等力的作用解理（3）解理的描述（1）解理是由晶體結(jié)構(gòu)決定的，解理面總是平行晶格中特定的面網(wǎng)，它既表現(xiàn)出明顯的異向性，也反映了晶體的對(duì)稱性----單形符號(hào)，如{100}（2）描述：等級(jí)、方向、組數(shù)、夾角。（3）解理只發(fā)生在礦物顯晶質(zhì)單晶體。（4）解理面和晶面的區(qū)別：（1）本質(zhì)上說(shuō)，晶面受力消失，解理面受力后出現(xiàn)；（2）晶面黯淡，解理面光亮；（3）晶面微觀不平坦，常有晶面花紋，解理面平坦，或出現(xiàn)規(guī)則解理臺(tái)階。2、裂開(kāi)（1）裂開(kāi)概念(或稱裂理，parting)

是指某些礦物晶體在應(yīng)力作用下，有時(shí)可沿著晶格內(nèi)一定的結(jié)晶方向破裂成平面的性質(zhì)。裂開(kāi)的平面稱為裂開(kāi)面(partingplane)。（2）裂開(kāi)——解理區(qū)別產(chǎn)生的原因不同。表示方式相同——單形符號(hào)。

裂開(kāi)：雜質(zhì)夾層、聚片雙晶的接合面。不是礦物本身固有的特性。解理：結(jié)構(gòu)決定。礦物本身固有的特性

如某些含鈦磁鐵礦可見(jiàn)平行｛111｝的裂開(kāi)；剛玉{0001}.

注意：裂開(kāi)面不直接受晶體結(jié)構(gòu)控制。因而裂開(kāi)不是礦物本身固有的特性，它只出現(xiàn)于某些礦物在特定環(huán)境下形成的某些晶體上。3、斷口(fracture)

斷口是礦物受力后沿任意方向破裂而形成的斷面，稱為斷口。

常見(jiàn)的礦物斷口，主要有如下幾種：(1)貝殼狀斷口(conchoidalfracture)(2)鋸齒狀斷口(hacklyfracture)(3)參差狀斷口(unevenfracture)(4)平坦?fàn)顢嗫?evenfracture)(5)土狀斷口(earthyfracture)(6)纖維狀斷口(fibrousfracture)(二)礦物的硬度1、礦物的硬度(hardness)：是指礦物抵抗外來(lái)機(jī)械作用(如刻劃、壓入或研磨等)的能力。它是鑒定礦物的重要特征之一。

2、測(cè)定硬度的方法：

大致可分為刻劃法、壓入法、研磨法等，其中前兩種目前應(yīng)用最廣?？虅澐?812年奧地利FriedrichMohs提出用十種硬度遞增的礦物為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)定礦物的相對(duì)硬度，即摩斯硬度計(jì)(Mohsscaleofhardness)。

摩氏硬度計(jì)：1-101滑石2石膏3方解石4螢石5磷灰石6長(zhǎng)石7石英8黃玉9剛玉10金剛石指甲(2.0～2.5)、小鋼刀(5～6)、銅針(3)、玻璃(5.5～6.0)、鋼針(5.5～6.0)3、影響礦物硬度的主要因素：（1）化學(xué)鍵的類(lèi)型及強(qiáng)度。

一般地，典型原子晶格>離子晶格>金屬晶格>分子晶格>氫鍵為主的礦物。（2）含H2O或OH-者硬度通常都很低。如石膏(Ca［SO4］·2H2O)和硬石膏(Ca［SO4］)的硬度分別為2和3～3.5。(三)礦物的彈性與撓性

1、礦物的彈性(elasticity)：

礦物在外力作用下發(fā)生彎曲形變，當(dāng)外力撤除后，在彈性限度內(nèi)能夠自行恢復(fù)原狀的性質(zhì)，稱為彈性。

具層狀結(jié)構(gòu)的云母及鏈狀結(jié)構(gòu)的角閃石石棉表現(xiàn)出明顯的彈性。

2、礦物的撓性(flexibility)：

某些礦物在撤除使其發(fā)生彎曲形變的外力后，不能恢復(fù)原狀，這種性質(zhì)稱為撓性。如滑石、綠泥石、蛭石、石墨和輝鉬礦等。

3、彈性和撓性的本質(zhì)：

礦物的彈性和撓性取決于晶格內(nèi)結(jié)構(gòu)層間或鏈間鍵力的強(qiáng)弱。如果鍵力很微弱，受力時(shí)基本上不產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，故形變后內(nèi)部無(wú)力促使晶格恢復(fù)到原狀而表現(xiàn)出撓性；反之則表現(xiàn)出彈性。(四)礦物的脆性與延展性

1、礦物的脆性(brittleness)：是指礦物受外力作用時(shí)易發(fā)生碎裂的性質(zhì)，它與礦物的硬度無(wú)關(guān)。自然界絕大多數(shù)非金屬晶格礦物都具有脆性，如自然硫、螢石、黃鐵礦、石榴子石和金剛石等。2、礦物的延展性(ductility)：礦物受外力拉引時(shí)易成為細(xì)絲的性質(zhì)稱為延性(ductility)，指礦物在錘擊或碾壓下易形變成薄片的性質(zhì)稱為礦物的展性(malleability)。物體的延性和展性往往總是同時(shí)并存，故一般統(tǒng)稱為延展性(ductility)。肉眼鑒定：用小刀刻劃礦物表面，若留下光亮的溝痕，而不出現(xiàn)粉末或碎粒，則礦物具延展性，借此可區(qū)別于脆性礦物（V字形）。三礦物的其它性質(zhì)包括：礦物的密度、磁性、電性等。（一）礦物的相對(duì)密度1、礦物的密度(density)：

指礦物單位體積的質(zhì)量，其單位為g/cm3。它可以根據(jù)礦物的晶胞大小及其所含的分子數(shù)和分子量計(jì)算得出。例如，石英的密度為2.65g/cm3；4°C時(shí)純水的密度為1g/cm3。2、礦物的相對(duì)密度(relativedensity):

指純凈的單礦物在空氣中的質(zhì)量與4°C時(shí)同體積的水的質(zhì)量之比。

3、礦物相對(duì)密度分級(jí)：

(1)輕級(jí)：相對(duì)密度小于2.5。如石墨(2.09～2.23)，石鹽(2.1～2.2)和石膏(2.3)等。

(2)中級(jí)：相對(duì)密度在2.5～4之間。大多數(shù)非金屬礦物屬此級(jí)別。如石英(2.65)，螢石(3.18)和金剛石(3.52)等。(3)重級(jí)：相對(duì)密度大于4。

硫化物及自然金屬元素礦物。如黃鐵礦(4.9～5.2)，自然金(1.56～1.93)。4、影響礦物相對(duì)密度的主要因素：（1）組成元素的原子量越大，相對(duì)密度越大。（2）半徑增大，相對(duì)密度減小。（3）質(zhì)點(diǎn)堆積越緊密，即原子或離子的配位數(shù)越高的，其相對(duì)密度則越大。（4）高壓環(huán)境下形成的礦物的相對(duì)密度較大；高溫下相對(duì)密度較小。（二）礦物的磁性1、礦物的磁性(magnetism)：是指礦物能被外磁場(chǎng)吸引、排斥或?qū)ν饨绠a(chǎn)生磁場(chǎng)的性質(zhì)。2、肉眼鑒定時(shí)的礦物磁性分類(lèi)：據(jù)礦物被馬蹄形磁鐵強(qiáng)弱，將礦物分為三類(lèi)：

（1）強(qiáng)磁性(strongermagnetism)：礦物塊體或較大的顆粒能被吸引。如磁鐵礦。

(2)弱磁性(weakermagnetism)：礦物粉末能被吸引。如鉻鐵礦。

(3)無(wú)磁性(nonmagnetism)：礦物粉末也不能被吸引。如黃鐵礦。（三）礦物的電性與放射性

1.導(dǎo)電性和介電性

（1）礦物的導(dǎo)電性(electricconductivity)：

（a）具有金屬鍵的自然元素礦物和某些金屬硫化物為電的良導(dǎo)體(conductor)，如自然銅、石墨、輝銅礦和鎳黃鐵礦等；

（b）離子鍵或共價(jià)鍵礦物具弱導(dǎo)電性或不導(dǎo)電，非金屬礦物為絕緣體(insulator)，如石棉、白云母、石英和石膏等；

（c）大部分深色硫化物、硫鹽和氧化物，當(dāng)溫度升高時(shí)，導(dǎo)電增強(qiáng)，溫度降低時(shí)則不導(dǎo)電，為半導(dǎo)體(semiconductor)，如閃鋅礦、黃鐵礦及Ⅱ型金剛石等。（2）礦物的介電性(dielectricity)：

指不導(dǎo)電的(即電介質(zhì)的，dielectric)或?qū)щ娦詷O弱的礦物在外電場(chǎng)中被極化產(chǎn)生感應(yīng)電荷的性質(zhì)，常通過(guò)測(cè)定其介電常數(shù)(即電容率，

dielectricconstant)來(lái)研究。

介電常數(shù)的大小主要取決于陰、陽(yáng)離子的類(lèi)型、半徑、極化率及礦物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

硫化物和氧化物的介電常數(shù)較大——用于礦物分選、劃分成礦階段、判斷礦床成因等。2.壓電性和熱釋電性壓電性和熱釋電性均主要存在于無(wú)對(duì)稱中心、具極軸(即在該軸兩端無(wú)對(duì)稱關(guān)系)的電介質(zhì)晶體中。（1）礦物的壓電性(piezoelectricity)

是指某些電介質(zhì)的單晶體，當(dāng)受到定向壓力或張力的作用時(shí)，能使晶體垂直于應(yīng)力的兩側(cè)表面上分別帶有等量的相反電荷的性質(zhì)。若應(yīng)力方向反轉(zhuǎn)時(shí)，則兩側(cè)表面上的電荷易號(hào)。晶體在機(jī)械壓、張應(yīng)力不斷交替作用下，即可產(chǎn)生一個(gè)交變電場(chǎng)，這種效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)

(piezoelectriceffect).（2）礦物的熱釋電性(pyroelectricity)（焦電性）

是指某些電介質(zhì)晶體在加熱或冷卻時(shí)，其一定結(jié)晶學(xué)方向的兩端的表面會(huì)產(chǎn)生相反電荷的性質(zhì)。3.礦物的放射性某礦物由于含有放射性元素（如U、Th、Ra等）而使得該礦物具有放射性。

放射性：放射性元素自發(fā)地從原子核內(nèi)釋放出粒子或射線，同時(shí)釋放出能量，稱作放射性。元素釋放粒子、能量的過(guò)程稱作衰變過(guò)程。放射性衰變可以導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)破壞，甚至把晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷w。衰變過(guò)程中釋放出的粒子和能量可以氧化臨近礦物中所含的過(guò)渡金屬離子（如Fe2＋），使其變?yōu)楦邇r(jià)離子，從而使晶體結(jié)構(gòu)遭受破壞。第二講（四）礦物的發(fā)光性1、定義：自然界有些礦物在外加能量的激發(fā)下，往往能明顯地發(fā)出可見(jiàn)光，這種性質(zhì)稱為礦物的發(fā)光性(luminescence)。2、礦物發(fā)光的激發(fā)源：