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矿物

天然形成的结晶状纯净物，单质或化合物
提示：此条目页的主题不是矿物质。

矿物是指在地质作用下天然形成的结晶状纯净物（单质或化合物）。绝对的纯净物是不存在的，所以这里的纯净物是指物质化学成分相对单一的物质。矿物是组成岩石的基础（像石英、长石、方解石都是常见的造岩矿物），但矿物和岩石不同，矿物可以用其化学式表示，而岩石是由许多矿物及非矿物所合成，没有一定的化学式。

各式的矿物

矿物多半是非生物产生的无机化合物，一般为固体，具有有序的原子结构，但也有液态的矿物，如汞（水银）。有关矿物的精确定义尚有争议，有争议的是非生物产生，以及有序原子结构这二个条件。像褐铁矿、黑曜岩等类似矿物，但没有结晶性的物质，会称为准矿物。

研究矿物的自然科学称为矿物学。世界上已知的矿物（英语：List of minerals (complete)）超过5300种，其中5,070种已由国际矿物学学会（IMA）批准过。地壳中有超过75%是由硅和氧组成，因此许多的矿物是硅酸盐矿物。矿物可以依其物理性质及化学性质区分，可以依其化学成分及晶体结构分为几类，而在矿物形成时的温度压力等因素会影响其中一些性质。岩石所在的温度、压力及其主成分的变化，都会影响其中的矿物。也有可能矿物的主成分不变，但其中的矿物因温度压力改变而变化。

矿物可以用许多的物理性质来描述，而这些性质也和其化学结构及组成有关。常见的矿物物理性质有晶体结构及晶体惯态、硬度、光泽、透明度、颜色、条痕、韧性、解理、断口、裂理（parting）及比重。进一步的特性包括对酸的反应、磁性、气味或味道，以及放射性。

矿物可以依其主要化学成分分类，最主要的两种分类系统分别是Strunz矿物分类及Dana矿物分类。硅酸盐可以依其化学结构的同质多晶形性再细分为六小类。所有的硅酸盐都有[SiO4]4−的硅酸根四面体，是一个硅原子和四个氧原子以四面体的方式键结。硅酸盐又可以分为原硅酸盐（orthosilicates，硅酸根没有聚合）、二硅酸盐（disilicates，二个硅酸根互相聚合）、环状硅酸盐（cyclosilicates，环状的硅酸根）、链状硅酸盐（inosilicates，链状的硅酸根）、层状硅酸盐（phyllosilicates，层状的硅酸根）及网硅酸盐（tectosilicates，三维的硅酸根结构）。其他重要的矿物分类有自然元素、硫化物、氧化物、卤化物、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐。

化学

组成元素

矿物的丰度和多样性由所含化学元素控制，进而取决于地球中元素的丰度。 观察到的大多数矿物质都来自地壳。 由于地壳中含量丰富的八种元素占据了矿物的大部分关键成分。 这八种元素合计占地壳重量的 98% 以上，按照丰度递减的顺序排列为：氧、硅、铝、铁、镁、钙、钠和钾。 氧和硅是迄今为止最重要的两种——氧占地壳重量的 47%，硅占 28%[1]。

形成条件

形成的矿物是那些在形成温度和压力下最稳定的矿物，在母体的本体化学所施加的限制内[2]。例如，在大多数火成岩中，存在的铝和碱金属（钠和钾）主要与氧、硅和钙结合形成长石矿物。

然而，如果岩石中碱金属含量异常丰富，则不会有足够的铝与所有钠结合成长石，过量的钠会形成钠闪石（Riebeckite）。 如果铝丰度异常高，多余的铝就会形成白云母或其他富铝矿物[3]。如果缺乏硅，部分长石将被长石矿物替代[4]。精确预测在特定温度和压力下形成的特定成分的岩石中将存在哪些矿物需要复杂的热力学计算。 然而，可以使用相对简单的经验法则进行近似估计，例如 CIPW 范数，它对干岩浆形成的火山岩给出了合理的估计[5]。

固溶体系列的端元种类之间的化学成分可能有所不同。 例如，斜长石包括从富钠端元钠长石 (NaAlSi3O8) 到富钙钙长石 (CaAl2Si2O8) 的连续系列，其中有四个公认的中间品种（按从富钠到富钙的顺序给出）： 奥长石、 中长石、拉长石和倍长石[6]。系列的其他例子包括富镁镁橄榄石和富铁铁橄榄石的橄榄石系列，以及富锰辉锰矿（Hübnerite）和富铁铁锰矿（Ferberite）的黑钨矿系列[7]。

元素替换

在自然界中，矿物质不是纯物质，并且会受到化学系统中存在的其他元素的污染；化学取代和配位多面体解释了矿物的这一共同特征。 一种元素可以替换另一种元素[8]。

大小和电荷相似的离子之间会发生化学取代，例如Si4+被Al3+取代，它们在地壳中的电荷、大小和丰度都很接近。以斜长石为例，存在三种取代情况：

1、长石均为骨架硅酸盐，其硅氧比为2:1，其他元素的空间由Al3+取代Si4+给出，基本单元为 [AlSi3O8]−；

2、如果没有取代，该公式将像 一样电荷平衡，得到石英[9]。这种结构的重要性将通过配位多面体进一步解释。

3、二次取代，第二次取代发生在Na+和Ca2+ 之间； 然而，必须通过用Al3+第二次取代Si4+来解决电荷差异[10]。

尺寸和电荷的巨大差异导致化学和结构不相容，例如K+不会取代Si4+。

配位结构

配位多面体是阳离子被阴离子包围的几何表示。 在矿物学中，配位多面体通常根据氧来考虑，因为它在地壳中含量丰富。

硅酸盐矿物的基本单元是二氧化硅四面体——一个Si4+被四个 O2− 包围。 描述硅酸盐配位的另一种方式是用数字：在二氧化硅四面体的情况下，硅的配位数为 4。各种阳离子具有特定的可能配位数范围； 对于硅来说，它几乎总是4，除了非常高压的矿物，在这些矿物中，化合物被压缩，使得硅与氧处于六重（八面体）配位。较大的阳离子具有较大的配位数，因为与氧相比，相对尺寸增加（较重原子的最后一个轨道亚层也不同）。

配位数的变化会导致物理和矿物结构上的差异； 例如，在高压下，在地幔中，许多矿物，特别是橄榄石和石榴石等硅酸盐，将转变为钙钛矿结构，其中硅处于八面体配位。 其他例子有铝硅酸盐蓝晶石、红柱石和硅线石（多晶型物，因为它们的化学式为 Al2SiO5），它们的不同之处在于Al3+ 的配位数； 这些矿物质随着压力和温度的变化而相互转变[1]。

在硅酸盐材料的情况下，由于需要平衡电荷，用Al3+代替Si4+允许使用多种矿物质[11]。

由于 8 种最常见的元素构成了地壳的 98% 以上，因此通常存在的少量其他元素被替换为常见的造岩矿物。 大多数元素的独特矿物都非常稀有，只有在这些元素被地质过程（例如热液循环）浓缩到无法再容纳在普通矿物中的地方才能找到[12]。

结构转化

温度、压力和成分的变化会改变岩石样品的矿物结构。 成分的变化可能是由风化作用或交代作用等过程引起的。 当主岩经历构造（Tectonics）或岩浆运动进入不同的物理状态时，温度和压力就会发生变化。 热力学条件的变化有利于矿物组合相互反应生成新矿物； 因此，两种岩石可能具有相同或非常相似的块体岩石化学性质，但不具有相似的矿物学。 这种矿物蚀变过程与岩石循环有关。 一系列矿物反应的例子如下所示[13]

正长石 (KAlSi3O8) 是一种常见于花岗岩（一种深成岩&岩浆岩）中的矿物。 当暴露于风化时，它会反应形成高岭土（Al2Si2O5(OH)4，一种沉积矿物和硅酸）：

2 KAlSi3O8 + 5 H2O + 2 H+ → Al2Si2O5(OH)4 + 4 H2SiO3 + 2 K+

在低级变质条件下，高岭土与石英反应形成叶腊石(Al2Si4O10(OH)2):

Al2Si2O5(OH)4 + SiO2 → Al2Si4O10(OH)2 + H2O

随着变质程度的增加，叶腊石反应形成蓝晶石和石英：

Al2Si4O10(OH)2 → Al2SiO5 + 3 SiO2 + H2O

或者，矿物可能会因温度和压力的变化而改变其晶体结构，但不会发生反应。 例如，石英会在高温下转变为各种SiO2多晶型物，如鳞石英（Tridymite）和方石英（Cristobalite），在高压下转变为柯石英[14]。

矿物和岩石的区别

矿物是自然形成的纯物质或化合物，化学成分组成变化不大，有结晶结构。岩石是一或多种矿物的聚合体，化学成分不定，通常无结晶结构。

矿物分类

  • Strunz矿物分类（9大分类）
  1. 元素（Elements）
  2. 硫化物（Sulphides）
  3. 卤化物（Halides）
  4. 氧化物及氢氧化物（Oxides & Hydroxides）
  5. 硝酸盐、碳酸盐、硼酸盐（Nitrates, Carbonates & Borates）
  6. 硫酸盐、铬酸盐、钼酸盐（Sulphates, Chromates, Molybdates）
  7. 磷酸盐、砷酸盐、钒酸盐（Phosphates, Arsenates, Vanadates）
  8. 硅酸盐（Silicates）
  9. 有机化合物（Organic Compounds）
  • Dana矿物分类第8版（78大分类）
旧Dana分类 新Dana分类
I.自然元素矿物（Native Elements） 第1类
II.硫化物（Sulfides） 第2 & 3类
III.氧化物和氢氧化物（Oxides and Hydroxides） 第4, 5, 6, 7 & 8类
IV.卤化物（Halides） 第9, 10, 11 & 12类
V.碳酸盐、硝酸盐、硼酸盐（Carbonates, Nitrates, Borates） 第13, 14, 15, 16 & 17类（碳酸盐）
第18, 19 & 20类（硝酸盐）
第21, 22 & 23类（碘酸盐）
第24, 25, 26 & 27类（硼酸盐）
VI.硫酸盐、铬酸盐、钼酸盐（Sulfates, Chromates, Molybdates） 第28, 29, 30, 31 & 32类（硫酸盐）
第33类（硒酸盐及碲酸盐）
第34类（亚硒酸盐、亚碲酸盐及亚硫酸盐）
第35 & 36类（铬酸盐）
VII.磷酸盐、砷酸盐、钒酸盐（Phosphates, Arsenates, Vanadates） 第37, 38, 39, 40, 41, 42 & 43类（磷酸盐）
第44, 45 & 46类（锑酸盐）
第47类（钒酸盐）
第48 & 49类（钼酸盐及钨酸盐）
IX.有机化合物（Organic Minerals） 第50类
VIII.硅酸盐矿物（Silicates） 第51 - 78类
-- 孤立岛状硅酸盐矿物（Nesosilicates） 第51, 52, 53 & 54类
-- 多岛状硅酸盐矿物（Sorosilicates） 第55, 56, 57 & 58类
-- 环状硅酸盐矿物（Cyclosilicates） 第59, 60, 61, 62, 63 & 64类
-- 链状硅酸盐矿物（Inosilicates） 第65, 66, 67, 68, 69 & 70类
-- 层状硅酸盐矿物（Phyllosilicates） 第71, 72, 73 & 74类
-- 架状硅酸盐矿物（Tektosilicates） 第75, 76 & 77类
-- 未分类硅酸盐矿物（Not Classified Silicates） 第78类

物理性质

晶体结构及晶体惯态

 
黄玉有特殊的斜方晶系外形

晶体结构是矿物中原子依其内在结构，所进行的有序几何排列。晶体结构是依内部原子或离子的规则排列方式而定，而且常以晶体的几何形状命名。即使矿物晶粒太小，或看似不规则的排列，但透过X光衍射仍可以看出其内部的周期性排列[15]。晶体结构常会以其对称性来描述，依晶体局限定理，晶体结构只存在32种对称性不同的点群，可以再做进一步的分类，其中以六方晶系的空间群最多[16]。

晶族可以用其三个晶轴的长度、各轴之间的夹角来定义，这些关系会对应其对称性，而点群就是以对称性来定义。以下是晶族的列表，a, b和c为晶轴长度，α, β, γ是不和各轴相邻的夹角角度，例如α是b和c二晶轴的夹角:[16]：

晶族 晶轴长度 夹角 常见例子
立方晶系 a=b=c α=β=γ=90° 石榴石、石盐、黄铁矿
四方晶系 a=b≠c α=β=γ=90° 金红石、锆石、橄榄石
正交晶系 a≠b≠c α=β=γ=90° 橄榄石、霰石、斜方辉石
六方晶系 a=b≠c α=β=90°, γ=120° 石英、方解石、电气石
单斜晶系 a≠b≠c α=γ=90°, β≠90° 单斜辉石、正长石、石膏
三斜晶系 a≠b≠c α≠β≠γ≠90° 钙长石, 钠长石、蓝晶石

晶体惯态是指整个晶体的外形。常见的晶体惯态如有刺而呈放射状的针状（英语：Acicular (crystal habit)）（如钠沸石（英语：natrolite）），刀刃状、树枝状（像天然铜）、等轴晶（像橄榄石）、往一方向延伸的角柱状及平板状。和结晶形状有关，晶面的品质也是确认矿物的方式，一般会用岩相显微镜来观测。自形（英语：Euhedral and anhedral）（Euhedral）的晶体有明确的外形，而他形晶（anhedral）的就没有，介于自形晶及他形晶之间的称为半自形[17][18]。

硬度

主条目：摩氏硬度
 
钻石是最坚硬的天然材料，摩氏硬度为10

矿物的硬度是其抵抗刮损的能力。矿物的硬度和矿物的化学成分及晶体结构有关。矿物的硬度是其结构的函数，各方向的硬度不一定是定值，可能一些晶格弱点会使一方向的硬度比另一方向要低[19]。像蓝晶石在平行[001]的方向，其摩氏硬度为5½，但在平行[100]的方向，其摩氏硬度为7[20]。

最常用的矿物硬度标准是摩氏硬度，有十种参考用的矿物，从摩氏硬度为1的滑石到摩氏硬度为10的钻石，摩氏硬度较高的矿物会在硬度较低的矿物表面留下刮痕。摩氏硬度计就是指这十种矿物，表列如下[19]：

硬度 矿物 绝对硬度
1 滑石（Mg3Si4O10(OH)2） 1
2 石膏（CaSO4·2H2O） 2
3 方解石（CaCO3） 9
4 萤石（CaF2） 21
5 磷灰石（Ca5(PO4)3(OH,Cl,F)） 48
6 正长石（KAlSi3O8） 72
7 石英（SiO2） 100
8 黄玉（Al2SiO4(OH,F)2） 200
9 刚玉（Al2O3） 400
10 钻石（C） 1500

当鉴定硬度时，如果没有以上的摩氏硬度计，可用其他东西代替，如小刀（或钢针）其硬度约为5.5、铜币约为3.5至4、指甲约为2至3、玻璃硬度为6。

光泽和透明度

 
黄铁矿有金属光泽

光泽是指矿物表面对光反射的能力，和其矿物品质及光的强度有关。有许多描述矿物光泽的词，主要可分为金属光泽及非金属光泽。金属光泽及次金属光泽的反射率高，类似金属，像是方铅矿及黄铁矿都有金属光泽。非金属光泽有金刚光泽（adamantine，例如钻石）、玻璃光泽（vitreous，例如硅酸盐矿物）、珍珠光泽（pearly，例如滑石及鱼眼石）、 树脂光泽（resinous，例如石榴石）、绢丝光泽（silky，像石棉等纤维状矿物）[21]。

矿物的透明度是指其透光的程度。当光通过透明矿物时，其强度不会减少，例如白云母，有些矿物甚至透明到可以用在窗户上。半透明的矿物允许部分光线通过，但强度比通过透明矿物要低。像翡翠及软玉就是半透明的矿物。若矿物完全不允许光线通过，则称为不透明[22][23][24]。

比重

比重是矿物的重量与相同体积的水的比率，也就是矿物与1atm4℃纯水之密度比值，没有单位。对于大部分的矿物而言，不太适合用比重来识别矿物。造岩矿物主要是以硅酸盐及碳酸盐为主，其密度介于2.5–3.5之间[25]。

一些特殊的矿物有较高的比重，若氧化物及硫化物中含有原子质量较大的原子，比重就会较重，一般有金属光泽或是金刚光泽的岩石其比重会比非金属光泽甚至无光泽的要重，例如赤铁矿的Fe2O3比重就有5.26[26]，而方铅矿PbS的比重为7.2–7.6，[27]都是因为其中含有高原子质量的铁及铅。天然金属（英语：Native metal）的比重也相当的高，例如锥纹石是一种常出现在铁陨石中的铁镍合金，比重7.9,[28]，而金的比重甚至到15和19.3之间[25][29]。

条痕

主条目：条痕

颜色是矿物最明显的特性之一，不过不容易用颜色来识别矿物[30]。

条痕是矿物在条痕板留下的颜色，也就是矿物粉末的颜色。条痕的颜色不一定会和矿物的颜色相同[23]。测试条痕的方式是在矿物在条痕板上摩擦，条痕板一般是陶瓷的，颜色是黑色或白色，条痕的颜色不受矿物中的痕量元素[22]或矿物的表面风化影响[23]。像赤铁矿的颜色可能是黑色、银色或红色，但条痕颜色为樱桃红[22]到红棕色[23]。不过条痕测试对矿物的硬度有一定的限制，若硬度大于7，矿物和条痕板摩擦后反而会在矿物上留下条痕板的粉末[23]。

其他特性

  • 解理：矿物分离的方式。
  • 断口：矿物折断时，边缘的形状。

相关类别

参见

脚注

  1. ^ 1.0 1.1 Ertl, A.; Dyar, M. D.; Hughes, J. M.; Brandstatter, F.; Gunter, M. E.; Prem, M.; Peterson, R. C. PERTLIKITE, A NEW TETRAGONAL Mg-RICH MEMBER OF THE VOLTAITE GROUP FROM MADENI ZAKH, IRAN. The Canadian Mineralogist. 2008-06-01, 46 (3). ISSN 0008-4476. doi:10.3749/canmin.46.3.661. 
  2. ^ Sinkankas, John. Mineralogy. /. New York: Van Nostrand Reinhold. 1964. ISBN 978-0-442-27624-9. 
  3. ^ Blatt, Harvey; Tracy, Robert J.; Ehlers, Ernest G. Petrology: igneous, sedimentary, and metamorphic. / 2nd ed. New York: W.H. Freeman. 1996. ISBN 978-0-7167-2438-4. 
  4. ^ Nesse, S.; Brun, B. T.; Kvendseth, S. Ekofisk I Disposal – Impact Assessment. All Days (SPE). 2000-06-26. doi:10.2118/61119-ms. 
  5. ^ Philpotts, Anthony R.; Ague, Jay J. Principles of igneous and metamorphic petrology. / 2nd ed. Cambridge, UK ; New York: Cambridge University Press. 2009 [2024-04-17]. ISBN 978-0-521-88006-0. OCLC 231581100. （原始内容存档于2022-08-23）. 
  6. ^ Ertl, A.; Dyar, M. D.; Hughes, J. M.; Brandstatter, F.; Gunter, M. E.; Prem, M.; Peterson, R. C. PERTLIKITE, A NEW TETRAGONAL Mg-RICH MEMBER OF THE VOLTAITE GROUP FROM MADENI ZAKH, IRAN. The Canadian Mineralogist. 2008-06-01, 46 (3). ISSN 0008-4476. doi:10.3749/canmin.46.3.661. 
  7. ^ Kruger, Daniel J.; Nesse, Randolph M.; Vinokur, Amiram. Factors Influencing the Psychological Well Being of Elderly Americans. PsycEXTRA Dataset. 2002 [2024-04-17]. 
  8. ^ Ertl, A.; Dyar, M. D.; Hughes, J. M.; Brandstatter, F.; Gunter, M. E.; Prem, M.; Peterson, R. C. PERTLIKITE, A NEW TETRAGONAL Mg-RICH MEMBER OF THE VOLTAITE GROUP FROM MADENI ZAKH, IRAN. The Canadian Mineralogist. 2008-06-01, 46 (3). ISSN 0008-4476. doi:10.3749/canmin.46.3.661. 
  9. ^ Ertl, A.; Dyar, M. D.; Hughes, J. M.; Brandstatter, F.; Gunter, M. E.; Prem, M.; Peterson, R. C. PERTLIKITE, A NEW TETRAGONAL Mg-RICH MEMBER OF THE VOLTAITE GROUP FROM MADENI ZAKH, IRAN. The Canadian Mineralogist. 2008-06-01, 46 (3). ISSN 0008-4476. doi:10.3749/canmin.46.3.661. 
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  15. ^ Dyar and Gunter, pp. 2–4
  16. ^ 16.0 16.1 Dyar and Gunter, pp. 69–80
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  19. ^ 19.0 19.1 Dyar and Gunter, pp. 28–29
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  21. ^ Dyar and Darby, pp. 26–28
  22. ^ 22.0 22.1 22.2 Busbey et al., p. 72
  23. ^ 23.0 23.1 23.2 23.3 23.4 Dyar and Gunter, p. 24
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  25. ^ 25.0 25.1 Dyar and Gunter, pp. 43–44
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参考资料

  • Busbey, A.B.; Coenraads, R.E.; Roots, D.; Willis, P. Rocks and Fossils. San Francisco: Fog City Press. 2007. ISBN 978-1-74089-632-0. 
  • Chesterman, C.W.; Lowe, K.E. Field guide to North American rocks and minerals. Toronto: Random House of Canada. 2008. ISBN 0-394-50269-8. 
  • Dyar, M.D.; Gunter, M.E. Mineralogy and Optical Mineralogy. Chantilly, Virginia: Mineralogical Society of America. 2008. ISBN 978-0-939950-81-2. 

外部链接

 
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