第二章矿物

如金刚石原只产于金伯利岩岩筒中，现发现在钾 镁煌斑岩中、基性、超基性岩包体中也有产出，其 中钾镁煌斑岩型金刚石矿床已成为一重要的金刚石 矿床类型。
海绿石：原是海相地层的指示矿物，现在不同 盐度的陆相水体沉积物中也有发现。 3）区域性：有些标型矿物具有全球的适用性， 而有一些只是在某一区域或某一矿床或矿区内适用 ，这是由于当地的构造地质背景决定的。
形成和稳定于某种特定的地质环境，或者只在某一特定的地质作用 中形成的矿物。
特点： 1）矿物的单成因性：
在自然界有些矿物主要趋向于或者只有一种成因。如：铬铁矿主要 产于超基性岩中；斯石英、柯石英专属于高压冲击变质成因（多在陨石坑 和上地幔）；辰砂、辉锑矿是低温热液矿床的标志。
2）标型矿物的相对性：
一些是单成因的矿物，在其它成因中也有发现。
5．分布于不同地质时代和不同矿床类型、不同岩石类型中的 矿物同位素组成不同。
如：沉积碳酸盐：δ13C，接近于0值（PDB； 岩浆成因的碳酸盐矿物：δ13C -5.3～-7.0‰； 有机质堆积物：δ13C -２4～-29‰； 基性超基性岩矿物组合包裹体中金刚石：δ13C -0.25～-03.44‰ 陨石中有金刚石δ13C -0.58～-0.63‰ 冲击岩中的金刚石δ13C -1.32～-1.87‰
黄铁矿中的Co/Ni：
王奎仁（1989）通过我国65个点，共115件黄铁矿样品的 分析研究指出不同成岩成矿条件下形成的黄铁矿其Co/Ni有一定 的标型特征。 同生沉积：显著小于1，范围0.011～ 0.37 沉积改造：随改造强度而增大，从0.16～0.8到接近于1 沉积变质：随变质程度加深而增大，从1.47～5.75
二、离子占位标型
一些结构复杂矿物中离子占位与其形成时的物理化学条件关系密切。 例如辉石的结构类型受化学成分和温度的控制； 辉石晶体的化学式基本上可用M1M2X2O6表示，X位置通常进行类质 配位数为6，M1位置为Ti4+, Al3+, Cr3+, Fe3+, 同 象代替的是Al, Si 它们占据四面体孔隙，配位数为4，M1M2为八面体孔隙， M2位置为Ca2+, Li+, Na+, K+

地下水活动中形成的，晶体沿C轴伸伸长。 又如伟晶作用形成的锡石，其形态扁平，呈四方双锥状， 含 Nb、 Ta 、 Mn较多；而热液作用形成的锡石，晶体细 长，四方柱发育，含 Nb、 Ta 、 Mn较少而含 W 较多，颜 色也较伟晶作用中的锡石浅得多。
（a）
（b）Leabharlann 薄板六方 柱方解石 （c） （d）
晶体（crystal）是具格子构造的固体。 晶体包括天然晶体和人工晶体。 格子构造是一切晶体最本质的特征。 内部质点不作格子状规则排列的固体叫做非 晶体。
2
空间格子的概念
空间格子（space-lattice） 表示晶体构造的规 律性的几何图形。 平行六面体 —空间格子中的最小单位。由三对 平行且相等的面构成。
生、生长，以及晶体的外部形态、内部结构
和物理性质的科学。
3
矿物学与结晶学的关系
结晶学是矿物学的一部分
结晶学是一门独立的科学 结晶学依然是矿物学的一个重要组成部分 结晶学是矿物研究需要而产生和发展
结晶学促进矿物学的发展
是各地质专业的一门重要的专业基础课
与其它自然科学的关系十分密切
假象 标型特征 包裹体 矿物的组合——共生和伴生
假象
假象是指矿物受到改造成为新矿物后，仍然保持原来的
晶形，但它已经不能代表新矿物的晶体形态的现象。
风化作用
黄铁矿FeS2
褐铁矿Fe2O3nH2O
黄铁矿晶体遭受 氧化后，其成分 已转变为褐铁矿， 但褐铁矿可保持 黄铁矿原来的立 方体或五角十二 面体等晶形，便 称褐铁矿呈黄铁 矿的假象，而此 种褐铁矿则专门 称为假象褐铁矿
用形成的天然单质或化合物。
2
矿物概念要点

结晶态氧化物 胶膜态
氧化铁 氧化铝
粘粒矿物 粘土矿物
非结晶态
Clay mineral
凝胶态 amorphous 其它 碳酸盐、硫酸盐、氯化物 others
（一）原生矿物 primary minerals
1.原生矿物概念：在风化合成土过程中未改变化学组成的原始成岩矿物。
2.土壤中主要原生矿物
正长石 斜长石
土壤矿物元素组成主要是：氧、 硅、铝、铁，其它元素的量相对较 比较少。
一.土壤矿物基本组成 composition of soil minerals
原生矿物
Primary minerals 高岭石
土壤矿物
Soil minerals
层状铝硅酸盐
蒙脱石
伊利石
结晶态 Crystalline
次生矿物
Secondary minerals
（二） 次生矿物 secondary minerals
1.次生矿物的概念 在风化和成土过程中新形成的矿物。次生矿物一般比较小，属于 粘粒范围，因此，也有人叫它粘土矿物或者粘粒矿物(clay minerals). 粘土矿物（粘粒矿物）clay mineral ；粒径大小在粘粒范围内的 次生矿物称之。 2.粘土矿物意义:粘土矿物的类型和特征综合地反映土壤的风化和成 土条件。研究和鉴定它的类型、数量和特征具有以下意义： （1）可以帮助人们了解各种土壤在发生学上的地位，在土壤分类 学中，次生矿物成为鉴别土类的主要依据。 （2）有助于了解土壤一系列理化性状（吸湿性、可塑性、胀缩 性、离子吸附性），判断土壤肥力特征。 （必须更加关注粘土矿物）
（二） 次生矿物 secondary minerals
3.次生矿物主要类型
（三） 土壤矿物质主要元素组成和硅铝铁律

b. 离子半径 离子半径越大离子水化半径越小，离 子的吸附性越强交换能力越大，通常离子的交换 能力由弱到强的排列顺序为：
Li+<Na+<K+(NH4+)<Mg2+<Ca2+<Ba2+<Al3+<Fe3+<H+
c. 离子浓度 离子浓度越大交换能力越强
四、粘土的凝聚性
（1）概念：粘土矿物（颗粒）在水分散体系状态下，通 过不同的联结方式产生絮凝或聚结（集）的现象。
膨胀性是衡量粘土亲水性的指标，亲水性越强，吸水量越 大，水化膨胀越厉害。 二、水化膨胀机理
各种粘土都会吸水膨胀，只是不同的粘土矿物水化膨胀的 程度不同而已。粘 土水化膨胀受三种力制约：表面水化 力、渗透水化力和毛细管作用。
二、 粘土的水化膨胀性
(1)表面水化 ①定义：由粘土晶体表面直接吸附水分子和通过所吸附的 可交换性阳离子间接吸附水分子而导致的水化。 ②表面水化机理 直接水化：粘土表面上的H+和OH-通过氢键吸附水分子 间接水化：通过所吸附的可交换性阳离子间接吸附水分子 (2) 渗透水化
D、CEC 大介于高岭石与蒙脱石之间（200-400mmol/kg)
☞蒙脱石由于晶格取代作用产生的负电荷由K+来平衡，由于 蒙脱石取代位置主要在Si-O四面体中，产生的负电荷离晶层 表面近，故与K+产生很强的静电力， K+不易交换下来。
☞ K+的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴 中，起到连接作用，周围有12个氧与它配伍，因此， K+连 接通常非常牢固，不易交换下来。
2 粘土矿物带电量
CEC：pH值等于7的水溶液中1kg粘土中可被交换 出来的阳离子电荷总数。

测量矿物硬度的金 刚石锥体
2019年2月24日星期日5 时17分45秒
19
四、韧性
矿物受压轧、锤击、弯曲或拉引等力作用时所出现的 抵抗能力，叫韧性。可分为下列几种： ① 脆性：矿物受力时容易破碎的性质。如镜铁矿硬度大于 小刀，但由于具有明显的脆性，因此可被小刀压碎出现 粉末或小粒。脆性是离子键矿物的一种特性。 ② 延展性：在锤击或拉引下，容易形成薄 片或细丝的性质，是金属键矿物的一种 特性。一般情况下温度升高，延展性增 强。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。 自然金具有良好 金属键程度不同，则延展性也有差异。 的延展性
方铅矿表面上 的金属光泽
赤铁矿上的暗 淡金属光泽
石盐表面的油 脂光泽
“纤维石膏” 表面的丝绢光 泽
石英晶体的玻 璃光泽
2019年2月24日星期日5 时17分45秒
9
矿物的光泽可用于识别宝石。假宝石往往 呈玻璃光泽，真宝石是金刚光泽，丝绢光 泽、脂肪光泽和珍珠光泽。
2019年2月24日星期日5 时17分45秒
沿锂云母晶体底 面极完全解理
冰洲石完全的 菱面体解理
方铅矿的立方 体解理
2019年2月24日星期日5 时17分45秒
13
解理产生的原因：主要取决于 结晶构造中质点的排列及质点 间连接力的性质。 在同极键晶体中，几何因素起 着重要的作用，解理面往往平 行于结点密度最大的面网。 在异极键中，解理面常产生于： （1）解理面平行于阴阳离子电荷大部分已中 和的平面； （2）解理面产生于同类质点的两个面网之间
2019年2月24日星期日5 时17分45秒
27

如闪锌矿和橄榄石中的类质同象代替。
B、异价类质同象：相代替的离子电价不同。
如钠长石Na[AlSi3O8]、钙长石Ca[Al2Si2O8]类质 同象系列中，Na＋与Ca2＋，Al3＋与Si4＋各相互代 替的离子电价不等，为保持电价平衡，常以成 对方式置换的，即Na＋＋Si4＋= Ca2＋+Al3＋。
类质同象代替的条件
⑤结构水：以H＋、（OH）－、（H3O）＋等离子形式存在 于矿物晶格中的水。如高岭石Al4[Si4O10](OH)8 。数量和 失水温度固定，结构水与其它离子间的联结相当牢固，在 高温下（300～600℃）才可失去，随之晶体结构瓦解。
二、矿物的同质多象
同质多象是指同种化学成分的物质，在不同的物理
有些同质多象变体间的差异很小，如α－石英和β－石英， 晶体结构基本一样，仅Si－O－Si键角略有差异，前者为 137°，后者为150°，后者键角大，形成温度较高。
同质多象各变体都有一定的形成和稳定的范围，当 物理化学条件发生改变并超过一定程度时，就会发 生同质多象转变。

同质多象转变类型有两种： ⑴双变性转变（可逆性的），如α－石英加热到
晶习性大致可分为以下三类。

⑴一向延伸：其晶体常数a≌b<<c，晶体沿 一个方向发展，呈针状、柱状、纤维状等。

⑵二向延伸：其晶体常数a≌b>>c，晶体沿 两个方向发展，呈板状、片状、鳞片状等。
⑶三向延伸：其晶体常数a≌b≌c，晶体在三维空间发育 程度相等或近似相等，常呈等轴状、粒状等。等轴晶系 的矿物，其单体形态常呈粒状。
③相互置换的离子总电价要相等。才能保证电价
平衡，不至于破坏晶体结构。使电价平衡的置换方式 见P70。
④环境因素（包括温度、压力、pH、组分浓度、氧

粘土矿物的带电的原因
1、边缘破键电荷的不平衡； 2、同晶置换作用； 3、水化解离作用
粘土颗粒 水分子
阳离子
8
第二章 粘土矿物与水的相互作用
1
§2 粘土矿物与水 §2.1键力复习
化学键（主键、高能键）——离子键、共价键、金属键
NaCl
Cl2
金属
分子键（次键、低能键）——范德华键
氢键——介于主次键之间的一种键力。氢原子失去一个电子，形成 一个裸露的原子核，与其他带有负电荷的原子相互吸引， 构成特殊的氢键。
2
...........
............
粘土
.
........................
............
粘土
6
§1 土的物性与分类 §2.3粘土颗粒的带电现象 粘土矿物的带电性质
粘土颗粒的表面电荷，净电荷通常为负电荷粘土ຫໍສະໝຸດ 粒水分子 阳离子7
§1 土的物性与分类 §2.3粘土颗粒的带电现象
表面高积岭石大积约与一 伊利石 粒 径个足球大场一样大 中
蒙脱石
小
比表面积 10-20m2/g 80-100m2/g 800m2/g
胀缩性
小
中
大
强度
大
中
小
压缩性
小
中
大
5
§1 土的物性与分类 §2.3粘土颗粒的带电现象
列依斯（Reuss）1807年的试验
+
-
+
-
.... .. . ....
.... ....
§2 粘土矿物与水 §2.2粘土矿物的结晶结构
基本单元： 硅-氧四面体
硅片的结构
3

分散元素不易形成矿物，如Cs、Ga、In、Se等。
二、元素的离子类型
(一) 惰性气体型离子（inert－gas type ion）：
最外层具有8个电子（ns2np6）或2个电子的离子。 + 0 结合 → 氧化物和含氧盐矿物，亲石或亲氧元素。
（二）铜型离子（chalcophile type ion）：
K｛Al2［(Si3Al)O10］(OH)2｝、氟磷灰石Ca5［PO4］3 F。
晶体化学式的书写规则
(4) 水分子写在化学式的最末尾，并用圆点将其与 其他组分隔开。
如石膏Ca[SOi4]·2H2O、蛋白石SiO2·nH2O
(5) 类质同像替代的离子，用圆括号括起来，并按 含量由多到少的顺序排列。
如铁闪锌矿(Zn,Fe)S、黄玉Al2［SiO4］(F,OH)2。 某单斜辉石： (CaNa)(MgFe2+Fe3+ AlMnTi)［(SiAl)O6］
胶溶体： 三、矿物化学组成的变化及其计量特性
2、地壳中元素丰度的矿物学意分义 散媒多于分散相的胶体。
胶凝体： 结构式(structural formula)-晶体化学式(crystallochemical formula)
胶体水为特殊的吸附水，需写入反化之学式分。 散媒少于分散相的胶体。
胶体矿物：一般是以水为分散媒、以固相为分散相的水胶凝体，属非晶质或隐晶质矿物。
第二章 矿物的化学成分
一、地壳元素丰度
1、丰度及克拉克值
丰度——元素的平均含量。 克拉克值——化学元素在地壳中的平均含量的质量百分数。
O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg占地壳总质量的％。
2、地壳中元素丰度的矿物学意义
（1）丰度值高的元素，形成的矿物种类较多,如上； （2）聚集元素易形成矿物，如Sb、Bi、Hg、Ag、Au等；

从上式可以看出，降低体系表面能有两条途径：一条 是缩小表面积；另一条是减小比表面能σ。前者引起一系 列的毛细管现象和胶态体系的聚结不稳定性，后者引起吸 附作用。
钻井液是粘土—水的胶质悬浮体系，分散在水中的粘 土细粒具有巨大的表面积，因此，它们亦有聚结以及吸附 作用，且都是自发地进行的，以使体系的表面积减小。
淋洗完成后，将滤液蒸干并进行焙烧，此时各种醋酸 盐均分解为无机化合物。反应式如下：
残渣用盐酸处理后，即可测定钙、镁等离子含量； 醋 酸铵淋洗以后的粘土，用乙醇洗去过剩的醋酸铵，再向粘 土中加浓NaOH溶液，NH4+又被Na+交换出来，生成氢氧化铵。 因而，经过直接蒸煮后，得到NH4OH，用标准酸吸收，再经 过滴定，便可换算为每100g土的交换性阳离子的毫粘摩尔 数，即粘土的阳离子交换容量。
粘土的水化作用
粘土矿物的水分：结晶水、吸附水、自由水、
结晶水：为粘土矿物的一部分，与粘土矿物之 间以化学键相连，温度较高（300℃） 才能释放出来。
吸附水：与粘土矿物之间的作用力为分子间以 及静电引力，即水化膜形式存在，也 叫束缚水。
自由水：存在于粘土颗粒的孔穴或孔道中，不 受粘土约束，可以自由运动
粘土的交换性阳离子及 阳离子交换容量的测定
粘土的交换性阳离子及 阳离子交换容量的测定
粘土阳离子交换容量的测定：测定粘土阳离子 交换容量的方法很多，经典的方法是醋酸铵淋 洗法。其基本原理如下：
淋洗剂为醋酸铵NH4Ac，NH+可交换出粘土中的 Ca2+和Mg2+等阳离子，其作用可用图2—11表示。
粘土的交换性阳离子及 阳离子交换容量的测定
钻土的正电荷与负电荷的代数和即为粘土品体的净 电荷数。由于粘土的负电荷一般多于正电荷，因此，粘 土一般都带负电荷。