礦石學第一篇第1章

礦石學OrePetrology

胡斌tel/137871952982/1/20231緒論礦石學的研究對象礦石學的內容課程學習的目的要求主要參考書黃鐵礦

輝銻礦

2/1/202321.礦石學的研究對象礦石學是研究礦石的物質組成、成因、類型及其工藝性質的科學；礦石學的理論基礎是結晶學、礦物學、巖石學和礦床學；基本技能是礦物、礦石和選礦產品的鑒定(肉眼鑒定和顯微鏡等技術鑒定)以及它們的工藝性質的研究、測試和分析方法。2/1/202332.礦石學的內容

礦物及主要礦物鑒定，包括礦物的內部結構及形態(tài)、礦物的物理性質、化學成分及性質、礦物分類、鑒定方法等；成礦作用與礦石，包括各類成礦作用、礦石主要類型及礦產資源綜合利用等；礦石工藝礦相考查，包括礦石組成礦物的定量測定、礦物的解離性、礦石工藝性分析等。2/1/202343.課程學習的目的要求重點掌握內容結晶學、礦物學、（巖石學）的基礎理論知識；礦石的形成機理和礦石的成因類型、工藝類型的知識；礦物的肉眼鑒定和顯微鏡鑒定方法，熟練掌握常見礦物的鑒定；礦石工藝性質的研究和分析方法，包括礦物定量、礦物粒度、礦物嵌布特征、元素賦存狀態(tài)、有用礦物單體解離度和連生體特征的分析研究方法等；礦石工藝性分析的主要方法。2/1/20235目的要求通過學習，要求對礦石學有系統(tǒng)的認識和了解，掌握礦物、礦石研究的主要內容和方法，培養(yǎng)初步研究礦物、礦石工藝性質及運用有關地質資料解決選礦實際問題的能力，為進一步學習后續(xù)專業(yè)課程奠定基礎?？疾榕c考核相結合，嚴格評分標準，公平合理。2/1/202364.主要參考書礦石學/劉寶興主編，冶金工業(yè)出版社,1994年結晶學及礦物學（上、下冊）/潘兆櫓主編，地質出版社，1985年,1993年/2008年（李勝榮主編）礦相學/張術根主編，中南大學出版社，2014年工藝礦物學/呂憲俊主編，中南大學出版社，2011年2/1/20237第一篇礦物學總論礦物的概念礦物：是地殼中化學元素通過各種地質作用（物理作用和化學作用）所形成的自然產物（單質和化合物）。“人造礦物”/“合成礦物”、“隕石礦物”、“月巖礦物”、“宇宙礦物”礦物絕大部分呈固體狀態(tài)；極少數呈液態(tài)（如自然汞、石油），及氣態(tài)（如天然氣、硫化氫）；也有呈膠體狀態(tài)，如蛋白石(SiO2·nH2O)。2/1/20238礦物具備的條件礦物是各種地質作用形成的天然化合物或單質，比如火山作用。礦物具有一定的化學成分。如金剛石成分為單質碳(C)，石英為二氧化硅(SiO2)，但天然礦物成分并不是完全純的，常含有少量雜質。礦物還具有一定的晶體結構，它們的原子呈規(guī)律的排列。礦物具有較為穩(wěn)定的物理性質。礦物是組成礦石和巖石的基本單位。2/1/20239礦物學的概念礦物學就是以礦物為研究對象的科學，研究礦物的晶體結構、形態(tài)、化學成份、性質等。20世紀中期以來，固體物理、量子化學理論以及波譜、電子顯微鏡分析等微區(qū)、微量分析技術被引入，使礦物學獲得了新進展，建立了礦物物理學。近年來，礦物原料和礦物材料得到更廣泛的開發(fā)，新興了礦物材料學(mineralmaterials)，從礦物的角度來研究礦物材料的組成和結構、形成與制備、性能和使用效能之間關系與規(guī)律。

2/1/202310第一章礦物的內部結構及形態(tài)掌握內容：晶體的概念晶體的內部構造──空間格子晶胞、晶胞常數與晶系決定晶體構造的主要因素晶體的基本性質對稱的概念和對稱要素單形與聚形晶體的定向和晶面符號、單形符號2/1/202311§1晶體的內部結構一、晶體、非晶質體的概念：晶體：是具有格子構造的固體，也就是說，晶體是物質內部質點（原子、離子、分子或原子團、離子團、分子團）在三維空間呈由規(guī)律排列的固體。非晶質體：內部質點的排列沒有規(guī)律性，不具有格子構造，而被稱之為非晶質或非晶質體。準晶體：其內部原子排列既不同于晶體，也不同于非晶體。晶體與非晶體在一定條件下可以相互轉化。2/1/202312二、晶體的內部構造──空間格子空間格子是表示內部質點在三維空間作平移周期重復的幾何圖形。NaCl的晶體結構示意圖

NaCl的空間格子構造2/1/2023131.空間格子的四大要素(1)結點：空間格子中代表晶體結構中的相當點。(2)行列：結點在直線上作等距離的排列即構成行列。(3)面網：結點在平面上的分布即構成面網。

A0A1A2A3A4AnB1A0A1A2A3A4B3B4B5B22/1/202314（4）平行六面體：空間格子的最小重復單位，由六個兩兩平行而且相等的面組成。整個空間格子可以看作是由平行六面體在三度空間平行、無間隙排列而成。2/1/2023152.空間格子的類型1、原始格子(P)：結點分布于平行六面體的八個角頂上。2、底心格子：結點分布于平行六面體的角頂及某一對面的中心。其中又可細分為三種類型：A（100）B（010）C（001）3、體心格子(I)：結點分布于平行六面體的角頂和體中心。4、面心格子(F)：結點分布于平行六面體的角頂和三對面的中心。2/1/2023163.晶胞、晶胞常數與晶系晶胞：反映晶體對稱的最小構造單位。也是具有實在內容的構造單位。一個晶胞可以用晶胞常數來確定，它們是由三個方向行列上的結點間距a、b、c和三個行列的夾角α、β、γ組成，a、b、c和α、β、γ稱為晶胞常數或晶體常數，可用X射線方法測定。晶胞的形狀只有七種，按晶胞的形狀不同，可將種類繁多的晶體分為七個晶系。

2/1/202317三、決定晶體構造的主要因素1、原子半徑和離子半徑原子和離子半徑的大小，特別是相對大小對晶體結構中質點排列方式影響很大。晶體結構可以看成是一些各種大小的質點(一般是球形的)緊密堆砌而成的體系。2、最緊密排列原理在晶體構造中，質點之間的作用力使質點盡可能地相互靠近，晶體占有最小的體積。這樣晶體中質點間的位能才能最小(晶體的內能也就最小)，晶體也就處于最穩(wěn)定的狀態(tài)。2/1/202318用球體最緊密排列的觀點來看晶體的內部構造是合適的，歸納起來有兩種情況：1）單一質點(等大球體)的排列C型空隙（三角形空隙的頂點指向上方）B型空隙（三角形空隙的頂點指向下方）2）多種質點(非等大球體)的排列2/1/202319第一層球的排列方式六方最緊密堆積(ABABAB)立方最緊密堆積(ABCABC)在等大球最緊密堆積中，球體之間仍存在空隙，空隙占整體空間的25.95%?？障队袃煞N，一種是由四個球圍成的，稱為四面體空隙；另一種由六個球圍成，稱為八面體空隙。

2/1/2023203、配位數配位數的大小，從幾何的觀點看，取決于陰、陽離子的大小。當陰離子相同時，陽離子越小，其配位數亦越小。換句話說，陰、陽離子大小相差懸殊，配位數越?。淮笮≡浇咏?，配位數越大。

陽離子配位穩(wěn)定性圖解

2/1/2023214、質點的種類及其數量比在半徑比相近的情況下，當質點的數量比不同時，質點的排列方式也往往不同。例如CaF2和CaO半徑比相近，由于數量比不同，CaO的排列與NaCl相同，而CaF2則是另外一種排列方式。參加晶體構造的質點種類的多少也影響排列方式，質點越多，為適應多種配位數，往往不能按最緊密堆積方式排列，而排列成對稱程度低的構造；質點種類越少，對稱程度越高。2/1/202322四、同質多象同質多象：同一化學成分的物質，在不同的外界條件(溫度、壓力、介質)下，形成不同構造的晶體的現象。這些成分相同，而構造不同的晶體稱為同質多象變體。同質多象的轉變，有的是可逆的，有的是不可逆的。選礦上，可利用某一變體轉變?yōu)榱硪蛔凅w之后，其性質發(fā)生改變這一特性進行選礦。2/1/202323同質多象變體之間結構的差異，有如下幾種類型：配位數不同，構造類型也不同，如碳的兩種變體金剛石(配位數為4，等軸晶系)和石墨（配位數3，六方晶系）配位數不同，構造類型相同，CaCO3的兩種變體，方解石（配位數6，三方晶系，島型結構）和文石（配位數9，斜方晶系，島型結構）配位數相同，但構造類型不同。如TiO2的變體金紅石和銳鈦礦，配位數都是4，但前者是四方晶系鏈型結構，后者為四方晶系架型結構。配位數、構造類型都相同，僅晶體結構上有某些差異。如ZnS的兩種變體閃鋅礦（等軸）和纖維鋅礦（六方），配位數都是4，結構都屬配位型，只是陰離子的堆積方式不同。2/1/202324五、晶體構造中質點間的聯結力－化學鍵晶體構造中，質點之間存在的相互結合力，稱為化學鍵?；瘜W鍵有四種類型：金屬鍵、離子鍵、原子鍵(共價鍵)、和分子鍵。晶體構造中由于質點間結合的化學鍵性質不同，相應地分為金屬晶格、離子晶格、原子晶格、分子晶格。2/1/202325金屬鍵：靠自由電子相互聯系。金屬晶格的特點：金屬鍵不具有方向性和飽和性，具有較高的配位數。由于自由電子的存在，晶體為良導體，不透明，高反射率，金屬光澤，有延展性，硬度一般較小。2.離子鍵：陰、陽離子之間靠靜電引力相互聯系。離子晶格的特點：(1)由于離子均具有球形對稱，因此離子鍵不具有方向性和飽和性，離子晶格一般呈最緊密堆積，具有較高的配位數。(2)離子晶格礦物為不良導體，具有玻璃光澤，具脆性而無延展性。2/1/2023263.共價鍵(原子鍵)：由共用電子對而使原子結合在一起。共價鍵具有飽和性與方向性，所以原子晶格礦物不一定呈最緊密堆積，晶體一般具有較大的硬度和較高的熔點，不導電，透明－半透明，玻璃－金剛光澤。4.分子鍵：分子之間由相當弱的分子間力所聯系，一般無方向性和飽和性。分子晶格礦物一般硬度小，熔點低，電學性質和光學性質變化范圍很大。

2/1/202327六、晶體的基本性質晶體的各項基本性質，是由其內部構造所決定的，主要有以下幾個方面：自限性、均一性、異向性、對稱性、最小內能與穩(wěn)定性、定熔性等。自限性：晶體在適當的條件下，可以自發(fā)地形成封閉的幾何多面體的性質。晶體外部形態(tài)的這一特征，是內部質點規(guī)則排列在外形上的直接反映。

2/1/202328均一性:

在通常的物理光學觀測條件下，晶體上的任一部位具有和整個晶體完全相同的性質。晶體呈現出的這種均一性，來源于其組成質點的周期性排列，即晶體的每一個別部位，保有和整個晶體完全相同的質點組成與排列方式。異向性：晶體結構中不同方向上的質點種類和排列方式不同，從而導致晶體的各種物理與化學性質隨方向不同而異，即為晶體的異向性。2/1/202329藍晶石的硬度，在(100)面上沿延長方向的硬度為4.5，而垂直延長方向則為6.5。另外晶體的異向性還表現在力學、光學、電學等性質中。如解離的異向性。對稱性：晶體上等同部分的存在及它們間的規(guī)律重復，稱之為晶體的對稱性。具有規(guī)則幾何多面體外形的晶體，其上常能見到許多相同的晶面、晶棱和角頂；而相同晶面上還常有方向、形狀一樣的花紋。對稱性是晶體最重要的基本性質，是其內部質點周期性重復排列的本質體現。2/1/202330最小內能與穩(wěn)定性:

在相同的熱力學條件下，晶體與同種物質的非晶質體、液體、氣體相比較，其內能最小。晶體的內部質點是作有規(guī)律排列的，這種規(guī)律排列使質點間的引力和斥力達到平衡，因而其勢能最小，從而也具有最小的內能。由于晶體具有最小的內能，所以結晶狀態(tài)是物質的一個相對穩(wěn)定狀態(tài)，這就是晶體的穩(wěn)定性。

定熔性：晶體在受熱熔解時，具有固定熔點的性質?？梢杂镁w在熔解時的加熱曲線來加以說明。2/1/202331溫度熔點時間溫度時間晶體的熔解曲線非晶體的熔解曲線2/1/202332§2晶體的對稱及分類

掌握內容：對稱的概念對稱要素及對稱操作對稱要素的組合及晶體的分類對稱型的概念2/1/202333一、對稱的概念物體的相等部分有規(guī)律的重復出現，這種性質稱為對稱(symmetry)。晶體的對稱，外在表現為晶體上相等的晶面、晶棱和角頂的重復出現。晶體的對稱反映了晶體的本質，是對晶體進行分類的依據。2/1/202334二、對稱要素假定的幾何形象——點、線、面作為輔助，加以一定的操作，用以明確觀察和說明晶體的對稱特點。對稱面(P)、對稱軸(Ln)、對稱中心(C)對稱軸(Ln)－旋轉反伸軸(Lin)－旋轉反映軸(Lsn)：Ls1＝P=Li2；Ls2＝C=Li1；Ls3＝L3＋P(P⊥L3)=Li6；Ls4＝Li4；Ls6＝L3＋C=Li32/1/202335三、對稱要素的組合及晶體的分類在結晶多面體中，可以有一個對稱要素單獨存在，也可以有若干個對稱要素組合在一起共存。對稱要素的組合服從以下規(guī)律：如果有一個二次軸L2垂直Ln，則必有n個L2垂直Ln，即L2＋Ln┴→LnnL2如果有一個對稱面P垂直于偶次軸Ln，則在其交點必然存在對稱中心C；如果有一個對稱面P包含Ln，則必然有n個對稱面包含Ln，也可以理解為：對稱面的交線必為對稱軸。如果有一個二次軸L2垂直Lin，（有一個對稱面P包含Lin

），當n為奇數必有n個L2垂直Lin和n個P包含Lin;當n為偶數必有n/2個L2垂直Lin和n/2個P包含Lin.2/1/202336對稱型：根據對稱要素的組合規(guī)律，結晶多面體中對稱要素的全部總合稱為晶體的對稱型。根據結晶多面體中可能存在的對稱要素和對稱要素的組合規(guī)律，可以推導出晶體中可能出現的對稱型共32種。屬于同一對稱型的晶體，稱為晶類。晶體中存在32種對稱型，亦即有32晶類按照對稱型中有無高次對稱軸及高次軸(n>2)的多少，將晶體分為低、中、高三個晶族在每一晶族中，又按照各對稱型的對稱特點，劃分為七個晶系。Page17(表1-5)2/1/202337§3晶體的理想形態(tài)晶體形態(tài)可以分為兩種類型：單形和聚形。掌握內容：單形、聚形的概念單形聚合的原則單形聚形2/1/202338一、單形單形是由對稱要素聯系起來的一組晶面的總合。換句話說，單形也就是藉對稱型中全部對稱要素的作用可以使它們相互重復的一組晶面。因此，同一單形的所有晶面彼此都是等同的。在32種對稱型中根據推導，有47種幾何單形，低級晶族的有7種，中級晶族的有27種，高級晶族的有15種。如果同時考慮其對稱性，則單形共有146種，稱為結晶單形。2/1/20233947種幾何單形的形狀2/1/20234047種幾何單形的形狀2/1/202341由單形的概念可以導出如下三條結論：1）以單形中任意一個晶面作為原始晶面，通過對稱型全部對稱要素的作用，必可導出該單形的全部晶面；2）在同一對稱型中，由于原始晶面與對稱要素的相對位置不同，可以導出不同的單形；3）不同的對稱型所導出的單形，就其對稱性來說是不相同的。2/1/202342對稱型L22P中單形的推導：單面平行雙面雙面斜方柱斜方單錐L2PP2/1/202343二、聚形兩個以上的單形的聚合稱為聚形。

顯然，有多少種單形相聚，其聚形上就會出現多少種不同的晶面，它們的性質各異；對于理想形態(tài)而言，同一單形的晶面同形等大。L44L25PC3L44L36L29PC2/1/202344單形聚合的原則：屬于同一對稱型的單形才能相聚。

在分析聚形是由哪些單形組成時，可按以下步驟進行：（1）確定聚形所屬對稱型和晶系；（2）觀察聚形中有幾種不同形狀的晶面，以確定是由幾種單形組成；（3）數出每種形狀相同的晶面數目；（4）根據所屬對稱型、晶面數目、晶面的相對位置以及與對稱要素間相互關系，便可確定出每個單形的名稱。2/1/202345§4晶體的定向和晶面符號

晶體定向的概念晶體常數晶面符號與單形符號2/1/202346一、晶體定向的概念同一類對稱型有不同的幾種單形，由其組成的聚形由于晶面相對位置不同，形態(tài)有很大差異，所以要確切描述晶體的形態(tài)，必須進一步確定晶面在空間的相對位置。晶體定向就是在晶體上建立一個三度空間的坐標系統(tǒng)，也就是在晶體上選擇坐標軸和確定每個軸上的度量單位。2/1/202347二、晶體常數晶體常數：軸率：a：b：c和軸角α、β、γ它是表示坐標系特征的一組常數，與晶體內部構造中的晶胞常數相一致，所不同的是晶胞常數中的a0、b0、c0都是用X射線衍射分析測定的實際長度值，而a：b：c只是比值而已。2/1/202348晶軸的選擇的原則：

必須使晶軸平行于晶胞中相交于一點的三條行列，并以各行列上的結點間距為軸單位。為了使定向統(tǒng)一，優(yōu)先選對稱軸為晶軸。當對稱軸的數量不能滿足需要時，則選用對稱面的法線作補足；當二者都不夠時，則選用平行于發(fā)育晶棱的方向。盡可能使晶軸相互垂直或趨于垂直，并使軸單位趨近于相等。2/1/202349三晶軸α＝y(tǒng)軸∧z軸，β＝z軸∧x軸，γ＝x軸∧y軸；

Z＋Y＋X＋Z＋Y＋X＋U＋四晶軸α＝β＝y(tǒng)軸∧z軸＝z軸∧x軸＝u軸∧z軸；γ＝x軸∧y軸＝y(tǒng)軸∧u軸＝u軸∧x軸。2/1/202350三、晶面符號表示晶面在空間相對位置的符號稱為晶面符號。通常采用的是英國人米勒爾（Miller）于1839年創(chuàng)建的符號，稱為米氏符號。

Z＋Y＋X＋LHK6c3b2a米氏符號用晶面在3個晶軸上的截距系數的倒數比來表示。如右圖，晶面HKL在x、y、z軸上的截距分別為2a、3b、6c。2、3、6稱為截距系數，其倒數比1/2：1/3：1/6＝3：2：1。去掉比例符號后用小括號括之，寫作(321)，讀作三二一。即為該晶面的米氏符號。小括號中的數字稱為晶面指數。2/1/202351在確定晶面符號時，應注意以下幾點：晶面指數的排列有固定順序。對三軸定向者，晶面指數按照xyz軸的順序排列，一般寫作(hkl)；對于三方和六方的四軸定向，指數按xyuz軸順序排列，一般寫作(hkil)。當晶面平行于某一晶軸時，可看成是與該晶軸在無限遠處相交，其截距系數為∞，倒數為0。因此晶面在此晶軸上的指數為0。由于晶軸有正負之分，所以晶面指數根據晶面截晶軸于正端或負端也有正負之分。如相交于負端，則在相應指數之上加“－”號。如(321)同一晶體上，任何兩個互相平行的晶面，它們對應的晶面指數的絕對值讀是相同的，但正負號彼此恰恰相反。2/1/202352四、單形符號單形中選擇一個代表晶面，把該晶面的符號用｛｝括起來，代表一種單形，稱為單形符號（簡稱形號）習慣上，選擇單形的代表晶面定形號時，一般選擇正指數最多的晶面作代表面，同時遵循先前、次右、后上的原則。如立方體前端只有一個(100)晶面與x軸相交，因此以它作單形面，其形號為｛100｝。2/1/202353§5礦物的形態(tài)在自然界中，由于生長條件的復雜性，任何一個晶體在其生長過程中，總會或多或少不可避免地受到外界復雜因素的種種影響，致使晶體不能按理想發(fā)育。此外，晶體形成后，也還可能受到溶蝕和破壞。因此，實際晶體與理想晶體相比，就會有一定的差異，不能表現出理想晶體所具有的特性，而常常是晶體發(fā)育不完整，晶形變得不規(guī)則。

2/1/202354就內部構造而言，實際晶體并非是嚴格按照空間格子的規(guī)律所形成的均勻的整體，實質上是由許多個別的理想的均勻塊段所組成，這些塊段并非嚴格地相互平行，從而形成了所謂的“鑲嵌構造”。此外，在實際晶體構造中還會存在空位、位錯等構造缺陷，有時還會有部分質點的代替及各種包裹體等。所以實際晶體與理想晶體在外形上往往表現出很多差異，這也是鑒別晶體的重要特征。刃位錯代替填隙2/1/202355一、單體的結晶習性和形態(tài)

一向延長型：a≌b<<c

透閃石，柱狀輝鉍礦，針狀2/1/202356二向延展型：a≌b>>c2/1/202357三向等長型:a≌b≌c2/1/202358二、礦物連生體的形態(tài)是由兩個或兩個以上的單體集合生長在一起，稱為礦物晶體的連生?？煞譃橐?guī)則連生和不規(guī)則連生。晶體的規(guī)則連生可分為平行連生、雙晶和浮生。不規(guī)則連生是各連生的晶體單體之間沒有一定的排列規(guī)律，如晶簇等2/1/202359平行連生

連生著的每一個晶體的相對應的晶面和晶棱都相互平行，這種連生稱之為平行連生。

某些樹枝狀晶體，也是一種平行連生的晶體。它有很多小的立方體晶體沿著角頂或晶棱方向平行連生，從而形成樹枝狀晶體。這就說明了這種晶體，他們的生長習性就是沿著棱角方向迅速生長的。樹枝狀的自然銅2/1/202360雙晶雙晶是兩個以上的同種晶體，按照一定的對稱規(guī)律形成的規(guī)則連生，相鄰兩個個體的相應的面、棱、角并非完全平行，但是，他們可以借助于對稱要素（面、線、點）加以一定的對稱操作（如反映、旋轉或反伸）使得兩個個體彼此重合或者平行；雙晶要素（面、線、點）：雙晶面、雙晶軸、雙晶中心；

雙晶相鄰個體間相接觸的面，稱之為接合面；

雙晶結合的規(guī)律稱之為雙晶律。2/1/202361雙晶的分類根據雙晶個體連生的方式，可分為兩類：接觸雙晶和穿插雙晶（貫穿雙晶）。

接觸雙晶：雙晶個體以簡單的平面相接觸而連生的稱之為接觸雙晶。它又可分為：1）簡單的接觸雙晶：由兩個個體組成。2）聚片雙晶：多個片狀個體以同一雙晶律連生，接合面相互平行。聚片雙晶常可在某些面或解理面上顯示聚片雙晶紋，如納長石聚片雙晶。3）環(huán)狀雙晶：多