宝石的结晶学和矿物学基础.ppt

第三章 宝石的结晶学和矿物学基础 n 宝石是一种坚硬耐磨的固体物质，宝石材 料经过精心设计和人工琢磨，形成规则的 几何形态，发出奇光异彩，映出奇妙花纹 ，所有这些首先归功于人类的艺术创造， 但本质上是归功于宝石材料的结晶学和矿 物学性质，因此，结晶学是宝石学重要的 基础学科之一，结晶学和矿物学知识对于 宝石学家是必不可少的。 第一节结晶学基础 本节学习的重点： 1.晶体与非晶质的区别 2.晶体对称的特点及对称要素 （对称轴、对称面、对称中心的概念） 3.晶体的分类：七大晶系 4.单形、聚形的概念 n 晶体的世界是一个晶莹绚丽、色彩斑 斓的世界。 Emerald Sapphire Olivine 什么是晶体 ? n在远古年代，人们在矿业活动中发现了具 有规则几何多面体形态的水晶，于是， n晶体的远古定义（从现象）：能自发生长 成规则几何多面体外形的固体称为晶体。 n这种定义显然是不够严谨的，有些晶体并 不发育成几何多面体外形，例如岩石中的 晶体小颗粒。晶体能够发育成几何多面体 外形仅仅是晶体内部本质的一种外在表现 形式，那么，晶体的内部本质又是什么呢 ? n1895年德国物理学家伦琴(W.C.Rentgen)发现X射 线后，1912年德国物理学家劳埃（M.Von Laue）第 一次用X射线在实验上证明了晶体的根本特性 晶体内部质点在三维空间周期性地排列。 n所以，晶体的现代定义（从本质）： 晶体（crystal）是内部质点(原子、离子或分 子)在三维空间周期性地重复排列构成的固体物质 。这种质点在三维空间周期性地重复排列也称格子 构造，所以晶体是具有格子构造的固体。 与此相反，不具格子构造的固态物质为非晶体或 非晶态（noncrystal）。 晶体与非晶体结构（平面）示意图 (a)晶体，（b）玻璃（非晶体） 一、晶体与非晶体 1.晶体 是具有格子构造的固体。 内部质点在三维空间有序排列， 晶形的充分发育导致 外部具有一定的几何形态。 如：石榴石、水晶、刚玉等。 石盐的晶体结构 自然界的矿物分为两类： 晶体和非晶质体 2.非晶体 是不具有格子构造的固体。 内部质点无规则排列。 如：玻璃、琥珀、 松香、塑料等。 欧泊原石 琥珀 晶 体 单晶体 整个宝石仅由一个晶体， 或者几个密切相连的 晶体组成， 大多数宝石为单晶体 多晶集合体 部分宝石（玉 石） 由大量细小的晶体 组成 显晶质集合体 肉眼或10放大镜 可以辨认晶体颗粒大小， 如石英岩、翡翠 隐晶质集合体 普通光学显微镜 也难观察的微晶集合体。 如岫玉、玉髓、绿松石 隐晶质的岫玉 隐晶质的玛瑙 二、空间格子（十四种空间格子） 1.定义 由一系列有规律地在三维空间呈周期性 重复排列的几何点（即结点） 所连结的无限的立体几何图形。 它是从具体的晶体结构中抽象出来的。 （1）结点 结点在直线上的排列构成行列 （2）面网 结点在平面上的分布构成面网 2.空间格子的特点 （1）同一行列中及相互平行的行列上，结点间距是 相同的； （2）不同方向的行列中，结点间距通常是不同的。 （3）凡相互平行的面网，其单位面积的节点数 （面网密度）和相邻面网的距离（面网间距） 必定全部相同； （4）互不平行的面网，面网密度一般不同。 空间格子是由结点、行列、面网，平行六面体 组成的，其中平行六面体是一个最小的重复 单位，也叫晶胞。晶体实际上就是平行六面 体（晶胞）在三维空间重复叠置的结果。对 不同矿物晶胞的大小不同，也就是说晶棱a, b, c的长度不同 （1）定义 一个空间格子总是可以被三组相交 的面网划分成一系列相互平行叠置的一 个最小重复单位，那就是单位平行六面 体。 3.平行六面体 根据单位平行六面体对称性的不同，空 间格子分别归属于7个晶系； n再根据结点在单位平行六面体中的分布 情况，将其划分为原始格子、底心格子 、体心格子和面心格子。 n在晶体中共有14种不同的空间格子型式 。 （2）分类 (1) 原始格子(P)：结点分布于平行六面体的8个角顶上。 (2) 底心格子(C)：结点分布于平行六面体的角顶及某一对面的中心。 (3) 体心格子(I)：结点分布于平行六面体的角顶和体中心。 (4) 面心格子(F)：结点分布于平行六面体的角顶和3对面的中心。 晶系 原始格子 （P） 底心格子 （C） 体心格子 （I） 面心格子 （F） 三斜C=I I=F F=P 单斜 I=F F=C 斜方 四方C=P F=I 三方与本晶系 对称不符 I=FF=P 六方与本晶系 对称不符 与空间格 子的条件 不符 与空间格 子的条件 不符 等轴与本晶系 对称不符 晶体的基本性质 n晶体的内部构造是由单位晶胞组成的立 体空间格子。同一晶体由相同的晶胞组 成，晶体种类不同，组成空间格子的形 状和大小也不同，这样，就形成了千姿 百态、物理和化学性质不同的天然晶体 世界。研究和统计表明，晶体有以下五 种基本性质： 1、晶体的自限性 指一切晶体在生长过程中，只要具备充 分的空间条件，都能自发地形成规则的 几何多面体外形的性质。晶体的自限性 为我们确定晶体的内部结构、进行晶体 分类和鉴定宝石原石晶体提供了宏观依 据。如黄铁矿为立方体，祖母绿为六方 柱状，金刚石为八面体等。 2、晶体的均一性 n对于某晶体，由于同一类型空间格子的 周期性重复构筑，决定了晶体中任何一 部分所表现的物理化学性质的均一性。 基于这一点，同一晶体上切下来的宝石 材料都具有相同的物理化学性质。 3、晶体的各向异性 除立方格子外的其余格子，由于不同方 向上质点性质和间距不同，因此，晶体在 内部和外部性质上也存在差异。如蓝宝石 垂直柱体（光轴）切磨时，无二色性，而 平行光轴切磨时，则有二色性；又如蓝晶 石在不同方向具有不同的硬度，其摩氏硬 度随方向变化于5-7之间。 4、晶体的稳定性 n指同一成分组成的结晶体物质处于最稳 定的状态，即内部质点处于有规律的格 子平衡位置，具有最小的内能。对于无 序状态的液体和气体，则随着时间的迁 移，会有向有序结晶态发展的趋势。晶 体的这一特性，为宝石的长久保存提供 了有利条件，也为不稳定的宝石（欧泊 ）提出了需要保护的问题。 5、晶体的对称性 晶体在外形上，相同的晶面，晶棱，晶 面夹角有规律的重复，物理性质也是有 规律的重复。 三、晶体分类 1.晶体对称： 对称性是晶体的基本性质之一，它是由 晶体格子构造的规律所决定的。 对称面 通常描述晶体对称的几何要素包括 ：对称面、对称轴、对称中心。 2.对称要素： （1）对称面(P) 对称面是一个假想的平面，它将晶体 平分为互为镜像的两个相等部分。对称 面可以包含晶棱、垂直晶棱并通过它的 中心，垂直并平分晶面。 同一晶体内可以包含多个对称面。 （2）对称轴(Ln) 对称轴是一根假想的直线，相应的对称操 作是围绕此直线的旋转。当晶体围绕此直线 旋转一周时，晶体中相同的部分可以重复2次 、3次、4次或6次。对应的分别描述为L2、L3 、L4、 L6。3次、4次和6次对称轴又称为高 次对称轴。 （3）对称中心(C) 对称中心是一个假想的点，通过此点 做任意直线，则在此直线上距对称中心 等距离的两端必定可以找到对应点。 晶体若存在对称中心时其晶面必然 是两两平行并相等。 4.晶体分类 根据晶体对称性特点，分为七大晶系 晶系 等轴 晶系 六方 晶系 四方 晶系 三方 晶系 单斜 晶系 斜方 晶系 三斜 晶系 根据是否有高次轴及其数量分三大晶族 （2）晶族 高级晶族：有多个高次轴， 等轴晶系 中级晶族：一个高次轴， 四方、三方、六方晶系 低级晶族：无高次轴， 斜方、单斜、三斜晶系 四、晶体的形态： 1.单形和聚形 （1）单形：单形是由对称要素联系起来的一组晶 面的总合。换句话说，单形也就是籍对称型中全 部对称要素的作用可以使它们相互重复的一组晶 面。因此，同一单形的所有晶面彼此都是等同的 。包括开形和闭形。 （2）聚形：两个以上的单形的聚合称为聚形。单 形的聚合不是任意的，必须是属于同一对称形的 单形才能相聚，所以聚形的对称性和其中的任一 单形的对称性相同。 （1）开形：单形的晶面不能够完全包围 空间，如四方柱、四方锥、平行双面等 。 （2）闭形：单形的晶面能够完全包围空 间，如立方体、八面体、四方双锥等。 水晶的聚形 尖晶石的聚形 六方单锥 开形 四角三八面体 闭形 四方双锥 闭形 2.单形的种类 单形的种类共有47种几何单形 a.低级晶族共有7种单形：单面、平行双面 、双面、斜方柱、斜方四面体、斜方单锥、 斜方双锥。 b.中级晶族共有25种单形，分成六组：柱 体组、单锥体组、双锥体组、四方四面体和 复三方偏三角面体组、菱面体与复三方偏三 角面体组、偏方面体组。 c.高级晶族共有15种单形，分为三组：四 面体组、八面体组、立方体组。 (1)低级晶族常见单形 三斜晶系 单面 单斜晶系 平行双面 只有一个面 (无L、P、C) 两个面平行 且相等(只有C) 双面 两个面以对称面或 对称轴对称且相等 P 斜方晶系 斜方柱(3对平行双 面，横截面为菱形) 斜方单锥 (2对双面， 横截面为菱 形) 斜方双 锥(4对 双面，横 截面为菱 形) 3.常见单形及特征 (2)中级晶族常见单形 中级晶族 四方柱 四方单锥 四方双锥 复四方柱 复四方单锥 复四方双锥 四方偏方面体 四方四面体 复四方偏三角面体 三方柱 三方单锥 三方双锥 复方三柱 复三方单锥 复三方双锥 三方偏方面体 菱面体 复三方偏三角面体 六方柱 六方单锥 六方双锥 复六方柱 复六方单锥 复六方双锥 六方偏方面体 四方 晶系 三方 晶系 六方 晶系 3.常见单形及特征 以三方晶系单形来分析 以三方晶系单形来分析 三方柱 柱面为三个全等 的矩形 三方单锥 锥面为三个全 等的等腰三角形 三方双锥 锥面为6个全 等的等腰三角形 三方偏方 面体(6个全 等的四边形) 菱面体 6个全等的菱形 复三方柱 6个相等的矩形 柱面，与六方柱 的区别是横截面 不是正六边形 复三方双锥 12个全等的三角形 锥面，与六方双锥 的区别是横截面不 是正六边形 复三方单锥 6个全等的三 角形，与六方单 锥的区别是横截面 不是正六边形 (3)等轴晶系的单形 四面体类： 四面体 4个全等的等边三角形 三角三四面体 四面体的每个三角形 晶面分成3个三角形 四角三四面体 四面体的每个三角形 晶面分成3个四边形 五角三四面体 四面体的每个三角形 晶面分成3个五边形 六四面体 四面体的每个三角形 晶面分成6个三角形 3.常见单形及特征 (3)等轴晶系的单形 八面体类： 八面体 8个全等的等边三角形 四角三八面体 八面体的每个三角形 晶面分成3个四边形 五角三八面体 八面体的每个三角形 晶面分成3个五边形 三角三八面体 八面体的每个三角形 晶面分成3个三角形 六八面体 八面体的每个三角形 晶面分成6个三角形 3.常见单形及特征 (3)等轴晶系的单形 立方体类： 立方体 由两两平行 的6个全等正 方形组成 四六面体 立方体的每 个正方形分 成4个三角形 菱形十二面体 由12个全等的 菱形组成 五角十二面体 由12个全等的 五边形组成 3.常见单形及特征 小 结 单面 平行双面 四方 晶系 三方 晶系 六方 晶系 中级晶族 四方柱 四方单锥 四方双锥 复四方柱 复四方单锥 复四方双锥 四方偏方面体 四方四面体 复四方偏三角面体 三方柱 三方单锥 三方双锥 复方三柱 复三方单锥 复三方双锥 三方偏方面体 菱面体 复三方偏三角面体 六方柱 六方单锥 六方双锥 复六方柱 复六方单锥 复六方双锥 六方偏方面体 高级晶族 等轴 晶系 四面体 三角三四面体 四角四面体 五角四面体 六四面体 八面体 三角八面体 四角三八面体 五角八面体 六八面体 方体 四六面体 菱立形十二面体 五角十二面体 偏仿复十二面体 (透辉石、月光石) 低级晶族 单斜晶系 三斜晶系 斜方晶系 双面 斜方柱 斜方四面体 斜方单锥 斜方双锥(黄玉 金绿宝石 橄榄石) (日光石) (锆石、方柱石) (电气石、水晶、红宝石) (绿柱石、磷灰石) 钻石 石榴子石 尖晶石 2.晶体的规则连生 （1）平行连生：两个或以上的同种晶体彼此平行地连生在一 起，连生着的每一个晶体的相对应的晶面和晶棱都相互平 行，这种连生称为平行连生。 （2）浮生：两个或多个不同种类的晶体沿一定方向的规则连 生；或者两个或多个同种晶体以不同的面网相接合而形成 的规则连生称为浮生。 （3）双晶：双晶是两个以上的同种晶体按一定的对称规律形 成的规则连生，相邻两个个体的相应的面、棱、角并非完 全平行，但它们可借助对称操作-反映，旋转或反伸，使 两个个体彼此重合或平行。 双晶按生长的方式可分为下例 几种类型： （1）接触双晶：即仅由两个个体组成的双晶，如尖 晶石的双晶； （2）聚片双晶：多个双晶个体以同一双晶律连生， 接合面相互平行，如钠长石的聚片双晶； （3）环状双晶：多个双晶个体彼此以同样的双晶律 连生，但结合面互不平行，而是依次以等角相交。 晶体连生的个数有三连晶、四连晶，等等。金绿宝 石的三连晶双晶就是环状双晶的典型例子； （4）穿插双晶：又称贯穿双晶，是单晶个体相互穿 插而形成的双晶，十字石双晶和萤石双晶就是典型 例子。 金绿宝石的轮式双晶 长石卡氏双晶 水晶的双晶 3.晶面花纹 （1）晶面条纹 晶面上由一系列邻接面构造构成的直 线条纹，称为晶面条纹。晶面条纹是晶 体在生长过程中形成的，在许多晶体上 可以看到，例如石英晶体柱面上的横纹 ，电气石晶体上的柱面纵纹，黄铁矿立 体上三对相互垂直的条纹等。 黄铁矿的晶面条纹 （2）蚀像：晶体的晶面上出现的具有几 何形状内凹小坑或者突起的小丘 钻石表面的蚀象 （3）印痕：生长时多个晶体挤压在一起造成的晶面花纹。 第二节矿物学基础 一、矿物的概念 二、矿物的光学特征 三、矿物的力学性质 一、矿物的概念 矿物 指在自然过程中形成的 具有特定晶体结构 和化学成分的无机物， 大多数宝石都属于矿物。 二、矿物的光学特征 1.矿物的颜色 2.条痕 3.光泽 4.透明度 1.矿物的颜色 是眼底视神经对光波的感应而在大 脑中产生的感觉。可见光经矿物体选 择性吸收后，其残余光的混合色即是 该矿物的颜色。 宝石的颜色 2.条痕 将硬度较低的矿物在白色无釉瓷板上刻 划后留下的矿物粉末的痕迹，条痕色是指 留下的矿物粉末的颜色。矿物的条痕可消 除假色，减弱他色，因而比矿物颜色更有 鉴定意义。条痕测试是破坏性测试，只能 用于未加工的宝石或琢型宝石不显眼的部 位。 3.光泽 材料表面反光的能力和特征。它主要 与材料的折射率、反光率有关，但也与材 料颗粒的集合方式、表面平整程度以及抛 光质量和硬度有关。矿物学中，通常按光 泽的强弱将光泽分为四级：金属光泽、半 金属光泽、金刚光泽和玻璃光泽 。宝石 还常见一些特殊的光泽，如：丝绢光泽、 珍珠光泽、蜡状光泽、油脂光泽等。 锆石的亚金刚光泽 软玉的油脂光泽 4.透明度 指宝石材料透过可见光光的程度。 分为5个级别：透明、亚透明、 半透明、微 透明、不透明。 宝石的不同透明度 三、矿物的力学性质 1.解理 2.断口 3.裂理 4.硬度 5.韧性 6.脆性 1.解理 矿物受外力(敲打、挤压等)作用后,沿 着一定的结晶方向发生破裂,并能裂出 光滑平面的性质称为解理。解理是由矿 物的晶体结构决定的。由于晶体中的化 学键力在不同的结晶方向存在差异，导 致面网间化学键力最弱的方向易于产生 破裂，形成解理。解理按产生的难易程 度分为以下几种类型：完全解理、中等 解理、不完全解理。 莹石的八面体完全解理 2.断口 晶体或材料受到外力作用发生 的随即的无方向性的破裂。 由于断口常具有一定的形态， 因此可用来作为鉴定矿物的一种辅助特征。 常见的断口类型有： 贝壳状断口、锯齿状断口、土状断口。 3.裂理 刚玉的裂理 是晶体在外力作用下 ，沿着一定结晶方向 裂开的性质。裂开的 面称为裂理面。 裂理面的外观和解理面相似。但是裂理的成因与解理 不同，裂理有两种成因：一是双晶结合面，特别是聚 片双晶的结合面造成裂理；另一种原因是，当细微包 裹体或固溶体离溶物分部在某一种面网上，并成为这 一方向面网间的夹层重复有地分布时，也可造成裂理 。