矿石学第一篇第1章

矿石学OrePetrology

胡斌tel/137871952982/1/20231绪论矿石学的研究对象矿石学的内容课程学习的目的要求主要参考书黄铁矿

辉锑矿

2/1/202321.矿石学的研究对象矿石学是研究矿石的物质组成、成因、类型及其工艺性质的科学；矿石学的理论基础是结晶学、矿物学、岩石学和矿床学；基本技能是矿物、矿石和选矿产品的鉴定(肉眼鉴定和显微镜等技术鉴定)以及它们的工艺性质的研究、测试和分析方法。2/1/202332.矿石学的内容

矿物及主要矿物鉴定，包括矿物的内部结构及形态、矿物的物理性质、化学成分及性质、矿物分类、鉴定方法等；成矿作用与矿石，包括各类成矿作用、矿石主要类型及矿产资源综合利用等；矿石工艺矿相考查，包括矿石组成矿物的定量测定、矿物的解离性、矿石工艺性分析等。2/1/202343.课程学习的目的要求重点掌握内容结晶学、矿物学、（岩石学）的基础理论知识；矿石的形成机理和矿石的成因类型、工艺类型的知识；矿物的肉眼鉴定和显微镜鉴定方法，熟练掌握常见矿物的鉴定；矿石工艺性质的研究和分析方法，包括矿物定量、矿物粒度、矿物嵌布特征、元素赋存状态、有用矿物单体解离度和连生体特征的分析研究方法等；矿石工艺性分析的主要方法。2/1/20235目的要求通过学习，要求对矿石学有系统的认识和了解，掌握矿物、矿石研究的主要内容和方法，培养初步研究矿物、矿石工艺性质及运用有关地质资料解决选矿实际问题的能力，为进一步学习后续专业课程奠定基础。考查与考核相结合，严格评分标准，公平合理。2/1/202364.主要参考书矿石学/刘宝兴主编，冶金工业出版社,1994年结晶学及矿物学（上、下册）/潘兆橹主编，地质出版社，1985年,1993年/2008年（李胜荣主编）矿相学/张术根主编，中南大学出版社，2014年工艺矿物学/吕宪俊主编，中南大学出版社，2011年2/1/20237第一篇矿物学总论矿物的概念矿物：是地壳中化学元素通过各种地质作用（物理作用和化学作用）所形成的自然产物（单质和化合物）。“人造矿物”/“合成矿物”、“陨石矿物”、“月岩矿物”、“宇宙矿物”矿物绝大部分呈固体状态；极少数呈液态（如自然汞、石油），及气态（如天然气、硫化氢）；也有呈胶体状态，如蛋白石(SiO2·nH2O)。2/1/20238矿物具备的条件矿物是各种地质作用形成的天然化合物或单质，比如火山作用。矿物具有一定的化学成分。如金刚石成分为单质碳(C)，石英为二氧化硅(SiO2)，但天然矿物成分并不是完全纯的，常含有少量杂质。矿物还具有一定的晶体结构，它们的原子呈规律的排列。矿物具有较为稳定的物理性质。矿物是组成矿石和岩石的基本单位。2/1/20239矿物学的概念矿物学就是以矿物为研究对象的科学，研究矿物的晶体结构、形态、化学成份、性质等。20世纪中期以来，固体物理、量子化学理论以及波谱、电子显微镜分析等微区、微量分析技术被引入，使矿物学获得了新进展，建立了矿物物理学。近年来，矿物原料和矿物材料得到更广泛的开发，新兴了矿物材料学(mineralmaterials)，从矿物的角度来研究矿物材料的组成和结构、形成与制备、性能和使用效能之间关系与规律。

2/1/202310第一章矿物的内部结构及形态掌握内容：晶体的概念晶体的内部构造──空间格子晶胞、晶胞常数与晶系决定晶体构造的主要因素晶体的基本性质对称的概念和对称要素单形与聚形晶体的定向和晶面符号、单形符号2/1/202311§1晶体的内部结构一、晶体、非晶质体的概念：晶体：是具有格子构造的固体，也就是说，晶体是物质内部质点（原子、离子、分子或原子团、离子团、分子团）在三维空间呈由规律排列的固体。非晶质体：内部质点的排列没有规律性，不具有格子构造，而被称之为非晶质或非晶质体。准晶体：其内部原子排列既不同于晶体，也不同于非晶体。晶体与非晶体在一定条件下可以相互转化。2/1/202312二、晶体的内部构造──空间格子空间格子是表示内部质点在三维空间作平移周期重复的几何图形。NaCl的晶体结构示意图

NaCl的空间格子构造2/1/2023131.空间格子的四大要素(1)结点：空间格子中代表晶体结构中的相当点。(2)行列：结点在直线上作等距离的排列即构成行列。(3)面网：结点在平面上的分布即构成面网。

A0A1A2A3A4AnB1A0A1A2A3A4B3B4B5B22/1/202314（4）平行六面体：空间格子的最小重复单位，由六个两两平行而且相等的面组成。整个空间格子可以看作是由平行六面体在三度空间平行、无间隙排列而成。2/1/2023152.空间格子的类型1、原始格子(P)：结点分布于平行六面体的八个角顶上。2、底心格子：结点分布于平行六面体的角顶及某一对面的中心。其中又可细分为三种类型：A（100）B（010）C（001）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三对面的中心。2/1/2023163.晶胞、晶胞常数与晶系晶胞：反映晶体对称的最小构造单位。也是具有实在内容的构造单位。一个晶胞可以用晶胞常数来确定，它们是由三个方向行列上的结点间距a、b、c和三个行列的夹角α、β、γ组成，a、b、c和α、β、γ称为晶胞常数或晶体常数，可用X射线方法测定。晶胞的形状只有七种，按晶胞的形状不同，可将种类繁多的晶体分为七个晶系。

2/1/202317三、决定晶体构造的主要因素1、原子半径和离子半径原子和离子半径的大小，特别是相对大小对晶体结构中质点排列方式影响很大。晶体结构可以看成是一些各种大小的质点(一般是球形的)紧密堆砌而成的体系。2、最紧密排列原理在晶体构造中，质点之间的作用力使质点尽可能地相互靠近，晶体占有最小的体积。这样晶体中质点间的位能才能最小(晶体的内能也就最小)，晶体也就处于最稳定的状态。2/1/202318用球体最紧密排列的观点来看晶体的内部构造是合适的，归纳起来有两种情况：1）单一质点(等大球体)的排列C型空隙（三角形空隙的顶点指向上方）B型空隙（三角形空隙的顶点指向下方）2）多种质点(非等大球体)的排列2/1/202319第一层球的排列方式六方最紧密堆积(ABABAB)立方最紧密堆积(ABCABC)在等大球最紧密堆积中，球体之间仍存在空隙，空隙占整体空间的25.95%。空隙有两种，一种是由四个球围成的，称为四面体空隙；另一种由六个球围成，称为八面体空隙。

2/1/2023203、配位数配位数的大小，从几何的观点看，取决于阴、阳离子的大小。当阴离子相同时，阳离子越小，其配位数亦越小。换句话说，阴、阳离子大小相差悬殊，配位数越小；大小越接近，配位数越大。

阳离子配位稳定性图解

2/1/2023214、质点的种类及其数量比在半径比相近的情况下，当质点的数量比不同时，质点的排列方式也往往不同。例如CaF2和CaO半径比相近，由于数量比不同，CaO的排列与NaCl相同，而CaF2则是另外一种排列方式。参加晶体构造的质点种类的多少也影响排列方式，质点越多，为适应多种配位数，往往不能按最紧密堆积方式排列，而排列成对称程度低的构造；质点种类越少，对称程度越高。2/1/202322四、同质多象同质多象：同一化学成分的物质，在不同的外界条件(温度、压力、介质)下，形成不同构造的晶体的现象。这些成分相同，而构造不同的晶体称为同质多象变体。同质多象的转变，有的是可逆的，有的是不可逆的。选矿上，可利用某一变体转变为另一变体之后，其性质发生改变这一特性进行选矿。2/1/202323同质多象变体之间结构的差异，有如下几种类型：配位数不同，构造类型也不同，如碳的两种变体金刚石(配位数为4，等轴晶系)和石墨（配位数3，六方晶系）配位数不同，构造类型相同，CaCO3的两种变体，方解石（配位数6，三方晶系，岛型结构）和文石（配位数9，斜方晶系，岛型结构）配位数相同，但构造类型不同。如TiO2的变体金红石和锐钛矿，配位数都是4，但前者是四方晶系链型结构，后者为四方晶系架型结构。配位数、构造类型都相同，仅晶体结构上有某些差异。如ZnS的两种变体闪锌矿（等轴）和纤维锌矿（六方），配位数都是4，结构都属配位型，只是阴离子的堆积方式不同。2/1/202324五、晶体构造中质点间的联结力－化学键晶体构造中，质点之间存在的相互结合力，称为化学键。化学键有四种类型：金属键、离子键、原子键(共价键)、和分子键。晶体构造中由于质点间结合的化学键性质不同，相应地分为金属晶格、离子晶格、原子晶格、分子晶格。2/1/202325金属键：靠自由电子相互联系。金属晶格的特点：金属键不具有方向性和饱和性，具有较高的配位数。由于自由电子的存在，晶体为良导体，不透明，高反射率，金属光泽，有延展性，硬度一般较小。2.离子键：阴、阳离子之间靠静电引力相互联系。离子晶格的特点：(1)由于离子均具有球形对称，因此离子键不具有方向性和饱和性，离子晶格一般呈最紧密堆积，具有较高的配位数。(2)离子晶格矿物为不良导体，具有玻璃光泽，具脆性而无延展性。2/1/2023263.共价键(原子键)：由共用电子对而使原子结合在一起。共价键具有饱和性与方向性，所以原子晶格矿物不一定呈最紧密堆积，晶体一般具有较大的硬度和较高的熔点，不导电，透明－半透明，玻璃－金刚光泽。4.分子键：分子之间由相当弱的分子间力所联系，一般无方向性和饱和性。分子晶格矿物一般硬度小，熔点低，电学性质和光学性质变化范围很大。

2/1/202327六、晶体的基本性质晶体的各项基本性质，是由其内部构造所决定的，主要有以下几个方面：自限性、均一性、异向性、对称性、最小内能与稳定性、定熔性等。自限性：晶体在适当的条件下，可以自发地形成封闭的几何多面体的性质。晶体外部形态的这一特征，是内部质点规则排列在外形上的直接反映。

2/1/202328均一性:

在通常的物理光学观测条件下，晶体上的任一部位具有和整个晶体完全相同的性质。晶体呈现出的这种均一性，来源于其组成质点的周期性排列，即晶体的每一个别部位，保有和整个晶体完全相同的质点组成与排列方式。异向性：晶体结构中不同方向上的质点种类和排列方式不同，从而导致晶体的各种物理与化学性质随方向不同而异，即为晶体的异向性。2/1/202329蓝晶石的硬度，在(100)面上沿延长方向的硬度为4.5，而垂直延长方向则为6.5。另外晶体的异向性还表现在力学、光学、电学等性质中。如解离的异向性。对称性：晶体上等同部分的存在及它们间的规律重复，称之为晶体的对称性。具有规则几何多面体外形的晶体，其上常能见到许多相同的晶面、晶棱和角顶；而相同晶面上还常有方向、形状一样的花纹。对称性是晶体最重要的基本性质，是其内部质点周期性重复排列的本质体现。2/1/202330最小内能与稳定性:

在相同的热力学条件下，晶体与同种物质的非晶质体、液体、气体相比较，其内能最小。晶体的内部质点是作有规律排列的，这种规律排列使质点间的引力和斥力达到平衡，因而其势能最小，从而也具有最小的内能。由于晶体具有最小的内能，所以结晶状态是物质的一个相对稳定状态，这就是晶体的稳定性。

定熔性：晶体在受热熔解时，具有固定熔点的性质。可以用晶体在熔解时的加热曲线来加以说明。2/1/202331温度熔点时间温度时间晶体的熔解曲线非晶体的熔解曲线2/1/202332§2晶体的对称及分类

掌握内容：对称的概念对称要素及对称操作对称要素的组合及晶体的分类对称型的概念2/1/202333一、对称的概念物体的相等部分有规律的重复出现，这种性质称为对称(symmetry)。晶体的对称，外在表现为晶体上相等的晶面、晶棱和角顶的重复出现。晶体的对称反映了晶体的本质，是对晶体进行分类的依据。2/1/202334二、对称要素假定的几何形象——点、线、面作为辅助，加以一定的操作，用以明确观察和说明晶体的对称特点。对称面(P)、对称轴(Ln)、对称中心(C)对称轴(Ln)－旋转反伸轴(Lin)－旋转反映轴(Lsn)：Ls1＝P=Li2；Ls2＝C=Li1；Ls3＝L3＋P(P⊥L3)=Li6；Ls4＝Li4；Ls6＝L3＋C=Li32/1/202335三、对称要素的组合及晶体的分类在结晶多面体中，可以有一个对称要素单独存在，也可以有若干个对称要素组合在一起共存。对称要素的组合服从以下规律：如果有一个二次轴L2垂直Ln，则必有n个L2垂直Ln，即L2＋Ln┴→LnnL2如果有一个对称面P垂直于偶次轴Ln，则在其交点必然存在对称中心C；如果有一个对称面P包含Ln，则必然有n个对称面包含Ln，也可以理解为：对称面的交线必为对称轴。如果有一个二次轴L2垂直Lin，（有一个对称面P包含Lin

），当n为奇数必有n个L2垂直Lin和n个P包含Lin;当n为偶数必有n/2个L2垂直Lin和n/2个P包含Lin.2/1/202336对称型：根据对称要素的组合规律，结晶多面体中对称要素的全部总合称为晶体的对称型。根据结晶多面体中可能存在的对称要素和对称要素的组合规律，可以推导出晶体中可能出现的对称型共32种。属于同一对称型的晶体，称为晶类。晶体中存在32种对称型，亦即有32晶类按照对称型中有无高次对称轴及高次轴(n>2)的多少，将晶体分为低、中、高三个晶族在每一晶族中，又按照各对称型的对称特点，划分为七个晶系。Page17(表1-5)2/1/202337§3晶体的理想形态晶体形态可以分为两种类型：单形和聚形。掌握内容：单形、聚形的概念单形聚合的原则单形聚形2/1/202338一、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，单形也就是藉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。在32种对称型中根据推导，有47种几何单形，低级晶族的有7种，中级晶族的有27种，高级晶族的有15种。如果同时考虑其对称性，则单形共有146种，称为结晶单形。2/1/20233947种几何单形的形状2/1/20234047种几何单形的形状2/1/202341由单形的概念可以导出如下三条结论：1）以单形中任意一个晶面作为原始晶面，通过对称型全部对称要素的作用，必可导出该单形的全部晶面；2）在同一对称型中，由于原始晶面与对称要素的相对位置不同，可以导出不同的单形；3）不同的对称型所导出的单形，就其对称性来说是不相同的。2/1/202342对称型L22P中单形的推导：单面平行双面双面斜方柱斜方单锥L2PP2/1/202343二、聚形两个以上的单形的聚合称为聚形。

显然，有多少种单形相聚，其聚形上就会出现多少种不同的晶面，它们的性质各异；对于理想形态而言，同一单形的晶面同形等大。L44L25PC3L44L36L29PC2/1/202344单形聚合的原则：属于同一对称型的单形才能相聚。

在分析聚形是由哪些单形组成时，可按以下步骤进行：（1）确定聚形所属对称型和晶系；（2）观察聚形中有几种不同形状的晶面，以确定是由几种单形组成；（3）数出每种形状相同的晶面数目；（4）根据所属对称型、晶面数目、晶面的相对位置以及与对称要素间相互关系，便可确定出每个单形的名称。2/1/202345§4晶体的定向和晶面符号

晶体定向的概念晶体常数晶面符号与单形符号2/1/202346一、晶体定向的概念同一类对称型有不同的几种单形，由其组成的聚形由于晶面相对位置不同，形态有很大差异，所以要确切描述晶体的形态，必须进一步确定晶面在空间的相对位置。晶体定向就是在晶体上建立一个三度空间的坐标系统，也就是在晶体上选择坐标轴和确定每个轴上的度量单位。2/1/202347二、晶体常数晶体常数：轴率：a：b：c和轴角α、β、γ它是表示坐标系特征的一组常数，与晶体内部构造中的晶胞常数相一致，所不同的是晶胞常数中的a0、b0、c0都是用X射线衍射分析测定的实际长度值，而a：b：c只是比值而已。2/1/202348晶轴的选择的原则：

必须使晶轴平行于晶胞中相交于一点的三条行列，并以各行列上的结点间距为轴单位。为了使定向统一，优先选对称轴为晶轴。当对称轴的数量不能满足需要时，则选用对称面的法线作补足；当二者都不够时，则选用平行于发育晶棱的方向。尽可能使晶轴相互垂直或趋于垂直，并使轴单位趋近于相等。2/1/202349三晶轴α＝y轴∧z轴，β＝z轴∧x轴，γ＝x轴∧y轴；

Z＋Y＋X＋Z＋Y＋X＋U＋四晶轴α＝β＝y轴∧z轴＝z轴∧x轴＝u轴∧z轴；γ＝x轴∧y轴＝y轴∧u轴＝u轴∧x轴。2/1/202350三、晶面符号表示晶面在空间相对位置的符号称为晶面符号。通常采用的是英国人米勒尔（Miller）于1839年创建的符号，称为米氏符号。

Z＋Y＋X＋LHK6c3b2a米氏符号用晶面在3个晶轴上的截距系数的倒数比来表示。如右图，晶面HKL在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c。2、3、6称为截距系数，其倒数比1/2：1/3：1/6＝3：2：1。去掉比例符号后用小括号括之，写作(321)，读作三二一。即为该晶面的米氏符号。小括号中的数字称为晶面指数。2/1/202351在确定晶面符号时，应注意以下几点：晶面指数的排列有固定顺序。对三轴定向者，晶面指数按照xyz轴的顺序排列，一般写作(hkl)；对于三方和六方的四轴定向，指数按xyuz轴顺序排列，一般写作(hkil)。当晶面平行于某一晶轴时，可看成是与该晶轴在无限远处相交，其截距系数为∞，倒数为0。因此晶面在此晶轴上的指数为0。由于晶轴有正负之分，所以晶面指数根据晶面截晶轴于正端或负端也有正负之分。如相交于负端，则在相应指数之上加“－”号。如(321)同一晶体上，任何两个互相平行的晶面，它们对应的晶面指数的绝对值读是相同的，但正负号彼此恰恰相反。2/1/202352四、单形符号单形中选择一个代表晶面，把该晶面的符号用｛｝括起来，代表一种单形，称为单形符号（简称形号）习惯上，选择单形的代表晶面定形号时，一般选择正指数最多的晶面作代表面，同时遵循先前、次右、后上的原则。如立方体前端只有一个(100)晶面与x轴相交，因此以它作单形面，其形号为｛100｝。2/1/202353§5矿物的形态在自然界中，由于生长条件的复杂性，任何一个晶体在其生长过程中，总会或多或少不可避免地受到外界复杂因素的种种影响，致使晶体不能按理想发育。此外，晶体形成后，也还可能受到溶蚀和破坏。因此，实际晶体与理想晶体相比，就会有一定的差异，不能表现出理想晶体所具有的特性，而常常是晶体发育不完整，晶形变得不规则。

2/1/202354就内部构造而言，实际晶体并非是严格按照空间格子的规律所形成的均匀的整体，实质上是由许多个别的理想的均匀块段所组成，这些块段并非严格地相互平行，从而形成了所谓的“镶嵌构造”。此外，在实际晶体构造中还会存在空位、位错等构造缺陷，有时还会有部分质点的代替及各种包裹体等。所以实际晶体与理想晶体在外形上往往表现出很多差异，这也是鉴别晶体的重要特征。刃位错代替填隙2/1/202355一、单体的结晶习性和形态

一向延长型：a≌b<<c

透闪石，柱状辉铋矿，针状2/1/202356二向延展型：a≌b>>c2/1/202357三向等长型:a≌b≌c2/1/202358二、矿物连生体的形态是由两个或两个以上的单体集合生长在一起，称为矿物晶体的连生。可分为规则连生和不规则连生。晶体的规则连生可分为平行连生、双晶和浮生。不规则连生是各连生的晶体单体之间没有一定的排列规律，如晶簇等2/1/202359平行连生

连生着的每一个晶体的相对应的晶面和晶棱都相互平行，这种连生称之为平行连生。

某些树枝状晶体，也是一种平行连生的晶体。它有很多小的立方体晶体沿着角顶或晶棱方向平行连生，从而形成树枝状晶体。这就说明了这种晶体，他们的生长习性就是沿着棱角方向迅速生长的。树枝状的自然铜2/1/202360双晶双晶是两个以上的同种晶体，按照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，但是，他们可以借助于对称要素（面、线、点）加以一定的对称操作（如反映、旋转或反伸）使得两个个体彼此重合或者平行；双晶要素（面、线、点）：双晶面、双晶轴、双晶中心；

双晶相邻个体间相接触的面，称之为接合面；

双晶结合的规律称之为双晶律。2/1/202361双晶的分类根据双晶个体连生的方式，可分为两类：接触双晶和穿插双晶（贯穿双晶）。

接触双晶：双晶个体以简单的平面相接触而连生的称之为接触双晶。它又可分为：1）简单的接触双晶：由两个个体组成。2）聚片双晶：多个片状个体以同一双晶律连生，接合面相互平行。聚片双晶常可在某些面或解理面上显示聚片双晶纹，如纳长石聚片双晶。3）环状双晶：多