矿石矿物学06.ppt

1、矿石及矿物学Ore and Mineralogy 06,School of Material Science and Engineering, Wuhan Institute of Technology, ,第三部分 矿物学各论,第一章 自然元素大类 第二章 硫化物及其类似化合物大类 第三章 氧化物和氢氧化物大类 第四章 含氧盐大类 第五章 卤化物大类, 矿物学数据库 中国地质大学晶星晶体结构网 美国矿物学会主页,Chapter 1 自然元素大类,概述 自然铜族矿物 自然铂族矿物 自然硫族矿物 金

2、刚石-石墨族矿物,1.1 概述,自然元素矿物超过50种，占地壳总重量0.1%，不均匀分布。部分可富集成具有工业意义的矿床。 键性 金属元素：为典型的金属键，如Pt、Au、Cu、Ag。 半金属元素：由金属键逐步向多键性转变As、Sb、Bi。 非金属元素：视不同矿物而异: 金刚石具典型共价键；自然硫 具分子键；石墨具层状结构，层内为共价键，层间 为分子键，如 S、C。,物理性质 金属元素矿物：金属色、反射力强而不透明、金属光泽、强延展性、导电性和导热性、硬度低、无解理、比重大; 半金属元素矿物：金属性较强者，其物理性质趋向于接近金属自然元素矿物。自然铋、自然锑、自然砷三矿物非金属性依次增加，硬度趋

3、向于加大，胞性趋向于增高，金属光泽则趋向于减弱，比重趋向于降低; 非金属元素矿物：自然硫具分子键，表现为硬度低、比重小、性脆、熔点低并易升华。金刚石和石墨差异较大。,自然元素在周期表中的位置,1. 自然铜族矿物,包括自然铜, 自然金和自然银。 自然金自然银自然铜 主元素 Au Ag Cu 微元素 Au, Ag Au, CuAu, Cu,Au和Ag的原子半径相似(为1.79和1.75 A)，很容易类质同象代替，但不是完全类质同象系列；Cu的半径较小，约为1.57 A，只能在高温时才与Au形成固溶体。,【化学组成】,铜型结构，即立方最紧密堆积，配位数为12，等轴晶系。,单晶体均少见，多呈树枝状，致

4、密块状或片状集合体。 自然金：八面体111，菱形十二面体110 自然银：立方体100，八面体111，或两者聚形 自然铜：立方体100,【晶体形态】,均为金属光泽，硬度2.5左右，电和热的良导体，延展性高。 自然金自然银自然铜 颜色金黄色银白色铜红色 条痕金黄色银白色铜红色 比重19.310.58.95 熔点1062960.51083 ,【物理性质】,自然金：热液作用（高、中、低温热液）、外生作用(砂金) 自然银：中低温热液作用、硫化物矿床氧化带 自然铜：形成于多种地质过程中的还原条件下,【成因产状】,关于Au的一些知识,成色：指自然金的化学成分中金所占的比例，用千分数表示 Au成色=Au100

5、0/(Au+Ag+其它金属组分） 首饰用Au的纯度：用K表示。纯金为24K(含金量100%)，18K 相当于24K中金占18份，其它金属占6份 国际计量单位：盎司(Ounce)，1盎司(金衡或药衡，缩写oz.t) = 31.1035 g，1盎司(常衡，缩写oz.av) = 28.3495。,GoldLocation: Arizona, USA,自然金 Au (Gold),Gold in Quartz,Gold Location: Arizona, USA,Gold in rock hole,螺硫银矿，自然银，菱锌矿 Acanthite, Silver, Smithsonite.Location

6、: Canada,自然银 Ag (Silver),Silver.Location: Mexico,Silver in Calcite. Location: Mexico,Copper.Location: England,自然铜 Cu (Copper),自然铂 Pt (Platinum),2. 自然铂族矿物,包括自然铂(Pt)、自然铱(Ir)、自然钯(Pd)、自然锇(Os)、自然钌(Ru),化学组成：常含Fe、Ir、Pd、Rh、Ni等类质同相混入物。 晶体结构：铜型结构，等轴晶系。 形态：单晶体少见，常成不规则细小粒状。大者可达89kg(俄罗斯乌拉尔砂铂矿)。 物理性质：银白至钢灰色，金属光泽，

7、无解理，比重21.5(纯)，熔点1771，硬度44.5。 产状：与基性、超基性岩密切相关，可富集于砂矿中。,自然铋 Bi (Bismuth),化学组成：较纯，有时含微量Fe、Pb、Sb、S、Te。 晶体结构：三方晶系，砷型结构，可视为立方面心格子沿L3发生畸变而略现层状的菱面体格子。 形态：单晶体少见，成完整的菱面体状。通常粒状、块状。 物理性质：常带浅黄的银白色，条痕锡白色。金属光泽，平行底面完全解理，比重9.85，熔点271，硬度2.5。 产状：热液成因，形成于S浓度不大的条件下，地表下，易转变为铋华(Bi2O3)和泡铋矿(Bi2CO3O2)。,自然硫 S (Sulfur),化学组成：S

8、晶体结构：正交晶系，分子结构型，S分子由8个原子组成，原子上下交替排列，构成环状。 形态：常成双锥状或厚板状。通常块状、粉末状。 物理性质：不同色调的黄色，晶面金刚光泽，断口油脂光泽，贝壳状断口，不完全解理，比重2左右，硬度12，性脆，易熔。 产状：生物化学(细菌还原硫酸盐)和火山作用形成。,金刚石-石墨族矿物,包括C的四个同质多象变体：金刚石、六方金刚石、石墨和亮石墨。六方金刚石和亮石墨在自然界很罕见。,C的相图,世纪钻石，273ct，1980年发现于南非，原石599ct。历经琢磨师三年雕琢，这颗毫无瑕疵的巨钻才放射出万丈光芒。,Diamond (1.60 carat macle-twin

9、crystal)Location : Namibia,金刚石 C (Diamond),化学组成：成分中几乎总是含有Si、Al、Ga、Mg、Mn等。 晶体结构：等轴晶系，C原子位于立方晶胞的8个角顶和6个面心，并在其8个小立方格的半数中心相间地分布着4个C原子，每个C都与4个C相连接为共价键，键角均为1092816。 形态：常成八面体、菱形十二面体，较少立方体和其它形态。常成凸晶，蚀象常见，依（111）成双晶。 物理性质：无色或带篮、黄、褐褐黑色，金刚光泽，断口油脂光泽，贝壳状断口，平行(111)解理中等，比重3.5，硬度10，性脆。 产状：金伯利岩中，风化后成砂矿。,次生金刚石砂矿,原生金刚石

10、金伯利岩,Diamond (2.56 carat double crystals)Location: Guateng Province, South Africa,Diamond (4.72 carat octahedral crystal)Location: Cape Province, South Africa,2.95 carat,Diamond in KimberliteLocation: Shandong Province, China,钻石居世界五大珍贵高档宝石之首，素有“宝石之王”、“无价之宝”的美誉。国际宝石界定钻石为“四月诞生石”。世界上最早发现金刚石的国家是印度。世界上最大

11、的钻石是1905年1月21日在南非比勒陀利亚城发现的库里南钻石，呈淡天蓝色，重量3106克拉，近似一个男人的拳头。被琢磨成大小不等的105粒钻石，其中最大的一粒“非洲之星”重530.2克拉，镶在英王爱德华七世的权杖上。我国最著名的一颗大钻石叫“常林钻石”，重量158.78克拉，1977年12月21日，山东临沭县常林村的一位女社员魏振芳，在耕地时发现的。宝石级金刚石多富集于砂矿或金伯利岩和钾镁煌斑岩岩筒中。世界上最著名的钻石产地有澳大利亚、南非、扎伊尔、博茨瓦纳、俄罗斯等国。中国的辽宁、山东、湖南等省均有产出。,钻石小知识,钻石的评价与选购，应从以下四个方面考虑(4C标准)：颜色(color)：

12、以无色为最好，色调越深，质量越差。具有彩色的钻石，如：红、粉红、绿、蓝色等，又属于钻石中的珍品，价格昂贵。瑕精度(clarity)：应在十倍显微镜下仔细观察钻石洁净程度，瑕疵越多，所在位置越明显，则质量越差，价格也相应地要降低。重量(carat)：钻石的价格与重量的平方成正比，重量越大，价值越高。切工(cut)：应按标准比例切磨而成标准圆钻型。比例不合适，钻石会不出“火”，则价格下降。如果表面有琢磨的细纹和人工损伤，其价格也会下降。,钻石小知识,钻石的重量单位,克拉一词来自一种叫做”小角树” (carob)的种子，由于这种种子的重量具有惊人的一致性，所以早期用它来称重量。一克拉即等于一粒小角树

13、种子的重量。 现在标准的一克拉等于0.2克。每一克拉又分为100份，因此一颗25分的钻石，就是0.25克拉。,生 辰 石,月 份 宝 石 象征意义 一 红色石榴石 贞操、友爱 二 紫晶 诚实、心地善良、心平气和 三 海蓝宝石 沉着、勇敢、聪明 四 钻石 纯洁无瑕 五 祖母绿 幸福、好运 六 珍珠、月光石或变石 长寿、宝贵 七 红宝石 热情、仁爱、尊严 八 橄榄石 夫妻和谐、幸福 九 蓝宝石 德高望重 十 欧泊或红碧玺 安乐、平安 十一 黄色托帕石 友谊、希望 十二 绿松石或锆石 成功、胜利,名钻“Hope”罕见的深蓝色，隐约透出凶恶的光芒，与奇特和悲惨相伴随，被称为“噩运之钻” 。重45.52

14、 ct，产自17世纪的印度。,石墨 C (graphite),化学组成：含有各种杂质。 晶体结构：六方和三方晶系两种 多型，C原子成层排列，每层内 C原子按6方环状排列，层内共 价键，多余一个电子，故表现为 部分金属键的性质，层间分子键。 形态：单晶体片状或板状，少 见。常见鳞片状、土状或块状 集合体。 物理性质：条痕和颜色均为黑色，半金属光泽，硬度12，平行0001极完全解理，薄片具挠性、有滑感，污手，导电。 产状：沉积变质和接触变质成因。,思考题,1. 自然元素大类矿物哪些能在漂砂中保存并富集？举出三种以上的矿物例子。 2. 金刚石和石墨的化学成分一样，为什么物理性质有着巨大的差异？,Ch

15、apter 2 第二大类 硫化物及类似化合物,2.1 概述,硫化物及其类似化合物包括金属元素与硫、硒、碲、砷等的化合物。硫化物矿物种数有350种左右，它们占地壳总重量的0.15%。,化学成分 与硫组成化合物的最主要元素为Fe、Co、Ni、Mo、Cu、Pb、Zn、Ag、Hg、Cd、Bi、Sb、As等。 晶体化学特征 性质上区别于标准离子晶格的晶体。这是因为在硫化物及其类似化合物中原子间的键性复杂，不仅表现共价键性，还显示一定的离子键性，甚至还有金属键性。可以看作硫离子作最紧密堆积，阳离子位于四面体或八面体空隙。类质同像替代广泛，同质多像普遍。 物理性质 绝大多数硫化物及其类似化合物呈金属色、显金

16、属光泽、条痕色深而不透明。仅少数硫化物如雄黄、雌黄、辰砂、闪锌矿等具金刚光泽，半透明。单硫化物和硫盐矿物硬度低，其摩斯硬度在2-4之间，双硫化物及其类似化合物，其硬度增高至5-6.5左右，同时缺乏解理或解理不完全，面其它硫化物大多具有明显解理性。这一类矿物的熔点低，比重一般在4以上。,形态 简单硫化物和双硫化物大多数晶形较好，硫盐矿物自形性较差。硫化物主要呈粒状或块状集合体出现。 成因产状 在内生的岩浆作用的晚期，可形成Fe, Ni, Cu的硫化物，如基性超基性岩中的磁黄铁矿、镍黄铁矿和黄铜矿组成的铜镍硫化物矿床。绝大部分硫化物是热液作用的产物。 高温热液阶段主要形成辉钼矿、辉铋矿、磁黄铁矿、

17、毒砂等。 中温热液阶段形成黄铜矿、闪锌矿、方铅矿、黄铁矿等。 低温热液阶段形成雄黄、雌黄、辉锑矿、辰砂等。,分类：简单硫化物、复硫化物、硫盐矿物,简单硫化物及其类似化合物,阴离子为S2、Te2、As3，阳离子主要是过渡型离子（Fe、Co、Ni等）和铜型离子（Cu、Ag、Pb等）。 需要掌握的矿物 方铅矿, 闪锌矿, 辰砂, 磁黄铁矿, 镍黄铁矿, 黄铜矿, 斑铜矿, 辉锑矿, 雄黄, 雌黄, 辉钼矿, 铜蓝 学习要点 化学组成 结构特点 晶体形态 物理性质 鉴定特征,ChalcociteLocation: Namibia,辉铜矿 Cu2S (Chalcocite),化学组成: Cu 79.86

18、%，S 20.14%。一般常含Ag。 结构特点: 正交晶系。 晶体形态: 单晶体少见，呈假六方形的短柱状或厚板状。通常致密块状、粉末状。 物理性质: 暗铅灰色；条痕暗灰色；金属光泽。硬度23；略具延展性，小刀刻画时不成粉末，留下光亮刻痕。比重5.55.8。 鉴定特征: 暗铅灰色，低硬度和弱延展性。,方铅矿 PbS (Galena),化学组成: PbS, 成分中常含Ag、Bi、Sb、Se等 结构特点: 等轴晶系。 NaCl型结构，S离子按立方最紧密堆积，Pb离子充填于八面体空隙，阴阳离子的配位数均为6。 晶体形态: 常呈立方体晶形，有时以八面体与立方体聚形出现。 物理性质: 铅灰色；条痕灰黑色；

19、金属光泽。硬度23；解理平行100完全；比重7.47.6。 鉴定特征: 铅灰色，金属光泽，立方体完全解理，比重大。,Galena.Location: Kansas, USA,方铅矿，白云石，黄铜矿 Galena, Dolomite, ChalcopyriteLocation: Missouri, USA,闪锌矿，方解石，重晶石 Sphalerite, Calcite, BariteLocation: Peru,闪锌矿 ZnS (Sphalerite),化学组成: ZnS, 成分中通常含有Fe等各种类质同象混入物。 结构特点: 等轴晶系；晶体结构表现为: S离子成立方最紧密堆积，Zn离子充填于半

20、数的四面体空隙，阴阳离子的配位数均为4。 晶体形态: 晶形常呈四面体，有时呈菱形十二面体，见以(111)为接合面的双晶 。 物理性质: 当含铁量增多时，颜色由浅变深，从浅黄黑色, 条痕白色褐色；光泽由树脂光泽至半金属光泽；从透明至半透明。硬度3.54；解理平行110完全。比重3.94.1，随含Fe量的增加而降低 鉴定特征: 菱形十二面体完全解理、条痕、光泽以及经常与方铅矿密切共生,Sphalerite and BariteLocation: Peru,SphaleriteLocation: Colorado, USA,cinnabar on dolomite.Location: Fenghua

21、ng, Hunan Province, China,辰砂 HgS (Cinnabar),包括HgS三个同质多象变体：三方晶系的辰砂、等轴晶系的黑辰砂以及六方晶系的六方辰砂。后两者在自然界分布稀少。 化学组成: HgS, 有时含Se、Sb、Cu、Te等。 结构特点: 三方晶系, 晶体结构属变形NaCl型结构 。 晶体形态: 双晶常见，常呈以c轴为双晶轴的贯穿双晶(矛状双晶) 。 物理性质: 猩红色；条痕红色；金刚光泽。硬度22.5；解理平行1010完全; 比重8.05。 鉴定特征: 猩红色及红色条痕，比重大，硬度低。,两种同质多象变体：低温四方晶系和高温等轴晶系变体。二者转变温度是550；高温变

22、体的阳离子呈无序分布，低温有序。 化学组成: CuFeS2, 混入物有Mn、Sb、Ag、Zn、In、Bi等。 结构特点: 四方晶系。晶体结构类似闪锌矿，其单胞好似由两个闪锌矿晶胞叠加而成。 晶体形态: 单晶体不常见，晶形呈四方四面体、四方偏三角面体、四方双锥。 物理性质: 黄铜色，条痕绿黑色；金属光泽; 硬度34；性脆。比重4.14.3。 鉴定特征: 黄铁矿相似，以其更黄的颜色和较低的硬度加以区别。,黄铜矿 CuFe2+S2 (chalcopyrite),Pyrrhotite on DolomiteLocation: Brazil,磁黄铁矿 Fe1xS (x=00.17) (Pyrrhotit

23、e),有两个同质多象变体：在320以上稳定的为高温六方晶系变体和在320以下稳定的为低温单斜晶系变体。 化学组成: 一般用Fe1-xS表示, 混入物以Ni和Co为最常见。 结构特点: 晶体结构属红镍矿NiAs 型结构(阴离子按六方最紧密堆积，阳离子充填所有的八面体空隙)。 晶体形态: 晶形呈六方板状、柱状或桶状，但很少见。 物理性质: 暗青铜黄色，条痕灰黑色；金属光泽; 硬度4，性脆；解理平行1010不完全；比重4.64.7, 具磁性。 鉴定特征: 暗青铜黄色，具磁性。,StibniteLocation: Romania,辉锑矿 Sb2S3 (Stibnite),化学组成: Sb2S3, 含少

24、量As、Pb、Ag、Cu、Fe等混入物。 结构特点: 斜方晶系。晶体结构中, S紧密衔接和Sb离子组成平行c轴链，链内硫与锑离子的距离仅为2.5A；而链间则为3.2A左右，键力较弱，因而沿着这一方向010表现出解理性。 晶体形态: 单晶体呈柱状或针状，柱面具有明显的纵纹。 物理性质: 铅灰色；条痕黑色；金属光泽。硬度2；性脆；解理平行010完全，解理面上常有横的聚片双晶纹，比重4.6。 鉴定特征: 铅灰色，柱状晶形，柱面有纵纹，解理面有横纹。,StibniteLocation: Qingjiang, Jiangxi, China,辉铋矿 Bi2S3 (Bismuthinite),化学组成: B

25、i2S3, 含Pb、Cu、Sb、Se等混入物，其中，Pb2+置换Bi3+时，Cu+同时进入晶格，使电价得到补偿。 结构特点: 斜方晶系。晶体结构相似于辉锑矿。 晶体形态: 晶形相似于辉锑矿，柱面具有明显的纵纹。 物理性质: 略带铅灰的锡白色，表面常现黄色或斑状色，条痕铅灰色；金属光泽。硬度22.5；解理平行010完全，比重6.8。 鉴定特征: 与辉锑矿相似，但颜色稍浅，光泽较强，比重较大，熔点稍高。,湖南新化锡矿山,铜蓝 CuS (Covellite),化学组成: CuS (Cu2S.CuS2), 混入物有Fe、Ag、Se等。 结构特点: 六方晶系。晶体结构具复杂层状；Cu2+位于由三个S2所

26、组成的等边三角形之中，各个三角形的角顶彼此相连成层。由S2所占据的三角形的角顶却又是上下相对应的四面体的一个共用角顶，而四面体的其余角顶由S22占据。Cu+位于四面体的中心。这样由CuS3三角形所连接的层及位于其上下的CuS4四面体层就构成铜蓝复杂层状的结构。 晶体形态: 单晶体极为少见，呈细薄六方板状或片状。 物理性质：靛青蓝色；条痕灰黑；金属光泽。硬度1.52；性脆；解理平行0001完全。比重4.67。 鉴定特征: 铅灰色，金属光泽，硬度低，底面解理极完全。,Covellite,雌黄 As2S3 (Orpiment),化学组成: As2S3, 类质同象混入物Sb，可达3% 。 结构特点:单

27、斜晶系。晶体结构表现为砷、硫离子连接成层，层中每一砷离子被三个硫离子所包围，而每个硫离子与两个砷离子相连接。 晶体形态: 单晶体呈板状或短柱状, 集合体成片状、梳状、土状等。 物理性质: 柠檬黄色；条痕鲜黄色；油脂光泽至金刚光泽。硬度1.52；解理平行010极完全 ，薄片具挠性。比重3.5。 鉴定特征: 与自然硫相似，但雌黄柠檬黄色；条痕鲜黄色，具一组完全解理，比重较自然硫大。,注：自然硫条痕黄白色，无解理，性脆。,雄黄 AsS (Realgar),化学组成: As4S4 结构特点: 单斜晶系。晶体结构系由As4S4分子所构成，分子中的四个硫原子与四个砷原子之间以共价键相维系，而分子与分子间则

28、以分子键相连接。 晶体形态: 单晶体通常细小，呈柱状。 物理性质: 桔红色；条痕淡桔红色；晶面上具金刚光泽，断面上现树脂光泽。硬度1.52；性脆；解理平行010完全。比重3.6。 鉴定特征: 桔红色，条痕淡桔红色，硬度低。,辉钼矿 MoS2 (Molybdenite),二种多型：2H型(六方晶系)和3R型(三方晶系), 其物理性质彼此间极为相似。 化学组成: MoS2, 类质同象混入物有Re等(0.n1.88%)、Se等。 结构特点: 钼离子组成的面网，夹在上下由硫离子组成的面网之间，共同构成一个结构层。Mo为六次配位，与S构成三方柱形配位多面体。而结构层可视为以Mo为中心的三方柱彼此共棱构成

29、。 晶体形态: 单晶体呈六方板状，但往往不完全。底面上常有条纹。 物理性质: 铅灰色；条痕为亮铅灰色; 金属光泽; 硬度1；解理平行0001极完全；薄片具桡性; 有滑腻感; 比重5.0 鉴定特征: 铅灰色，金属光泽，硬度低，底面解理极完全。,双硫化物及其类似化合物,阴离子为 S22、Se22、Te22、As22等对阴离子; 阳离子主要是Fe、Co、Ni等过渡型离子。结构中往往是由哑铃状对阴离子近似于按立方密堆积而成。但由于对阴离子的存在，对称性有所降低。对阴离子本身之间具有强烈的共价键，其键长很短, 如对硫离子中S-S之距离(2.05)小于二倍硫离子半径之和(3.5)，因而相应地使金属阳离子与

30、这些对阴离子之间的距离缩短，使晶体结构趋向于紧密；缺乏解理或解理不完全，这些对阴离子成哑铃状在结构中交错配置，使各方向键力比较相近所造成。,PyriteLocation: Spain,黄铁矿 FeS2 (Pyrite),化学组成: FeS2, 混入物有Co、Ni、As、Sb、Cu、Au、Ag等。 结构特点: 等轴晶系。晶体结构与方铅矿相似，即哑铃状对硫离子代替了方铅矿结构中简单硫离子的位置，铁离子代替了铅离子的位置。 晶体形态: 晶形常呈立方体、五角十二面体，八面体或其聚形, 在立方体晶面上常能见到晶面条纹。 物理性质: 浅黄铜色，条痕绿黑色;金属光泽。硬度66.5；性脆；断口参差状。比重5。

31、 鉴定特征: 浅黄铜色，条痕，高硬度。,PyriteLocation: Vermont, USA,化学组成: 成分同黄铁矿。 结构特点: 正交晶系，配位 同于黄铁矿，但对硫离子 之轴与C轴斜交，对称程 度降低。 晶体形态: 单晶体呈板 状，有时呈矛头状，鸡冠状反复双晶。通常结核状、皮壳 状产出。 物理性质: 淡黄铜色而稍带浅灰或浅绿色调，条痕暗灰绿 色；金属光泽。硬度56；性脆；不完全解理；比重4.9。 鉴定特征: 晶形和色调与黄铁矿相区别。,白铁矿 FeS2 (Marcasite),白铁矿结核,ArsenopyriteLocation: Mexico,毒砂 FeAsS (Arsenopyrite),化学组成: FeAsS, 常含类质同象混入物Co，它对Fe的置换可以