向成因矿物学研究阶段的飞跃，即矿物学发展史的第三次变革。20世纪60年代以来，由于现代固体物理学、量子化学、晶体化学、物理化学、地球化学等理论的引入，以及微束探测技术（如电子探针、离子探针、扫描电镜、透射电镜、激光探针等）、波谱学技术（如激光光谱、红外光谱、质谱等）、热实验技术及电子计算机的应用，使矿物学研究在深度和广度上均发生了新的重大突破，进入了现代矿物学的全面发展阶段。五、矿物学与其它学科的关系矿物学与许多理论学科、技术学科、应用学科都有密切关系，其中，与某些地质学科和基础学科的关系如图0-1所示。地球化学岩石学矿床学矿产勘查学矿石学L-N古生物学土壤学地层学水文地质学地质年代学矿物学工程地质学个构造地质学地球物理学结品学个陨石学大地构造学11物理学数学物理化学计算机科学化学图0-1矿物学与其他学科的关系由于矿物是晶体，因此，以研究晶体的形成、外部形态、化学成分、内部结构及物理性质为任务的结晶学中的一系列内容是矿物学的重要基础。但结晶学的研究范畴涉及各种成因晶体的共性问题，而矿物学只涉及天然产出的矿物晶体。因为矿物是岩石、矿石的基本组成单位，所以矿物学是岩石学、矿石学、矿床学的基础，通过岩石学、矿石学、矿床学的研究又可促进对矿物成因、变化等方面的研究。地球化学是以研究地球化学元素在时间、空间上的分布、迁移、富集规律为主要内容的一门科学。而矿物则是化学元素在某一地质阶段存在的载体，或者说矿物是地球中化学元素迁移过程中的“中间站”，而矿物的变化则是化学元素的迁移过程，因此，矿物学和地球化学的关系极为密切。矿物学还与古生物学、地层学、地质年代学、矿产勘查学、构造地质学、大地构造学、水文地质学、工程地质学、地球物理学、陨石学、土壤学等有直接的联系或存在交叉关系。矿物学除了与上述地质分支学科有着直接联系外，与数学、物理学、化学、物理化学、计算机科学等基础学科有密切联系，这些基础科学主要为矿物学提供理论基础和研究方法。从矿物资源在国民经济建设中的作用和矿物学与其它学科的关系可以看出，矿物学是资源勘查工程、地质工程、勘查技术与工程、矿物加工工程及相关专业学生必修的专业基.3
·3· 向成因矿物学研究阶段的飞跃，即矿物学发展史的第三次变革。 20 世纪 60 年代以来，由于现代固体物理学、量子化学、晶体化学、物理化学、地球 化学等理论的引入，以及微束探测技术(如电子探针、离子探针、扫描电镜、透射电镜、激 光探针等)、波谱学技术(如激光光谱、红外光谱、质谱等)、热实验技术及电子计算机的应 用，使矿物学研究在深度和广度上均发生了新的重大突破，进入了现代矿物学的全面发展 阶段。 五、矿物学与其它学科的关系 矿物学与许多理论学科、技术学科、应用学科都有密切关系，其中，与某些地质学科 和基础学科的关系如图 0-1 所示。 由于矿物是晶体，因此，以研究晶体的形成、外部形态、化学成分、内部结构及物理 性质为任务的结晶学中的一系列内容是矿物学的重要基础。但结晶学的研究范畴涉及各种 成因晶体的共性问题，而矿物学只涉及天然产出的矿物晶体。 因为矿物是岩石、矿石的基本组成单位，所以矿物学是岩石学、矿石学、矿床学的基 础，通过岩石学、矿石学、矿床学的研究又可促进对矿物成因、变化等方面的研究。 地球化学是以研究地球化学元素在时间、空间上的分布、迁移、富集规律为主要内容 的一门科学。而矿物则是化学元素在某一地质阶段存在的载体，或者说矿物是地球中化学 元素迁移过程中的“中间站”，而矿物的变化则是化学元素的迁移过程，因此，矿物学和地 球化学的关系极为密切。 矿物学还与古生物学、地层学、地质年代学、矿产勘查学、构造地质学、大地构造学、 水文地质学、工程地质学、地球物理学、陨石学、土壤学等有直接的联系或存在交叉关系。 矿物学除了与上述地质分支学科有着直接联系外，与数学、物理学、化学、物理化学、 计算机科学等基础学科有密切联系，这些基础科学主要为矿物学提供理论基础和研究方法。 从矿物资源在国民经济建设中的作用和矿物学与其它学科的关系可以看出，矿物学是 资源勘查工程、地质工程、勘查技术与工程、矿物加工工程及相关专业学生必修的专业基 矿物学 结晶学 地球化学 岩石学 矿石学 矿床学 古生物学 地层学 地质年代学 地球物理学 陨石学 土壤学 水文地质学 工程地质学 构造地质学 大地构造学 矿产勘查学 物理学 化学 数学 物理化学 计算机科学 图 0-1 矿物学与其他学科的关系
础课。学习矿物学是培养相关科学与工程技术人才掌握基本理论、基本知识、基本技能的重要教学环节。并且，只有在认真学好矿物学的基础上，才能学好岩石学、矿石学、矿床学、地球化学等后续专业基础课程及专业课程。复习要点和思考题1.何谓矿物和准矿物？矿物学的主要研究内容是什么？2.食盐、自然金、玻璃、人造金刚石、花岗岩、石英、石油是否为矿物？为什么？3.矿物资源在国民经济建设中的作用主要体现在哪些方面？4.矿物学有哪些主要分支？5.为什么要学习矿物学？.4·
·4· 础课。学习矿物学是培养相关科学与工程技术人才掌握基本理论、基本知识、基本技能的 重要教学环节。并且，只有在认真学好矿物学的基础上，才能学好岩石学、矿石学、矿床 学、地球化学等后续专业基础课程及专业课程。 复习要点和思考题 1. 何谓矿物和准矿物？矿物学的主要研究内容是什么？ 2. 食盐、自然金、玻璃、人造金刚石、花岗岩、石英、石油是否为矿物？为什么？ 3. 矿物资源在国民经济建设中的作用主要体现在哪些方面？ 4. 矿物学有哪些主要分支？ 5. 为什么要学习矿物学？
第一篇结晶学基础第一章 晶体与晶体的基本性质第一节晶体和非晶体的概念一、晶体晶体是自然界中最常见的一类固体。晶体不仅是地球岩石圈的主要组成，也是月岩、陨石等宇宙天体的重要组分；晶体在人类日常生产生活中几乎无处不在，如厨房里的食盐、冰糖、刀叉、陶碗以及许多固体化学药品等都是由晶体组成的。人类早期对晶体的认识是从具有几何多面体外形且透明的水晶[石英SiO2，图1-1（a)]开始的，在我国水晶最早称为“水精”，有“于年老冰”之说。之后又将天然产出的具有规则的几何多面体外形的固体称为晶体，如图1-1所示的方解石和黄铁矿等。但是，受到当时科学技术水平和人类认知水平的制约，这种认识显然不全面，而且没有抓住事物的本质。例如，岩石中常见的石英，无论其化学组成、物理性质，还是晶体结构，都与水晶相同，唯一不同的是石英一般没有规则的几何多面体外形，而且，不具规则几何多面体外形的石英颗粒置于SiO2过饱和溶液中，在一定条件下也会生长成规则的几何多面体外形。因此，仅从有无规则几何多面体的形态来区分是否为晶体，没有反映晶体的本质，也是不科学的。(a)(b)(c)(d)图1-1具几何多面体外形的晶体(a）石英晶体：（b）黄铁矿品体：（c）石盐晶体：（d）方解石品体人们在实践中逐渐认识到，只要具备良好的生长条件，特别是空间条件，所有晶体都能自发地长成规则的几何多面体，这种现象必然与其内部结构有关。1912年，德国物理学家劳埃（M.V.Laue)利用X射线衍射分析技术测定了石盐的晶体结构，发现石盐的内部结.5
·5· 第一篇 结晶学基础 第一章 晶体与晶体的基本性质 第一节 晶体和非晶体的概念 一、晶体 晶体是自然界中最常见的一类固体。晶体不仅是地球岩石圈的主要组成，也是月岩、 陨石等宇宙天体的重要组分；晶体在人类日常生产生活中几乎无处不在，如厨房里的食盐、 冰糖、刀叉、陶碗以及许多固体化学药品等都是由晶体组成的。人类早期对晶体的认识是 从具有几何多面体外形且透明的水晶[石英 SiO2，图 1-1(a)]开始的，在我国水晶最早称为 “水精”，有“千年老冰”之说。之后又将天然产出的具有规则的几何多面体外形的固体， 称为晶体，如图 1-1 所示的方解石和黄铁矿等。但是，受到当时科学技术水平和人类认知 水平的制约，这种认识显然不全面，而且没有抓住事物的本质。例如，岩石中常见的石英， 无论其化学组成、物理性质，还是晶体结构，都与水晶相同，唯一不同的是石英一般没有 规则的几何多面体外形，而且，不具规则几何多面体外形的石英颗粒置于 SiO2过饱和溶液 中，在一定条件下也会生长成规则的几何多面体外形。因此，仅从有无规则几何多面体的 形态来区分是否为晶体，没有反映晶体的本质，也是不科学的。 (a) (b) (c) (d) 图 1-1 具几何多面体外形的晶体 (a)石英晶体；(b)黄铁矿晶体；(c)石盐晶体；(d)方解石晶体 人们在实践中逐渐认识到，只要具备良好的生长条件，特别是空间条件，所有晶体都 能自发地长成规则的几何多面体，这种现象必然与其内部结构有关。1912 年，德国物理学 家劳埃(M.V.Laue)利用 X 射线衍射分析技术测定了石盐的晶体结构，发现石盐的内部结
构是由Na离子和CI离子作有规律的相间排列而成，后来人们又对大量晶体进行了X射线衍射分析证明，晶体的内部质点（原子、离子或分子）都是作规律排列的。晶体内部质点在三维空间周期性地平移重复排列的现象，称格子状构造，简称格子构造。在20世纪末期这一认识得到了透射电子显微镜的直观证明。下面以石盐(NaCI)的晶体结构为例，来说明晶体内部质点的排列规律。为了研究方便，从石盐内部结构中割取出来的由CI离子和Na离子堆积而成的立方体小块[图1-2(a)]。其中的CI离子和Na离子沿立方体小块的棱方向以0.5628m的间隔交替排列，而在立方体的面对角线方向上各自以0.3978nm的相等间隔连续排列[图1-2（b)]：在其他任何方向上，虽然离子的具体排列方式和间隔各有不同，但无不以一定的间隔周期重复出现，从而构成立方体格子构造。石之所以能在一定条件下生长成规则的立方体外形，就是由它内部的这种格子构造所决定的2Na(a)(b)图1-2、石盐的晶体结构(a)NaCI品体结构：（b）简化的NaCI晶体结构对于其他任何一种晶体而言，情况都是类似的：无论外形是否规则，它们的内部质点在三维空间都有规律地呈周期性平移重复排列而形成格子状构造，这是无例外地为一切晶体所共有的性质。所不同的仅仅是晶体的质点种类、排列方式和间隔大小。晶体的上述特性，反映了晶体与呈其他状态物体之间的根本区别。因此，晶体的现代定义是：晶体是内部质点在三维空间呈周期性平移重复排列而形成的固体，或晶体是具有格子构造的固体。相应地，内部质点在三维空间呈周期性平移重复排列的固态物质，便称为晶质体。习惯上，有时仍然将“晶体”这一名称专门用以指具有几何多面体外形的晶体，而将不具几何多面体外形的晶体称为“晶粒”或“晶块”。二、非晶质体非晶质体也是一种固态物质，但内部质点在三维空间不呈周期性平移重复排列。非晶质体与晶体在结构上的差异，可从图1-3所示晶体和玻璃中质点的平面分布看出：在晶体[图1-3(a)]中，一种质点（黑点)周围的另一种质点（小圆圈)的排列相同，即每个黑点都被分布于三角形顶点的三个圆圈所围绕，而每个圆圈均居于以两个黑点为端点的直线中央。这种质点局部有序分布的规律性叫作近程规律或短程有序。不仅如此，晶体中每个质点（黑点或圆圈）在整个图形中各自都呈现有规律的周期性平移重复，把周期重复的点用直线联结.6
·6· 构是由 Na＋离子和 Cl－离子作有规律的相间排列而成，后来人们又对大量晶体进行了 X 射 线衍射分析证明，晶体的内部质点(原子、离子或分子)都是作规律排列的。晶体内部质点 在三维空间周期性地平移重复排列的现象，称格子状构造，简称格子构造。 在 20 世纪末期这一认识得到了透射电子显微镜的直观证明。下面以石盐(NaCl)的晶体 结构为例，来说明晶体内部质点的排列规律。为了研究方便，从石盐内部结构中割取出来 的由 Cl－ 离子和 Na＋ 离子堆积而成的立方体小块[图 1-2(a)]。其中的 Cl－ 离子和 Na＋ 离子沿 立方体小块的棱方向以 0.562 8 nm 的间隔交替排列，而在立方体的面对角线方向上各自以 0.397 8 nm 的相等间隔连续排列[图 1-2(b)]；在其他任何方向上，虽然离子的具体排列方 式和间隔各有不同，但无不以一定的间隔周期重复出现，从而构成立方体格子构造。石盐 之所以能在一定条件下生长成规则的立方体外形，就是由它内部的这种格子构造所决定的。 (a) (b) 图 1-2 石盐的晶体结构 (a)NaCl 晶体结构；(b)简化的 NaCl 晶体结构 对于其他任何一种晶体而言，情况都是类似的：无论外形是否规则，它们的内部质点 在三维空间都有规律地呈周期性平移重复排列而形成格子状构造，这是无例外地为一切晶 体所共有的性质。所不同的仅仅是晶体的质点种类、排列方式和间隔大小。 晶体的上述特性，反映了晶体与呈其他状态物体之间的根本区别。因此，晶体的现代 定义是：晶体是内部质点在三维空间呈周期性平移重复排列而形成的固体，或晶体是具有 格子构造的固体。相应地，内部质点在三维空间呈周期性平移重复排列的固态物质，便称 为晶质体。习惯上，有时仍然将“晶体”这一名称专门用以指具有几何多面体外形的晶体， 而将不具几何多面体外形的晶体称为“晶粒”或“晶块”。 二、非晶质体 非晶质体也是一种固态物质，但内部质点在三维空间不呈周期性平移重复排列。非晶 质体与晶体在结构上的差异，可从图 1-3 所示晶体和玻璃中质点的平面分布看出：在晶体 [图 1-3(a)]中，一种质点(黑点)周围的另一种质点(小圆圈)的排列相同，即每个黑点都被 分布于三角形顶点的三个圆圈所围绕，而每个圆圈均居于以两个黑点为端点的直线中央。 这种质点局部有序分布的规律性叫作近程规律或短程有序。不仅如此，晶体中每个质点(黑 点或圆圈)在整个图形中各自都呈现有规律的周期性平移重复，把周期重复的点用直线联结
起来，可获得平行四边形网格。可以想象，在三维空间的这种网格将构成空间格子。这种质点排布方式在整个晶体中贯穿始终的规律称为远程规律或长程有序。而在非晶质体如玻璃体[图1-3（b）中，质点虽然可以是短程有序的（每个黑点为三个圆圈围绕），但不存在长程有序：液体的结构与非晶态的结构相似，也是具短程有序：气体则既无短程有序，也无长程有序。三、晶体、非晶质体之间的转化在一定条件下，晶体和非晶质体是可以相互转化的。例如，由岩浆快速冷凝形成的非晶态的火山玻璃，在以后的地质年代中，通过其内部质点极其缓慢的自发的扩散、调整过程而趋于规则排列，实现由非晶态逐渐向结晶态的转化。该过程以首先形成一些细小而状如苔藓、毛发或花瓣的所谓雏晶（图1-4)开始，而后逐渐长大，最终变成晶质矿物。这Yeclx6SC6A18/818(a)(b)图1-4火山玻璃中的雏晶图1-3晶体(a)与玻璃b)中质点平面分布示意图左上：发雏品：左下：羽雏品（据潘兆槽等，1993)右上：串珠、球、棒雏晶：右下：羽雏品种由非晶质体经调整其内部质点的排列方式而向晶体转变的作用，称之为脱玻化或晶化作用。相反的变化，即晶体因内部质点的规则排列遭受破坏而向非晶质体转化的作用，则称为玻璃化或非晶化作用。例如一些含放射性元素的矿物，由于受到放射性蜕变时所发出的α-射线的作用，晶格遭到破坏而转变为非晶态的“变生矿物”。应当指出的是，晶体由于其内部质点都呈规律排列而处于平衡位置，其内能为最小，因而相对于同种物质的不同物态而言，它是最稳定的，所以，玻璃化作用的发生，总是与能量的传入和物质成分的变化相联系的：但脱玻化作用则完全可以自发进行。正因为晶体是最稳定的，因而其分布极为广泛，除自然生成的矿物外，许多食品、生活用品、化工制品等都是晶体。天然晶体形态多样，大小悬殊，大者可重达百吨，直径达数十米：小的则仅几个微米甚至若干纳米大小，需借助显微镜甚至电子显微镜或X射线分析才能识别。相比之下，非晶质体在自然产出的物质中仅有像琥珀、树脂、沥青、火山玻璃、水铝英石几种以及少数变生矿物（如褐锯矿、褐帘石等），在非天然物质中也只有诸如玻璃、塑料等少数物质，这与非晶质体的不稳定性是密切相关的。7
·7· 起来，可获得平行四边形网格。可以想象，在三维空间的这种网格将构成空间格子。这种 质点排布方式在整个晶体中贯穿始终的规律称为远程规律或长程有序。而在非晶质体如玻 璃体[图 1-3(b)]中，质点虽然可以是短程有序的(每个黑点为三个圆圈围绕)，但不存在长 程有序；液体的结构与非晶态的结构相似，也是具短程有序；气体则既无短程有序，也无 长程有序。 三、晶体、非晶质体之间的转化 在一定条件下，晶体和非晶质体是可以相互转化的。例如，由岩浆快速冷凝形成的非 晶态的火山玻璃，在以后的地质年代中，通过其内部质点极其缓慢的自发的扩散、调整过 程而趋于规则排列，实现由非晶态逐渐向结晶态的转化。该过程以首先形成一些细小而状 如苔藓、毛发或花瓣的所谓雏晶(图 1-4)开始，而后逐渐长大，最终变成晶质矿物。这 (a) (b) 图 1-4 火山玻璃中的雏晶 图 1-3 晶体(a)与玻璃(b)中质点平面分布示意图 左上：发雏晶；左下：羽雏晶； (据潘兆橹等,1993) 右上：串珠、球、棒雏晶；右下：羽雏晶 种由非晶质体经调整其内部质点的排列方式而向晶体转变的作用，称之为脱玻化或晶化作 用。相反的变化，即晶体因内部质点的规则排列遭受破坏而向非晶质体转化的作用，则称 为玻璃化或非晶化作用。例如一些含放射性元素的矿物，由于受到放射性蜕变时所发出的 α–射线的作用，晶格遭到破坏而转变为非晶态的“变生矿物”。 应当指出的是，晶体由于其内部质点都呈规律排列而处于平衡位置，其内能为最小， 因而相对于同种物质的不同物态而言，它是最稳定的，所以，玻璃化作用的发生，总是与 能量的传入和物质成分的变化相联系的；但脱玻化作用则完全可以自发进行。正因为晶体 是最稳定的，因而其分布极为广泛，除自然生成的矿物外，许多食品、生活用品、化工制 品等都是晶体。天然晶体形态多样，大小悬殊，大者可重达百吨，直径达数十米；小的则 仅几个微米甚至若干纳米大小，需借助显微镜甚至电子显微镜或 X 射线分析才能识别。相 比之下，非晶质体在自然产出的物质中仅有像琥珀、树脂、沥青、火山玻璃、水铝英石几 种以及少数变生矿物(如褐钇铌矿、褐帘石等)，在非天然物质中也只有诸如玻璃、塑料等 少数物质，这与非晶质体的不稳定性是密切相关的