地相互联系和靠拢。矿物学/岩石学是材料学所必需的基础知识。在矿物学、岩石学和材料科学（特别是无机非金属材料科学）之间存在着很多有意义的共同点。1.材料科学和矿物/岩石学都以物质实体为研究对象，它们对物质的成分、结构、性能的研究内容、采用的技术方法和仪器设备在很多方面是十分相似或相通的。2.矿物学/岩石学和材料科学都以固体物理学（或凝聚态物理学）、结晶化学、物理化学为其学科基础。它们分别从不同的角度研究着相似甚至相同的物质实体。3.硅酸盐材料过去是，今后相当长一个时期内仍将是人类使用材料的主体。这是由于处于地球表层的矿物、岩石正是人类所需材料的主要来源，也是矿物学、岩石学研究的主要对象。据科学家估计，当代矿产资源约占社会需求自然资源总量的70%，为工业提供了95%的能源和90%的原料。事实上，许多天然形成的矿物和岩石如水晶、云母、大理石、花岗石等早已为人类直接应用。因此，有理由认为矿物学和岩石学是关于天然材料的科学。地球物质科学和矿物岩石材料科学的提出，也正是这一客观事实的必然反映。X.一定程度上讲，无机非金属材料的生产，实际上可以看作是矿物、岩石的再造过程。硅酸盐工艺学、人工晶体学和实验岩石学、合成矿物学是共同研究这一再造过程的分支学科，它们分属于材料学和地质科学。从一般概念来讲，单晶材料与矿物、多晶材料与岩石、玻璃与火山熔岩、玻璃陶瓷与微晶岩，除了术语不同外，差别多大？熔铸材料的生产工艺与岩浆冷凝、浇注材料的生产与沉积成岩、烧结材料的生产过程与变质岩的形成，何等相似？人类实际使用的材料包括了原材料、中间产品和制品三层涵义。广义上说，材料可以5.看作是一个流动着的巨大循环体系。也正是这种循环，把自然资源、环境和人类紧案联系在一起。矿物学、岩石学和材料科学同处于这一循环体系中的相邻环节，并越来越多地相互联系和靠拢。第二章矿物的形态及化学成分矿物的形态（crystalformofmineral）是指矿物的单晶体与规则连生体以及同种矿物集合体的形态。矿物的形态是矿物最重要的外部特征，它隐含了大量的成因信息，是矿物成因的重要标志，也是寻找矿物资源的重要依据。第一节结晶习性与表面微形貌1.矿物单体的结晶习性在一定的条件下，矿物晶体趋向于按照自己内部结构的特点自发形成某些特定的形态，这种性质称为矿物的结晶习性（也称晶习，crystalhabit）。按照矿物单体在三维空间的发育比例，可将其形态分为如下3种类型：3
3 地相互联系和靠拢。矿物学/岩石学是材料学所必需的基础知识。 在矿物学、岩石学和材料科学（特别是无机非金属材料科学）之间存在着很多有意义 的共同点。 1. 材料科学和矿物/岩石学都以物质实体为研究对象，它们对物质的成分、结构、性能的 研究内容、采用的技术方法和仪器设备在很多方面是十分相似或相通的。 2. 矿物学/岩石学和材料科学都以固体物理学（或凝聚态物理学）、结晶化学、物理化学 为其学科基础。它们分别从不同的角度研究着相似甚至相同的物质实体。 3. 硅酸盐材料过去是，今后相当长一个时期内仍将是人类使用材料的主体。这是由于处 于地球表层的矿物、岩石正是人类所需材料的主要来源，也是矿物学、岩石学研究的 主要对象。据科学家估计，当代矿产资源约占社会需求自然资源总量的 70%，为工业 提供了 95%的能源和 90%的原料。事实上，许多天然形成的矿物和岩石如水晶、云母、 大理石、花岗石等早已为人类直接应用。因此，有理由认为矿物学和岩石学是关于天 然材料的科学。地球物质科学和矿物岩石材料科学的提出，也正是这一客观事实的必 然反映。 4. 一定程度上讲，无机非金属材料的生产，实际上可以看作是矿物、岩石的再造过程。 硅酸盐工艺学、人工晶体学和实验岩石学、合成矿物学是共同研究这一再造过程的分 支学科，它们分属于材料学和地质科学。从一般概念来讲，单晶材料与矿物、多晶材 料与岩石、玻璃与火山熔岩、玻璃陶瓷与微晶岩，除了术语不同外，差别多大? 熔铸 材料的生产工艺与岩浆冷凝、浇注材料的生产与沉积成岩、烧结材料的生产过程与变 质岩的形成，何等相似? 5. 人类实际使用的材料包括了原材料、中间产品和制品三层涵义。广义上说，材料可以 看作是一个流动着的巨大循环体系。也正是这种循环，把自然资源、环境和人类紧密 联系在一起。矿物学、岩石学和材料科学同处于这一循环体系中的相邻环节，并越来 越多地相互联系和靠拢。 第二章 矿物的形态及化学成分 矿物的形态（crystal form of mineral）是指矿物的单晶体与规则连生体以及同种矿物集 合体的形态。矿物的形态是矿物最重要的外部特征，它隐含了大量的成因信息，是矿物成因 的重要标志，也是寻找矿物资源的重要依据。 第一节 结晶习性与表面微形貌 1．矿物单体的结晶习性 在一定的条件下，矿物晶体趋向于按照自己内部结构的特点自发形成某些特定的形态， 这种性质称为矿物的结晶习性（也称晶习, crystal habit）。 按照矿物单体在三维空间的发育比例，可将其形态分为如下 3 种类型：
向延长型：晶体沿某一个方向特别发育，成为柱状（columnar）、针状(acicular)或纤维状(fibrous）形态（图2-1）。0a图2-1一向延长的矿物a辉锑矿b绿柱石二向延长型：晶体沿某两个方向特别发育，形成片状(scaly)、叶片状(foliated)等形态（图2-2)。ba图2一2二向延展型矿物晶体：a板状重晶石；b片状云母。三向延长型：晶体沿三维方向的发育基本相同，呈等轴状(isometric)、粒状(granular)等形态（图2—3）。ba图2一3三向延长的矿物a黄铁矿：b金刚石基于矿物晶面发育的完整程度，将矿物的形态分为三种类型：自形在具备充分空间和挥发分充足或具有很强的结晶力时，矿物晶体能够按照自身的结晶习性生长，发育成完美的晶体，矿物外部几乎被平整的晶面包围，此种形态为自形，相应的矿物晶体称为自形晶。半自形在不具备充分空间时，矿物晶体不完全按照自身的结晶习性生长，部分晶面发育完4
4 一向延长型：晶体沿某一个方向特别发育，成为柱状（columnar）、针状(acicular)或纤 维状(fibrous)形态（图 2－1）。 图 2-1 一向延长的矿物 a 辉锑矿 b 绿柱石 二向延长型：晶体沿某两个方向特别发育，形成片状(scaly)、叶片状(foliated)等形态（图 2－2）。 图2－2 二向延展型矿物晶体：a 板状重晶石；b 片状云母。 三向延长型：晶体沿三维方向的发育基本相同，呈等轴状(isometric)、粒状(granular) 等形态（图 2－3）。 a b 图 2－3 三向延长的矿物 a 黄铁矿； b 金刚石 基于矿物晶面发育的完整程度，将矿物的形态分为三种类型： 自形 在具备充分空间和挥发分充足或具有很强的结晶力时，矿物晶体能够按照自身的结晶 习性生长，发育成完美的晶体，矿物外部几乎被平整的晶面包围，此种形态为自形，相应的 矿物晶体称为自形晶。 半自形 在不具备充分空间时，矿物晶体不完全按照自身的结晶习性生长，部分晶面发育完
美另一部分晶面发育不完整，此种形态为半自形，相应的矿物晶体称为半自形晶。它形在不具备充分空间时，矿物晶体完全不能够按照自身的结晶习性生长，发育成它形的晶体，矿物外部几乎被歪曲的晶面包围，此种形态为它形，相应的矿物晶体称为它形晶。2.矿物表面的微形貌在实际的矿物晶体中，其晶形常成歪晶，其晶面常见各种条纹、台阶、突起（生长丘或凹坑（蚀象）。矿物晶体表面的这些微观形态统称为矿物的微形貌（microtopography）。1）晶面条纹(striation)：有聚形纹和双晶纹之分。聚形纹(combinationstriation)是指不同单形交替生长而使它们的晶面规律性交替出现，进而在晶体的某些晶面上形成的一系列直线状平行条纹。如图（图2一4A）、（图2一4B）、（图2一4C）。双晶纹（twinstriation）是双晶结合面的痕迹，其形态取决于双晶面的形态。A黄铁矿b石英c电气石图2一4矿物表面的聚形纹2）晶面台阶(step)和螺旋纹（screwstriation）：分别指晶体按层生长和螺旋生长机制发育时，晶面上保留的一些阶梯状和螺纹状微形貌。两种微形貌都产生阶梯，可借助光学立体显微镜、扫描电子显微镜或像衬显微镜观察研究。3）生长丘(growthhillock)：是指晶体生长过程中在晶面上形成的具一定几何形态的小突起。4）蚀象(etchfigure)：指晶体受到溶蚀而在晶面上生成的一定几何形态的凹坑(亦称蚀坑，etchpit)。第二节矿物的集合体形态矿物集合体即同种矿物的多个单体的聚集体。自然界的矿物多以集合体形式出现。按其中单体的大小分为肉眼或放大镜下能够辨认的显晶质集合体和光学显微镜下能够辨认的隐晶质集合体以及光学显微镜也不能辨认的胶态集合体。1.显晶集合体的形态5
5 美另一部分晶面发育不完整，此种形态为半自形，相应的矿物晶体称为半自形晶。 它形 在不具备充分空间时，矿物晶体完全不能够按照自身的结晶习性生长，发育成它形的 晶体，矿物外部几乎被歪曲的晶面包围，此种形态为它形，相应的矿物晶体称为它形晶。 2．矿物表面的微形貌 在实际的矿物晶体中，其晶形常成歪晶，其晶面常见各种条纹、台阶、突起（生长丘） 或凹坑（蚀象）。矿物晶体表面的这些微观形态统称为矿物的微形貌（microtopography）。 1) 晶面条纹(striation)：有聚形纹和双晶纹之分。聚形纹(combination striation)是指 不同单形交替生长而使它们的晶面规律性交替出现，进而在晶体的某些晶面上形成的一系列 直线状平行条纹。如图（图 2－4A）、（图 2－4B）、（图 2－4C）。双晶纹（twin striation） 是双晶结合面的痕迹，其形态取决于双晶面的形态。 2) 晶面台阶(step)和螺旋纹（screw striation）：分别指晶体按层生长和螺旋生长机制发 育时，晶面上保留的一些阶梯状和螺纹状微形貌。两种微形貌都产生阶梯，可借助光学立体 显微镜、扫描电子显微镜或像衬显微镜观察研究。 3) 生长丘(growth hillock)：是指晶体生长过程中在晶面上形成的具一定几何形态的小 突起。 4) 蚀象(etch figure)：指晶体受到溶蚀而在晶面上生成的一定几何形态的凹坑(亦称蚀 坑，etch pit)。 第二节 矿物的集合体形态 矿物集合体即同种矿物的多个单体的聚集体。自然界的矿物多以集合体形式出现。按其 中单体的大小分为肉眼或放大镜下能够辨认的显晶质集合体和光学显微镜下能够辨认的隐 晶质集合体以及光学显微镜也不能辨认的胶态集合体。 1．显晶集合体的形态 A 黄铁矿 b 石英 c 电气石 图 2－4 矿物表面的聚形纹
如果单体的分布无明显定向性，可按单体的结晶习性将显晶集合体的形态划分为粒状、柱状、针状、板状、片状、鳞片状和叶片状等形态，其描述与相应单体的形态描述十分相似。如果单体的分布有一定方向性，显晶集合体还可划分出以下特殊的形态类型：纤维状(fibrous)：指一系列细长针状或纤维状的矿物单体平行密集排列。角闪石、蛇纹石、石棉、纤维石膏等矿物常以此种集合体产出。放射状(radiated)：指许多长柱状、针状、板状或片状单体围绕某一中心成放射状排列。角岩中的红柱石常见呈放射状，称“菊花石”。晶簇状(drusy)：指丛生于岩石空洞或裂隙中同一基底上、另一端朝向自由空间发育而具完好晶形的簇状单晶体群的形态。图2-5石英晶簇2.隐晶和胶态集合体的形态隐晶和胶态集合体可以从溶液中直接结晶或在胶体作用中形成。按形成方式及外貌特征，常将隐晶及胶态集合体划分出以下形态类型：分泌体(secretion)：是指溶液或胶体溶液从岩石空洞的洞壁渗出后将胶体或晶质逐层向中心沉淀而成。图2-6玛瑙晶腺图2一7黄铁矿结核体结核体(concretion）：由隐晶质或胶凝物质围绕某一中心（如砂粒、生物碎屑、气泡等）自内向外沉淀而成。结核体多见于海相和湖沼相沉积岩中，有球状、瘤状、透镜状和不规则状等多种形态。缅状及豆状集合体(ooliticand pisoliticaggregates)：由胶体物质围绕悬浮态的细砂粒、矿物或有机质碎屑及气泡等层层凝聚而成的圆球状或卵圆状的矿物集合体。若半数以上球粒的直径小于2mm，其形状、大小如鱼卵者称为状集合体：如果球粒大小似豌豆，直径多为数毫米者，称为豆状集合体。状与豆状集合体内部均具明显的同心层状构造。钟乳状集合体(stalactiticaggregate)：在岩洞或裂隙中，由真溶液蒸发或胶体凝聚而在司一基底上向外遂层堆积形成的集合体之统称。通常，人们以此类集合体的具体形态与常6
6 如果单体的分布无明显定向性，可按单体的结晶习性将显晶集合体的形态划分为粒状、 柱状、针状、板状、片状、鳞片状和叶片状等形态，其描述与相应单体的形态描述十分相似。 如果单体的分布有一定方向性，显晶集合体还可划分出以下特殊的形态类型： 纤维状(fibrous)：指一系列细长针状或纤维状的矿物单体平行密集排列。角闪石、蛇 纹石、石棉、纤维石膏等矿物常以此种集合 体产出。 放射状(radiated)：指许多长柱状、针状、 板状或片状单体围绕某一中心成放射状排 列。角岩中的红柱石常见呈放射状，称“菊 花石”。 晶簇状(drusy)：指丛生于岩石空洞或裂 隙中同一基底上、另一端朝向自由空间发育 而具完好晶形的簇状单晶体群的形态。 图 2－5 石英晶簇 2．隐晶和胶态集合体的形态 隐晶和胶态集合体可以从溶液中直接结晶或在胶体作用中形成。按形成方式及外貌特 征，常将隐晶及胶态集合体划分出以下形态类型： 分泌体(secretion)：是指溶液或胶体溶液从岩石空洞的洞壁渗出后将胶体或晶质逐层 向中心沉淀而成。 结核体(concretion)：由隐晶质或胶凝物质围绕某一中心(如砂粒、生物碎屑、气泡等)自 内向外沉淀而成。结核体多见于海相和湖沼相沉积岩中，有球状、瘤状、透镜状和不规则状 等多种形态。 鲕状及豆状集合体(oolitic and pisolitic aggregates)：由胶体物质围绕悬浮态的细砂粒、 矿物或有机质碎屑及气泡等层层凝聚而成的圆球状或卵圆状的矿物集合体。若半数以上球粒 的直径小于 2mm，其形状、大小如鱼卵者称为鲕状集合体；如果球粒大小似豌豆，直径多 为数毫米者，称为豆状集合体。鲕状与豆状集合体内部均具明显的同心层状构造。 钟乳状集合体(stalactitic aggregate)：在岩洞或裂隙中，由真溶液蒸发或胶体凝聚而在 同一基底上向外逐层堆积形成的集合体之统称。 通常，人们以此类集合体的具体形态与常 图2－6 玛瑙晶腺 图2－7 黄铁矿结核体
见物体类比而赋予其不同名称，如附着于洞穴顶部而下垂的方解石钟乳状体称石钟乳(stalactite)；溶液下滴至洞底而自下向上生长的称为石笋（stalagmite)：石钟乳与石笋上下相连即成石柱(stalactostalagmite)。此外，葡萄状(botryoidal)、肾状(reniform）等也是此类集合体的常见形态。上述胶态集合体借助表面张力的作用而趋于生成球状外貌，胶体老化后，常变成隐晶质或显晶质，在球状体内部形成放射纤维状构造(radial fibrous structure)。描述显晶或隐晶及胶态矿物集合体时，还常用到块状（massive，凭肉眼或放大镜不能辨别颗粒界限)、土状(earthyaggregate，矿物呈细粉末状较疏松地聚集成块）、粉末状(powdery图2一8方解石钟乳状集合体矿物呈粉末状分散附着在其他矿物或岩石的表面）、被膜状(filmy，矿物成薄膜状覆盖于其他矿物或岩石的表面）、皮壳状（cortical矿物呈较厚的层覆盖于其它矿物表面上）、树枝状（dendritic.单体呈双晶或平行连生的方式排列生长，形状类似于树枝状）等状物性术语。第三节矿物的化学成分矿物的化学成分是确定一个矿物的基本依据之一，化学元素是形成矿物的物质基础。地壳中化学元素的丰度(abundance)与矿物的化学组成有着密切的关系。1．丰度的概念元素在地壳中的平均百分含量，常以克拉克值（clarkenumber）来表示。2.地壳中元素丰度的特点地壳中元素丰度相差最高达1017倍，分布极不均匀。克拉克值最大的8种元素如表2-1，其总和达到98.5%。地壳总重量中，O占46.60%，几乎占了地壳质量的一半；Si占27.72%；而表中的8种元素就占了地壳总质量的98.59%，其他各种金属元素含量极少。因此，地壳中是以O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg等元素组成的含氧盐和氧化物矿物分布最广，特别是硅酸盐，占矿物总数送24%，占地壳总质量的3/4。表2-1地壳中丰度居前八位的元素克拉克值（wB%）；wB%一一理论化学组成元素0SiAlFeCaNaKMg质量克拉克值46.627.728.135.003.632.832.592.093.地壳元素丰度与矿物的分布地壳元素的丰度直接影响着矿物的种类、含量和分布。但是，地壳中元素之间彼此结合形成矿物，并非简单地由元素丰度值决定，还与其地球化学性质有关。有的丰度虽低，却易7
7 见物体类比而赋予其不同名称，如附着于洞穴顶部而下垂的方解石钟乳状体称石钟乳 (stalactite)；溶液下滴至洞底而自下向上生长的称为石笋(stalagmite)；石钟乳与石笋上下相 连即成石柱(stalacto stalagmite)。此外，葡萄状(botryoidal)、肾状(reniform)等也是此类集 合体的常见形态。 上述胶态集合体借助表面张力的作用而趋 于生成球状外貌，胶体老化后，常变成隐晶质 或显晶质，在球状体内部形成放射纤维状构造 (radial fibrous structure)。 描述显晶或隐晶及胶态矿物集合体时，还 常用到块状 (massive，凭肉眼或放大镜不能辨 别颗粒界限)、土状(earthy aggregate，矿物呈细 粉末状较疏松地聚集成块)、粉末状(powdery， 矿物呈粉末状分散附着在其他矿物或岩石的表 面)、被膜状(filmy，矿物成薄膜状覆盖于其他矿物或岩石的表面)、皮壳状（cortical, 矿物 呈较厚的层覆盖于其它矿物表面上）、树枝状（dendritic, 单体呈双晶或平行连生的方式排 列生长，形状类似于树枝状）等状物性术语。 第三节 矿物的化学成分 矿物的化学成分是确定一个矿物的基本依据之一，化学元素是形成矿物的物质基础。地 壳中化学元素的丰度(abundance)与矿物的化学组成有着密切的关系。 １．丰度的概念 元素在地壳中的平均百分含量，常以克拉克值（clarke number）来表示。 ２．地壳中元素丰度的特点 地壳中元素丰度相差最高达1017倍，分布极不均匀。克拉克值最大的8种元素如表2-1， 其总和达到98.5%。地壳总重量中，O占46.60%，几乎占了地壳质量的一半；Si占27.72%； 而表中的8种元素就占了地壳总质量的98.59%，其他各种金属元素含量极少。因此，地壳中 是以O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg等元素组成的含氧盐和氧化物矿物分布最广，特别是 硅酸盐，占矿物总数送24％，占地壳总质量的3/4。 表2-1 地壳中丰度居前八位的元素克拉克值（wB% ）；wB%——理论化学组成 元素 O Si Al Fe Ca Na K Mg 质量克拉克值 46.6 27.72 8.13 5.00 3.63 2.83 2.59 2.09 ３．地壳元素丰度与矿物的分布 地壳元素的丰度直接影响着矿物的种类、含量和分布。但是，地壳中元素之间彼此结合 形成矿物，并非简单地由元素丰度值决定，还与其地球化学性质有关。有的丰度虽低，却易 图 2－8 方解石钟乳状集合体