第2章 矿物成因及其物理化学性质

1. 矿物的成因

   1. 分类的依据：地质作用的性质和能量来源

      \[形成矿物的地质作用 \begin{cases} 内生作用 \begin{cases} 岩浆作用\\ 伟晶作用\\ 热液作用\\ 火山作用 \end{cases} \\\\ 外生作用 \begin{cases} 风化作用 \begin{cases} 物理风化\\ 化学风化\\ 生物风化 \end{cases} \\\\ 沉积作用 \begin{cases} 机械沉积\\ 胶体沉积\\ 结晶沉积\\ 生物沉积 \end{cases} \end{cases} \\\\ 变质作用 \begin{cases} 接触作用\\ 区域变质 \end{cases} \end{cases} \]

   2. 内生作用：能源来自地球内部的作用

      1. 岩浆在地下深处冷凝：三个阶段

         1. 岩浆作用阶段

            当岩浆在地下逐渐冷却时，首先结晶析出的是含量最高的硅酸盐矿物，一般呈等粒状结构、块状或浸染状构造，然后组成各种各样的侵入岩^【1】。

            形成的主要矿物及其结晶析出的顺序依次：

            1. Mg，Fe硅酸盐：橄榄石、辉石、角闪石、黑云母；
            2. K，Na，Ca硅酸盐：斜长石、正长石、微斜长石以及石英等造岩矿物；

            【注】¹侵入岩：地壳深处的岩浆向地表移动在地壳中冷却凝固而形成的岩石。

         2. 伟晶作用阶段

            伟经岩浆：挥发性组分不能迅速逸出而形成的富含挥发性组分。

            伟晶岩是稀有金属的宝库，稀有元素、稀土元素的主要来源，也包含许多宝石。

         3. 热液作用阶段

            当岩浆中聚集的挥发性组分进入周围岩石的裂隙中逐渐冷却，温度下降到水的临界温度以下时，高温气体即形成高温液体：热液，特种和有色金属的最主要的来源。

      2. 喷溢地表后迅速冷凝：火山作用

         1. 火山热液

            充填于火山岩气孔或交代火山岩，主要矿物有沸石、蛋白石、方解石、自然铜等；

         2. 火山喷气

            凝华后的产物有自然硫、雄黄、雌黄、硫化物和石盐等；

   3. 外生作用：外力（太阳能、水、大气和生物）地质作用

      1. 风化作用

         1. 物理风化

            矿物破碎而不形成新矿物；

         2. 化学风化

            矿物分转入溶液或改造为新矿物；

         3. 生物风化

            生物亦有可能参与物理风化，同时亦有化学风化；

         矿物的抗风化能力：自然元素 ＞ 硅酸盐、氧化物 ＞ 硫化物、碳酸盐；

         风化作用形成的矿物集合体，常具有多孔状、土状、皮壳状等形态；

      2. 沉积作用

         1. 机械沉积

            不产生新物质，但会使某些矿物富集；

         2. 胶体沉积

            难溶物质大部分以水胶体的形式搬运到湖、海等水盆地中沉积下来；

            常形成致密状、鲕状、豆状、肾状等形态；

         3. 结晶沉积

            过饱和情况下的沉积；

         4. 生物沉积

            生物有机体沉积而成；

   4. 变质作用

      1. 区域变质作用

         区域中已形成的岩石因区域构造变动产生的高温、高压使岩石的矿物成分发生变化的作用称为区域变质作用。

         1. 向生成不含\(\mbox{OH}\)的方向发展；

         2. 向体积小、比重大（\(V\)小\(\rho\)大）的矿物转化；

      2. 接触变质作用

         当岩浆侵入到围岩中，改变了周围岩石的物理化学条件，使原有矿物得到改造而形成新矿物的作用，称为接触变质作用。

         1. 接触热变质作用

            岩浆侵入围岩受到热的影响而引起的变质作用。

            引起围岩的重结晶，也可形成新的矿物。

         2. 接触交代作用

            中酸性岩浆侵入与碳酸盐岩石间接触发生成分交换的交代反应。

2. 煤的形成与地质年代

   1. 煤的形成

      煤是由植物遗体经过生物化学作用和物理化学作用，演变而成的有机沉积岩（准矿物）。

      高等植物：腐植煤类，低等植物：腐泥煤类，共同形成：腐植腐泥煤类。

      1. 泥炭化阶段【生物化学作用为主】

         植物遗骸在水中微生物作用下，不断进行分解作用和化合作用，从而形成泥炭。

      2. 煤化作用【物理化学作用为主】

         1. 成岩作用

            泥炭层\(\rightarrow\)褐煤。腐殖酸\(\downarrow\)，含碳量\(\uparrow\)，含氧量\(\downarrow\)。

         2. 变质作用

            褐煤\(\rightarrow\)烟煤\(\rightarrow\)无烟煤。

   2. 成煤地质年代【中国】

      1. 石炭纪

         炼焦煤、无烟煤，其他烟煤。

      2. 二叠纪

         炼焦煤、无烟煤，其他烟煤。

      3. 侏罗纪

         褐煤、烟煤、无烟煤。

3. 矿物的形态

   1. 矿物的单体形态【三维空间发育和延伸情况】

      1. 单向伸长

         单体延一个方向伸长，形态为柱状。

      2. 二向延伸

         单体沿两个方向伸长，具有坚强的构造层，形态为片状、板状。

      3. 三向等长

         单体在三维空间发育程度基本相等，形态为粒状。

   2. 矿物集合体形态【矿物颗粒的大小】

      1. 显晶集合体

         肉眼可辨其中矿物单体。

         柱状、针状、板状、片状、鳞片状、叶片状和粒状等。

      2. 隐晶集合体

         借助显微镜可辨其中矿物单体。

         结核、鲕状及豆状、钟乳状集合体，分泌体，葡萄状和肾状。

      3. 胶态集合体

         显微镜下也不能辨别其中矿物单体。

         结核、鲕状及豆状、钟乳状集合体，分泌体，葡萄状和肾状。

4. 矿物的分类与命名

   1. 矿物的工业分类【按性质和用途分类】

      1. 金属矿物类

         1. 黑色金属矿物；
         2. 有色金属矿物；
         3. 稀有金属矿物；
         4. 分散元素；
         5. 放射性金属矿物；

      2. 非金属矿物类

         1. 冶金辅助原料非金属矿物；
         2. 化工原料非金属矿物；
         3. 特种非金属矿物；
         4. 建筑材料及其他非金属矿物；
         5. 煤炭为准矿物，是一种可燃有机沉积岩，属于能源矿产；

   2. 晶体化学分类法【按化学成分和晶体结构分类】

      1. 晶体化学的分类体系和原则

         级序	划分依据	举例
         大类	化合物类型	含氧盐大类
         小类	阴离子或络阴离子种类	硅酸盐
         亚类	络阴离子结构	链状硅酸盐亚类
         簇	晶体结构型和阳离子性质	辉石族
         亚簇	阳离子种类	单斜辉石亚族
         种	一定的晶体结构和化学成分	普通辉石
         亚种	晶体结构相同，成分/性质/形态有差异	钛辉石

      2. 晶体化学分类法的重要大类

         1. 自然元素大类

            1. 自然金属类；
            2. 自然半金属类；
            3. 自然非金属类；

         2. 硫化物及其类似化合物大类【\(\mbox{S}^{2-}\)】

            1. 简单硫化物类；
            2. 复硫化物类；
            3. 硫盐类；

         3. 氧化物和氢氧化物大类【\(\mbox{O}^{2-}，\mbox{(OH)}^{1-}\)】

            1. 氧化物类；
            2. 氢氧化物类；

         4. 含氧盐大类【含氧的络阴离子：\([\mbox{SiO}_4]^{4-}，[\mbox{SO}_4]^{4-}，[\mbox{PO}_4]^{4-}，[\mbox{CO}_3]^{3-}\)】

            1. 硅酸盐类；
            2. 碳酸盐类；
            3. 磷酸盐、硼酸盐类等；

         5. 卤化物大类【卤族元素：\(\mbox{F}\)、\(\mbox{Cl}\)、\(\mbox{Br}\)、\(\mbox{I}\)】

            1. 氟化物类；
            2. 氯化物类；
            3. 溴化物类；
            4. 碘化物类；

   3. 矿物的命名

      1. 命名原则

         1. 依化学成分命名；
         2. 依物理性质命名；
         3. 依晶体形态命名；
         4. 依人名、地名命名；

      2. 命名依据

         \[命名依据 \begin{cases} 矿物本身的特征& \begin{cases} 化学成分&：自然金、钛铁矿； \\ 形态&：石榴石、十字石； \\ 物理性质&：橄榄石、方解石、重晶石； \end{cases} \\\\ 物理性质+化学成分&：磁铁石、黄铜矿； \\ 物理性质+形态&：绿柱石； \\ 首次发现该矿的地名&：高岭石、包头矿； \\ 首次发现该矿物的人名&：鸿钊石； \end{cases} \]

      3. 名称涵义

         1. “石”结尾：非金属外表、非金属矿；
         2. “矿”结尾：金属外表、用于提取金属的矿物；
         3. “玉”结尾：宝石；
         4. “晶”结尾：透明晶体；
         5. “华”结尾：产于地表附近，呈松散被膜状，如钴华、钼华等；
         6. “矾”结尾：易溶于水的硫酸盐；

5. 矿物的物理化学性质

   1. 矿物的化学成分

      1. 地壳中的化学成分

         用重量克拉克值来表示地壳中化学元素平均含量的重量百分数。

         元素	重量克拉克值	离子半径	体积百分比
         O	46.6	1.40	93.77
         Si	27.72	0.42	0.86
         Al	8.13	0.51	0.47
         Fe	5.00	0.74	0.43
         Ca	3.63	0.99	1.03
         Na	2.83	0.97	1.32
         K	2.59	1.33	1.83
         Mg	2.09	0.66	0.29
         合计	98.59		100

      2. 元素的离子类型

         

      3. 矿物的化学成分类型

         1. 单质

            同种元素的原子自相结合组成的单质矿物。

         2. 化合物

            两种或两种以上不同的化学元素的原子组成的化合物矿物。

            1. 简单化合物：由一种阳离子和一种阴离子化合而成；
            2. 络合物：由一种阳离子和一种络阴离子（酸根）组成的化合物；
            3. 复化合物：由两种或两种以上的阳离子与阴离子或络阴离子组成的化合物；

      4. 胶体矿物的成分结构和特点

         胶体：物质的微粒\((100\sim10000\mbox{nm})\)分散在另一物质之中所形成的不均匀的细分散系。

         固态胶体可分为水胶凝体和结晶胶溶体，通常默认为是水胶凝体。

         为何将胶体矿物视为非晶质矿物：胶体矿物中微粒的排列和分布是不规则和不均匀的，外形上不能自发地形成规则的几何多面体，在光学性质上具非晶质体特点。

      5. 矿物中的水【分类依据为存在形式和在晶体结构中的作用】

         1. 吸附水

            渗入在矿物集合体中。为矿物颗粒或裂隙表面机械吸附的中性的\(H_2O\)分子。不属于矿物的化学成分，不写入分子式。

         2. 结晶水

            以中性分子存在于矿物中，在晶格中有固定的位置，是矿物化学组成的一部分。当结晶水失去时，晶体的结构遭到破坏和重建，形成新的结构。

         3. 结构水

            即化合水。

            以\({(OH)}^-\)、\({H}^+\)离子的形式参加矿物晶格的“水”，\({(OH)}^-\)形式最为常见。

         4. 沸石水

            存在于沸石族矿物中的中性水分子，占据在沸石的空洞和孔道中。

         5. 层间水

            存在于某些层状结构硅酸盐的结构层之间的中性水分子。

            温度\(\uparrow\)，层间水\(\downarrow\)，矿物的比重和折射率\(\uparrow\)。但是在潮湿的环境中又可以吸收水分。

      6. 矿物的化学式

         1. 实验式

            以各种简单化合物的形式来表示矿物的化学成分。

            优点：各组分一目了然；

            缺点：不能反映原子在矿物中的结合关系；

         2. 结构式

            又称为晶体化学式，表明矿物化学成分中各组分的晶体化学作用和矿物的结构类型。

            1. 阳离子写在前面。如有数种阳离子，则按碱性自强而弱的顺序排列；
            2. 阴离子写在后面，络阴离子用方括号括住；
            3. 附加阴离子写在主要阴离子后面；
            4. 结晶水写在最后面，以圆点隔开；
            5. 类质同象互相代替的几种元素用括号括起，含量多的排在前面，以逗号分开；

            白云母\(K{Al}_2[{Al}{Si}_3O_{10}]{(OH)}_2\)；苏打\({Na}_2{CO}_3\cdot10H_2O\)；闪锌矿\((Zn,Fe,Cd)S\)；

   2. 矿物的光学性质

      1. 矿物的颜色

         1. 决定颜色的因素

            1. 过渡金属元素的内部电子跃迁；
            2. 元素或离子间的电子转移；
            3. 能带间电子跃迁（满带\(\rightarrow\)导带）；

         2. 矿物颜色的命名及描述方法

            1. 标准色谱法：利用标准色谱来描述矿物的颜色；
            2. 类比法：以生活中最常见的实物颜色来描述矿物的颜色；
            3. 二名法：后面的为主要颜色， 前面的为次要颜色；

         3. 常见矿物呈色的过渡型离子

            

      2. 矿物的条痕

         1. 矿物的条痕是矿物粉末（在白色无釉瓷板上划擦时留下）的颜色；
         2. 矿物的条痕可以与其本身的颜色一致，也可以不一致；
         3. 矿物的条痕可以消除假色，减弱他色，因而要比矿物的颜色稳定得多；

      3. 矿物透明度【矿物透过可见光波的能力】

         分为3类：透明矿物、半透明矿物和不透明矿物。

      4. 矿物的光泽【矿物表面反光的能力】

         分为2大类，4小类：金属光泽、非金属光泽（半金属光泽，金刚光泽，玻璃光泽）。

      5. 矿物的发光性【吸收高能量发射低能量】

         矿物在外加能量如紫光、紫外光和X射线等的照射下能发射可见光的性质。其实质是矿物晶格吸收了较高外加能量，然后以较低能量再发射出来造成的。

      6. 矿物透明度、光泽、颜色和条痕的关系

         

   3. 矿物的力学性质

      1. 矿物的解理、裂开与断口

         1. 解理和裂开：严格沿着一定方向破裂；
         2. 断口：沿着任意方向破裂；

      2. 矿物的硬度

         1. 摩氏硬度【定性测量】

            根据矿物与标准硬度矿物间的相互刻划对比来测定。

            

         2. 显微硬度【定量测量】

            根据矿物表面（晶面、解理面等）上所能承受的重量来测定硬度。

      3. 矿物的比重和密度

         1. 矿物的比重

            纯净、均匀的单矿物在空气中的重量与同体积水在4℃时重量之比。

         2. 矿物的密度

            矿物单位体积的质量。数值上等于矿物的密度。

      4. 矿物的脆性和延展性

         1. 脆性是离子键矿物的一种特性；
         2. 延展性是金属键矿物的一种特性；

      5. 矿物的弹性和挠性

         1. 弹性：弯曲后取消外力，物体恢复原状；（余键不变）
         2. 挠性：弯曲后取消外力，物体保持现状；（余键改变）

   4. 矿物的电学性质

      1. 导电性

         矿物对电流的传导能力，很大程度上依赖于化学键的类型。

      2. 介电性

         某些矿物在电场中被极化的性质。通常用测定其介电常数（电容率）来研究。

      3. 压电性

         在机械作用的压力或张力影响下，因变形效应而呈现的荷电性质。只发生在无对称中心，具有极性轴的各晶类的矿物中（如石英）。

   5. 矿物的磁学性质

      1. 抗磁性

         磁化方向与外磁场方向相反；

      2. 顺磁性

         磁化方向与外磁场方向相同；

      3. 铁磁性

         具有自发磁化的性质；

   6. 矿物的导热性、热膨胀性和熔点

      矿物晶体的导热性和热膨胀性均具异向性，它与光性相似，可分为均质体与非均质体。
      导热性最强者为自然金属矿物，而石棉、蛭石则是良好的绝热材料。

   7. 矿物的放射性

6. 煤的结构与性质

   1. 煤的基本组成

      1. 煤的岩石类型【宏观煤岩成分】

         1. 镜煤和丝炭（结构和组分简单）；
         2. 暗煤和亮煤（结构和组分复杂）；
         3. 镜煤和亮煤（煤质(含碳量)较高）；
         4. 暗煤和丝炭（煤质(含碳量)较低）；

      2. 煤的显微组分【微观显微组分】

         1. 镜质组（最重要）

            与煤质成正比，越高越易浮选；

            由植物的木质纤维组织受凝胶化作用转变而成。

         2. 壳质组（最稳定）

            来源于植物的孢子、角质层、木栓、树脂、脂肪等。

         3. 惰质组（丝质组）

            与煤质成反比，越高越难浮选；

            包括微粒体、粗粒体、半丝质体、菌类体和惰屑等显微组分。

   2. 煤炭大分子结构及其模型

      煤是以有机体为主，并具有不同分子量、不同化学结构的一组“相似化合物”的混合物。

      煤是一种多环芳香族高分子化合物。由大量本核结合而成的芳香族化合物，由多层平面炭网组成，并存在有侧链。

      碳化(变质)程度\(\uparrow\)，含碳量\(\uparrow\)，侧链含氧官能团^【1】\(\downarrow\)，炭网层间距\(\downarrow\)，硬度\(\uparrow\)，电阻率\(\uparrow \downarrow\)导电性\(\downarrow \uparrow\)（长焰煤为转折点），比磁化率^【2】\(\uparrow\nearrow\uparrow\)。

      【注】

      ¹含氧官能团。含氧官能团的吸附活性很强，具有亲水性。

      ²比磁化率。单位质量的磁化系数\(K_0\)，\(\abs{K_0}\uparrow\)，则越容易被磁化。

   3. 煤的一般性质

      1. 煤的密度

         1. 煤的真密度

            惰质组的密度最大，镜质组次之，壳质组最低。随煤化程度的提高这种差别减小，到无烟煤阶段趋于一致。其原因是，矿物质的密度较煤的有机质高，因而煤中矿物质含量高则真密度大。

         2. 煤的堆积密度（\(\mbox{BRD}\)）

            指20℃时单位体积（包括煤的内外孔隙和煤粒间的空隙）煤的质量。

      2. 煤的机械性质

         1. 煤的硬度

            惰质组的硬度最大，镜质组次之，壳质组最低。

            随着煤化程度的提高，硬度增加，无烟煤的硬度最大。

            随着煤化程度的加深，煤的显微硬度\(\nearrow\searrow\uparrow\)（极大值点在75%$\sim$80%之间）。

            

         2. 煤的可磨性

            煤磨碎成粉的难易程度。普遍采用哈特葛罗夫法评定煤的可磨性(Hard grove grind ability index, HGI)。\(\mbox{HGI}\)越大，表示煤的可磨性越好，煤越容易被磨碎。

            

      3. 煤的电学性质

         1. 煤的导电性

            随着煤化程度的加深，电阻率\(\nearrow\searrow\downarrow\)，极大值点为长焰煤，

         2. 煤的介电常数

            随着煤化程度的加深，介电常数\(\searrow\uparrow\)。其原因是，年轻煤的极性含氧官能团多，极性大，所以\(\epsilon\)较大；随煤化程度的加深，含氧官能团减少，\(\epsilon\)也减少；而年老煤的\(\epsilon\)增大是因为其导电性增大之故。首先由极性决定，而后由导电性决定。

      4. 煤的磁学性质

         煤的有机质一般具有抗磁性，常用比磁化率\(\chi\)表示物质磁性的大小。随着煤化程度的加深，比磁化率\(\uparrow\nearrow\uparrow\)（转折出现在79％～91％之间）。

      5. 煤的孔隙率

         煤内部孔隙的体积占煤的整个体积的百分数，对浮选影响很大。

   4. 煤的结构特性

      1. 煤的主体是多苯芳香核，在分选中起主要作用的是芳香核的性质；
      2. 煤易氧化，且煤的变质程度对煤的可选性有很大的影响；
      3. 在芳香核的碳网上，有数量不等的侧链，在变质和氧化过程中很容易生成含氧官能团；
      4. 组成不均一，各种组分实际无法完全分离，分选好坏与各组分含量和性质有很大的关系；
      5. 煤的结构中还含有一定数量的矿物质，多数矿物质具有一定极性；
      6. 煤表面上的含氧官能团和无机矿物质，虽使煤具有了一定亲水性，但这些部位也有较高的化学活性，捕收剂中的少量杂极性分子可以吸附在这些活性部位，从而改变其亲水性质；