矿物学(mineralogy)

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矿物学

矿物学是地质学的一门学科,专门研究矿物和矿化人工制品的化学、晶体结构和物理(包括光学)性质。矿物学的具体研究包括矿物的起源和形成过程、矿物的分类、地理分布以及利用。

矿物学与其他学科的交叉

矿物学是化学、材料科学、物理学以及地质学的综合科学(图片来源Jordens_inre.svg)

 

矿物学历史


早期关于矿物学的著作,尤其是关于宝石的著作,来自古巴比伦尼亚、古希腊罗马世界、古代和中世纪的中国,以及来自古印度和古伊斯兰世界的梵文。[4]相关书籍包括《老普林尼的自然史》(Naturalis Historia of Pliny the Elder),它不仅描述了许多不同的矿物,还解释了它们的许多特性,以及波斯科学家阿尔比罗尼(al - biruni)的《宝石之书》(Kitab al Jawahir)。德国文艺复兴时期的专家乔治奥斯·阿格里科拉(Georgius Agricola)撰写了《金属》(De re metallica, 1556年)和《自然化石》(De Natura Fossilium, 1546年)等著作,开启了对这一主题的科学研究。对矿物和岩石的系统科学研究是在文艺复兴后的欧洲发展起来的。[4]现代矿物学的研究是建立在结晶学原理(几何晶体学的起源,可以追溯到18、19世纪)和岩石的显微观研究部分与17世纪显微镜的发明[4]

 

Nicholas Steno于1669年首次在石英晶体中发现了界面角恒定定律(也称为结晶学第一定律)。[5]:4后来被Jean-Baptiste l . Rome de l'Islee在1783年推广并建立了实验[6]。“现代晶体学之父”巴布布·勒内·贾斯特·豪伊(Rene Just Hauy)指出,晶体是周期性的,并确立了晶体表面的取向可以用有理数来表示,就像后来在米勒指数中编码的那样。[5]:4 1814年,Jons Jacob Berzelius根据矿物的化学性质而不是晶体结构对矿物进行了分类。[7]威廉·尼科尔(William Nicol)在1827年至1828年研究木头化石时发明了尼科尔棱镜,可以使光发生偏振;亨利·克利夫顿·索比(Henry Clifton Sorby)的研究表明,矿物的薄片可以通过偏光显微镜的光学性质来识别。1837年,詹姆斯·d·达纳发表了他的第一版《矿物学体系》,在后来的版本中引入了至今仍是标准的化学分类。[5]:4[7]:15 X射线衍射由Max von Laue于1912年证明,并由William Henry Bragg和William Lawrence Bragg父子团队开发成为分析矿物晶体结构的工具。

 

最近,由于实验技术(如中子衍射)的进步和可用的计算能力(后者使对晶体行为进行极其精确的原子尺度模拟成为可能)的推动,该科学已扩展到考虑无机化学和固态物理领域中更普遍的问题。然而,它仍然集中于岩石形成矿物(如钙钛矿、粘土矿物和架状硅酸盐)中常见的晶体结构。特别是,该领域在了解矿物原子尺度结构与其功能之间的关系方面取得了重大进展;在自然界中,突出的例子是对矿物弹性性质的精确测量和预测,这使人们对岩石的地震行为和地幔地震图中与深度有关的不连续点有了新的认识。为此目的,在关注原子尺度现象和宏观性质之间的联系时,矿物科学(现在大家都知道)可能比任何其他学科与材料科学有更多的重叠。

 

物理性质


方解石是碳酸盐矿物,具有菱面体结构

方解石是碳酸盐矿物,具有菱面体结构(来源:Ra`ike; CC BY-SA 3.0 )

 

 

鉴定一种矿物的第一步是检查它的物理性质,其中许多性质可以用手取样来测量。这些可以分为密度(通常以比重表示);机械内聚力测量(硬度、韧性、解理、断裂、分型);宏观视觉性质(光泽、颜色、条纹、发光、透明度);磁性和电性能;放射性和在氯化氢(HCl)中的溶解性。[5]:97-113 [8]:39-53

硬度是通过与其他矿物的比较来确定的。在莫氏硬度计中,一组标准矿物按硬度从1(滑石)增加到10(钻石)的顺序编号。一种较硬的矿物会划伤一种较软的矿物,因此,一种未知的矿物可以利用它刮伤或者刮伤它的矿物来限定。一些矿物,如方解石和蓝晶石,其硬度很大程度上取决于方向。[9]: 254-255硬度也可以用硬度计在绝对标度上测量;与绝对尺度相比,Mohs尺度是非线性的。[8]:52

 

韧性是指矿物破碎、压碎、弯曲或撕裂时的表现。一种矿物可以是脆的、可锻铸的、可切割的、可延展性的、可弯曲的或有弹性的。影响韧性的一个重要因素是化学键的类型(如离子键或金属键)。[9]: 255-256其他机械内聚的测量方法中,劈理是沿着某些晶体学平面断裂的趋势。它是由晶体学术语中的质量和平面的方向来描述的。裂理是由于压力、双晶或析出而沿着薄弱面断裂的倾向。如果这两种断裂都没有发生,那么断口就不是那么有序的形式,可能是贝壳状的(具有与贝壳内部相似的光滑曲线)、纤维状的、片状的、粗糙的(带有尖锐边缘的锯齿状)或不均匀的。

 

如果矿物结晶良好,它也会有一种独特的晶体习性(例如,六角形、柱状、葡萄状),反映晶体结构或原子的内部排列。[8]: 40-41也受晶体缺陷和双晶的影响。许多晶体是多态的,具有多种可能的晶体结构,这取决于压力和温度等因素。

 

晶体结构


晶体结构是晶体中原子的排列。它由点阵表示,点阵在三维空间中重复一个基本模式,称为单元格。晶格可以由其对称性和单元格的尺寸来表征。这些维度由三个米勒指标表示。[11]: 91-92晶格通过对晶格中任意一点的对称运算保持不变:反射、旋转、反转和旋转反转,旋转和反射的组合。它们一起构成一个数学对象,称为晶体点群或晶体类。有32种可能的水晶类。此外,还有置换所有点的操作:平移、螺旋轴和滑移面。结合点对称,它们形成230个可能的空间群。[11]:125-126

 

大多数地质部门都有X射线粉末衍射设备来分析矿物的晶体结构。[8]: 54-55 X射线的波长与原子间距离的量级相同。衍射,即散射在不同原子上的波之间的建设性和破坏性干涉,导致了不同的高强度和低强度图案,这取决于晶体的几何形状。在研磨成粉末的样品中,X射线对所有晶体方向的随机分布进行取样。[12]粉末衍射可以区分可能出现在手持式样品中相同的矿物,例如石英及其多晶型、鳞石英和方石英

 

不同成分的同构矿物具有相似的粉末衍射图样,主要区别在于线的间距和强度。例如,NaCl (halite)晶体结构为空间基团Fm3m;该结构为钾盐(KCl)、方镁石(MgO)、绿镍矿(NiO)、方铅矿(PbS)、硫锰矿(MnS)、氯银矿(AgCl)和陨氮钛石(TiN)所共有。[9]:150-151

 

化学元素


少数矿物是化学元素,包括硫、铜、银和金,但绝大多数是化合物。传统的鉴别成分的方法是湿化学分析,它包括将矿物溶解在盐酸等酸溶液中。然后用比色法、体积分析法或重量分析法对溶液中的元素进行鉴定。

 

自1960年以来,大多数化学分析都是用仪器进行的。其中之一,原子吸收光谱,类似于湿化学,因为样品必须溶解,但它更快,更便宜。将溶液汽化,在可见光和紫外波段测量其吸收光谱。[9]: 225-226其他技术有X射线荧光、电子探针分析和光学发射光谱。

 

光性


除了诸如色泽等宏观性质外,矿物还具有需要偏光显微镜才能观察到的性质。

 

透射光


橄榄石堆晶,太古代科马提亚

橄榄石堆晶,太古代科马提亚,Agnew,西澳大利亚(图片来源:CSIRO)

 

当光从空气或真空进入透明晶体时,有些会在表面反射,有些会发生折射。后者是光路的弯曲,因为光速随着进入晶体而改变;斯涅尔定律把弯曲角度与折射率联系起来,折射率是真空中速度与晶体中速度的比值。点对称群落在立方体系中的晶体是各向同性的:指数不依赖于方向。所有其他晶体都是各向异性的:穿过它们的光被分解成两束平面偏振光,它们以不同的速度运动,并以不同的角度折射

偏振光显微镜与普通显微镜相似,但它有两个平面偏振光滤光片,样品下方有一个偏振镜,样品上方有一个相互垂直偏振的分析仪。光依次通过偏振器、样品和分析仪。如果没有样品,分析仪就会挡住偏振器发出的所有光。然而,一个各向异性的样品通常会改变偏振,所以一些光可以通过。薄片和粉末可作为样品。[9]:293-294

当一个各向同性晶体被观察时,它看起来是暗的,因为它不改变光的偏振。然而,当它浸在折射率较低的校准液体中,显微镜被抛出焦点时,晶体周围会出现一条明亮的贝克线。通过观察不同指标的液体中是否存在这样的线,可以估计出晶体的指数,通常在±0.003以内。[9]:294-295

 

矿物系统


系统矿物学是根据矿物的性质对矿物进行鉴定和分类。从历史上看,矿物学与岩石形成矿物的分类学密切相关。1959年,国际矿物学协会成立了新矿物和矿物名称委员会,以使命名法合理化和规范新名称的使用。2006年7月,它与矿物分类委员会合并,成立了新矿物、命名和分类委员会。有超过6000种已命名和未命名的矿物,每年大约有100种被发现。矿物学手册将矿物分为以下几类:原生元素、硫化物、硫氰酸盐、氧化物和氢氧化物、卤化物、碳酸盐、硝酸盐和硼酸盐、硫酸盐、铬酸盐、钼酸盐和钨酸盐、磷酸盐、砷酸盐和钒酸盐以及硅酸盐。

 

形成环境


矿物形成和生长的环境千变万化,从地壳深处火成岩熔体高温高压下的缓慢结晶到地表盐水的低温沉淀。

各种可能的形成方法包括:[15]

火山气体的升华

从水溶液和热盐水中沉积

由火成岩岩浆或熔岩结晶而成

再结晶由于变质过程和交代作用

沉积物成岩过程中的结晶作用

由暴露于大气或土壤环境中的岩石的氧化和风化形成。

 

生物矿物学


生物矿物学是矿物学、古生物学和生物学的交叉领域。它是研究植物和动物如何在生物控制下稳定矿物质,并在沉积后对这些矿物质进行置换排序。它使用了化学矿物学的技术,特别是同位素研究,来确定活的动植物的生长形式,以及化石的原始矿物含量。

矿物学的一种新方法叫做矿物进化,它探索了地球圈和生物圈的共同进化,包括矿物在生命起源和作为矿物催化的有机合成过程中的作用,以及有机分子在矿物表面的选择性吸附。

 

矿物生态学


2011年,一些研究人员开始开发一个矿物进化数据库。该数据库集成了来自Mindat.org的众包网站(Mindat.org拥有超过69万对矿物产地对),以及IMA官方认可的矿物清单和地质出版物中的年龄数据。

这个数据库使应用统计学来回答新问题成为可能,这种方法被称为矿物生态学。其中一个问题是,有多少矿物进化是决定性的,又有多少是偶然的结果。有些因素是决定性的,例如矿物的化学性质及其稳定性的条件;但是矿物学也会受到决定行星组成的过程的影响。在2015年的一篇论文中,罗伯特·哈森(Robert Hazen)将元素丰度作为矿物数量的函数。他们发现,地球上有超过4800种已知矿物和72种元素,它们之间存在幂律关系。月球,只有63种矿物和24种元素(基于一个小得多的样本),本质上有着相同的关系。这意味着,考虑到地球的化学成分,人们可以预测更常见的矿物。然而,这种分布有一个长长的尾巴,34%的矿物只在一两个地点被发现。该模型预测,还有数千种矿物可能等待被发现,或者已经形成,然后由于侵蚀、埋藏或其他过程而消失。这意味着在稀有矿物的形成过程中发生了偶然的作用。

在大数据集的另一个应用中,将网络理论应用于碳矿物数据集,揭示了其多样性和分布的新模式。分析可以显示哪些矿物倾向于共存,以及与之相关的条件(地质、物理、化学和生物)。这些信息可以用来预测哪里可以找到新的矿床,甚至是新的矿物种类。

 

利用


矿物质是人类社会必不可少的需求,如矿物质作为基本组分的金属矿石产品用于各种商品和机械、组成部分建筑材料,如石灰石、大理石、花岗岩、砾石、玻璃、石膏、水泥、等。[15]矿物质也用于化肥丰富农作物的生长。

 

收集


矿物收集也是一种休闲的学习和收集爱好,俱乐部和社团代表了这一领域。[32][33]博物馆,如史密森国家自然历史博物馆地质、宝石和矿物馆、洛杉矶县自然历史博物馆、伦敦自然历史博物馆和黎巴嫩贝鲁特的私人Mim矿物博物馆,都有受欢迎的矿物标本收藏永久展出。

 

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