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1、 第三章第三章 地球中的元素及矿物地球中的元素及矿物 1.1.地球中的元素 2.2.地球中的矿物 地球的质量近地球的质量近6060万亿亿吨万亿亿吨 （5.976105.976102727g g）l几乎都集中在平均半径为几乎都集中在平均半径为6371km6371km的固体地球内的固体地球内l以岩石和金属的形态出现以岩石和金属的形态出现l其平均密度为其平均密度为5.52g/cm5.52g/cm3 3 l大气、水和生物体的总质量不足大气、水和生物体的总质量不足0.1%0.1%1.1.地球中的元素l宇宙中的元素是通过热核聚变反应，经历了从简单到复杂的形成演化过程的。地球物质复杂多样地球物质复杂多样l地
2、球上多种多样的物质，都是从基本粒子聚变而地球上多种多样的物质，都是从基本粒子聚变而成氢开始的成氢开始的l然后是四个氢合成一个氦（两个质子转化为中子）然后是四个氢合成一个氦（两个质子转化为中子），氦再进一步合成其它元素，氦再进一步合成其它元素l约在约在150150亿年前的大爆炸以后亿年前的大爆炸以后50 10050 100亿年时，亿年时，从轻元素到重元素，现今所有的元素就已逐渐形从轻元素到重元素，现今所有的元素就已逐渐形成成 美国化学家克拉美国化学家克拉克克 (F.W.Clarke,1847-1931)(F.W.Clarke,1847-1931)l根据大陆地壳中的5159个岩石、矿物、土壤和天然
3、水的样品分析数据，于1889年第一次算出元素在地壳中的平均含量数值(平均重量百分比)，即元素的丰度丰度l后人为了纪念这个创举，将它命名为克克拉克值拉克值。元素在地壳中的分布元素在地壳中的分布地壳中各元素的丰度地壳中各元素的丰度 氧氧(45.2%(45.2%）钠钠(2.32%)(2.32%)硅硅(27.2%)(27.2%)钾钾(1.68%)(1.68%)铝铝(8%)(8%)钛钛(0.68%)(0.68%)铁铁(5.8%)(5.8%)氢氢(0.14%)(0.14%)钙钙(5.06%)(5.06%)锰锰(0.10%)(0.10%)镁镁(2.77%)(2.77%)磷磷(0.10%)(0.10%)其它所
4、有元素其它所有元素(0.95%)(0.95%)地壳中其它重要元素地壳中其它重要元素l10-5:Cu5.5,Pb1.25,Zn7,Co2.5,Ni7.5l10-6:W1.5,Sn2,U2.7,Mo1.5,As1.8l10-7:Sb2l10-8:Ag7,Au4l10-9:Pt5构成地壳物质的基本单元就是构成地壳物质的基本单元就是化学元素。地壳物质中包括了元素化学元素。地壳物质中包括了元素周期表中的绝大部分元素，但其含周期表中的绝大部分元素，但其含量极量极不均匀不均匀。其中。其中氧、硅、铝、铁、氧、硅、铝、铁、钙、镁、钠、钾钙、镁、钠、钾八种元素占了地壳八种元素占了地壳物质重量的物质重量的98%以上
5、。以上。整个地球的物质（按重量计算）各元素的丰度l 铁铁34.6%34.6%；氧氧29.5%29.5%；硅硅15.2%15.2%；镁镁12.7%12.7%镍镍2.4%2.4%；硫硫1.9%1.9%；钙和铝钙和铝2.2%2.2%l 其它所有元素共占1.5%地核地核：大部分以金属状态存在的铁和镍大部分以金属状态存在的铁和镍l地壳和地幔地壳和地幔 ：大部分是氧和硅。：大部分是氧和硅。镁、铁、铝也较多镁、铁、铝也较多l水圈水圈 ：以氧和氢为主：以氧和氢为主l生物圈生物圈 ：主要为碳、氢、氧和氮：主要为碳、氢、氧和氮 大气圈、水圈和生物体中的所有元素的大气圈、水圈和生物体中的所有元素的质量和地球的总质量
6、相比，不及千分之质量和地球的总质量相比，不及千分之一一自然界物质组成的元素差异2.自然界中的矿物l 天然产出的天然产出的、具有一定化学成分化学成分和和内部晶体结构内部晶体结构以及一定的物理和化学物理和化学性质性质的自然元素单体或化合物。l 矿物的集合体矿物的集合体称为 岩石岩石 岩石是混合物岩石是混合物 请注意分清岩石和矿物孔孔雀雀石石金金刚刚石石Cu2(OH)2CO3自自然然金金狗狗头头金金金刚石水晶水晶石英石英紫水晶紫水晶石英石英天然矿物天然矿物自然铜自然铜红宝石红宝石(刚玉刚玉)水水晶晶石英Al2O3SiO2 人造矿物不属地质学范畴 （已知矿物 3 3多种）具一定化学成分（每种矿物有较稳
7、定 的化学成分）。绝大多数矿物是固态，极个别液态 （g）固体矿物分为晶体和非晶体。矿物范围的界定矿物范围的界定晶体：晶体：内部质点在三维空间上作规律性重复排列。1、矿物的特征 矿物可以由一种单质元素组成。如自然金、自然铜、自然硫、石墨等；绝大多数由几种元素的化合物，如石盐、石膏、石英等。它有比较固定的化学成分组成。如黄铁矿是由FeS2、方解石由CaCO3、石英由SiO2、岩盐是由NaCl组成的。绝大多数具有一定的内部结构和构造，以绝大多数具有一定的内部结构和构造，以及一定的外部形态。及一定的外部形态。如石盐内部质点呈有规律的如石盐内部质点呈有规律的空间排列。空间排列。具有一定的物理性质和化学性
8、质。具有一定的物理性质和化学性质。绝大多数矿物呈固态出现，但仅少数以液态绝大多数矿物呈固态出现，但仅少数以液态（自然汞）或气态产出（天然气）。（自然汞）或气态产出（天然气）。矿物一般多数为无机矿物，有机矿物很少。矿物一般多数为无机矿物，有机矿物很少。哪种是矿物？哪种是矿物？煤炭煤炭花岗岩花岗岩石油石油黄铁矿晶体（FeS2）Al2O3Fe2O3矿矿 物物 种种 数数 从从2020世纪初的世纪初的 20002000多种多种 20 20世纪世纪9090年代的年代的 33003300多种多种随着人类认识自然界的能力提高随着人类认识自然界的能力提高,发现的矿物种类增多发现的矿物种类增多 晶晶体体内内部部
9、质质点点（原原子子、离离子子）在在三三维维空空间间周周期期性性重重复复排排列列（即即有有序序排排列列）的的固体。固体。非晶体非晶体 内部质点排列无序。内部质点排列无序。晶体矿物晶体矿物具有晶体结构的矿物。具有晶体结构的矿物。晶体与非晶体矿物晶体内部矿物晶体内部-格子构造格子构造 矿物晶体内部矿物晶体内部-格子构造格子构造 硅酸盐矿物的晶体结构岛状岛状环状环状单链状单链状双链状双链状片状片状 矿物晶体结构 矿物的DNA 绝大部分矿物都是晶体绝大部分矿物都是晶体 德国物理家冯德国物理家冯劳埃劳埃(M.Von(M.Von LaueLaue,1879-1960),1879-1960)用用X X光观测晶
10、体，发现不管晶体的外形如何，内部的原子、光观测晶体，发现不管晶体的外形如何，内部的原子、离子、分子都是离子、分子都是有序的排列有序的排列 这种质点的有序排列，就好像生物的这种质点的有序排列，就好像生物的基因物质基因物质 脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNADNA）一样一样矿物的各种特征不仅与它的化学成分相关更受到它晶体构造的控制X射线衍射鉴定矿物射线衍射鉴定矿物石墨与金刚石正四面体网状立体结构正四面体网状立体结构正六边形正六边形矿物分类矿物分类l自然元素矿物：自然元素矿物：如金如金AuAu，金刚石，金刚石C C、石墨、石墨C C、铜铜CuCu、银、银AgAg等等自然元素矿物自然元素矿物矿物分类矿
11、物分类l卤化物矿物：卤化物矿物：如如食盐食盐NaClNaCl、钾盐、钾盐KClKCl、萤石、萤石 CaF CaF2 2等等NaClCaF2矿物分类矿物分类l硫化物矿物：硫化物矿物：如黄铁矿如黄铁矿FeSFeS2 2、黄铜矿、黄铜矿CuFeSCuFeS2 2、方铅矿方铅矿PbSPbS、闪锌矿、闪锌矿ZnSZnS、辉钼矿辉钼矿MoSMoS2 2、雄黄、雄黄AsSAsS等等l氧氧化化物物和和氢氢氧氧化化物物矿矿物物：如如赤赤铁铁矿矿FeFe2 20 03 3、磁磁铁铁矿矿FeFe3 3O O4 4、铬铬铁铁矿矿CrOCrO2 2、锡锡石石SnOSnO2 2、铝铝土土矿矿Al(OH)Al(OH)3 3
12、、软软锰矿锰矿MnOMnO2 2、石英等、石英等石英石英（SiOSiO2 2）磁铁矿赤铁矿l含氧酸盐矿物：含氧酸盐矿物：最重要的是下面三种：最重要的是下面三种：硫酸盐矿物：硫酸盐矿物：有有石膏石膏、芒硝芒硝、重晶石重晶石等等 碳酸盐矿物：碳酸盐矿物：如如方解石方解石、孔雀石孔雀石、白云石白云石 硅酸盐矿物硅酸盐矿物：约占已知矿物种数的约占已知矿物种数的1/41/4硫酸盐矿物硫酸盐矿物硫酸盐矿物硫酸盐矿物碳酸盐矿物碳酸盐矿物碳酸盐矿物碳酸盐矿物白云石白云石硅酸盐矿物硅酸盐矿物硅酸盐矿物硅酸盐矿物硅酸盐矿物硅酸盐矿物硅酸盐矿物硅酸盐矿物硅硅 酸酸 盐盐 矿矿 物物 l氧离子和硅离子结合的基础上，再
13、与金属离子氧离子和硅离子结合的基础上，再与金属离子结合而成硅酸盐矿物结合而成硅酸盐矿物l种类繁多，约占已知矿物种数的种类繁多，约占已知矿物种数的1/41/4，占地壳，占地壳总重量的总重量的85%85%l其中最常见的就是各类其中最常见的就是各类长石、云母、辉石、角长石、云母、辉石、角闪石、橄榄石闪石、橄榄石等几种，它们广泛分布在地壳与等几种，它们广泛分布在地壳与地幔内地幔内硅氧四面体硅氧四面体硅酸盐矿物的晶体结构岛状环状单链状双链状片状硅酸盐的架状结构（长石结构）硅酸盐的链状结构（角闪石结构）层状结构（白云母结构）同质多象同质多象 与与 类质同象类质同象同质多象同质多象相同化学成分的物质在不同的
14、地相同化学成分的物质在不同的地 质条件（质条件（P、T）下，可以形成不同的）下，可以形成不同的 晶体结构晶体结构，从而成为不同的矿物。，从而成为不同的矿物。如 石墨、金刚石、化学成分都是C，物理性质则完全不同；石英（iO2）分柯石英、斯石英等石墨与金刚石类质同象类质同象矿物晶体结构中的某种原子或离矿物晶体结构中的某种原子或离子可以部分地被性质相似的它种原子或子可以部分地被性质相似的它种原子或离子替代而不改变晶体结构。其物理性离子替代而不改变晶体结构。其物理性质差异一质差异一般不大。般不大。如 铁、镁橄榄石同质多象同质多象 与与 类质同象类质同象 矿物的矿物的非晶质体非晶质体：黑曜岩、珍珠岩、蛋
15、白石黑曜岩、珍珠岩、蛋白石l由于仪器观测精度越来越高，过去许多由于仪器观测精度越来越高，过去许多以为是非晶质的矿物，其实是晶体微小以为是非晶质的矿物，其实是晶体微小的的“隐晶质隐晶质”l原来被列为非晶质矿物的种数变得越来原来被列为非晶质矿物的种数变得越来越少越少黑曜岩黑曜岩蛋白石蛋白石蛋白石蛋白石玉髓玉髓隐晶质：隐晶质：矿物晶粒极为细小，肉眼无法分辨出矿物矿物晶粒极为细小，肉眼无法分辨出矿物颗粒，甚至在偏光显微镜下也不能分辨颗粒，甚至在偏光显微镜下也不能分辨矿物肉眼鉴定主要是依据矿物的晶体形态光学性质力学性质其它一些物理性质矿物的形态矿物的形态l（1）矿物单体的形态一向延长型一向延长型柱状、针
16、状、纤维状（角闪石、石英等）柱状、针状、纤维状（角闪石、石英等）二向延展型二向延展型板状（重晶石、石膏）、片状（云母、石墨）板状（重晶石、石膏）、片状（云母、石墨）三相近等型三相近等型立方体状、粒状（黄铁矿、石榴子石、橄榄石）立方体状、粒状（黄铁矿、石榴子石、橄榄石）（一向）（一向）（二向）（二向）（三向）（三向）矿物单体的形态矿物单体的形态（晶形）（晶形）矿物的形态l（2）矿物集合体的形态显晶质集合体形态显晶质集合体形态一向伸长型一向伸长型:：晶簇状、纤维状、放射状、束状、：晶簇状、纤维状、放射状、束状、毛发状、柱状毛发状、柱状二向延长型二向延长型片状、鳞片状、板状片状、鳞片状、板状三向等长
17、形三向等长形粒状粒状隐晶质和胶态集合体形态隐晶质和胶态集合体形态结核状、鲕状、肾状、钟乳状、葡萄状、晶腺、树枝状、块状、土块、粉末状等花瓣状矿物集合体形态瓦状板状纤维状针状枝状柱状矿物集合体形态矿物集合体形态豆状球状矿物的集合体形态矿物的集合体形态自色自色矿物的光学性质矿物的颜色是矿物吸收可见光后所呈现的色调矿物本身固有的颜色矿物的颜色他色他色矿物因含外来杂质或气泡等引起的颜色假假色色矿物的颜色矿物表面氧化膜或内部裂隙对光的折射、散射所引起 矿物的条痕实际上就是矿物粉末的颜色,一般,从白色无釉瓷板上划出的线条颜色来确定。有些矿物的颜色与条痕一致，如金的颜色和条痕都是金黄色;而有些矿物的颜色同条
18、痕不相同,如赤铁矿不管外表是暗红色还是铁黑色，但它的条痕总是樱红色;矿物光学特征条痕条痕矿物光学特征条痕条痕 光泽，就是光线照射到矿物表面上反射光的能力 由强强 到 弱弱 可以把光泽分为四级：(1)(1)金属光泽：金属光泽：反光很强，如同金、银的反光，例如自然铜、方铅矿、磁铁矿等。(2)(2)半金属光泽：半金属光泽：反光较强，较金属光泽稍弱，类似没 有磨光的金属器皿的反光，如辰砂、黑钨矿(3)(3)金刚光泽：金刚光泽：象金刚石状光亮，如金刚石、锡石、浅色闪锌矿等。(4)(4)玻璃光泽：玻璃光泽：反光较弱，象玻璃一样反光。自然界 多数矿物是玻璃光泽，如水晶、正长石等矿物光学特征光泽光泽矿物的光泽
19、矿物的光泽金刚光泽金刚光泽半金属光泽半金属光泽玻璃光泽玻璃光泽金属光泽金属光泽矿物光泽矿物光泽土状光泽土状光泽油脂光泽油脂光泽丝绢光泽丝绢光泽珍珠光泽珍珠光泽矿物光泽矿物光泽自然金（金属光泽）硬锰矿（半金属光泽）金刚石（金刚光泽）石英（玻璃光泽）白钨矿（油脂光泽）滑石（蜡状光泽）石膏（丝绢光泽）砷铝矿（松脂光泽）矿物透过光线的程度,可分为三级 透明：矿物象玻璃那样能透过光线，如水晶，冰洲石均是透明矿物；半透明：只有边缘薄处才能透过少量的光线 如闪锌矿，辰砂等；不透明：矿物一点光线也透不过去，如黄铁矿、磁铁矿等。矿物的矿物的透明程度透明程度常与矿物的常与矿物的光泽光泽有关，一般有关，一般玻璃玻璃
20、光泽、油脂光泽、金刚光泽光泽、油脂光泽、金刚光泽的矿物都是透明至半透明的矿物都是透明至半透明的矿物；的矿物；金属光泽和半金属光泽金属光泽和半金属光泽的矿物都是不透明矿的矿物都是不透明矿物。物。矿物的透明度矿物的透明度透明矿物透明矿物不透明矿物不透明矿物半透明矿物半透明矿物矿物的透明度矿物的透明度摩氏硬度计矿物的硬度德国德国FriedrichMohs于于1812年提出年提出 野外缺少摩氏标准矿物时，可用其它简便工具进行测试:指甲 的硬度约为 2-2.5铜钥匙 的硬度约为 3小钢刀 的硬度约为 5-5.5玻璃 的硬度约为 6 矿物的硬度用“刻划能力”来衡量，取决于原子和离子结合在一起的化学键的强度
21、。矿物被敲打后，沿一定方向规则破裂的性矿物被敲打后，沿一定方向规则破裂的性质，叫做质，叫做解理解理。这种破裂面破裂面就称为解理面解理面。解理面一般非常平平滑而有光泽滑而有光泽。不同矿物或同一矿物的不同方向方向上，解理发育的程度是不一样的。矿物的解理只有一个方向一个方向，称一组解理；矿物的解理有两个方向两个方向，称二组解理；矿物甚至有三个或四个方向三个或四个方向的解理，称多组解理。解理矿物的解理一组解理矿物的解理二组解理矿物的解理三组解理NaCl矿物的解理多组解理CaF2 矿矿 物物 断断 口口 贝壳状断口贝壳状断口矿物受打击后所产生的不规则的破裂面。矿物受打击后所产生的不规则的破裂面。贝壳状断
22、口：矿物破裂后具有弯曲的凸面或凹面和同心状构造，很象贝壳，如石英的断口平坦状断口：断口面虽然粗糙，但比较平整，如高岭石的断口；参差状断口：断口面粗糙极不平整，许多矿物具有此种断口，如电气石；锯齿状断口：断口面狼牙锯齿，突起尖锐，如自然金属矿物的断口矿物的其它物理性质矿物的其它物理性质轻轻4比重比重 磁性磁性磁铁矿是典型的磁性矿物磁铁矿是典型的磁性矿物密度和比重 矿物的肉眼鉴定矿物的肉眼鉴定矿矿物名称物名称形形态态颜颜色色条痕条痕 光光泽泽硬度硬度解理或解理或断口断口其他其他比重磁性比重磁性方方铅矿铅矿闪锌矿闪锌矿黄黄铜矿铜矿黄黄铁矿铁矿磁磁铁矿铁矿褐褐铁矿铁矿方解石方解石石石 英英。赤铁矿、橄
23、榄石、辉石、角闪石、黑云母、白云母、正长石、斜长石斜长石 39%钾长石12%石英12%辉石11%角闪石5%云母 5%稀土矿物4.6%橄榄石3%方解石1.5%白云石 0.9%磁铁矿（钛铁矿）1.5其他矿物 4.5%常见矿物常见矿物 1.石英SiO2 具有规则的几何外形的晶体，其中无色透明者通常称为水晶；晶形呈六方柱状，柱面有横纹；颜色很多，常见者为无色、乳白色；石英常呈斑状或块状；硬度7；相对密度2.67；晶面上呈玻璃光泽；无解理，断口呈贝壳状，断口上呈油脂光泽。石英用途很广，可做玻璃原材料，制做石英器皿；颜色鲜艳和纯净无缺陷的水晶可做宝石和光学材料；具压电性的晶体可用做无线电通讯器材。2.正长
24、石 KAlSi3O8 晶体呈短柱状，通常为粒状或块状；颜色常为肉红、褐黄色；硬度6；相对密度2.5；玻璃光泽；两组解理。可制作瓷釉，并可提制钾肥。常见矿物的特征：常见矿物的特征：3.斜长石 斜长石是钠长石（NaAlSi3O8）与钙长石（CaAl2Si2O8）混合组成的系列矿物的总称；晶形呈柱状、厚板状，常为粒状或块状；颜色多呈灰白色，有时微带浅棕、浅蓝及浅红色；硬度66.5；相对密度2.612.76；玻璃光泽；两组解理。也可用作陶瓷原料。4.白云母 KAl2AlSi3O10(OH，F)2 晶体呈假六方柱状；无色或白色，常带浅绿、浅黄及、浅灰色；硬度23；相对密度2.763.2；片状解理完全，可以顺着解理面剥成很薄的薄片；薄片具弹性；呈鳞片状者叫绢云母。白云母具有良好绝缘性，可用于电器工业中。5.黑云母 K(Mg，Fe)3AlSi3O10(OH，F)2 晶体呈假六方柱状；黑色、褐色；珍珠光泽，解理面上有珍珠彩晕；其它物理性质与白云母类同。了解组成地壳的主要物质成分；矿物的概念及特征；初步掌握识别矿物的一般方法。学习重点重点是矿物的形态、主要物理性质及常见矿物的识别。思考题 1.地壳及克拉克值的概念？2.矿物的主要物理性质有哪些？本章回顾3.主要造岩矿物有哪几种？