高中地球科学/矿物识别

假设你用从零用钱中省下的钱买了一件新衬衫。当你打电话给你的好朋友时，你会如何描述你的衬衫？你可能会描述颜色、面料的手感和袖子的长度。这些都是你衬衫的物理性质。如果你很好地描述了你的衬衫，你的朋友在你看它时就能认出来。矿物也具有用于识别它们的物理性质。

课程目标

解释如何识别矿物。
描述如何使用颜色、光泽和条痕识别矿物。
解释如何测量矿物的硬度。
描述解理和断口的性质。
识别可用于识别某些矿物的其他性质。

如何识别矿物？

想象一下，你被给了一个类似于图 3.12 中所示的矿物样本。你会如何尝试识别你的矿物？如果你是一名矿物学家，你会使用某些性质来识别矿物。你可以通过观察矿物来观察一些性质。例如，你可以看到图 3.12 中的矿物是金色的，而且有光泽。但是，你无法看到所有矿物性质。你需要进行简单的测试来确定一些性质，例如矿物的硬度。你可以使用矿物的性质来确定它的身份，因为这些性质是由化学成分和晶体结构决定的，或者说是原子排列的方式。

颜色

颜色可能是最容易观察的性质。不幸的是，你很少能只通过颜色识别矿物。有时不同的矿物颜色相同。再看一下图 3.12。该矿物呈金色，所以你可能会认为它是黄金。该矿物实际上是黄铁矿，或称为“愚人金”，它由铁和硫化物组成。它不含任何金原子。

通常，相同的矿物会呈现不同的颜色。图 3.13 显示了两个石英样本——一个是无色的（尽管在紫色背景上），另一个是紫色的。石英的紫色来自晶体中微量的铁。石英中的铁是一种化学杂质，因为它通常不存在于石英中。许多矿物因化学杂质而着色。其他因素，如风化作用，也会影响矿物的颜色。风化作用会影响矿物的表面。由于颜色本身不可靠，地质学家通过多种特征来识别矿物。

图 3.13：尽管这些矿物样本颜色不同，但它们都是石英。紫水晶是紫色的石英。左边的白色石英看起来略带紫色，仅仅是因为它处于紫色背景上。

条痕

条痕是指矿物粉末的颜色。要进行条痕测试，你将矿物在无釉瓷板上刮擦。该板比许多矿物更硬，导致矿物在板上留下粉末条痕。如 3.14 图所示，条痕的颜色通常与较大矿物样本的颜色不同。如果你对黄金色黄铁矿进行条痕测试，你会看到黑色条痕。这种黑色条痕告诉你该矿物不是黄金，因为黄金的条痕是金色的。

条痕比矿物样本的颜色更可靠的性质。矿物的颜色可能会有所不同，但它的条痕不会改变。此外，不同的矿物可能颜色相同，但它们的条痕颜色可能不同。例如，赤铁矿和方铅矿的样本都可能是深灰色，但赤铁矿具有红色条痕，方铅矿具有灰色条痕。

光泽

光泽描述了光线从矿物表面反射的方式。你可能会将钻石描述为闪闪发光或黄铁矿为有光泽，但矿物学家有专门的术语来描述矿物的光泽。他们首先将矿物分为金属光泽和非金属光泽。像黄铁矿这样的不透明且有光泽的矿物具有金属光泽。具有非金属光泽的矿物看起来不像金属。非金属光泽有很多类型，其中六种在表 3.1 中有所描述。

表 3.1：具有非金属光泽的矿物
非金属光泽	外观
金刚光泽	闪亮
土状	干的，像粘土一样
珍珠光泽	像珍珠一样
树脂光泽	像树脂，如树液
丝绢光泽	看起来很柔软，有长纤维
玻璃光泽	玻璃状

你能将图 3.15（以下）中的矿物与表 3.1（以上）中的正确光泽匹配吗？不要看标题。

图 3.15：钻石具有金刚光泽。石英不像钻石那样闪闪发光。它具有玻璃状光泽。硫磺反射的光线比石英少，所以它具有树脂光泽。

密度

你将要拜访一位朋友。你用书籍装满一个背包，以便以后学习。你将枕头塞入另一个相同大小的背包中。哪个背包更容易携带？即使背包大小相同，装有书籍的背包也会重很多。它比装有枕头的背包密度更大。

密度描述了在一定空间内有多少物质。物质越密集，其密度就越高。一杯水与浴缸或游泳池中的水的密度相同。所有物质都具有特征密度，这与你拥有多少物质无关。

质量是物体中物质数量的度量。物体占用的空间大小由其体积来描述。因此，物体的密度取决于其质量和体积。可以使用以下公式计算密度。

密度 = 质量/体积

相同大小但密度不同的样本将具有不同的质量。金的密度约为 19 g/cm³。黄铁矿的密度仅约为 5 g/cm³。石英的密度甚至低于黄铁矿，约为 2.7 g/cm³。如果你拿起一块大小相同的黄铁矿和一块石英，你会发现黄铁矿的重量几乎是石英的两倍。

硬度

表 3.2：莫氏硬度表
硬度	矿物
1	滑石
2	石膏
3	方解石
4	萤石
5	磷灰石
6	正长石
7	石英
8	黄玉
9	刚玉
10	金刚石

硬度是指矿物抵抗刮擦的能力。不易刮擦的矿物是硬的。你通过用已知硬度的矿物刮擦矿物的表面来测试矿物的硬度。矿物学家使用莫氏硬度表（如上表 3.2 所示）作为矿物硬度的参考。该表按相对硬度顺序列出了常见矿物。你可以使用表中的矿物来测试未知矿物的硬度。

正如你所见，金刚石在莫氏硬度表上是 10。金刚石是最硬的矿物，这意味着没有其他矿物能够刮擦金刚石。石英是 7，所以它可以被黄玉、刚玉和金刚石刮擦。石英会刮擦硬度等级更低的矿物，如萤石。假设你测试了一块纯金的硬度。方解石会刮擦金子，而石膏不会，因为石膏是 2，方解石是 3。这意味着金子的硬度介于石膏和方解石之间，即 2.5。2.5 的硬度意味着金子是一种相对柔软的矿物。它只有你指甲的硬度。

解理和断口

矿物以其特有的方式断裂。记住所有矿物都是晶体，这意味着矿物中的原子以重复的模式排列。矿物中原子的排列方式决定了矿物的断裂方式。当你打破矿物时，你打破了化学键。由于原子排列的方式，一些键比其他键更弱。矿物更有可能在原子之间键合较弱的地方断裂。

解理是矿物沿着特定平面断裂以形成光滑表面的趋势。具有不同晶体结构的矿物将以不同的方式解理，如图 3.16 所示（如下）。石盐倾向于形成具有光滑表面的立方体，云母倾向于形成薄片，萤石可以形成八面体。

石盐在解理时往往形成立方体。

云母倾向于以薄片的形态断裂。这一块显示了层状薄片。

萤石形成八面体，它有八个面。

图 3.16：具有不同晶体结构的矿物倾向于沿着特定平面断裂。

当矿物沿着其解理面断裂时，它们可以形成各种形状，就像图 3.17 中所示的多边形。解理面对于切割宝石（如钻石和祖母绿）的人来说很重要。这些平面决定了晶体如何切割以形成光滑的表面。

立方体

菱面体

八面体

图 3.17：立方体有六个侧面，所有侧面都是相同大小的正方形。立方体中的所有角度都等于 90°。菱面体也有六个侧面，但侧面是菱形的。八面体有八个侧面，所有侧面都是三角形的。

断口描述了矿物在不沿着解理面断裂时如何断裂。所有矿物都会断裂，但断口描述的是断裂时产生的表面不光滑且平坦的断裂。你可以从矿物的断口方式了解矿物。金属断裂时通常会形成锯齿状边缘。如果矿物像木材一样劈裂，它可能是纤维状的。一些矿物，如石英，在断裂时会形成光滑的弯曲表面。图 3.18（下）显示了一种断裂形成光滑弯曲表面的矿物。

**图 3.18**：这块黑曜石标本——实际上不是矿物，而是火山玻璃——在断裂时形成了光滑的弯曲表面。

其他鉴定特征

矿物还有一些其他特性，可以用来识别它们。例如，矿物的晶体结构可以用来帮助识别矿物。有时，训练有素的矿物学家仅凭肉眼观察矿物的形状就能判断出它的晶体结构。在其他情况下，矿物中的晶体太小而无法看到，矿物学家将使用使用 X 射线的特殊仪器来确定晶体结构。

一些不寻常且有趣的特性可以用来识别某些矿物。表 3.3 列出了一些这些特性。虽然这些特性很罕见，但几种矿物都具有这些特性。表 3.3 中还列出了具有每种特性的矿物的示例。

表 3.3：不常见的矿物特性
特性	描述	矿物示例
荧光	矿物在紫外线下发光	萤石
磁性	矿物被磁铁吸引	磁铁矿
放射性	矿物会发出可以用盖革计数器测量的辐射	铀矿
反应性	当矿物暴露在弱酸中时会形成气泡	方解石
气味	一些矿物具有独特的气味	硫（闻起来像臭鸡蛋）

课程总结

你可以通过矿物的外观和其他性质来识别矿物。
颜色和光泽描述了矿物的外观，条痕描述了矿物粉末的颜色。
矿物具有特征密度。
莫氏硬度计用于比较矿物的硬度。
矿物解理或断裂的方式取决于矿物的晶体结构。
一些矿物具有特殊的性质，可以用来帮助识别矿物。

复习问题

矿物的哪些性质描述了它破裂的方式？
矿物看起来干燥且粉状。它有什么样的光泽？
您正在尝试识别矿物样品。磷灰石在矿物表面留下了划痕。您接下来会使用哪种矿物来测试该矿物的硬度——萤石还是长石？解释您的推理。
在识别矿物时，为什么条痕比颜色更可靠？
您有两个矿物样品，大小约为高尔夫球。矿物 A 的密度为 5 g/cm³。矿物 B 的密度是矿物 A 的两倍。矿物 B 的密度是多少？
为什么有些矿物会沿着特定平面解理？

词汇表

解理: 矿物沿着特定平面断裂以形成光滑表面的趋势。
密度: 一定空间内物质的多少；质量除以体积。
断口: 矿物在不沿着解理面断裂时如何断裂的方式。
硬度: 抵抗划伤的能力。
光泽: 光线从矿物表面反射的方式。
条痕: 矿物粉末的颜色。

需要考虑的要点

有些矿物有颜色是因为它们含有化学杂质。这些杂质是如何进入矿物中的？
您需要测量矿物样品的哪些两个性质才能计算出它的密度？

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