走进矿物世界

姚林波

什么是矿物

　　到1998年底，全世界已发现且命名的矿物有三千八百多种（不包括亚种），其中绝大多数是无机物。只有具备以下条件的物质才能称为矿物：（1）形成于各种地质作用中的天然化合物或单质。它们可以是固态（如石英、金刚石）、液态（如自然汞）、气态（如火山喷气中的水蒸气）或胶态（如蛋白石）。（2）有一定的化学成分。如金刚石成分为单质碳（C），石英为二氧化硅（SiO₂），但可以不是十分纯的，常含有少量杂质。（3）有一定的晶体结构，其原子呈规律地排列。如石英的晶体排列是硅离子的四个角顶各连着一个氧离子，形成四面体，这些四面体彼此以角顶相连在三维空间形成架状结构。（4）具有较为稳定的物理性质。如方铅矿呈钢灰色，很亮的金属光泽，不透明，粉末（条痕）为黑色，较软（可被小刀划动），可裂成互为直角的三组平滑的解理面（完全解理），很重（比重为7.4～7.6）。5）是组成矿石和岩石的基本单位。

什么是矿石？

　　通常，从金属矿床中开采出并具有提炼金属价值的固体物质均称作矿石，常简称为“矿”。专业术语叫做原矿、粗矿或冒沙。矿石一般是由有用的金属矿物（矿石矿物）及与其伴生的脉石矿物所构成。

　　矿石矿物是指在工业上能从其中提起一种或数种有用金属元素的矿物，它们大多数是金属矿物，如黄铜矿、方铅矿分别为铜、铅的矿石矿物。也有一些是非金属矿物（如方解石、白云石和红柱石等）。矿石矿物大多数为化合物，有时也有一些自然金属（如自然金、自然铂等）。

　　工业上利用的各种金属都是从金属矿物中提炼出来的。一种金属元素可以从不同的矿石矿物中取得，如铜可从辉铜矿、斑铜矿、黄铜矿、赤铜矿、自然铜及孔雀石等中提炼；同样，有的矿石矿物也可以提取两种或两种以上的金属元素，如钾钒铀矿既可提取铀，又能得到钒。

　　汉字中“矿”和“鑛”通用，但最初这两个字有不同的含义：前者是指非金属矿产，后者是专指金属矿产。我国古代凡矿山采掘物未经过加工精炼的，都叫做“矿”和“鑛”。人们最先采用的是石头和泥土，后来才开始熔炼金属矿石。“矿”和“鑛”两字的产生、并存和通用，正是社会生产力发展的反映。

　　“矿”字，原写成“ ”，是采矿工具的象形字。早在战国时期（公元前475～前221年），古人就已有掌管采矿的官员称“人”，音矿（Kuang），是采矿的象声字。

　　在西方，采矿活动到中世纪以后，特别是文艺复兴之后，采矿规模才日益扩大，故“矿物”（mineral）一词的出现也比较晚。它来自于拉丁文minera，原意为矿、矿石和矿山，开矿和采矿（mine）由此而来。显然，西方“矿物”的概念也是诞生于生产实践。

　　地壳中矿物的分布很广泛。如沙中的金，河、湖中的水和冰，盐湖中的盐，花岗岩中的石英、长石和云母等，都是矿物。

　　在实验室条件下，虽然可以获得某些成分和性质与自然矿物类似的物质，但因为它们是人工合成而不是天然地质作用的产物，故称为“人造矿物”或“合成矿物”。陨石和月岩来自其他天体，其中的矿物称为“陨石矿物”、“月岩矿物”，或称他们为“宇宙矿物”；以资与地球上的矿物相区别。

何为岩石？

　　岩石是指地球上部（地壳和上地幔）由各种地质作用形成的、由一种或几种矿物和天然玻璃组成的、具有稳定外形的固态集合体。简单地说，岩石是一两种或更多的矿物的集合体。其中由一种矿物组成的岩石称作单矿岩，如大理岩由方解石组成，石英岩由石英组成，磁铁矿岩由单一的磁铁矿所组成。但大多数岩石是由数种矿物所组成，称作复矿岩。如花岗岩由石英、长石和云母等矿物组成，辉长岩由基性斜长石和辉石组成等等。另外，岩石是具有稳定外形的固体，那些没有一定外形的液体如石油、天然气，以及松散的沙、泥等，是矿产资源但不是岩石。

人造矿物

　　由于有些矿物在自然界产出较少，不能满足工业生产的需要，从19世纪40年代开始，就有人研究人造矿物。许多人造矿物的性能已接近或超过相应的天然矿物，有些人造矿物可以代替某些天然矿物，成本比开采天然矿物还低，并且可以控制矿物的质量和大小。所以人造矿物的前景颇佳。

　　石英具有压电效应，按晶体一定方向切割的薄片广泛应用于电子工业，如雷达上就需要这种切片，但对这种石英的要求很高：透明度高，无缺陷，尺寸不得小于6×6×6 mm，还有晶体结构上的一些特殊要求。因此，自然界符合上述要求的石英晶体并不多，况且在开采过程中还容易造成损坏，以致失去使用价值。自从1947年实验室培养出人工晶体后，为工业生产提供了大量合格的晶体，现在光学和电子工业上所用的石英晶体都是人造石英晶体。20世纪80年代末，全世界人造石英生产能力已近2000吨。

　　金刚石以其最大的硬度、半导体性质，以及光彩夺目的光泽，应用于切割、电子工业和宝石饰物。1955年开始实验室合成得到人造钻石，但颗粒较小（仅一克拉左右），且透明度差，只能用于切割和钻探。天然的金刚石虽然产量少，但多用作首饰，尚未能以人工合成金刚石所取代，即使“取代”，也多是其他人工合成的矿物（人造立方氧化锆、人造金红石和人造尖晶石等）为代用品，这些矿物都具有高的折射率和色散，打磨、切削、加工后均能出现很好的色散效应，适用作为首饰。而人工合成的金刚石因为含有B、Be、Al等杂质，提高了半导体性能，在工业上找到了自己的用途。

　　随着生活水平的提高，宝石的需求量也不断增长，但宝石矿的产量不高，分布局限，所以人工合成宝石有广阔的市场，目前国际市场上人造祖母绿、人造刚玉、人造变石、人造绿松石等与天然宝石一样走俏。

矿物的化学成分

矿物的化学成分和晶体结构是决定矿物性质的最基本因素。根据它们的变异，可以把矿物分成如下几种类型：

（1）化学组成基本固定的矿物。换句话说，“固定”只是相对的，成分的变异范围非常小而已：“小”到可以忽略不计的程度。它们的化学组成可用确定的化学式来表示。例如：金刚石C、石盐NaCl、黄铜矿CuFeO₂、赤铁矿Fe₂O₃、重晶石Ba[SO₄]、白云石CaMg（CO₃）₂等。

（2）化学组成不固定的矿物。其化学组成可以在一定的范围内变化；这种变化是由于本身组分的变异所造成的。该类矿物基本上可概括为三种情况：是固溶体、含沸石水或层间水矿物，以及胶体。比如：橄榄石（Mg，Fe）[SiO₄]，化学式中写在圆括弧内的是成类质同象替代关系的元素，Mg和Fe的比例是不固定的。

（3）不符合化合比的矿物。一切晶质矿物的化学组成是有定律可循的，各组分间有一定的化合比。但有些晶体却不遵守这一规律。如方铁矿Fe_1-xO，其Fe原子数总是少于O原子数，x是一个变量。这种现象是由于晶体结构中存在有某种缺陷所致。

矿物的用途

　　日常生活中无时无处离得开矿物。因为矿物的成分和各种物理特性都已得到开发利用。

　　冶金工业：从矿物中提取有用元素，冶炼成各种金属。例如从磁铁矿、赤铁矿中提取铁，从方铅矿中提取铅，从黄铜矿、斑铜矿中提取铜，从铬铁矿中提取铬，从黑钨矿中提取钨，从辉锑矿中提取锑，稀土矿床中提取铈族稀土元素等等。

　　矿物中除了主要元素外还会混入一些微量元素，如闪锌矿中常混有镉、镉、锗等分散元素，而这些金属在电子工业上有重要的用途。因此在提取主要元素的同时，也要提取这些分散元素。

　　化工原料：萤石可提取制成氢氟酸，黄铁矿可制成硫酸等。

　　农业：钾盐可生产钾肥，磷灰石生产磷肥。

矿物的利用还包括它们物理性质的利用，矿物的光学性质、电学性质、力学性质、热学性质等等都在利用之列。

光学仪器上的棱镜是利用冰洲石（方解石）、石英和萤石就是利用它们特有的光学性质。刚玉是激光发射材料的关键材料。硫镉矿单晶具有特殊的光弹性，可用于雷达。彩钼铅矿具有声光效应，在声波作用下可产生光的衍射。白钨矿、全绿宝石有光色作用，可用于激光全息记录和存储。闪锌矿的单晶体用作紫外半导体激光材料。最常见的是用铜是最常见的导电材料。Ⅱ型金刚石是重要的半导体仪器。方铅石可作为近红外线的主要光电变换材料，用于卫星探测、军事侦察、医用热图像仪器等领域。石英的压电性可用于雷达、通讯、微处理机等方面。云母、滑石是绝好的绝缘材料。矿物的力学性质主要用作研磨及切割材料，如金刚石、刚玉、黄玉和石英等都在利用之列。此外，利用石棉的低导热系数作保温材料和隔热材料。利用莫来石的高熔点性质，可作耐火材料原料。沸石、凹凸棒石、蒙脱石、坡楼石、海泡石等的吸附性和阳离子等交换作用，是上好的环保材料。

　　许多矿物还可用作中药，如石膏有清热作用，朱砂有安神镇静作用，硼砂有清热消炎、解毒防腐的作用。宝石、玉石以其夺目的光彩、硬度和一些特殊的光学性质，成为人们珍爱的装饰品。

矿物是怎样形成的？

矿物是地质作用的产物。根据作用的性质和能量来源，地质作用分为内生作用和外生作用。内生作用的能量源自地球内部，如火山作用、岩浆作用和变质作用。外生作用为太阳能、水、大气和生物所产生的作用（包括风化、沉积作用）。地质作用使矿物发生下列变化：

气态变为固态：火山喷出硫蒸汽或H₂S气体，前者因温度骤降可直接升华成自然硫，H₂S气体与大气中的O₂发生化学反应，形成自然硫。我国台湾大屯火山群和龟山岛就有这样形成的自然硫。

液态变为固态：是矿物形成的主要方式，可分为两种形式：1）从溶液中蒸发结晶。青海柴达木盆地由于长期蒸发，盐湖水不断浓缩而达到饱和，从中结晶出石盐等盐类矿物。2）从溶液中降温结晶。成分极其复杂的高温硅酸盐熔融体――岩浆熔体在上升过程中温度不断降低，当温度低于某种矿物的熔点时，就结晶出该种矿物。随着温度的下降，结晶形成一系列的矿物，一般熔点高的矿物先结晶成矿物。

固态变为固态：主要是由非晶质体变成晶质体。火山喷发出的熔岩流迅速冷却，来不及形成结晶态的矿物，却固结成非晶质的火山玻璃，经过一定时间后，非晶质体会逐渐转变成结晶态的矿物。

河水携带的大量胶体在入海口处与海水相遇，由于海水中含有大量电解质，使河水中的胶体发生胶凝作用，形成胶体矿物，河北庞家堡矿床的鲕状赤铁矿就是这样形成的。

由上可知，矿物都是一定物理化学条件下的产物，当外界条件发生变化时，原来的矿物就会变化，形成另外一种新的矿物，如黄铁矿在地表经过风化作用后，便会成为褐铁矿。