晶体矿物与岩石

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1、 材料岩相分析第二章 晶体、矿物与岩石一. 对称性：对称就是一些相等的部分（图形）能通过一定的操作（如反映，旋转，反伸）而发生重复现象。如图1-8a反映，如图1-8b旋转。若相等部分不能通过一定的操作而重复，就不是对称，见图1-9。2-1 晶体的宏观对称晶体上相等的晶面、晶棱及角顶皆作规律的排列，因此，晶体具有对称性。它是其内部格子构造的反映，因此，晶体的对称不仅体现在外形上，同时也体现在物理性质上。由于这些特点，所以晶体的对称可以作为晶体分类的基础。二. 对称操作及对称要素研究晶体的对称规律，可对晶体进行一定的操作，以观察相等部分（晶面，晶棱，角顶）是否按一定的规律重复出现，这样的操作为对称

2、操作。有时为一种简单的操作，有时为连续两种不同的复杂操作。 在进行对称操作的时候，需要借助一些假想的辅助几何要素（平面，直线或点），如对称面，旋转轴等，将这些称为对称要素。每有一种对称操作，就有一种相应的对称要素。晶体外形对称中可能存在的对称要素及其相应的对称操作如下：1. 对称面（P）相应的对称操作是对平面的反映。对称面是个假想的平面，它能把晶体分成互为镜像反映的两部分。图1-10（a）中，P1和P2是对称面，但（b）中的AD不是对称面。晶体对称面必定通过其几何中心，且垂直平分某些晶面、晶棱或包含某些晶棱 （图1-11)。晶体中可以没有对称面，也可以有若 干个，最多可达9个。在描述中一般把数

3、 目写在符号P前面，如立方体有9个对称 面，记作9P（图1-11）。 2. 对称轴（L）相应的对称操作是围绕直线的旋转。对称轴是一根过晶体中心的假想直线，晶体绕此直线旋转一定角度后，可使相等部 分重复，旋转一周重复的次数称为轴次（n）重复时所旋转的最小角度称为基转角（）。n 360/ 。晶体外形上可能出现的对称轴有一次轴 L 、二次轴 L2 、三次轴 L3 、四次轴 L4 和六次轴 L6 。一次轴 L无实际意义。轴次高于2的对称轴称为高次轴。图 1-12 表示晶体的各种对称轴。晶体中不可能出现五次对称轴（L5）及高于六次的对称轴（L7,L8），这是由于它们不符合空间格子的规律。在空间格子中，垂

4、直对称轴一定有面网存在，此时，只有按L1、L2、L3、L4、L6五种对称轴的对称要求排布的结点所构成的面网的网孔，才能不留间隙地排满整个平面（图1-13中的a、b、c、e）。除此之外的任意轴次所对应的面网网孔，都不能无间隙的排满整个平面（图1-13中的d、f、g），而且这样的网孔在相同的行列方向上结点间距不等（图1-13中的d、f、g），显然后一种情况是不符合空间格子理论的。对称轴数目写在符号前面，如 3L4，4L2。3. 对称中心（C） 相应的对称操作是对 于一个点的反伸（倒反）。对称中心是晶体内一个假想的点，过此点作任意直线，则在此直线上距对称中心等距离的两端上必定出现晶体上的相等部分，如

5、图1-14 。把晶体任一晶面平放以后，看上面是否有形状相同、大小相等而又与之平行反向的晶面存在，就可以确定有无 C 。晶体的对称中心就是晶体的几何中心，数目只可能有一个。但晶体的几何中心不一定都是对称中心，晶体也可没有对称中心，如四方四面体。4. 旋转反伸轴（Lin）（又称倒转轴）相应的对称操作是围绕一根直线的旋转和对此直线上一个点反伸的复合操作。与对称轴的情况一样，旋转反伸轴也只可能有Li1、Li2、Li3、Li4及Li6。其作用如图1-16所示。旋转反伸轴是一根假想的直线，见图1-15中的四方四面体。Li4 轴为四次旋转反伸轴。除Li4外，其余各种旋转反伸轴都可以用其他简单的对称要素或它们

6、的组合来代替，其间的关系如下（参看图1-16）：Li1C Li2P Li3 L3 + C Li6 L3 + P ( P L3 ) 。常用的旋转反伸轴为 Li4 和 Li6 。5. 旋转反映轴（LnS） 相应的对称操作为旋转加反映的复合操作。旋转反映轴为一根假想的直线。旋转反映轴也只可能有LS1、LS2、LS3、LS4及LS6 。见图1-16，也有关系，LS1PLi2 LS2CLi1 LS3 L3 + P（P L3） Li6 LS4 Li4 LS6 L3 + C Li3三 . 对称要素的组合在结晶多面体中，可以只有一个对称要素单独存在，也可以有若干个对称要素组合在一起共同存在。例如钠长石晶体，它

7、只有一 个C ，正长石晶体有L2PC，磁铁矿晶体则有3L44L36L29PC 。结晶多面体中，全部对称要素的组合，称为该结晶多面体的对称型。由于在结晶多面体中全部对称要素相交于一点，在进行对称操作时至少有一点不移动，因此，对称型也称为点群。根据结晶多面体中可能存在的对称要素和对称要素组合规律，可以推导出晶体中可能出现的对称型共32种 。四. 晶体的分类由于对称是晶体的基本性质，晶体的对称既具有普遍性，又具有特殊性，因而它是晶体分类的基础。根据对称，首先把对称型相同的所有晶体归为一类，称为晶类。晶体中存在32种对称型，就相应有32个晶类。根据是否有高次轴以及有一个或多个高次轴，把32种对称型归纳

8、为低、中、高三个晶族。又根据三个晶族对称特点的不同，再划分为七个晶系。低级晶族根据 L2 或 P 的有无、多少划分为 3个晶系。中级晶族根据有一个高次轴的轴次划分为 3个晶系。高级晶族（有4L3）不划分，称为等轴晶系或立方晶系。分类体系见表1-3。根据外形，可将晶体分成两类，一类是晶体理想发育时，晶体上只出现一种同形等大 的晶面，这样的晶体称为单形（图1-23）。另一类是在晶体理想发育中出现了两种以上不同形态的晶面，相当于两种以上单形的 聚合，这样的晶体称为聚形，见图1-26。2-2 晶体的形态一. 单形1. 单形的推导：晶体上所有同种晶面的存在不是孤立的，而是由对称要素密切联系着的，所以只要

9、知 道了晶体的对称要素和单形中任一晶面的位 置时，就可以利用对称要素，通过相应的对 称操作，把该晶形的全部晶面推导出来。如在对称型L22P中（图1-24），可推导出五种单形，晶面与对称要素的相对位置 有七种（见图1-25）。每一个对称型中，单形晶面与对称要素的相对位置最多只可 能有七种，因此，同一对称型中，最多能 推导出七种单形。如果在32种对称型中逐一地考虑晶面与对称要素间可能取向关系时，便可推导出晶 体可能有的全部单形，共有146种。但在146种单形中，单就几何形态讲，它们有些是相同的（如四方柱），在几何形态 上不同的单形共有47种 。2. 47种单形现将它们按低、中、高级晶族分别描述如下

10、（见表1-4 ）：（1）.低级晶族的单形共有7种：单面，平行双面，双面，斜方柱，斜方四面体，斜方单锥，斜方双锥。（2）. 中级晶族除上述的单面和平行双面外，尚有25种单形： 柱类：三方柱，复三方柱，四方柱，复四 方柱，六方柱，复六方柱。 单锥类：三方单锥，复三方单锥，四方单锥，复四方单锥，六方单锥，复六方单锥； 双锥类：三方双锥，复三方双锥，四方双锥，复四方双锥，六方双锥，复六方双 锥。 四方四面体：四方四面体由互不平行的四个等腰三角形晶面所组成。相间两个晶 面以底边相交，其交棱的中点为L4i的出露 点，上下交棱错开90，通过中心的横切面为正四方形。复四方偏三角面体：将四方四面体的每一晶面平分

11、成两个不等边的偏三角形晶面，由这样八个晶面所组成的单形。 菱面体与复三方偏三角面体如果设想将菱面体的每一晶面分为两个不等边的偏三角形面，则由这样的十二个晶面所组成的单形即为复三方偏三角面体。围绕L3它的上部六晶面与下部六个晶面交错排列，通过中心的横切面为复六方形。 偏方面体类：组成本类单形的晶面都呈具有两个等边的偏四方形（图1-56），与双锥类似，上部与下部的晶面分别各自交高次轴于一点，但不同的是围绕高次轴上下部的晶面错开了一定的角度。三方偏方面体：上下部各有三个晶面；四方偏方面体：上下部各有四个晶面；六方偏方面体：上下部各有六个晶面。（3）. 高级晶族的单形：高级晶族共15个单形，分三组：

12、四面体组：四面体：由四个等边三角形晶面组成。三角三四面体：犹如四面体每个晶面突起分为三个等腰三角形而成。四角三四面体：犹如四面体每个晶面突起分为三个四角形晶面而成（图1-57c）。五角三四面体：犹如四面体每个晶面突起分为三个五角形晶面而成（图1-57d）。（三角）六四面体：犹如四面体每个晶面突起分为六个不等边三角形而成（图1-57e）。 八面体组：由八个等边三角形晶面所组 成，晶面垂直L3。与四面体组情况类似，设想八面体的每一个晶面突起分为三个晶面，根据晶面的形状分别可形成三角三八 面体，四角三八面体，五角三八面体。设 想每个晶面突起平分为六个不等边三角形 则形成（三角）六八面体。 立方体组：

13、立方体（三角）四六面体：设想立方体每个晶面突起平分为四个等腰三角形晶面而成。五角十二面体：设想立方体每个晶面突起平分为两个具有四个等边的五角形晶面 而成。偏方复十二面体：设想五角十二面体的每个晶面再突起平分为两个具有两个等长邻边的偏四方形晶面而成。菱形十二面体：由十二个菱形晶面所组成，晶面两两平行，相邻晶面夹角为 90或120。对上述47种单形，又可将它们作如下几种划分：（1）开形和闭形：凡是单形的晶面不能封闭一定空间者称为开形；例如平行双面， 各种柱类等等。反之，凡是其晶面可以封 闭一定空间者，则称为闭形；例如各种双 锥以及等轴晶系的全部单形等等。显然， 开形不能单独出现在晶体上，只能出现在

14、 聚形晶体上。（2）左形和右形：同一种单形会具有两种相反的形态，就称为其左右形，如偏方面体、五角三四面体和五角三八面体都有左形和右形之分。二. 聚形晶体大多数呈聚形，属于低中级的晶体尤其如此。由两个或两个以上的单形聚合 而成的晶形称为聚形，见图1-26中的粗线画出的，是四方柱、四方双锥组成的聚形。由于聚形中不同单形的晶面与对称要素的相对位置不同，晶面大小也不同。因此，根据聚形中不同晶面的种数，就可以知道组成这一聚形的单形的数目。但聚形中的单形晶面形状往往已发生变化。因此，要想得到某一单形的形状，可以假设其它单形消失，而使某一单形的所有晶面同时扩展相交（见图1-26中细线）。只有属于同一对称型的

15、单形才能聚合在一起形成聚形，出现在同一晶体上。这是因为晶形是内部构造的反映，具有同一构造、同一对称的晶体，在外形上无论如何也不会呈现出两种对称不同的单形来。研究聚形时，最重要的工作在于分析聚形是由哪些单形聚合而成的。分析步骤如下：1）找出全部对称要素。首先确定对称型，再确定晶系。2）观察聚形上有几种不同的晶面，从而确定有几种单形。3）确定每种单形是由几个晶面构成的。4）根据每一个单形的晶面数目、晶面的相对位置以及晶面与对称要素之间的关系，确定每种 单形的名称。以图1-26为例，该聚形属于L44L25PC对称型，属四方晶系；观察可知，该聚形是由两种单形组成的：一种是有四个晶面，都与L4平行；另一

16、种有八个晶面，都与L4交于上下各一点。在表 1-3 的 L44L25PC 栏中查对，根据两种单形晶面各自的特征，可确定该聚形是由四方柱和四方双锥组成。一. 矿物的概念矿物是地壳中的化学元素，经过各种地 质作用所形成的，并在一定的条件下相对 稳定的单质或化合物，是岩石和矿石的组 成单位。矿物具有比较均一的成分和内部 结构，因此它们是具有一定的几何形态、 物理性质和化学性质的自然物体。如石英 ，长石，高岭石，等等。 2-3 矿物目前，人类发现的矿物已有三千多种 。此外，人们在实验室条件下和生产过程 种得到许多人工合成的矿物，如人造金刚 石，人造水晶，水泥熟料中的A矿，B矿等，它们在成分上、性质上与自然矿物类 似，但又不是地质作用的自然产物，称为 “人造矿物”或“工艺矿物”。硅酸盐工业的发展与矿物有密切的关系，水泥、陶瓷、玻璃、耐