工程地质课件 第二章 矿物与岩石

12矿物与岩石岩石（土）与矿物的关系及其作用人类的工程活动与地壳的组成物质——岩、土密切相关。当岩石作为地基或建筑材料时，其强度和稳定性影响工程建(构)筑物的造价、正常使用与安全。岩石是在一定的地质条件下形成的。各类岩石具有不同的矿物组合、独特的结构构造及成因等特征，这些特征都影响岩石的强度与稳定，也在一定程度上影响土（岩石风化以后的产物）的性质。组成岩石的各种矿物的成分、性质及其形成环境等因素的不同，也对岩石的强度和稳定性产生影响。2.1矿物(mineral)①矿物的概念、造岩矿物②矿物的形态、晶体③矿物物理性质：颜色、条痕、透明度、光泽、硬度、解理与断口、其它特征等④常见造岩矿物识别与鉴定地壳和地球内部的化学元素绝大多数是以化合物的形态存在（除极少数呈单质存在外），这些具有一2定化学成分和物理性质的自然元素和化合物，称为矿物。每种矿物都具有特定的物理性质、化学特性和外部形态，根据每种矿物特有的外表形态和物理化学性质可以将矿物区分开来。自然界中的矿物是在各种地质过程中不断形成的，同时又经受着各种地质作用的改造，只有在一定的物理化学条件下才是相对稳定的。当外界条件改变到一定程度后，矿物的原来成分、内部构造和性质就会发生变化，形成新的次生矿物。地壳中已发现的矿物有三千多种，除个别以气态(如碳酸气、硫化氢气等)或液态(如水、自然汞等)出现外，绝大多数均呈固态。其中构成岩石的主要矿物称为造岩矿物，大约有二十多种，其中以硅酸盐矿物（斜长石、钾长石、辉石、角闪石、云母、橄榄石和粘土矿物等）及石英最多，约占地球上矿物总量的90%以上。2.1.1矿物的形态矿物常具有一定的外形（根据矿物的外形可以区别一些常见的矿物）：造岩矿物绝大多数是结晶质，少数为非晶质。结晶质的基本特点是组成矿物的原子、离子、分子等基本质点在矿物内部按一定的规律排列，形成稳定的结3晶格子构造(图2-1)。矿物由于质点有规律的排列形成晶格，造成矿物的各向异性，几乎所有矿物的物理特征（导热性、导电性、硬度、光性等）都会表现出某一个方向的各向异性，不同方向具有不同性质，被认为是非均质体。在生长过程中如果条件适宜，能生成具有一定几何外形的晶体(图2-2)。4完好晶体的自然面称为晶面，晶体的形态称为晶形。在不同的物理化学条件下，相同的物质可以形成不同的晶形，如金刚石与石墨，由于其晶体结构的不同，导致矿物的物理性质的天壤之别。各种矿物都有其独特的晶形，它是鉴定矿物的重要依据之一，如食盐是正立方体晶体，石英是六方双锥晶体，方解石多为菱面体，云母则为片状等。实际上自然界中的矿物由于晶体生长受到限制，其外形往往是不规则的，只有在矿物形成过程中有足够的时间和空间，才能形成形态完整的矿物，如黄铁矿因生长条件不同可呈立方体或五角十二面体等。非晶质（玻璃质）的内部质点呈无序排列，无固定几何外形，并经常表现出各向同性的特点，被称为均质体。蛋白石、玛瑙、火山玻璃质等都是非晶质矿物。在自然界，结晶质很少以完整的单体晶形出现，而非晶质物则根本没有规则的单体形态。矿物常常会以许多较小的单体聚集在一起，形成矿物的集合体，因此可按矿物集合体的形态来识别矿物。矿物集合体形态反映了矿物的生成环境。常见矿物集合体形有：(1)晶簇在同一基座上生长出许多同类矿物的晶体群。如水晶簇、方解石晶簇等。5(2)纤维状由许多针状、柱状或毛发状的同种单体矿物，平行排列成纤维状。如石棉、纤维石膏等。(3)粒状大小相近，无规律排列的晶体，聚合在一起形成粒状集合体。依颗粒大小分为粗粒状、中粒状和细粒状。如橄榄石。(4)钟乳状指钙质溶液或胶体。在岩石的孔洞或裂隙中，因水分蒸发，从同一基底向外逐层生长而成的圆锥形或圆柱形矿物集合体。这种集合体最常见于石灰岩溶洞中，如由洞顶向下生长而形成下垂的钟乳体，称为石钟乳；由下向上逐渐生长的称为石笋；石钟乳和石笋相互连接时，就形成了石柱。(5)鲕状胶体物质围绕着某质点凝聚而成一个结核，一个个细小的结核聚合成集合体，形似鱼卵，故称鲕状；若结核颗粒大小如豆者，则称为豆状；形似肾状者，则称为肾状集合体。如赤铁矿可以出现致密块状、鲕状、豆状及肾状等形态，代表不同的成因环境。(6)土状单体矿物已看不清楚，常呈疏松粉末状，由此类矿物聚集而成的集合体称为土状集合体。如高岭土。(7)块状细小的矿物颗粒紧密集合在一起，无一定排列形式形成块状。如蛋白石，块状石英。62.1.2矿物的物理性质矿物的物理性质取决于矿物的化学成分和晶体结构特点。矿物的主要物理性质有光学性质、力学性质以及磁性、压电性等，这些性质是鉴定矿物的主要依据。可用肉眼和简单工具分辨的矿物物理性质为：1．颜色颜色是矿物对不同波长的可见光波吸收和反射程度的反映，取决于其化学成分和内部构造。颜色可分为自色、他色和假色。(1)自色：矿物本身所固有的颜色。如黄铁矿呈现铜黄色、方解石为白色或无色。(2)他色：矿物混入某些杂质所引起的颜色，与矿物的本身性质无关。如纯净的石英晶体是无色透明的，常因有色的杂质混入而呈现紫色（含Fe3+，Mn2＋）、浅黄色（含氧化铁）、浅红色（含Mn2＋，Ti4+）等。(3)假色：当矿物具有裂隙、表面的氧化膜和解理面或对某些矿物转动观察时，由于光的干涉而造成的与矿物本质无关的颜色。如方解石解理面上常出现的虹彩；斑铜矿表面常出现斑驳的蓝色和紫色。2．条痕条痕是指矿物粉末的颜色，一般是指矿物在白色7无釉瓷板上划擦时所留下粉末的颜色。矿物的颜色与矿物的条痕可以一致，也可以不一致。如黄铁矿的颜色是铜黄色，而条痕却是暗绿色；斜长石是白色，条痕也是白色。矿物的条痕可以消除假色、减弱他色，比矿物的颜色稳定，因此可作为鉴定矿物的重要标志之一。透明矿物的粉末因可见光已全反射而呈白色或无色，不透明的金属矿物的条痕色比较固定，它代表了矿物自身的颜色，可作鉴定矿物的标志。如赤铁矿有红色、钢灰色、铁黑色等多种颜色，而条痕总是樱红色。一般地，条痕只适合于低硬度矿物的鉴定。3．透明度透明度是指光线透过矿物的程度，它与矿物吸收可见光的能力、矿物的化学性质与晶体构造和厚度有关。有些看似不透明的矿物，当其磨成薄片时(0.03mm)，却仍然是透明的。根据透明度矿物可以分为：(1)透明矿物：绝大部分光线可以通过矿物，因而隔着矿物的薄片可以清楚地看到对面的物体。如无色水晶、冰洲石(透明的方解石)等。(2)半透明矿物：光线可以部分通过矿物，因而隔着矿物薄片可以模糊地看到对面的物体，如闪锌矿、辰砂等。8(3)不透明矿物：光线几乎不能透过矿物，如黄铁矿、磁铁矿、石墨等。4．光泽光泽是指矿物表面对可见光反射的能力。其强弱取决于矿物的反射率、折射率或吸收系数。根据矿物光泽的强弱一般分为金属光泽和非金属光泽。非金属光泽又细分为半金属光泽、金刚光泽和玻璃光泽。通常由重金属元素组成的矿物光泽强，透明度差。造岩矿物绝大部分属于非金属光泽。光泽与条痕、透明度相互有关，可配合条痕、透明度来判断光泽的等级。肉眼划分金属光泽等级的标志如下：(1)金属光泽呈明显的金属状光亮，反射性很强，类似金属磨光面上的反射光，闪耀夺目。不透明。条痕为黑色。如自然铜、方铅矿、黄铁矿等。(2)非金属光泽按其反光强弱可细分为半金属光泽呈弱金属状光亮，类似于一般金属的光泽，但较为暗淡。半透明。条痕为深彩色（如红、褐等）为主。如辰砂、黑色闪锌矿等。金刚光泽呈金刚石状光亮。半透明或透明。条痕为浅彩色（如浅黄、浅绿……等）及无色、白色。如金刚石、浅色闪锌矿等。玻璃光泽反光如镜，如同玻璃表面所反射的光9泽。透明。条痕为无色或白色。如水晶、萤石、方解石等。如果矿物表面不平，或带有细小孔隙，或不是单体而是集合体，则其表面所反射出来的光量因经受多次折射、反射而增加了散射的光量，从而造成下列特殊光泽：丝绢光泽透明矿物，呈纤维状集合体时，表面具丝绢光亮。如纤维状石膏、石棉等。珍珠光泽透明矿物，在极完全的解理面上具珍珠状光亮。如云母等。油脂光泽透明矿物，解理不发育，在不平坦的断口上具油脂状光亮。如石英、石榴子石磷灰石等。沥青光泽半透明或不透明的黑色矿物，解理不发育，在不平坦的断口上具沥青状光亮。例如锡石、磁铁矿、沥青铀矿等。蜡状光泽某些隐晶质块体或胶凝体矿物表面，呈现出来如石蜡表面呈现的光泽，如蛇纹石、滑石等的光泽；土状光泽粉末状和土状集合体的矿物，表面暗淡无光。如高岭石、褐铁矿等。光泽是鉴定矿物的依据之一，也是评价宝石的重要标志。105．硬度硬度是矿物抵抗外来机械作用(如刻划、压入或研磨等)的能力。矿物的硬度一般采用相对硬度来衡量，即采用两种矿物对刻的方法来确定矿物的相对软硬。硬度对比的标准一直沿用摩氏硬度计（FriedrichMohs，1882），即选用10种不同硬度的标准矿物，按其软硬程度排列成十级用以对比（表2-1）。表2-1摩氏硬度计1度滑石6度正长石2度石膏7度石英3度方解石8度黄玉4度萤石9度刚玉5度磷灰石10度金刚石摩氏硬度只反映矿物相对硬度的顺序，它并不是矿物的绝对硬度等级。在测定某种矿物的相对硬度时，如能被方解石刻动，但不能被石膏刻动，则该矿物的相对硬度在2～3之间，可定为2.5。常见的造岩矿物的硬度，大部分在2～6.5之间，大于6.5的只有石英、橄榄石、石榴子石等少数几种。为了方便起见，常用指甲(2～2.5)、小铁刀(3～3.5)、玻璃片(5～5.5)、钢刀片(6～6.50)来测定矿物的相对硬度。矿物的硬度，对岩石的强度有明显的影响。风化、裂隙、杂质等因素会影响矿物的硬度，因此在鉴定矿物的硬度时，要注意在矿物的新鲜面晶面或解理面上11进行。6．解理和断口矿物受外力打击后会沿一定的方向裂开而形成光滑面的特性称为矿物的解理，光滑的平面称为解理面。另外一些矿物受外力打击后在任意方向破裂并呈各种凹凸不平的断面（如贝壳状、锯齿状等），称为断口。矿物之所以能产生解理，是由于矿物内部质点按某种特殊规则排列，并形成一些薄弱面，因此解理仅发生在晶质矿物中。不同的晶质矿物，由于其内部构造不同，在受力作用后开裂的难易程度、解理组数以及解理面的完全程度也有差别。根据矿物解理组数不同可分为一组解理（如云母等）、二组解理（如长石等）、三组解理（如方解石等）及四组解理（如萤石等）等。根据解理面的完全程度，可将解理分为：(1)极完全解理矿物在外力作用下极易裂成薄片，解理光滑平整，很难发生断口。如云母、石墨等；(2)完全解理矿物在外力作用下易沿解理方向分裂成平面（不成薄片），解理面平滑，较难发生断口。如方解石、莹石等；(3)中等解理矿物在外力作用下可以沿解理方12向分裂成平面，解理面不甚平滑，断口较易出现。如普通辉石、角闪石等；(4)不完全解理矿物在外力作用下，不易裂出解理面，易成断口。如磷灰石等。(5)极不完全解理（即无解理）矿物在外力作用下极难出现解理面，常为断口。如石英、石榴子石等。不同的解理组数和解理发育程度，使不同矿物各具独特的外形特征。如云母可以揭成一层层的小薄片是因为云母具有一组极完全解理，方解石打碎后仍然呈菱面体是因为方解石具三组完全解理。矿物解理的完全程度和断口互为消长。在容易出现解理的方向上一般不易出现断口；解理不完全或无解理时，则断口发育。断口在晶质或非晶质矿物上均可发生，并且断口常具有一定的形态，可作为鉴定矿物的一种辅助特征。矿物断口的形状主要有下列几种：(1)贝壳状断口呈圆形的光滑面，面上常出现不规则的同心纹，形似贝壳状。如石英等。(2)锯齿状断口呈尖锐的锯齿状，延展性很强的矿物具此种断口。如自然铜等。(3)参差状断口面参差不齐、粗糙不平，大多数矿物具此种断口。如磷灰石等。13(4)土状为土状矿物（如高岭石等）所特有的粗糙断口，断口面细粉状。一般可以根据解理是否发育、解理面的平整程度、解理的组数及其交角的特点等来鉴定矿物，但应注意晶面与解理面的区别。7．其它特征（1）比重：根据矿物的比重大小来鉴别矿物，如方铅矿、重晶石、黑钨矿等大比重矿物，手感很沉。（2）其它：滑石有滑腻感；方解石遇盐酸起泡；磁铁矿具有磁性；云母具有弹性；绿泥石具有挠性；部分石英具有压电性；莹石具有发光性等，都可以作为鉴别矿物的依据。2.1.3常见造岩矿物及