宝石的结晶学和矿物学基础.ppt

第三章 宝石的结晶学和矿物学基础,宝石是一种坚硬耐磨的固体物质，宝石材料经过精心设计和人工琢磨，形成规则的几何形态，发出奇光异彩，映出奇妙花纹，所有这些首先归功于人类的艺术创造，但本质上是归功于宝石材料的结晶学和矿物学性质，因此，结晶学是宝石学重要的基础学科之一，结晶学和矿物学知识对于宝石学家是必不可少的。,第一节结晶学基础,本节学习的重点： 1.晶体与非晶质的区别 2.晶体对称的特点及对称要素 （对称轴、对称面、对称中心的概念） 3.晶体的分类：七大晶系 4.单形、聚形的概念,晶体的世界是一个晶莹绚丽、色彩斑斓的世界。,Emerald,Sapphire,Olivine,什么是晶体 ?,在远古年代，人们在矿业活动中发现了具有规则几何多面体形态的水晶，于是， 晶体的远古定义（从现象）：能自发生长成规则几何多面体外形的固体称为晶体。 这种定义显然是不够严谨的，有些晶体并不发育成几何多面体外形，例如岩石中的晶体小颗粒。晶体能够发育成几何多面体外形仅仅是晶体内部本质的一种外在表现形式，那么，晶体的内部本质又是什么呢?,1895年德国物理学家伦琴(W.C.Rentgen)发现X射线后，1912年德国物理学家劳埃（M.Von Laue）第一次用X射线在实验上证明了晶体的根本特性晶体内部质点在三维空间周期性地排列。 所以，晶体的现代定义（从本质）： 晶体（crystal）是内部质点(原子、离子或分子)在三维空间周期性地重复排列构成的固体物质。这种质点在三维空间周期性地重复排列也称格子构造，所以晶体是具有格子构造的固体。 与此相反，不具格子构造的固态物质为非晶体或非晶态（noncrystal）。,晶体与非晶体结构（平面）示意图 (a)晶体，（b）玻璃（非晶体）,一、晶体与非晶体,1.晶体 是具有格子构造的固体。 内部质点在三维空间有序排列， 晶形的充分发育导致 外部具有一定的几何形态。 如：石榴石、水晶、刚玉等。,石盐的晶体结构,自然界的矿物分为两类：晶体和非晶质体,2.非晶体 是不具有格子构造的固体。 内部质点无规则排列。 如：玻璃、琥珀、 松香、塑料等。,欧泊原石,琥珀,隐晶质的岫玉,隐晶质的玛瑙,二、空间格子（十四种空间格子）,1.定义 由一系列有规律地在三维空间呈周期性 重复排列的几何点（即结点） 所连结的无限的立体几何图形。 它是从具体的晶体结构中抽象出来的。,（1）结点 结点在直线上的排列构成行列 （2）面网 结点在平面上的分布构成面网,2.空间格子的特点 （1）同一行列中及相互平行的行列上，结点间距是 相同的； （2）不同方向的行列中，结点间距通常是不同的。 （3）凡相互平行的面网，其单位面积的节点数 （面网密度）和相邻面网的距离（面网间距） 必定全部相同； （4）互不平行的面网，面网密度一般不同。,空间格子是由结点、行列、面网，平行六面体组成的，其中平行六面体是一个最小的重复单位，也叫晶胞。晶体实际上就是平行六面体（晶胞）在三维空间重复叠置的结果。对不同矿物晶胞的大小不同，也就是说晶棱a, b, c的长度不同,（1）定义 一个空间格子总是可以被三组相交的面网划分成一系列相互平行叠置的一个最小重复单位，那就是单位平行六面体。,3.平行六面体,根据单位平行六面体对称性的不同，空间格子分别归属于7个晶系； 再根据结点在单位平行六面体中的分布情况，将其划分为原始格子、底心格子、体心格子和面心格子。 在晶体中共有14种不同的空间格子型式。,（2）分类,(1) 原始格子(P)：结点分布于平行六面体的8个角顶上。 (2) 底心格子(C)：结点分布于平行六面体的角顶及某一对面的中心。 (3) 体心格子(I)：结点分布于平行六面体的角顶和体中心。 (4) 面心格子(F)：结点分布于平行六面体的角顶和3对面的中心。,晶体的基本性质,晶体的内部构造是由单位晶胞组成的立体空间格子。同一晶体由相同的晶胞组成，晶体种类不同，组成空间格子的形状和大小也不同，这样，就形成了千姿百态、物理和化学性质不同的天然晶体世界。研究和统计表明，晶体有以下五种基本性质：,1、晶体的自限性,指一切晶体在生长过程中，只要具备充分的空间条件，都能自发地形成规则的几何多面体外形的性质。晶体的自限性为我们确定晶体的内部结构、进行晶体分类和鉴定宝石原石晶体提供了宏观依据。如黄铁矿为立方体，祖母绿为六方柱状，金刚石为八面体等。,2、晶体的均一性,对于某晶体，由于同一类型空间格子的周期性重复构筑，决定了晶体中任何一部分所表现的物理化学性质的均一性。基于这一点，同一晶体上切下来的宝石材料都具有相同的物理化学性质。,3、晶体的各向异性,除立方格子外的其余格子，由于不同方向上质点性质和间距不同，因此，晶体在内部和外部性质上也存在差异。如蓝宝石垂直柱体（光轴）切磨时，无二色性，而平行光轴切磨时，则有二色性；又如蓝晶石在不同方向具有不同的硬度，其摩氏硬度随方向变化于5-7之间。,4、晶体的稳定性,指同一成分组成的结晶体物质处于最稳定的状态，即内部质点处于有规律的格子平衡位置，具有最小的内能。对于无序状态的液体和气体，则随着时间的迁移，会有向有序结晶态发展的趋势。晶体的这一特性，为宝石的长久保存提供了有利条件，也为不稳定的宝石（欧泊）提出了需要保护的问题。,5、晶体的对称性,晶体在外形上，相同的晶面，晶棱，晶面夹角有规律的重复，物理性质也是有规律的重复。,三、晶体分类,1.晶体对称： 对称性是晶体的基本性质之一，它是由晶体格子构造的规律所决定的。,对称面,通常描述晶体对称的几何要素包括：对称面、对称轴、对称中心。,2.对称要素：,（1）对称面(P),对称面是一个假想的平面，它将晶体平分为互为镜像的两个相等部分。对称面可以包含晶棱、垂直晶棱并通过它的中心，垂直并平分晶面。 同一晶体内可以包含多个对称面。,（2）对称轴(Ln),对称轴是一根假想的直线，相应的对称操作是围绕此直线的旋转。当晶体围绕此直线旋转一周时，晶体中相同的部分可以重复2次、3次、4次或6次。对应的分别描述为L2、L3、L4、 L6。3次、4次和6次对称轴又称为高次对称轴。,对称中心是一个假想的点，通过此点做任意直线，则在此直线上距对称中心等距离的两端必定可以找到对应点。 晶体若存在对称中心时其晶面必然是两两平行并相等。,4.晶体分类 根据晶体对称性特点，分为七大晶系,晶系,等轴 晶系,六方 晶系,四方 晶系,三方 晶系,单斜 晶系,斜方 晶系,三斜 晶系,根据是否有高次轴及其数量分三大晶族,四、晶体的形态：,1.单形和聚形 （1）单形：单形是由对称要素联系起来的一组晶面的总合。换句话说，单形也就是籍对称型中全部对称要素的作用可以使它们相互重复的一组晶面。因此，同一单形的所有晶面彼此都是等同的。包括开形和闭形。 （2）聚形：两个以上的单形的聚合称为聚形。单形的聚合不是任意的，必须是属于同一对称形的单形才能相聚，所以聚形的对称性和其中的任一单形的对称性相同。,（1）开形：单形的晶面不能够完全包围空间，如四方柱、四方锥、平行双面等。 （2）闭形：单形的晶面能够完全包围空间，如立方体、八面体、四方双锥等。,水晶的聚形,尖晶石的聚形,六方单锥 开形,四角三八面体 闭形,四方双锥 闭形,2.单形的种类,单形的种类共有47种几何单形 a.低级晶族共有7种单形：单面、平行双面、双面、斜方柱、斜方四面体、斜方单锥、斜方双锥。 b.中级晶族共有25种单形，分成六组：柱体组、单锥体组、双锥体组、四方四面体和复三方偏三角面体组、菱面体与复三方偏三角面体组、偏方面体组。 c.高级晶族共有15种单形，分为三组：四面体组、八面体组、立方体组。,(1)低级晶族常见单形,三斜晶系,单面,单斜晶系,平行双面,只有一个面 (无L、P、C),两个面平行 且相等(只有C),双面,两个面以对称面或 对称轴对称且相等,P,斜方晶系,斜方柱(3对平行双 面，横截面为菱形),斜方单锥 (2对双面， 横截面为菱 形),斜方双 锥(4对 双面，横 截面为菱 形),(2)中级晶族常见单形,中级晶族,四方柱 四方单锥 四方双锥 复四方柱 复四方单锥 复四方双锥 四方偏方面体 四方四面体 复四方偏三角面体,三方柱 三方单锥 三方双锥 复方三柱 复三方单锥 复三方双锥 三方偏方面体 菱面体 复三方偏三角面体,六方柱 六方单锥 六方双锥 复六方柱 复六方单锥 复六方双锥 六方偏方面体,以三方晶系单形来分析,以三方晶系单形来分析,三方柱 柱面为三个全等 的矩形,三方单锥 锥面为三个全 等的等腰三角形,三方双锥 锥面为6个全 等的等腰三角形,三方偏方 面体(6个全 等的四边形),菱面体 6个全等的菱形,复三方柱 6个相等的矩形 柱面，与六方柱 的区别是横截面 不是正六边形,复三方双锥 12个全等的三角形 锥面，与六方双锥 的区别是横截面不 是正六边形,复三方单锥 6个全等的三 角形，与六方单 锥的区别是横截面 不是正六边形,(3)等轴晶系的单形,四面体类：,四面体 4个全等的等边三角形,三角三四面体 四面体的每个三角形 晶面分成3个三角形,四角三四面体 四面体的每个三角形 晶面分成3个四边形,五角三四面体 四面体的每个三角形 晶面分成3个五边形,六四面体 四面体的每个三角形 晶面分成6个三角形,(3)等轴晶系的单形,八面体类：,八面体 8个全等的等边三角形,四角三八面体 八面体的每个三角形 晶面分成3个四边形,五角三八面体 八面体的每个三角形 晶面分成3个五边形,三角三八面体 八面体的每个三角形 晶面分成3个三角形,六八面体 八面体的每个三角形 晶面分成6个三角形,(3)等轴晶系的单形,立方体类：,立方体 由两两平行 的6个全等正 方形组成,四六面体 立方体的每 个正方形分 成4个三角形,菱形十二面体 由12个全等的 菱形组成,五角十二面体 由12个全等的 五边形组成,小 结,单面 平行双面,高级晶族,等轴 晶系,四面体 三角三四面体 四角四面体 五角四面体 六四面体,八面体 三角八面体 四角三八面体 五角八面体 六八面体,方体 四六面体 菱立形十二面体 五角十二面体 偏仿复十二面体,(透辉石、月光石),低级晶族,单斜晶系,三斜晶系,斜方晶系,双面,斜方柱 斜方四面体 斜方单锥 斜方双锥,(黄玉 金绿宝石 橄榄石),(日光石),(锆石、方柱石),(电气石、水晶、红宝石),(绿柱石、磷灰石),钻石 石榴子石 尖晶石,2.晶体的规则连生,（1）平行连生：两个或以上的同种晶体彼此平行地连生在一起，连生着的每一个晶体的相对应的晶面和晶棱都相互平行，这种连生称为平行连生。 （2）浮生：两个或多个不同种类的晶体沿一定方向的规则连生；或者两个或多个同种晶体以不同的面网相接合而形成的规则连生称为浮生。 （3）双晶：双晶是两个以上的同种晶体按一定的对称规律形成的规则连生，相邻两个个体的相应的面、棱、角并非完全平行，但它们可借助对称操作-反映，旋转或反伸，使两个个体彼此重合或平行。,双晶按生长的方式可分为下例几种类型：,（1）接触双晶：即仅由两个个体组成的双晶，如尖晶石的双晶； （2）聚片双晶：多个双晶个体以同一双晶律连生，接合面相互平行，如钠长石的聚片双晶； （3）环状双晶：多个双晶个体彼此以同样的双晶律连生，但结合面互不平行，而是依次以等角相交。晶体连生的个数有三连晶、四连晶，等等。金绿宝石的三连晶双晶就是环状双晶的典型例子； （4）穿插双晶：又称贯穿双晶，是单晶个体相互穿插而形成的双晶，十字石双晶和萤石双晶就是典型例子。,金绿宝石的轮式双晶,长石卡氏双晶,水晶的双晶,3.晶面花纹,（1）晶面条纹 晶面上由一系列邻接面构造构成的直线条纹，称为晶面条纹。晶面条纹是晶体在生长过程中形成的，在许多晶体上可以看到，例如石英晶体柱面上的横纹，电气石晶体上的柱面纵纹，黄铁矿立体上三对相互垂直的条纹等。,黄铁矿的晶面条纹,（2）蚀像：晶体的晶面上出现的具有几何形状内凹小坑或者突起的小丘,钻石表面的蚀象,（3）印痕：生长时多个晶体挤压在一起造成的晶面花纹。,第二节矿物学基础,一、矿物的概念 二、矿物的光学特征 三、矿物的力学性质,一、矿物的概念,矿物 指在自然过程中形成的 具有特定晶体结构 和化学成分的无机物， 大多数宝石都属于矿物。,二、矿物的光学特征,1.矿物的颜色 2.条痕 3.光泽 4.透明度,1.矿物的颜色,是眼底视神经对光波的感应而在大脑中产生的感觉。可见光经矿物体选择性吸收后，其残余光的混合色即是该矿物的颜色。,宝石的颜色,2.条痕,将硬度较低的矿物在白色无釉瓷板上刻划后留下的矿物粉末的痕迹，条痕色是指留下的矿物粉末的颜色。矿物的条痕可消除假色，减弱他色，因而比矿物颜色更有鉴定意义。条痕测试是破坏性测试，只能用于未加工的宝石或琢型宝石不显眼的部位。,3.光泽,材料表面反光的能力和特征。它主要与材料的折射率、反光率有关，但也与材料颗粒的集合方式、表面平整程度以及抛光质量和硬度有关。矿物学中，通常按光泽的强弱将光泽分为四级：金属光泽、半金属光泽、金刚光泽和玻璃光泽 。宝石还常见一些特殊的光泽，如：丝绢光泽、珍珠光泽、蜡状光泽、油脂光泽等。,锆石的亚金刚光泽,软玉的油脂光泽,4.透明度,指宝石材料透过可见光光的程度。 分为5个级别：透明、亚透明、 半透明、微透明、不透明。,宝石的不同透明度,三、矿物的力学性质,1.解理 2.断口 3.裂理 4.硬度 5.韧性 6.脆性,1.解理,矿物受外力(敲打、挤压等)作用后,沿着一定的结晶方向发生破裂,并能裂出光滑平面的性质称为解理。解理是由矿物的晶体结构决定的。由于晶体中的化学键力在不同的结晶方向存在差异，导致面网间化学键力最弱的方向易于产生破裂，形成解理。解理按产生的难易程度分为以下几种类型：完全解理、中等解理、不完全解理。,莹石的八面体完全解理,2.断口,晶体或材料受到外力作用发生 的随即的无方向性的破裂。,由于断口常具有一定的形态， 因此可用来作为鉴定矿物的一种辅助特征。 常见的断口类型有： 贝壳状断口、锯齿状断口、土状断口。,3.裂理,刚玉的裂理,是晶体在外力作用下，沿着一定结晶方向裂开的性质。裂开的面称为裂理面。,裂理面的外观和解理面相似。但是裂理的成因与解理不同，裂理有两种成因：一是双晶结合面，特别是聚片双晶的结合面造成裂理；另一种原因是，当细微包裹体或固溶体离溶物分部在某一种面网上，并成为这一方向面网间的夹层重复有地分布时，也可造成裂理。,4.硬度,矿物的硬度是指矿物抵抗外来刻划、 压入或研磨等机械作用的能力。 它是鉴定矿物的重要特征之一。,测定硬度的方法：刻划法、压入法、研磨法、弹跳法等，以前两种方法应用最广。以刻划法为基础的摩氏硬度是最常用的矿物硬度分类。,5.韧性,宝石材料抗拒因敲击发生破裂的能力。,大多数的多晶质材料（玉石）具交织结构，不同颗粒的解理 方向不同，当受到敲击并在表面产生解理或断口裂隙时， 裂隙通常只穿过近表面为数不多的颗粒，不易进入纵深并发生 整体的破坏。这样的材料具有较好的韧性，或者说韧度较高， 例如软玉。,6.脆性,材料受外力作用容易 破碎的性质称为“脆性”。,脆性与宝石材料的晶体结构、 解理发育程度、多晶质材料的 颗粒集合方式等密切相关。 通常情况下，韧度越强，脆性越差； 韧性越差，脆性越强。,本章复习思考题,1什么叫晶体与非晶体 2什么叫矿物？ 3摩氏硬度是什么？,1什么叫晶体与非晶体,晶体： 是具有格子构造的固体。内部质点在三维空间有序排列，晶形的充分发育导致外部具有一定的几何形态。如：石榴石、水晶、刚玉等。 非晶体： 是不具有格子构造的固体。内部质点无规则排列。如：玻璃、琥珀、松香、塑料等。,2什么叫矿物？,矿物:指在自然过程中形成的具有特定晶体结构和化学成分的无机物，大多数宝石都属于矿物。,3摩氏硬度是什么？,摩氏硬度:矿物学家摩斯选择了十种有代表性的矿物，依据他们相互刻划的能力分成十级： 滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石。滑石硬度最低，金刚石硬度最大。,