[科普中国]-矿物学

概念与应用

矿物学是研究矿物的化学成分、晶体结构、形态、性质、成因、产状、共生组合、变化条件、时间与空间上的分布规律、形成与演化的历史和用途以及它们之间关系的一门学科，是地质学的分支学科。

许多生产部门，如采矿、选冶化工、建材、农药农肥、宝石以及某些尖端科学技术都离不开矿物原料。因此，矿物学研究不仅有理论意义，而且对矿物资源的开发和应用有重要的实际意义。1

发展简史早在石器时代，人类就已知道利用多种矿物如石英、蛋白石等制作工具和饰物，以后又逐渐认识了金、银、铜、铁等若干金属及其矿石，从而过渡到铜器和铁器时代。在中国成书于战国至西汉初的《山海经》，记述了多种矿物、岩石和矿石的名称，有些名称如雄黄、金、银、垩、玉等沿用至今。

古希腊学者亚里士多德把同金属相似的矿物归为“似金属类”，他的学生泰奥弗拉斯托斯在其《石头论》中把矿物分成金属、石头和土三类。在这以后的一段时间里，特别是欧洲中世纪，中国西汉中期，在矿物方面只有个别的记述，没有明显进展。

到了18、19世纪，矿物的研究得到了多方面进展，逐步建立起理论基础，丰富了研究内容和研究方法，形成了一门学科。16世纪中叶阿格里科拉较详细地描述了矿物的形态、颜色、光泽、透明度、硬度、解理、味、嗅等特征，并把矿物与岩石区别开来。

中国李时珍在成书于1578年的《本草纲目》中描述了38种药用矿物，说明了它们的形态、性质、鉴定特征和用途。瑞典的贝采利乌斯作了大量的矿物化学成分鉴定，采用了化学式，并据此进行了矿物分类。德国化学家米切利希提出了类质同象与同质多象概念，出现了矿物学研究的化学学派。

产生于这一时期的矿物学的另一学派是结晶学派。他们在几何结晶学及晶体结构几何理论方面获得了巨大的成就。此外，索比于1857年制成显微镜的偏光装置，推进了矿物的鉴定和研究。这一方法至今被沿用和发展着。

1912年德国学者劳厄成功地进行了晶体对X射线衍射的实验，从而使晶体结构的测定成为可能，并导致矿物学研究从宏观进入到微观的新阶段。大量矿物晶体结构被揭示，建立了以成分、结构为依据的矿物的晶体化学分类。

20世纪中期以来，固体物理、量子化学理论以及波谱、电子显微分析等微区、微量分析技术被引入，使矿物学获得了新进展，建立了矿物物理学。矿物原料和矿物材料得到更广泛的开发。开展了矿物的人工合成，高温、高压实验和天然成矿作用模拟。矿物学、物理化学和地质作用的研究相结合的分支学科成因矿物学和找矿矿物学逐步形成，使矿物学在矿物资源的寻找与开发方面获得了更广泛的应用。1

研究领域矿物学还是研究矿物原料和材料的寻找、开发和应用的基础。因此，它与找矿勘探地质学、采矿学、选矿学、冶金学、材料科学的关系也很密切。此外，矿物学运用数学、化学和物理学的理论和技术，并彼此相互渗透和结合，还产生了如矿物物理学等新的边缘学科。矿物学的研究领域日益的扩大，由地壳矿物到地幔矿物和其他天体的宇宙矿物，由天然矿物到人工合成矿物；矿物学的研究内容由宏观向微观纵深发展，由主要组分到微量元素，由原子排列的平均晶体结构到局部具体的晶体结构和涉及原子内电子间及原子核的精细结构；矿物学在应用领域的迅速发展。

矿物学的研究成果除在地质学研究和找矿工作中进一步得到应用外，矿物本身的研究目标还在于从中获得具有各种特殊性能的矿物材料，这方面的研究具有广阔的发展前景。1

分支学科矿物形貌学

研究矿物晶体形态和表面微形貌，并据此探索其生长机制和生成历史。

成因矿物学

研究矿物个体和群体的形成，结合物理化学和地质条件，探索矿物的成因。研究矿物成分、结构、形态、物性上反映生成条件的标志──标型特征。成因矿物学已应用于地质找矿，并逐渐形成找矿矿物学

实验矿物学

通过矿物的人工合成，模拟和探索矿物形成的条件及规律。

结构矿物学

探索矿物晶体结构，研究矿物化学成分与晶体结构的关系，进而探讨矿物成分、晶体结构与形态、性能、生成条件的关系。

矿物物理学

是固体物理学、量子化学理论及谱学实验方法引入矿物学所产生的边缘学科。这一学科的发展使矿物学的研究从原子排列深入到原子内部的电子层和核结构。它研究矿物化学键的本质、精细结构与物理性能。

光性矿物学

主要探讨显微镜下，矿物的各种光学性质和镜下测定各种矿物光学常数的方法。已建立起完备的以矿物光学常数为依据的矿物鉴定表，它是矿物鉴定的主要手段之一。

矿物材料学

是矿物学与材料科学相结合的新分支。研究矿物的物理、化学性能和工艺特性在科学技术和生产中的开发应用。

其它

此外，尚有按分类体系系统地阐述各类矿物的系统矿物学；以某类矿物为对象的专门研究，如硫化物矿物学、硅酸盐矿物学、粘土矿物学、宝石矿物学等；全面研究某一地区内矿物的区域矿物学，研究地幔矿物的地幔矿物学；研究其他天体矿物的宇宙矿物学（包括陨石矿物学、月岩矿物学等）。2

研究方法野外研究方法包括矿物的野外地质产状调查和矿物样品的采集。室内研究方法很多。手标本的肉眼观察，包括双目显微镜下观察和简易化学试验，是矿物研究必要的基础。偏光和反光显微镜观察包括矿物基本光学参数的测定广泛用于矿物种的鉴定。矿物晶体形态的研究方法包括用反射测角仪进行晶体测量和用干涉显微镜、扫描电子显微镜对晶体表面微形貌的观察。检测矿物化学成分的方法有光谱分析，常规的化学分析，原子吸收光谱、激光光谱、X射线荧光光谱和极谱分析，电子探针分析，中子活化分析等。在物相分析和矿物晶体结构研究中，最常用的方法是粉晶和单晶的X射线分析，用作物相鉴定，测定晶胞参数、空间群和晶体结构。

此外，还有红外光谱用作结构分析的辅助方法，测定原子基团；以穆斯堡尔谱测定铁等的价态和配位；用可见光吸收谱作矿物颜色和内部电子构型的定量研究；以核磁共振测定分子结构；以顺磁共振测定晶体结构缺陷(如色心);以热分析法研究矿物的脱水、分解、相变等。透射电子显微镜的高分辨性能可用来直接观察超微结构和晶格缺陷等，在矿物学研究中日益得到重视。为了解决某方面专门问题，还有一些专门的研究方法，如包裹体研究法，同位素研究法等。矿物作为材料，还根据需要作某方面的物理化学性能的试验（见地质仪器）。

矿物是结晶物质，具有晶体的各种基本属性。因此，结晶学与化学、物理学一起，都是矿物学的基础。历史上，结晶学就曾是矿物学的一个组成部分。矿物本身是天然产出的单质或化合物，同时又是组成岩石和矿石的基本单元，因此矿物学是岩石学、矿床学的基础，并与地球化学、宇宙化学都密切相关。2

发展规律

矿物学科的发展具有悠久的历史，几乎与人类的文明同步。随着人类对自然需求的不断提高以及科学技术的进步，矿物学经历了从描述矿物学、晶体结构和微区研究、到以学科交叉为特征的现代矿物学几个阶段。19世纪中叶以前，人类对于矿物的认识尚处于萌芽阶段，此时只是人类已经能够用肉眼对矿物进行外表特征鉴定，并认识了一些矿物性质并加以利用，可称之为“描述矿物学”阶段。此后，偏光显微镜(19世纪中叶)、x射线(20世纪初)、物理化学和相平衡理论(20世纪30年代)不断引入矿物学，每一次都引发了矿物学研究的深刻变革和巨大进步，这个阶段是以矿物内部微观现象和晶体结构研究为特征的。20世纪60年代以后，物理学和化学学科中的一些近代理论，如晶体场理论、能带理论被应用于矿物学研究，一系列新技术和谱学手段的建立，如扫描隧道显微镜、同步辐射等大科学装置在矿物学研究中的运用，特别是高温高压等实验技术的实现以及电子计算机技术的快速发展等，促使古老的矿物学发生了全面深刻的变化，进入了可以从宏观到微观对矿物进行全面认识的现代矿物学阶段。

从矿物学分支学科的名称来看，我们也能窥见矿物学的发展特点。矿物学分支学科名称大体上有两类：一类是从研究内容角度划分的，如矿物化学、晶体化学、结构矿物学、晶体形貌学、矿物物理、成因矿物学和找矿矿物学、应用矿物学等，分别大致对应着矿物研究的化学组成、内部结构、外表形态、物理性质和化学性质、形成和变化的条件等。还有一类则是从学科交叉的角度，诸如矿物学与材料科学交叉可称之为材料矿物学、与生命科学融合产生生物矿物学等。图2所示的就是矿物学与其他基础学科交叉融合衍生出来的边缘学科，从这个角度，有学者甚至建议将矿物学升格为“矿物科学”一级学科，以便与其他一级学科相对应，是有相当的道理的(汪灵，2005)。这从一个侧面也说明：矿物学业已逐步摆脱作为基础学科的地位，进入了深度的跨学科的联合的领域3。