矿物的力学性质包括矿物的比重、硬度、解理、裂开和断口、弹性和挠性、延展性。
矿物的比重
物的比重是指纯净、均匀的单矿物在空气中的重量与同体积水在4℃时重量之比。如果矿物在空气中的重量为P克,同体积水在4℃时的重量为P1克,则Dm=P/(P-P1)。
矿物的密度(D)是指矿物单位体积的重量,度量单位为克/立方厘米(g/cm3)。矿物的比重在数值上等于矿物的密度。 矿物比重的变化幅度很大,可由小于1(如琥珀)至23(如饿钉族矿物)。自然金属元素矿物的比重最大,盐类矿物比重较小。 矿物比重可分为三级: 轻级 比重小于2.5。如石墨(2.5)、自然硫(2.05-2.08)、食盐(2.1-2.5)、石膏(2.3)等。 中级 比重由2.5到4。大多数矿物的比重属于此级。如石英(2.65)、斜长石(2.61-2.76)、金刚石(3.5)等。 重级 比重大于4。如重晶石(4.3-4.7)、磁铁矿(4.6-5.2)、白钨矿(5.8-6.2)、方铅矿(7.4-7.6)、自然金(14.6-18.3)等。 矿物的比重决定于其化学成分和内部结构,主要与组成元素的原子量、原子和离子半径及堆积方式有关。此外矿物的形成条件--温度和压力对矿物的比重的变化也起重要的作用。 应该指出,同一种矿物,由于化学成分的变化、类质同象混入物的代换、机械混入物及包裹体的存在、洞穴与裂隙中空气的吸附等等对矿物的比重均会造成影响。所以,在测定矿物比重时,必须选择纯净、未风化矿物。
矿物的硬度
矿物的硬度是指矿物抵抗外来机械作用力(如刻画、压入、研磨等)侵入的能力。
早在1822年,Friedrich mohs提出用10种矿物来衡量世界上最硬的和最软的物体,这是所谓的摩氏硬度计。按照他们的软硬程度分为十级:
1)滑石 6)正长石 2)石膏 7)石英 3)方解石 8)黄玉
4)萤石 9)刚玉
5)磷灰石 10)金刚石10
各级之间硬度的差异不是均等的,等级之间只表示硬度的相对大小。 利用摩氏硬度计测定矿物硬度的方法很简单。将预测矿物和硬度计中某一矿物相互刻划,如某一矿物能划动方解石,说明其硬度大于方解石,但又能被萤石所划动,说明其硬度小于萤石,则该矿物的硬度为3到4之间,可写成3-4。 指甲的硬度为2.5、小刀的硬度为5.5。因而它把矿物的硬度粗劣的划分为小于指甲(<2.5)、指甲与小刀之间(2.5-5.5)和大于小刀(>5.5)三个级别。 风化、裂隙、杂质以及集合体方式等因素会影响矿物的硬度。风化后的矿物硬度一般会降低。有裂隙及杂质的存在,会影响矿物内部连接能力,也会使硬度降低。集合体如呈细粒状、土状、粉末状或纤维状,则很难精确确定单体的硬度。因此测试矿物硬度要尽量在颗粒大的单体的新鲜面上进行。有时某些矿物具明显脆性,当他被小刀刻化时极易碎裂成小粒脱落,这并非表示该矿物的硬度小于小刀。 有时在同一矿物的相同晶面的不同方向上,会测定出不同的硬度数值,这就是矿物晶体的硬度的异向性。由于在同一截面上,不同方向的行列中质点排列的密度不同,沿着质点排列紧密的行列刻画较为容易,而垂直质点排列紧密的行列刻划则较为困难。 再如晶体内部结构的缺陷、机械混入物等等也要影响矿物的硬度。 矿物的硬度是矿物的重要物理常数和鉴定标志。某些矿物的硬度的细微变化常与形成条件有关,因此根据硬度可以探讨矿物的成因。 矿物的硬度在工业技术上有重要意义。例如高精度的金刚石广泛的用于研磨、切割、抛光等重要工具,低硬度的石墨是重要的固体润滑剂。
矿物的解理
解理、裂开与断口都是矿物在外力作用下发生破裂的性质。但它们的特点及决定因素各有不同。 矿物晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破裂,并且能裂出光滑平面的性质称为解理,这些平面称为解理面。解理是晶体异向性的表现之一,矿物晶体的解理严格受其内部结构的控制。解理面一般平行于面网密度最大的面网、阴阳离子电性中和的面网、两层同号离子相邻的面网以及化学键力最强的方向。 例如石墨,在平行{0001}方向易裂成解理,这是由于石墨具有层状结构,层内原子间距(c-c)为1.42A,层间距离为3.40A;层内为共价解以及派键,层间为分子键。所以层与层间连接力较弱,解理就沿层的方向{0001}产生。 根据晶体在外力的作用下裂成光滑的解理面的难易程度,可以把解理分成下列五级:
1)极完全解理 矿物在外力作用下极易裂成薄片。解理面光滑、平整,很难发生断口。例如云母、石墨、石膏等。 2)完全解理 在外力作用下,很易沿解理方向列成平面(不成薄片)。解理面平滑,较难发生断口。如方解石、方铅矿、萤石等。 3)中等解理 在外力作用下,可以沿着解理方向裂成平面。解理面不太平滑,断口易出现。如白钨矿、普通辉石等。 4)不完全解理 矿物在外力作用下,不容易裂出解理面。解理面不平整,容易成为断口。如磷灰石等。 5)极不完全解理 (即无解理)矿物受外力的作用后,极难出现解理面。在碎块上常为断口。如石英、石榴子石等。
裂开与断口
裂开与断口也是矿物在外力作用下发生破裂的性质。
从现象上看,裂开与解理很相似,但它们的成因不同。裂开产生原因大致是: 1)裂开面可能是沿着双晶接合面特别是聚片双晶接合面发生。 2)裂开面的产生还可能是因为沿某一种面网存在有它种成分的细微包裹体,或者是固溶体离溶物,这些物质作为该方向面网间的夹层,因而使得矿物产生裂开,如磁铁矿沿{111}方向裂开。 我们可以这样认为,裂开只发生在某一矿物种的某些矿物个体中,在另一些个体中可以没有;而对于解理来说,凡是具有解理的矿物种,其所有矿物个体中都存在解理。 对于某些矿物来说,裂开可作为一种鉴定特征,有时还可以帮助分析矿物成因和形成历史。 断口在晶体或非晶体矿物上均可发生。断口常具有一定的形态,因此也是鉴定矿物的特征之一。矿物断口的形状主要有下列几种: 1)贝壳状 断口呈圆形的光滑曲面,面上常出现不规则的同心条纹。如石英和玻璃质体。 2)锯齿状 断口呈尖锐的锯齿状。延展性很强的矿物具有此种断口。如自然铜。 3)参差状 断口面参差不齐,粗糙不平,大多数矿物具有此种断口。如磷灰石。 4)土状 港口面呈细粉状,断口粗糙,为土状矿物所特有。如高龄石。
弹性与挠性
矿物受外力作用发生弯曲形变,但当外力作用取消后,则能使弯曲形变恢复原状,此性质称为弹性。例如云母、石棉等矿物均具有弹性。
如当外力作用取消后,歪曲了的形变不能恢复原状,则此性质称为挠性。例如滑石、绿泥石、至石等矿物均有挠性。 弹性的实质是:一些层状结构的矿物,其单位层之间存在着一定的离子键连接力,当受外力弯曲时,这些离子键也被拉长或压短,各单位层能够变弯和移动。当外力取消后,这些离子键恢复正常,并使各个单位层恢复到原位。 具挠性的矿物,在其内部结构中,单位层与层之间,靠余键相连,当它受外力弯曲时,两层之间可相对移动,能够形成新的余键而处于平衡,没有恢复力,因而弯曲后不能恢复原状。
延展性
矿物在锤击或拉引下,容易形成薄片和细丝的性质称为延展性。通常温度升高,延展性增强。 延展性是金属矿物的一种特性,金属键的矿物在外力作用下的一个特征就是产生塑性形变,这就意味着离子能够移动重新排列而失去粘接力,这是金属键矿物具有延展性的根本原因。金属键程度不同,则延展性也有差异。
自然金属矿物,如自然金、自然银、自然铜等都具有良好的延展性。 当用小刀刻划具有延展性的矿物时,矿物表面被刻之处立即留下光亮的沟痕,而不出现粉末或碎粒,据此可区别于脆性。 |