矿物的化学成分如何获得

1. 矿物的化学成分

矿物是地球物质中通过物理手段可分离的最基本组成单元，但并不意味着它是不可再分的。如同其他的宇宙物质一样，矿物的最基本的组成单元就是化学元素的原子或离子。这些原子或离子按一定的空间结构通过各种化学键相互联结起来，就构成了矿物的晶体。目前，在天然产出的矿物当中，已发现的化学元素有 86 种之多 (表1-1) ，其中只有 8 种元素 (表1-2) 组成了大陆地壳的 98%以上。这 8 种元素基本上构成了几乎地壳中所有的矿物，一般称其为造岩元素。

表1-1 元素地球化学分类

(据 G. Faure (1998) 和 V. M. Goldschmidt，T. Barth and W. Zachriasen (1926) 修改)

从上述 8 种元素在地壳中所占的体积比例来看，整个地壳基本上由氧原子所充填(占地壳的 93. 77% ) ，而其他元素的原子只是充填于氧原子所留下的孔隙之间。也可以看出这些元素所组成的化合物———矿物，以硅酸盐和铝硅酸盐占绝大多数。

表1-2 大陆地壳中含量最多的 8 种元素

①选自 G. Faure，1998; ②选自 G. R. Thompson and J. Turk，1993; ③选自 B. Mason and C. B. Moore，1982。

除了 8 种主要的元素构成了大陆地壳中的绝大多数矿物外，其他元素要么以微量元素或者叫分散元素 (1 ×10^{－ 6}级) 进入到主要的地壳组成矿物中去，如 Rb，Sr，In 等; 要么形成一些地壳中含量较少的独立矿物 (一般少于地壳组成矿物的 1%) ，如锆石、独居石等。俄国人 Mendeleev 在 1834 ～1907 年期间发明了元素周期表，系统地说明了化学元素的原子结构与其各种物理化学性质之间的关系，但对于复杂的地球物质而言，要确切地了解元素的分配状况，这还远远不够。V. M. Goldschmidt (1926 ～ 1937) 根据构成矿物的离子大小和电荷提出了元素的地球化学分类。亲石元素，极易与 O 结合生成氧化物和含氧盐矿物 (主要为硅酸盐矿物) ，形成大部分的造岩矿物，这些元素有时也叫造岩元素或者亲氧元素。亲铜元素，容易与 S 结合形成硫化物矿物，往往形成硫化物金属矿产资源，这部分元素有时也叫造矿元素或亲硫元素。亲铁元素，既可以与 O 结合形成氧化物或者含氧盐矿物，也可以与 S 结合形成硫化物。亲气元素，具有易挥发性或易形成易挥发化合物，主要集中于大气圈中。

图1-2 食盐 (NaCl) 的晶体结构绿色球为 Cl^－; 红色球为 Na⁺

2. 矿物是怎样形成的

矿物是化学元素通过地质作用等过程发生运移﹑聚集而形成。具体的作用过程不同，所形成的矿物组合也不相同。矿物在形成后，还会因环境的变迁而遭受破坏或形成新的矿物。

岩浆作用发生于温度和压力均较高的条件下。主要从岩浆熔融体中结晶析出橄榄石﹑辉石﹑闪石﹑云母﹑长石﹑石英等主要造岩矿物，它们组成了各类岩浆岩。

区域变质作用形成的矿物趋向于结构紧密﹑比重大和不含水。在接触变质作用中，当围岩为碳酸盐岩石时，可形成夕卡岩，它由钙﹑镁﹑铁的硅酸盐矿物如透辉石﹑透闪石﹑石榴子石﹑符山石﹑硅灰石﹑硅镁石等组成。

矿物在空间上的共存称为组合。组合中的矿物属于同一成因和同一成矿期形成的，则称它们是共生，否则称为伴生。研究矿物的共生﹑伴生﹑组合与生成顺序，有助于探索矿物的成因和生成历史。

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矿物的化学性质：

1、晶体结构

化学组成和晶体结构是每种矿物的基本特征，是决定矿物形态和物理性质以及成因的根本因素，也是矿物分类的依据﹐矿物的利用也与它们密不可分。

2、化学组成

化学元素是组成矿物的物质基础。人们对地壳中产出的矿物研究较为充分。地壳中各种元素的平均含量（克拉克值）不同。氧﹑硅﹑铝﹑铁﹑钙﹑钠﹑钾﹑镁八种元素就占了地壳总重量的97%，其中氧约占地壳总重量的一半(49%)，硅占地壳总重的1/4以上(26%)。

3、原子与配位数

共价键的矿物（如自然金属﹑卤化物及氧化物矿物等）晶体结构中，原子常呈最紧密堆积（见晶体），配位数即原子或离子周围最邻近的原子或异号离子数，取决于阴阳离子半径的比值。

4、成分和结构

一定的化学成分和一定的晶体结构构成一个矿物种。但化学成分可在一定范围内变化。矿物成分变化的原因，除那些不参加晶格的机械混入物﹑胶体吸附物质的存在外，最主要的是晶格中质点的替代，即类质同象替代，它是矿物中普遍存在的现象。

参考资料来源：网络-矿物

3. 探索岩石矿物的矿物的化学成分和晶体结构

化学组成和晶体结构是每种矿物的基本特征，是决定矿物形态和物理性质以及成因的根本因素，也是矿物分类的依据，矿物的利用也与它们密不可分。
⑴矿物与地壳的化学组成
化学元素是组成矿物的物质基础。人们对地壳中产出的矿物研究较为充分。地壳中各种元素的平均含量（克拉克值）不同。氧﹑硅﹑铝﹑铁﹑钙﹑钠﹑钾﹑镁八种元素就占了地壳总重量的97%，其中氧约占地壳总重量的一半（49%），硅占地壳总重的1/4以上（26%）。故地壳中上述元素的氧化物和氧盐（特别是硅酸盐）矿物分布最广，它们构成了地壳中各种岩石的主要组成矿物。其馀元素相对而言虽微不足道，但由于它们的地球化学性质不同，有些趋向聚集，有的趋向分散。某些元素如锑﹑铋﹑金﹑银﹑汞等克拉克值甚低，均在千万分之二以下，但仍聚集形成独立的矿物种，有时并可富集成矿床；而某些元素如铷﹑镓等的克拉克值虽远高于上述元素，但趋于分散，不易形成独立矿物种，一般仅以混入物形式分散于某些矿物成分之中。
⑵矿物晶体结构中原子的堆积（排列）与配位数
共价键的矿物（如自然金属﹑卤化物及氧化物矿物等）晶体结构中，原子常呈最紧密堆积（见晶体），配位数即原子或离子周围最邻近的原子或异号离子数，取决于阴阳离子半径的比值。当共价键为主时（如硫化物矿物），配位数和配位型式取决于原子外层电子的构型，即共价键的方向性和饱和性。对于同一种元素而言，其原子或离子的配位数还受到矿物形成时的物理化学条件的影响。温度增高，配位数减小，压力增大，配位数增大。矿物晶体结构可以看成是配位多面体（把围绕中心原子并与之成配位关系的原子用直线联结起来获得的几何多面体）共角顶﹑共棱或共面联结而成。
⑶矿物成分和晶体结构的变化
一定的化学成分和一定的晶体结构构成一个矿物种。但化学成分可在一定范围内变化。矿物成分变化的原因，除那些不参加晶格的机械混入物﹑胶体吸附物质的存在外，最主要的是晶格中质点的替代，即类质同象替代，它是矿物中普遍存在的现象。可相互取代﹑在晶体结构中占据等同位置的两种质点，彼此可以呈有序或无序的分布（见有序－无序）。
矿物的晶体结构不仅取决于化学成分，还受到外界条件的影响。同种成分的物质，在不同的物理化学条件（温度﹑压力﹑介质）下可以形成结构各异的不同矿物种。这一现象称为同质多象。如金刚石和石墨的成分同样是碳单质，但晶体结构不同，性质上也有很大差异。它们被称为碳的不同的同质多象变体。如果化学成分相同或基本相同，结构单元层也相同或基本相同，只层的叠置层序有所差异时，则称它们为不同的多型。如石墨2H 多型（两层一个重复周期，六方晶系）和3R 多型（三层一个重复周期，三方晶系）。不同多型仍看作同一个矿物种。
⑷矿物的晶体化学式
矿物的化学成分一般采用晶体化学式表达。它既表明矿物中各种化学组分的种类﹑数量，又反映了原子结合的情况。如铁白云石Ca（Mg，Fe，Mn）[CO3]2，圆括号内按含量多少依次列出相互成类质同象替代的元素，彼此以逗号分开；方括号内为络阴离子团。当有水分子存在时，常把它写在化学式的最后，并以圆点与其他组分隔开，如石膏Ca[SO4]·2H2O。

4. 矿物晶体化学式

一、矿物晶体化学式的书写

矿物的化学成分可以两种化学式表示。其一是只顺序表示组成矿物的元素种类和数量比，称实验式（experimental formula），如白云母的实验式写作 K₂O·3Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O 或H₂KAl₃Si₃O₁₂；其二是不但表示组成矿物的元素种类和数量比，还以一定的规则表示元素在晶体结构中的配置关系，称结构式（structural formula）或晶体化学式（crystallochemical formula），如白云母的晶体化学式写作K｛Al₂［AlSi₃O₁₀］（OH）₂｝（元素在结构中的配置关系见层状硅酸盐部分）。后者是目前矿物学中普遍采用的方式，其一般的书写规则如下：

1）阳离子在前，阴离子或络阴离子在后。呈类质同象的各阳离子用圆括号括起来，依前多后少次序排列并用逗号隔开；络阴离子用方括号括起来，如橄榄石（Mg，Fe）₂［SiO₄］；硅灰石Ca₃［Si₃O₉］。

2）对于复盐矿物，其阳离子按碱性由强至弱顺序书写，若碱性相同时，按离子电价由低至高顺序书写。如白云石CaMg［CO₃］₂（Ca²⁺碱性强于Mg²⁺），磁铁矿FeFe₂O₄（前面的铁离子是+2价，后面是+3价）。

3）如存在附加阴离子，将其写在主阴离子或主络阴离子之后，如氟磷灰石Ca₅［PO₄］₃F。

4）矿物中的水分子以H₂O形式写在最后，并用圆点与前面的组分隔开，水分子前写上水的系数，若含水量不定，系数记为n。如石膏Ca［SO₄］·2H₂O，方沸石Na₂［AlSi₂O₆］₂·2H₂O，蛋白石SiO₂·nH₂O。若水以（OH）^-形式存在时，按一般附加阴离子对待，如黄玉Al₂［SiO₄］（F，OH）₂。

5）若结构比较复杂，结构较为紧密的成分用括号括在一起，以示结构的层次。如白云母K｛Al₂［AlSi₃O₁₀］（OH）₂｝，［］中的成分构成硅氧骨干，｛ ｝中的成分构成结构单元层。类质同象组分用（）括起来表示，其具体方法见“晶体化学”。

二、矿物晶体化学式的计算

矿物的化学成分是可以在一定范围内变化的。在实际工作中，通常要求根据单矿物的化学成分分析数据（一般以元素或氧化物的质量分数给出，允许误差≤1%）计算矿物的晶体化学式，以获得实际矿物的成分特征，从而对矿物、岩石或矿床的成因进行探讨，对矿床的找矿远景进行分析。

矿物晶体化学式有多种计算方法，均遵循占位离子数最合理、总电价近平衡的原则。阴离子法和阳离子法是最常用的两种方法，简要介绍如下。

1.阴离子法

本法是基于已知矿物晶体化学通式，阴离子作最紧密堆积，在单位分子内数目不变而以其为基数进行晶体化学式计算的方法。含氧盐和氧化物矿物的晶体化学式就可以单位分子内氧的数目为基数进行计算，称为氧原子法。现以某单斜辉石（化学通式为XY［Z₂O₆］）为例（表13-3），说明按氧原子法计算矿物晶体化学式的步骤。

表13-3 按阴离子法计算某单斜辉石晶体化学式

注：矿物的化学全分析数据据徐登科，1979。

1）检查化学分析结果是否符合精度要求。如本例第2列，H₂O^-为吸附水，不参加计算，其他各组分质量分数总和（∑w_B）为100.07%，符合精度要求。必要时进行修正，如本例第3列。

2）查出各组分相对分子质量，如本例第4列。

3）将各组分的质量分数（w_B/%）除以该组分的相对分子质量，求各组分的摩尔数，如本例第5列。

4）用各组分的摩尔数乘以其氧原子系数得到各组分的氧原子数，如本例第6列。

5）用各组分的摩尔数乘以其相应的阳离子的系数，得各组分的阳离子数，如本例第7列。

6）将各组分的氧原子数相加得各组分的氧原子数总和ΣO。

7）以矿物单位分子（即通式）中的氧原子理论数O_f.u.（本例为6）除以氧原子数总和∑O，得换算系数（即O_f.u./∑O）。本例为6/2.7269=2.2003。

8）以各组分的阳离子数乘以换算系数得单位分子中的阳离子数，如本例第8列。

9）据类质同象理论和矿物化学通式，将各阳离子分配到相应的晶格位置，如本例中的X、Y、Z位。此处注意Al占据两种晶格位置，分配时一般优先考虑配平替代Si的四面体位置，即替代Si四面体位置的Al为2.00-1.92=0.08，其余分配到八面体位置。

10）进行电价平衡检验计算，基本平衡时写出矿物的晶体化学式，如

（Ca_0.96，Na_0.04）_1.00（Mg_0.82，

，

，Al_0.03，Ti_0.02，Mn_0.02）_1.00［（Si_1.92，Al_0.08）_2.00O_6.00］

氧原子法适于不含水的氧化物和含氧盐矿物晶体化学式计算。对含OH^-、F^-、Cl^-、S^2-等附加阴离子的矿物，可采用阳离子法进行计算。

2.阳离子法

本法考虑到矿物结构中小空隙晶格位上占据的高电价、小半径、低配位阳离子数目较固定，而以其为基数进行晶体化学式的计算。阳离子法对于成分和结构较复杂的链状、层状硅酸盐矿物的化学式计算较为适用。下面以黑云母化学通式为A｛B₃［T₄O₁₀］（OH）₂｝为例（表13-4），说明按阳离子法计算晶体化学式的步骤。

表13-4 按阳离子法计算某黑云母晶体化学式

注：矿物化学全分析数据见徐登科，1979。

1）检查化学分析数据是否符合精度要求，如本例第2列。必要时进行修正，如本例第3列。

2）查出各组分的相对分子质量，如本例第4列。

3）用各组分的质量分数（w_B/%）除以其相应的相对分子质量，求各组分的摩尔数，如本例第5列。

4）将各组分的摩尔数乘以其各自的阳离子的系数，得各组分的阳离子数，如本例第6列。

5）按类质同象理论和矿物化学通式，将各阳离子分配到适当的晶格位置上，求出作为基准的结构位置上各阳离子数之和ΣMe，如本例为1.7477。

6）由矿物化学通式中基准位置上的阳离子理论数（本例为8）除以ΣMe得换算系数（即8/ΣMe），如本例为4.5774。

7）将各组分的阳离子数乘以换算系数得矿物单位分子中各阳离子数，如本例第7列。

8）矿物的阴离子总数采用通式中的理论值［本例（O^2-+OH^-+F^-+Cl^-）=12］。对于具附加阴离子［本例中（OH^-+F^-+Cl^-）=2］的矿物，依据电价平衡原则，分别计算各种阴离子的数目。本例中首先按照阳离子H⁺求得OH^-数量，再按照阴离子法求得F^-和Cl^-的数量，计算结果发现附加阴离子（OH^-+F^-+Cl^-）之和小于理论值2，说明还有少量附加阴离子O^2-存在。以阴离子总数（本例为2）减去（OH^-+F^-+Cl^-）之和即得附加阴离子O^2-的数量。

9）进行电价平衡检验计算，可以写出矿物的晶体化学式，如（K_0.93Na_0.03Ca_0.02）_0.98（Mg_1.83

Ti_0.20

Al_0.06Mn_0.01）_3.02［（Si_2.91Al_1.09）_4.00O₁₀］（OH_1.17F_0.52O_0.29Cl_0.02）_2.00

5. 矿物成分分析方法

矿物化学成分的分析方法有常规化学分析，电子探针分析，原子吸收光谱、激光光谱、X射线荧光光谱，等离子光谱和极谱分析，中子活化分析及等离子质谱分析等。

在选择成分分析方法时，应注意检测下限和精密度。

检测下限（又称相对灵敏度）指分析方法在某一确定条件下能够可靠地检测出样品中元素的最低含量。显然，检测下限与不同的分析方法或同一分析方法使用不同的分析程序有关。

精密度（又称再现性或重现性）指某一样品在相同条件下多次观测，各数据彼此接近的程度。通常用两次分析值（C₁和C₂）的相对误差来衡量分析数值的精密度。即

相对误差RE=

×100%

常量元素（含量大于或等于0.1%）分析中，根据要求达到分析相对误差的大小，对分析数据的精密度作如下划分：

定量分析：RE＜±5%近似定量分析：RE＜±（5～20）%

半定量分析：RE=（20～50）%

定性分析：RE＞±100%

定量分析要求主要是对常量组分测定而言的，微量组分测定要达到小于±5%的相对误差则比较困难。

1.化学分析法

化学分析方法是以化学反应定律为基础，对样品的化学组成进行定性和定量的系统分析。由于化学分析通常是在溶液中进行化学反应的分析方法，故又称“湿法分析”。它包括重量法、容量法和比色法。前两者是经典的分析方法，检测下限较高，只适用于常量组分的测定；比色法由于应用了分离、富集技术及高灵敏显色剂，可用于部分微量元素的测定。

化学分析法的特点是精度高，但周期长，样品用量较大，不适宜大量样品快速分析。

2.电子探针分析法

电子探针X射线显微分析仪，简称电子探针（EMPA）。它是通过聚焦得很细的高能量电子束（1μm左右）轰击样品表面，用X射线分光谱仪测量其产生的特征X射线的波长与强度，或用半导体探测器的能量色散方法，对样品上被测的微小区域所含的元素进行定性和定量分析。样品无论是颗粒，还是薄片、光片，都可以进行非破坏性的分析。

电子探针的主体由电子光学系统、光学显微镜、X射线分光谱仪和图像显示系统4大部分组成。此外，还配有真空系统、自动记录系统及样品台等（图24-3）。其中测定样品成分的可分为X射线波谱仪和X射线能谱仪，过去电子探针只采用前者，因为它分辨率高，精度高，但速度慢。现代新型电子探针一般两者皆用。能谱分析方法可做多元素的快速定性和定量分析，但精度较前者差。

图24-3 电子探针结构示意图

电子探针可测量元素的范围为⁴Be—⁹²U。灵敏度按统计观点估计达十万分之三，实际上，其相对灵敏度接近万分之一至万分之五。一般分析区内某元素的含量达10^-14就可感知。测定直径一般最小为1μm，最大为500μm。它不仅能定点作定性或定量分析，还可以作线扫描和面扫描来研究元素的含量和存在形式。线扫描是电子束沿直线方向扫描，测定几种元素在该直线方向上相对浓度的变化（称浓度分布曲线）。面扫描是电子束在样品表面扫描，即可在荧屏上直接观察并拍摄到该元素的种类、分布和含量（照片中白色亮点的稠密程度表示元素的浓度）。目前，电子探针已卓有成效地应用于矿物的成分分析、鉴定和研究等各个方面。

值得注意的是，电子探针一个点的分析值只能代表该微区的成分，并不是整个矿物颗粒的成分，更不能用来代表某工作区该矿物的总体成分。因为在矿物中元素的分布是不均一的，不能“以点代面”。对微米级不均匀的矿物，只有采用适当的多点测量，以重现率高的点为依据讨论矿物成分的特征和变化，才能得到较可靠的认识。此外，电子探针对查明混入元素在矿物中存在形式的能力是有限的。它能分析已构成足够大小的矿物相的机械混入物，而对以类质同象混入物形式存在的元素，电子探针是无能为力的。要解决这个问题，必须用综合的手段。应当指出，根据在电子探针面扫描图像上，将分布均匀的混入元素视为类质同象混入物的依据是不够充分的，因为混入元素的均匀分布，并不都是因为呈类质同象形式所引起，还可以由固溶体分解而高度离散所致。而现代电子探针的分辨率（约7.0μm），还不能区分它们，需要用高分辨的透射电镜（分辨率达0.5～1nm，相当于2～3个单位晶胞）、红外光谱分析、X射线结构分析等方法相互配合，才能解决混入元素在矿物中存在的形式问题。

电子探针分析法对发现和鉴定新矿物种属起了重要的作用。这是由于电子探针在微区测试方面具有特效，因而对于难以分选的细小矿物进行鉴定和分析提供了有利条件。如对一些细微的铂族元素矿物、细小硫化物、硒化物、碲化物的鉴定都很有成效。

电子探针也有它的局限性。例如，它不能直接测定水（H₂O，OH）的含量；对Fe只能测定总含量，不能分别测出Fe²⁺和Fe³⁺含量等。

电子探针分析的样品必须是导电体。若试样为不导电物质，则需将样品置于真空喷涂装置上涂上一薄层导电物质（碳膜或金膜），但这样往往会产生难于避免的分析误差，同时也影响正确寻找预定的分析位置。样品表面必需尽量平坦和光滑，未经磨光的样品最多只能取得定性分析资料，因为样品表面不平，会导致电子激发样品产生的X射线被样品凸起部分所阻挡，所得X射线强度会减低，影响分析的精度。

3.光谱类分析法

光谱类分析法是应用各种光谱仪检测样品中元素含量的方法。此类分析方法很多，目前我国以使用发射光谱分析（ES）、原子吸收光谱分析（AA）、X射线荧光光谱分析（XRF）和电感耦合等离子发射光谱（ICP）、原子荧光光谱（AF）、极谱（POL）等较为普遍。它们的特点是灵敏、快速、检测下限低、样品用量少。适于检测样品中的微量元素，对含量大于3%者精度不够高。

光谱分析的基本原理概括起来是：利用某种试剂或能量（热、电、粒子能等）对样品施加作用使之发生反应，如产生颜色、发光、产生电位或电流或发射粒子等，再用光电池、敏感膜、闪烁计数器等敏感元件接收这些反应讯号，经电路放大、运算，显示成肉眼可见的讯号。感光板、表头、数字显示器、荧光屏或打印机等都是显示输出装置。光谱分析的流程见图24-4。

图24-4 光谱分析流程图

4.X射线光电子能谱分析法

X射线光电子能谱仪由激发源、能量分析器和电子检测器（探测器）三部分组成。其工作原理是：当具有一定能量hv的入射光子与样品中的原子相互作用时，单个光子把全部能量交给原子中某壳层上一个受束缚的电子，这个电子因此获得能量hv。如果hv大于该电子的结合能E_b，该电子就将脱离原来的能级。若还有多余能量可以使电子克服功函数ϕ，电子将从原子中发射出去，成为自由电子。由入射光子与原子作用产生光电子的过程称光电效应。只有固体表面产生的光电子能逸出并被探测到。所以光电子能谱所获得的是固体表面的信息（0.5～5nm）。

光电过程存在如下的能量关系：

hv=E_b+E_k+E_r

式中：E_r为原子的反冲能；E_b为电子结合能；E_k为发射光电子的动能。E_r与X射线源及受激原子的原子序数有关（随原子序数的增大而减小），一般都很小，从而可以忽略不计。E_k可实际测得，hv为X射线的能量，是已知的。因此从上式可算出电子在原子中各能级的结合能（结合能是指一束缚电子从所在能级转移到不受原子核吸引并处于最低能态时所需克服的能量）。光电子能谱就是通过对结合能的计算并研究其变化规律来了解被测样品的元素成分的。

X射线光电子能谱仪可用于测定固、液、气体样品除H以外的全部元素，样品用量少（10^-8g），灵敏度高达10^-18g，相对精度为1%，特别适于做痕量元素的分析，而且一次实验可以完成全部或大部分元素的测定，还可选择不同的X射线源，求得不同电子轨道上的电子结合能，研究化合物的化学键和电荷分布等，还可测定同一种元素的不同种价态的含量。

5.电感耦合等离子质谱分析法

电感耦合等离子体质谱（Inctively Coupled Plasma Mass Spectrometry，简称ICP-MS）技术是1980年代发展起来的、将等离子体的高温（8000K）电离特性与四极杆质谱计的灵敏快速扫描优点相结合而形成的一种新型的元素和同位素分析技术。

ICP-MS的工作原理及其分析特性：在 ICP-MS 中，等离子体作为质谱的高温离子源（7000K），样品在通道中进行蒸发、解离、原子化、电离等过程。离子通过样品锥接口和离子传输系统进入高真空的四极快速扫描质谱仪，通过高速顺序扫描分离测定所有离子，扫描元素质量数范围从6到260，并通过高速双通道分离后的离子进行检测，直接测定的浓度范围从10^-12到10^-6。因此，与传统无机分析技术相比，ICP-MS技术提供了最低的检出限、最宽的可测浓度范围，具有干扰最少、分析精密度高、分析速度快、可进行多元素同时测定以及可提供精确的同位素信息等分析特性。

ICP-MS的谱线简单，检测模式灵活多样，主要应用有：①通过谱线的质荷之比进行定性分析；②通过谱线全扫描测定所有元素的大致浓度范围，即半定量分析，不需要标准溶液，多数元素测定误差小于20%；③用标准溶液校正而进行定量分析，这是在日常分析工作中应用最为广泛的功能；④利用ICP-MS测定同位素比值。

在矿物研究方面的应用有：矿物稀土、稀散以及痕量、超痕量元素分析；铂族元素分析；溴、碘等非金属元素的分析；同位素比值分析；激光剥蚀固体微区分析等。

6.穆斯堡尔谱

穆斯堡尔谱为一种核γ射线共振吸收谱。产生这种效应的约有40多种元素、70多种同位素。目前得到广泛应用的是⁵⁷Fe和¹¹⁹Sn。

图24-5 某透闪石石棉的穆斯堡尔图谱

由于地壳中铁的分布相当广泛，很多矿物都含铁，因此铁的穆斯堡尔谱已成为矿物学研究中一个重要课题。应用这种方法可以测定晶体结构中铁的氧化态、配位以及在不同位置上的分布等。图24-5 为某一透闪石石棉的穆斯堡尔谱，图中显示了 Fe²⁺离子在两种八面体配位位置M₁和M₂中的分配情况，AA′双峰表示M₁位的Fe²⁺，CC′双峰表示M₂位的Fe²⁺。

穆斯堡尔谱技术可鉴定铁、锡矿物种类；确定矿物中铁、锡的氧化态（如 Fe³⁺，Fe²⁺含量及比值）、电子组态（如低自旋、高自旋）、配位状态及化学键；确定铁、锡离子的有序度、类质同象置换及含铁、锡矿物的同质多象变体；进而探讨不同温压下矿物的相转变过程。

穆斯堡尔技术目前还不太成熟，通常要求低温工作条件，可测的元素种类不多，谱线解释理论也不够完善，但却是矿物学研究中一个很有远景的新技术。

6. 什么叫矿物，它是怎么形成的

矿物是地球，月球及其它天体中天然形成的，具有一定的化学成分和内部结构与一定的形态，物理，化学性质的岩石和矿石的最基本组成单位。（它的定义要记住三点：1：地质和宇宙作用形成以此来区别人工合成，2，各个种的矿物物理化学形态不一样，3，是岩石和矿石的基本组成单位）
它的形成条件比较复杂，可以简单的将形成矿物的地质作用分为：内生作用，外生作用，变质作用。
A：内生作用即地球内部热能所导致矿物形成的各种地质作用：岩浆作用，火山作用，伟晶作用，热液作用……
B：外生作用即在地表或近地表较低的温度和压力条件下，由于太阳能，水，风，生物等的参与而形成矿物的地质作用：风化作用，沉积作用……
C：变质作用即在地表以下较深部位，已形成的岩石由于地壳构造运动，岩浆活动及地热流变化（可形成钟乳石）的影响使其所处的物理化学条件发生改变，使得岩石在基本保持固态的情况下发生成分，结构上的变化
P.S.:形成矿物的条件并不是孤立的存在的而是各种因素的综合表现，内生外生和变质作用都不是孤立存在，在分析矿物成因是，应全面考虑，综合判断

7. 矿物的化学式及其计算

（一）矿物化学式的表示方法

矿物的化学成分是以矿物的化学式（formula）表示的，即用组成矿物的化学元素符号按一定原则表示出来，它是以单矿物的化学全分析所得的各组分的相对质量百分含量为基础而计算出来的。具体表示方法通常有实验式和结构式两种。

实验式（experimental formula）只表示矿物中各组分的种类及其数量比。如白云母的实验式为K₂O·3Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O或H₂KAl₃Si₃O₁₂。这种化学式不能反映出矿物中各组分之间的相互关系。

目前，矿物学中普遍采用的是结构式（structural formula），即晶体化学式（crystallochemical formula），它既能表明矿物中各组分的种类及其数量比，又能反映出它们在晶格中的相互关系及其存在形式。如白云母的晶体化学式应写作K{Al₂ [（Si₃Al）O₁₀]（OH）₂}，表明白云母是一种具层状结构的铝的铝硅酸盐矿物，部分Al进入四面体空隙替代1/4的 Si，另有部分 Al则以六次配位的形式存在于八面体空隙中，K为补偿由Al³⁺替代Si⁴⁺所引起的层间电荷而进入结构层间，此外白云母的组成中还有结构水。

晶体化学式的书写规则如下：

（1）基本原则是阳离子在前，阴离子或络阴离子在后。络阴离子需用方括号括起来。如石英 SiO₂、方解石 Ca[CO₃ ]。对于某些更大的结构单元，也可用大括号括起来，例如白云母K{Al₂ [（Si₃Al）O₁₀]（OH）₂}。

（2）对复化合物，阳离子按其碱性由强至弱、价态从低到高的顺序排列。如白云石 CaMg[CO₃ ]₂、磁铁矿 FeFe₂ O₄ （即 Fe²⁺O₄ ）。

（3）附加阴离子通常写在阴离子或络阴离子之后。如白云母K{Al₂[（Si₃Al）O₁₀]（OH）₂}、氟磷灰石 Ca₅[PO₄]₃F。

（4）矿物中的水分子写在化学式的最末尾，并用圆点将其与其他组分隔开。当含水量不定时，则常用nH₂O或aq（即“水”的拉丁文aqua之缩写）表示。如石膏Ca［SO₄］·2H₂O、蛋白石SiO₂·nH₂O或SiO₂·aq。

（5）互为类质同象替代的离子，用圆括号括起来，并按含量由多到少的顺序排列，中间用逗号分开。如铁闪锌矿（Zn，Fe）S、黄玉Al₂［SiO₄］（F，OH）₂。

应当注意，在计算出矿物中各元素的离子数之后，书写晶体化学式时，习惯上是将其具体数值分别写在各元素符号之右下角，同时成类质同象替代关系的各元素之间无需再加逗号，并在圆括号之后下角列出圆括号内各元素离子数之总和。如某单斜辉石的晶体化学式为：

结晶学及矿物学

矿物的化学式是根据单矿物的化学全分析数据计算得出的，但由此得到的仅是实验式。要写出矿物的晶体化学式，则尚须依据晶体化学理论及晶体结构知识，对矿物中各元素的存在形式作出合理的判断，并按照电价平衡原则，将其分配到适当的晶格位置上。必要时还需进一步结合X射线结构分析资料加以确证。

单矿物的化学全分析的结果，通常是以矿物中的各元素或氧化物的质量（w_B/%）给出，其一般允许误差≤1%，即各组分的质量分数之总和应在99%～101%（有时还要求误差不超过0.5%，视实验条件和测定的精度而定）。否则不能用于矿物化学式的计算。

对于成分较简单的矿物化学式计算，只需将各组分的质量分数（w_B/%）分别除以其相应的原子量或分子量，即得到各组分的摩尔数，然后再将组分摩尔数化为简单整数，即可写出矿物的化学式。如表12-3之实例。

表12-3 某黄铜矿的化学式计算

然而自然界的许多矿物成分复杂，尤其是大多数硅酸盐矿物，类质同象替代复杂，具有附加阴离子，且同种阳离子能以不同的配位形式存在于不同的晶格位置上（如Al有四次配位和六次配位之分），因而其晶体化学式的计算比较麻烦，须结合晶体化学知识及X射线结构分析资料，以不同的方法来计算和确定矿物的化学式。

矿物晶体化学式的计算方法很多。但不论采用何种方法，其计算原则均是：尽量使占位的离子数目保持合理；尽量使正负电荷总数保持平衡。这里仅简要地介绍常用的阴离子法和阳离子法。

（二）矿物化学式的计算

1.阴离子法

阴离子法的理论基础主要是矿物单位分子（formula unit）内作最紧密堆积的阴离子数是固定不变的，它不受阳离子之间的类质同象替代的影响，其晶格中基本不出现阴离子空位。应用此法的前提是必须有矿物的化学全分析数据及已知矿物的化学通式。

自然界矿物大多属含氧盐和氧化物。由于如辉石族等矿物的单位分子内的氧一般极少被其他元素置换，其原子数为常数。故常采用以单位分子中的氧原子数（O_f.u.）为基准的氧原子法来计算矿物的晶体化学式。

现以某单斜辉石（化学通式为 XY[Z₂O₆]）为例（表 12-4），说明氧原子法计算矿物晶体化学式的具体步骤：

（1）首先检查矿物的化学分析结果是否符合精度要求。表12-4中单斜辉石的各组分的质量分数总和（Σw _B/%）为99.82%（去除了吸附水 H₂ O^-），符合化学式计算的精度要求。

表12-4 某单斜辉石晶体化学式的氧原子计算法

（2）查出各组分的分子量。

（3）将各组分的质量分数（w_B/%）除以该组分的分子量，求出各组分的摩尔数。

（4）用各组分的摩尔数乘以其各自的氧原子系数得到各组分的氧原子数。

（5）将各组分的氧原子数加起来即得矿物中各组分的氧原子数总和ΣO。

（6）以矿物单位分子中的氧原子数O_f.u.（如辉石的O_f.u.=6）除以氧原子数总和ΣO，得到换算系数（即O_f.u./ΣO）。

（7）用各组分的摩尔数乘以其相应的阳离子的系数，求得各组分的阳离子数。

（8）以各组分的阳离子数乘以换算系数即得出矿物单位分子中的阳离子数（i_f.u.）。

（9）依据晶体化学理论及晶体结构知识，按矿物的化学通式，将矿物中各阳离子尽可能合理地分配到晶格中相应的位置上。

（10）按矿物的化学通式，检验矿物单位分子中的阳离子总数Σi_f.u.及正电荷总数Σ（+）。

（11）写出矿物的晶体化学式。

以上计算步骤适用于一般阴离子法，所不同的只是不同矿物作为基准的阴离子数有别。氧原子法通常适合于不含水的氧化物和含氧盐矿物。对含 OH^-、F^-、Cl^-、S^2-等附加阴离子的矿物，计算时，必须对氧进行校正，同时注意作基准的单位分子中的阴离子数（氧原子数），其计算过程比较复杂，关于这方面的内容，可参阅有关着作。此外，也可采用以阳离子数为准的计算方法。

2.阳离子法

阳离子法的理论基础是矿物内部某些晶格位置上的阳离子数目相对较固定。它对于成分、结构较复杂的链状、层状结构的硅酸盐如角闪石族、云母族等矿物的化学式计算较为适用。这类矿物单位晶胞中阳离子的位置较多、类质同象替代十分复杂。一般说来，结构内大空隙位置往往未被占满；而小空隙的晶格位置上则极少出现空位，其中的阳离子数相对较稳定，占据这些位置的是一些电价高、半径小、配位数低的阳离子。因此，其晶体化学式计算时，常以这些小空隙位置上单位分子内的阳离子数为基准。例如，白云母的化学通式为X{Y₂ [Z₄O₁₀]（OH，F）₂}，其X阳离子的晶位上往往都存在有空位，计算化学式时一般以阳离子Y+Z=6为基准。

这里仍例举上述的单斜辉石的化学式计算（表12-5），以说明阳离子法的计算步骤：

表12-5 某单斜辉石晶体化学式的阳离子计算法

（1）检查矿物化学分析数据是否符合化学式计算的精度要求。应注意去除矿物本身固有组成之外的组分（如吸附水等）。

（2）查出各组分的分子量。

（3）用各组分的质量分数（w_B/%）除以其相应的分子量，求出各组分的摩尔数。

（4）将各组分的摩尔数乘以其各自的阳离子的系数，得到各组分的阳离子数。

（5）根据晶体化学知识，按矿物的化学通式，将各阳离子分配到适当的晶格位置上，并求出作为基准的结构位置上的各阳离子数之总和ΣMe。

（6）由矿物单位分子内作为基准的阳离子数Me_f.u.除以ΣMe即得到换算系数（即Me_f.u./ΣMe）。

（7）将各组分的阳离子数乘以换算系数得出矿物单位分子中的阳离子数（i_f.u.）。

（8）按矿物的化学通式，检验矿物单位分子中的阳离子总数Σi_f.u.及正电荷总数Σ（+）。

（9）矿物的阴离子总数等于矿物通式中的理论值。对于具附加阴离子的矿物，依据矿物单位分子中的Σ（+）及电价平衡原则，可分别计算出各种阴离子的数目。

（10）按照矿物的化学通式，写出其晶体化学式。

矿物晶体化学式的计算，不仅在矿物学研究中是必不可少的，而且对解决岩石和矿床的成因等地质问题也具有重要的实际意义。