礦物學

礦物學是研究礦物的化學成分、內部結構、外表形態、物理性質、成因產狀、分類和鑑定及其相互關係，探討礦物形成的時間和空間分布的規律、變化歷史及其實際用途的科學。礦物學是地質科學的一門重要分科，以地殼中產出的無機晶質礦物作為主要研究對象。

基本介紹

• 中文名：礦物學
• 外文名：mineralogy
• 屬於：地質學的分支學科
• 套用：礦物資源的開發和套用
• 分支學科：結構礦物學等

概念與套用

礦物學是研究礦物的化學成分、晶體結構、形態、性質、成因、產狀、共生組合、變化條件、時間與空間上的分布規律、形成與演化的歷史和用途以及它們之間關係的一門學科，是地質學的分支學科。

許多生產部門，如採礦、選冶化工、建材、農藥農肥、寶石以及某些尖端科學技術都離不開礦物原料。因此，礦物學研究不僅有理論意義，而且對礦物資源的開發和套用有重要的實際意義。

發展簡史

早在石器時代，人類就已知道利用多種礦物如石英、蛋白石等製作工具和飾物，以後又逐漸認識了金、銀、銅、鐵等若干金屬及其礦石，從而過渡到銅器和鐵器時代。在中國成書於戰國至西漢初的《山海經》，記述了多種礦物、岩石和礦石的名稱，有些名稱如雄黃、金、銀、堊、玉等沿用至今。

礦物

古希臘學者亞里士多德把同金屬相似的礦物歸為“似金屬類”，他的學生泰奧弗拉斯托斯在其《石頭論》中把礦物分成金屬、石頭和土三類。在這以後的一段時間裡，特別是歐洲中世紀，中國西漢中期，在礦物方面只有個別的記述，沒有明顯進展。

到了18、19世紀，礦物的研究得到了多方面進展，逐步建立起理論基礎，豐富了研究內容和研究方法，形成了一門學科。16世紀中葉阿格里科拉較詳細地描述了礦物的形態、顏色、光澤、透明度、硬度、解理、味、嗅等特徵，並把礦物與岩石區別開來。

中國李時珍在成書於1578年的《本草綱目》中描述了38種藥用礦物，說明了它們的形態、性質、鑑定特徵和用途。瑞典的貝采利烏斯作了大量的礦物化學成分鑑定，採用了化學式，並據此進行了礦物分類。德國化學家米切利希提出了類質同象與同質多象概念，出現了礦物學研究的化學學派。

產生於這一時期的礦物學的另一學派是結晶學派。他們在幾何結晶學及晶體結構幾何理論方面獲得了巨大的成就。此外，索比於1857年製成顯微鏡的偏光裝置，推進了礦物的鑑定和研究。這一方法至今被沿用和發展著。

1912年德國學者勞厄成功地進行了晶體對X射線衍射的實驗，從而使晶體結構的測定成為可能，並導致礦物學研究從巨觀進入到微觀的新階段。大量礦物晶體結構被揭示，建立了以成分、結構為依據的礦物的晶體化學分類。

20世紀中期以來，固體物理、量子化學理論以及波譜、電子顯微分析等微區、微量分析技術被引入，使礦物學獲得了新進展，建立了礦物物理學。礦物原料和礦物材料得到更廣泛的開發。開展了礦物的人工合成，高溫、高壓實驗和天然成礦作用模擬。礦物學、物理化學和地質作用的研究相結合的分支學科成因礦物學和找礦礦物學逐步形成，使礦物學在礦物資源的尋找與開發方面獲得了更廣泛的套用。

研究領域

礦物學還是研究礦物原料和材料的尋找、開發和套用的基礎。因此，它與找礦勘探地質學、採礦學、選礦學、冶金學、材料科學的關係也很密切。此外，礦物學運用數學、化學和物理學的理論和技術，並彼此相互滲透和結合，還產生了如礦物物理學等新的邊緣學科。礦物學的研究領域日益的擴大，由地殼礦物到地幔礦物和其他天體的宇宙礦物，由天然礦物到人工合成礦物；礦物學的研究內容由巨觀向微觀縱深發展，由主要組分到微量元素，由原子排列的平均晶體結構到局部具體的晶體結構和涉及原子內電子間及原子核的精細結構；礦物學在套用領域的迅速發展。

礦物學的研究成果除在地質學研究和找礦工作中進一步得到套用外，礦物本身的研究目標還在於從中獲得具有各種特殊性能的礦物材料，這方面的研究具有廣闊的發展前景。

分支學科

礦物形貌學

研究礦物晶體形態和表面微形貌，並據此探索其生長機制和生成歷史。

成因礦物學

研究礦物個體和群體的形成，結合物理化學和地質條件，探索礦物的成因。研究礦物成分、結構、形態、物性上反映生成條件的標誌──標型特徵。成因礦物學已套用於地質找礦，並逐漸形成找礦礦物學

實驗礦物學

通過礦物的人工合成，模擬和探索礦物形成的條件及規律。

結構礦物學

探索礦物晶體結構，研究礦物化學成分與晶體結構的關係，進而探討礦物成分、晶體結構與形態、性能、生成條件的關係。

礦物物理學

是固體物理學、量子化學理論及譜學實驗方法引入礦物學所產生的邊緣學科。這一學科的發展使礦物學的研究從原子排列深入到原子內部的電子層和核結構。它研究礦物化學鍵的本質、精細結構與物理性能。

光性礦物學

主要探討顯微鏡下，礦物的各種光學性質和鏡下測定各種礦物光學常數的方法。已建立起完備的以礦物光學常數為依據的礦物鑑定表，它是礦物鑑定的主要手段之一。

礦物材料學

是礦物學與材料科學相結合的新分支。研究礦物的物理、化學性能和工藝特性在科學技術和生產中的開發套用。

其它

此外，尚有按分類體系系統地闡述各類礦物的系統礦物學；以某類礦物為對象的專門研究，如硫化物礦物學、矽酸鹽礦物學、粘土礦物學、寶石礦物學等；全面研究某一地區內礦物的區域礦物學，研究地幔礦物的地幔礦物學；研究其他天體礦物的宇宙礦物學（包括隕石礦物學、月岩礦物學等）。

研究方法

野外研究方法包括礦物的野外地質產狀調查和礦物樣品的採集。室內研究方法很多。手標本的肉眼觀察，包括雙目顯微鏡下觀察和簡易化學試驗，是礦物研究必要的基礎。偏光和反光顯微鏡觀察包括礦物基本光學參數的測定廣泛用於礦物種的鑑定。礦物晶體形態的研究方法包括用反射測角儀進行晶體測量和用干涉顯微鏡、掃描電子顯微鏡對晶體表面微形貌的觀察。檢測礦物化學成分的方法有光譜分析，常規的化學分析，原子吸收光譜、雷射光譜、X射線螢光光譜和極譜分析，電子探針分析，中子活化分析等。在物相分析和礦物晶體結構研究中，最常用的方法是粉晶和單晶的X射線分析，用作物相鑑定，測定晶胞參數、空間群和晶體結構。

此外，還有紅外光譜用作結構分析的輔助方法，測定原子基團；以穆斯堡爾譜測定鐵等的價態和配位；用可見光吸收譜作礦物顏色和內部電子構型的定量研究；以核磁共振測定分子結構；以順磁共振測定晶體結構缺陷(如色心);以熱分析法研究礦物的脫水、分解、相變等。透射電子顯微鏡的高分辨性能可用來直接觀察超微結構和晶格缺陷等，在礦物學研究中日益得到重視。為了解決某方面專門問題，還有一些專門的研究方法，如包裹體研究法，同位素研究法等。礦物作為材料，還根據需要作某方面的物理化學性能的試驗（見地質儀器）。

礦物是結晶物質，具有晶體的各種基本屬性。因此，結晶學與化學、物理學一起，都是礦物學的基礎。歷史上，結晶學就曾是礦物學的一個組成部分。礦物本身是天然產出的單質或化合物，同時又是組成岩石和礦石的基本單元，因此礦物學是岩石學、礦床學的基礎，並與地球化學、宇宙化學都密切相關。

發展規律

礦物學科的發展具有悠久的歷史，幾乎與人類的文明同步。隨著人類對自然需求的不斷提高以及科學技術的進步，礦物學經歷了從描述礦物學、晶體結構和微區研究、到以學科交叉為特徵的現代礦物學幾個階段。19世紀中葉以前，人類對於礦物的認識尚處於萌芽階段，此時只是人類已經能夠用肉眼對礦物進行外表特徵鑑定，並認識了一些礦物性質並加以利用，可稱之為“描述礦物學”階段。此後，偏光顯微鏡(19世紀中葉)、x射線(20世紀初)、物理化學和相平衡理論(20世紀30年代)不斷引入礦物學，每一次都引發了礦物學研究的深刻變革和巨大進步，這個階段是以礦物內部微觀現象和晶體結構研究為特徵的。20世紀60年代以後，物理學和化學學科中的一些近代理論，如晶體場理論、能帶理論被套用於礦物學研究，一系列新技術和譜學手段的建立，如掃描隧道顯微鏡、同步輻射等大科學裝置在礦物學研究中的運用，特別是高溫高壓等實驗技術的實現以及電子計算機技術的快速發展等，促使古老的礦物學發生了全面深刻的變化，進入了可以從巨觀到微觀對礦物進行全面認識的現代礦物學階段。

從礦物學分支學科的名稱來看，我們也能窺見礦物學的發展特點。礦物學分支學科名稱大體上有兩類：一類是從研究內容角度劃分的，如礦物化學、晶體化學、結構礦物學、晶體形貌學、礦物物理、成因礦物學和找礦礦物學、套用礦物學等，分別大致對應著礦物研究的化學組成、內部結構、外表形態、物理性質和化學性質、形成和變化的條件等。還有一類則是從學科交叉的角度，諸如礦物學與材料科學交叉可稱之為材料礦物學、與生命科學融合產生生物礦物學等。圖2所示的就是礦物學與其他基礎學科交叉融合衍生出來的邊緣學科，從這個角度，有學者甚至建議將礦物學升格為“礦物科學”一級學科，以便與其他一級學科相對應，是有相當的道理的(汪靈，2005)。這從一個側面也說明：礦物學業已逐步擺脫作為基礎學科的地位，進入了深度的跨學科的聯合的領域。