矿物

在地理学和矿物学中，广义上的矿物（mineral）或矿物种类（mineral species）是指化学成分相当明确、具有特定晶体结构、天然以纯净形式存在的固体物质。矿物是构成岩石和地球固体的基本单元，也是研究地球化学、岩石成因和资源分布的核心对象。

矿物的地质学定义通常排除仅存在于生物体内的化合物。然而，一些矿物常是生物成因的（如方解石）或有机化合物（如蜜蜡石）。此外，生物体常合成无机矿物（如羟基磷灰石），这些矿物也存在于岩石中。因此，生物矿化与地质矿化之间并非截然分开，而是存在连续过渡。

矿物不同于岩石。岩石是宏观尺度上相对均匀的块状地质材料，可以由一种矿物组成，也可以是两种或多种不同矿物的集合体，它们在空间上分离成不同的相。一块花岗岩可能同时含有石英、长石、云母和角闪石，而每种矿物都有各自的化学成分和晶体结构。

一些没有明确晶体结构的天然固体物质，如蛋白石或黑曜石，更准确地称为似矿物（mineraloid）。如果一种化合物以不同的晶体结构天然存在，则每种结构被视为不同的矿物种类。例如，石英和斯石英都是由二氧化硅组成的矿物，但前者是常压相，后者是高压相，因此被分为两个矿物种。

国际矿物学协会是国际上普遍认可的矿物种类定义和命名标准机构。截至2025年5月，IMA 认可6145种官方矿物种类。新矿物需要经过命名、描述和投票程序，模式标本和模式产地也必须妥善保存。

Definition

International Mineralogical Association

国际矿物学协会为某种物质被视为独立矿物制定了以下要求：

• 它必须是通过自然地质过程形成的天然物质，可以在地球或其他天体上形成。这排除了直接且仅由人类活动产生的化合物，也排除了仅在生物体内形成的化合物，如碳化钨、尿结石、植物组织中的草酸钙晶体和贝壳。然而，如果地质过程参与了这些物质的形成，如来自植物材料的埃弗石、来自蝙蝠粪的磷铝石或来自矿山尾矿的水胆矾，则可能符合资格。假设的物质也被排除，即使它们被预测存在于无法到达的自然环境中，如地核或其他行星。
• 在其天然产出状态下，它必须是固体物质。这条规则的一个主要例外是自然汞：尽管它仅在零下39摄氏度以下才结晶，IMA 仍将其归类为矿物，因为它是在现行规则确立之前被纳入的。水和二氧化碳不被视为矿物，尽管它们常以包裹体形式存在于其他矿物中；但水冰被认为是矿物。
• 它必须具有明确的晶体学结构，或者更普遍地说，具有有序的原子排列。这一性质意味着几种宏观物理性质，如晶体形态、硬度和解理。它排除了地蜡、褐铁矿、黑曜石以及许多其他在地质环境中出现的非晶态材料。
• 它必须具有相当明确的化学成分。然而，某些具有固定结构但成分可变的晶体物质可被视为单一矿物种类。一个常见例子是固溶体，如硫镍矿 (Fe、Ni)₉S₈，它主要是硫化亚铁，其中相当一部分铁原子被镍原子取代。其他例子包括具有可变层堆叠的层状晶体，或仅在空位和取代规则排列上不同的晶体。另一方面，一些具有连续成分序列的物质可能被武断地划分为几种矿物。典型例子是橄榄石族 (Mg、Fe)₂SiO₄，其富镁端元和富铁端元分别被视为镁橄榄石和铁橄榄石。

这些规则的细节存在一些争议。例如，最近有几项提议将非晶质物质归类为矿物，但尚未被 IMA 接受。IMA 也不愿接受天然仅以几百个原子大小的纳米颗粒形式存在的矿物，但尚未定义最小晶体尺寸。一些作者要求材料在室温下是稳定或亚稳定的固体；然而，IMA 仅要求该物质足够稳定，以便其结构和成分能够被很好地确定。例如，它认可了泻利盐（一种天然硫酸镁水合物）为矿物，尽管它仅在零下2摄氏度以下形成并稳定存在。

Minerals, mineraloids and rocks

矿物与似矿物的区别在于原子排列的有序程度。蛋白石、黑曜石、褐铁矿和地蜡等缺乏长程有序，因此被归为似矿物。似矿物在工业、宝石和地质研究中同样重要，但在严格的矿物学分类中不占独立矿物种的位置。

矿物与岩石的区别在于尺度与组合关系。岩石是矿物的集合体，可以只含一种矿物（如大理岩主要由方解石组成），也可以含多种矿物（如花岗岩）。岩石还可以含非晶质物质、有机质和孔隙流体，因此不能简单用矿物定义来描述。

Varieties and solid solutions

一种命名矿物的化学成分可能因含有微量杂质而略有不同。某一物种的特定变种有时有其自己的约定俗成或官方名称。例如，紫水晶是石英的一个紫色变种，烟晶是石英的棕色变种，贵蛋白石是蛋白石的变种。

一些矿物种类可以包含两种或多种化学元素，这些元素在矿物结构中占据等效位置。例如，硫镍矿的化学式可表示为 (Fe、Ni)₉S₈，其中铁和镍的比例可变。橄榄石族则从富镁的镁橄榄石到富铁的铁橄榄石形成连续固溶体，端元被分别命名为独立矿物种。

固溶体的划分在一定程度上是人为的。当成分连续变化时，矿物学家通常根据结构、成分范围和命名规则划定物种边界。这种划分有助于交流，但也意味着同一族矿物的边界可能因分类方案而异。

Classification

矿物按其主要化学成分分类。两个主要的分类系统是达纳分类法和斯特伦茨分类法。达纳分类法以化学组成和结构关系为基础，编号细致；斯特伦茨分类法以化学式和结构为纲，把矿物分为自然元素、硫化物、氧化物、卤化物、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐和硅酸盐等大类。

硅酸盐矿物约占地球地壳的90%，是地壳和地幔中最主要的矿物族。其他重要的矿物族包括自然元素、硫化物（如方铅矿 PbS）、氧化物（如石英 SiO₂）、卤化物（如岩盐 NaCl）、碳酸盐（如方解石 CaCO₃）、硫酸盐（如石膏 CaSO₄·2H₂O）、钼酸盐（如钼铅矿 PbMoO₄）和磷酸盐（如氯磷铅矿 Pb₅(PO₄)₃Cl）。

Physical properties

除了基本的化学成分和晶体结构外，对一种矿物种类的描述通常还包括其常见物理性质，如形态、硬度、光泽、透明度、颜色、条痕、韧性、解理、断口、晶系、环带、裂开、比重、磁性、荧光、放射性，以及味道、气味和对酸的反应。

这些性质是矿物鉴定的基础。硬度用莫氏硬度计或维氏硬度计测量；解理反映晶体结构中原子键的薄弱面；条痕是矿物粉末的颜色，常比块体颜色更稳定；比重和密度反映化学成分与堆积效率；荧光和放射性则与杂质、缺陷或放射性元素有关。

Formation and occurrence

矿物可以在岩浆结晶、热液沉淀、变质反应、风化蚀变、生物矿化和沉积作用中形成。岩浆矿物从熔体中结晶，常见于火成岩；热液矿物从热水中沉淀，常见于矿脉和矿床；变质矿物在固态下由温度和压力变化形成；风化矿物由近地表的水、氧和生物作用形成；生物矿物由生物体控制沉淀，如贝壳、骨骼和珊瑚。

矿物的稳定性取决于环境条件。同一矿物在不同温度、压力、pH 和氧逸度下可能被其他矿物替代，形成蚀变、假象或次生矿物组合。矿物因此不仅是静态的物质，也是记录地质过程的动态载体。

Significance and uses

矿物是人类社会最重要的自然资源之一。金属矿物是金属冶炼的原料，非金属矿物用于建材、陶瓷、玻璃、化肥和化工，宝石矿物用于首饰和收藏，矿物燃料和放射性矿物用于能源。矿物还用于环境修复、土壤改良、水处理和碳封存。

在科学上，矿物记录了地球和行星的演化历史。通过矿物成分、同位素、包裹体和定年，可以研究地壳形成、板块运动、古气候、生物演化和陨石撞击。矿物学因此与岩石学、地球化学、行星科学和材料科学紧密交叉。