计算矿物学

第1章 矿物学 1.1 矿物学概述 1.1.1 起源与发展 矿物学是研究矿物化学成分、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、用途、相互关系的一门学科，是地质学的二级分支学科之一。目前，矿物学的发展共大致经历了六个阶段(图1.1)：起源阶段、萌芽阶段、描述矿物阶段、宏观研究进入微观研究阶段、现代矿物学阶段、矿物学交叉学科与大数据阶段。 图1.1 矿物学发展历程图 1. 起源阶段 根据人类现有的知识体系，大量的矿物已出现在“宇宙形成-地球形成-生命起源-生命演化-人类出现”的各个阶段；但人类参与这部分研究的起步时间较晚且研究内容较为零碎，常通过考古学、地幔科学、极端条件实验反推法等进行研究。随着交叉学科的发展，越来越多的研究证实了起源阶段中矿物的不可替代作用。例如，2019年，鲁安怀教授在美国科学院院报(Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS)上发表了地表矿物膜系统转化太阳能和生物化学能的“矿物光合作用”研究内容，提出了生命起源新的研究方向[1]。此外，起源阶段的研究内容也关联着矿物学后续发展中的各个阶段，并且随着近代外太空研究技术的进步，该研究内容拓展到了其他星球的起源与演变、寻找和改造人类宜居星球等领域。 2. 萌芽阶段 根据考古学和史书(战国～西汉初的《山海经》)可证实，人类从石器时代开始就利用多种矿物(如石英、蛋白石、玉石、黏土等)制作工具、武器、饰品和药物等。之后，人类逐渐认知了若干金属矿石，人类历史过渡到了铜器和铁器时代。我国西汉中期，只记述了个别矿物，没有具体分类。古希腊学者亚里士多德的学生泰奥弗拉斯托斯撰写了《石头论》，把矿物分成金属、石头和土三类。1530年，“矿物学之父”—德国的G. Agricola医生从矿渣中熔炼出硫化锑，并出版了《锑：或是关于矿业的对话》。1556年，他的遗作《冶金学》被誉为西方矿物学的“开山之作”，该书几乎涵盖了所有矿物与岩石种类的描述；同时代我国的李时珍在《本草纲目》(1578年)中描述了38种药用矿物[2]。 3. 描述矿物阶段 18～19世纪，矿物学雏形逐步形成，并建立了研究内容和研究方法，形成了一门学科。1814年，瑞典化学家J.J. Brezelius采用元素和化学式概念描述了大量矿物的化学成分，并进行了初级分类。1819年，德国化学家E. Mitscherlich提出了类质同象与同质多象的原始概念，形成了矿物学研究的化学学派[3]。 4. 宏观研究进入微观研究阶段 随着矿物学宏观体系的逐渐完善，传统矿物学与物理光学出现了交叉点，物理研究手段将矿物学进一步推向了微观研究阶段。1857年，英国地质学家H. C. Sorby将偏光装置加入显微镜，将研究者的视野拓展到微观结构领域。1912年，德国的M. von Laue开创了用X射线衍射实验标定晶体结构的先河，使矿物学研究进入微观结构研究的新阶段，逐步形成了以微观成分和结构为基础的结晶学派，即建立了结构矿物学的雏形。同时伴随着群论和结晶学等学科的发展，矿物学研究转入了描述矿物空间结构的阶段[4]。 5. 现代矿物学阶段 20世纪中期以来，随着物理学理论与实验手段的提升，矿物学进一步地引入了固体物理、量子化学、电子显微镜等技术，从更为微观的原子、电子、光谱等角度深度诠释了矿物的物理性能，形成了矿物物理学[5]。同时，随着科学技术爆发式的发展和科研从业人员数量的增长，不同学科与矿物学的融合速度加快，出现了成因矿物学(矿物学-地质学)、光性矿物学(矿物学-光学)、矿物材料学(矿物学-材料学-合成化学)、矿物形貌学(矿物学-电镜技术科学)、地幔矿物学(矿物学-考古学-高温高压技术科学)、行星矿物学(矿物学-行星科学)等多个分支学科[6， 7]。 6. 矿物学交叉学科与大数据阶段 现阶段，随着计算机与人工智能技术的发展，矿物学已开始向大数据阶段发展。据报道，美国矿山及矿物分布数据和国际深碳观测联合会(Deep Carbon Observatory)等拥有矿物演化数据、地理空间信息等大型数据库，世界各地的研究者可利用这些数据库直接生成和搜寻新矿物模型。2018年，美国的S. Morrison通过分析疾病传播等网络理论揭示了全球矿物的多样性和分布情况。因此，未来的研究将通过计算矿物学来对已知的矿物体系进行广泛和精细的模拟，更快地建立和完善矿物学的大数据库系统。 1.1.2 分支学科 矿物学主要分为七类：结构矿物学、实验矿物学、矿物物理学、矿物形貌学、成因矿物学、矿物材料学和光性矿物学，如图1.2所示。各学科的研究方向和重点不同，矿物体系可相互交叉。 图1.2 矿物学相关学科分布图 1. 结构矿物学 结构矿物学是阐述矿物的晶体结构、空间分布与矿物性能和生长规律关系的一门学科。其主要内容包括：①矿物的结构分类；②矿物结构的化学键和配位多面体；③矿物晶体结构及空间分布；④矿物的性质及应用。结构矿物学通过对各类典型矿物晶体结构和成分的分析，为工程技术或资源开发人员提供地质、材料、冶金等方面的参考[8]。 2. 实验矿物学 实验矿物学是在实验室条件下人工模拟天然矿物的形成环境和条件，探索矿物生长规律的一门学科。其主要内容包括：①在实验室条件下合成矿物；②分析和检测矿物的形貌和性能；③结果记录与分析。自然界形成矿物的时间漫长且地质环境复杂，而实验室合成矿物的时间较短且形成环境简单。因此，研究人员通过把野外采集的样品带回室内分析，记录和标定其生长条件，能有效地解决野外样品分析中存在的难题，便于研究人员从整体上进行观察和研究[9]。 3. 成因矿物学 成因矿物学是根据地质条件和物理化学理论研究矿物形成原因和应用的一门学科[10]。其主要内容包括：①矿物发生、形成和变化的条件及过程；②在形态、成分、性质上反映矿物形成条件的内在关系；③复合矿物之间的平衡关系和空间分布；④矿物的分类。成因矿物学对矿床来源、成矿条件和成矿作用进行了系统的划分，有助于研究人员开展地质找矿、勘探等实践工作，并逐渐形成找矿矿物学。成因矿物学还对矿床成因学、矿物晶体化学理论和岩石学有推动和促进作用。 4. 矿物形貌学 矿物形貌学是研究矿物的晶体形貌，以此探索矿物的生长机制和历程的一门学科[11]。其主要内容包括：①对结晶多面体及其习性的研究；②结合环境因素探索晶体形状各异的成因；③矿物晶体表面微形貌。矿物晶体表面微形貌是生长的终态，通过对晶体形貌的观察和记录，研究人员可以有效地模拟矿物晶体生长的过程，进一步认识矿物生长与地质的相互关系。 5. 光性矿物学 光性矿物学是在显微镜下测定各种矿物的光学常数，研究其光学性质的一门学科。其主要内容包括：①用光学显微镜对矿物进行晶体光学测定的基本原理、主要内容和操作方法；②矿片厚度、矿粒大小和矿物含量的测定方法；③矿物种类的划分；④矿物的地质条件与其他矿物的共生关系或宝玉石研究；⑤建立比较完备的以矿物光学常数为依据的矿物鉴定表。光性矿物学为地质高校、光电材料研究部门、宝玉石专业学者提供了理论学习基础和鉴定依据。 6. 矿物材料学 矿物材料学是研究工艺技术对矿物性能的影响以及矿物在生活中的应用的一门学科[3-4]。其主要内容包括：①矿物材料的物理和化学组成；②矿物材料的结构和性质；③矿物材料的制备方法、目的、技术和发展趋势；④对矿物材料制备的原料、性质、工艺流程和主体设备的介绍；⑤矿物产品的性能表征和应用；⑥矿物材料制备和应用的发展趋势。矿物材料学为矿物资源的有效利用提供了重要的经济价值参考，也是国民生活资料和军事原料等的主要来源。 7. 矿物物理学 矿物物理学是通过一系列物理学和实验方法来研究矿物的结构、组分、性能等的一门学科。其主要内容包括：①矿物化学键理论—晶体场理论和配位场理论解释离子占据晶格中的位置、有序性和择位性等问题，分子轨道理论解释矿物结构的键长、键角变化、键性特征以及矿物X射线谱测定的结果，能带理论解释矿物的电学和光学等性质；②矿物能量状态研究—利用矿物的光学性质和非弹性中子散射的数据，计算矿物的热力学参量和状态方程，并绘制相关相图；③实际矿物晶体中的缺陷研究—矿物结构的点缺陷、线缺陷、面缺陷等对矿物的结构、熔点、性能和扩散迁移等的影响；④矿物的物理性质和化学性质研究—对矿物的光、电、磁、声、热、力、溶解、吸附等性质的研究；⑤高压矿物物理研究—对比高压相态和物性测定与地球物理方法测得的数据，推断地下深处的矿物质组成。矿物物理学的发展使研究人员对矿物学的研究从原子深化到内部电子和核结构，由此可以研究矿物化学键的本质、晶体结构和极端特性。 8. 其他 此外，还有以某类矿物为专门研究对象的学科—硫化物矿物学、宝石矿物学、黏土矿物学和硅酸盐矿物学等；在某一地区发展起来的区域矿物学科；以地幔矿物发展起来的地幔矿物学；以天体矿物发展起来的宇宙矿物学，如陨石矿物学、月岩矿物学等。 1.2 矿物概述 1.2.1 矿物命名 在地球系统中，矿物通常是组成天然岩石、矿石和土壤的基本单元(元素、单质或化合物)，也是生态环境的载体和动植物的营养供体。矿物一般需要满足如下条件：①在地质作用下形成，并在一定的地质和环境条件下演化；②内部质点(原子、离子)排列有序的均匀固体；③具有特定的化学成分；④具有特定的结晶构造(非晶质矿物除外)；⑤固态的无机物(自然汞常温呈液态除外)，其绝大部分属于晶质矿物，极少数属于非晶质矿物(如水铝英石等)。因此，煤、石油、实验室制造的矿物晶体(如人造水晶、人造钻石等)不属于严格意义上的矿物。 矿物主要根据传统习惯、矿物本身特征(如成分、形态、物性等)、外文音译、矿物产地或人名等方式进行命名(表1.1)，但传统的命名方式不能体现出矿物化学成分和元素种类的差别。为了精确地表述矿物成分，研究者根据晶体化学分类原则命名矿物，将其主要分为大类(相同化学键类型：自然元素、硫化物及其类似化合物、氧化物和氢化物、含氧盐、卤化物)、亚类(不同的阴离子或络合阴离子)、亚族(阳离子或晶体结构型)、种(化学组成和晶体结构)、亚种(完全类质同象间端员组分的差异)、异种或变种(特异的晶体结构、组分或物性)。例如，方铅矿的描述为：化学式PbS，铅灰色，金属光泽，不透明，等轴晶系，立方体或八面体、对称型m3m，晶体取向(100)、(111)等。 表1.1 部分矿物的命名方式 除了化学式表示方法以外，矿物学家常借助空间群概念描述矿物的结晶构造，这样可以系统地表述矿物的化学成分和空间结构。例如，高岭土可被表述为：分子式Al2Si2O5(OH)4，三斜晶系，空间群C1。化学式可通过XPS、FT-IR、Raman、XRF-精修技术等方法进行测试，结晶结构可通过X射线衍射光谱、中子衍射光谱、高能透射电镜等进行测试。因此，现代测试技术已可精确地标定矿物的成分、原子排布、结构转变和相变等，这将有助于明确地区分出类质同象矿物等。 1.2.2 天然矿物分类 对地球的地核、地幔和地壳的主要划分是两个基本过程的结果：①地球早期形成金属核心；②硅酸盐地幔部分熔融形成大陆地壳。在整个地球历史中，这两个过程发生了不同强度的地质作用。在元素周期表中，铁原子序数前的元素通过核聚变的方式产生，而铁原子序数后的元素通过新星爆炸产生。地球上的重元素是银河系中星际物质长久更迭的结果，由于受到引力的作用，熔融物质发生大规模迁移，轻者上浮、重者下沉，所以铁、镍等重元素构成地核，硅酸盐物质构成地