矿物的光学性质

一、矿物的光学性质

矿物的光学性质是指矿物对自然光的反射、照射、折射和吸收等所表现出来的性质，主要包括矿物的颜色、条痕、光泽、透明度、发光性等。

（一）矿物颜色

矿物的颜色是矿物最明显、最直观的物理性质，是矿物鉴定中最重要的依据。

图9－1　颜色互补关系图

矿物的颜色是其吸收了可见光后产生的。可见光的波长在390～760nm之间，波长由长至短显示的颜色依次为红、橙、黄、绿、蓝、青、紫等色，它们的均匀混合色为白色。而阳光则是白色光。

矿物在可见光照射下，会发生对光的吸收、透射及反射等现象。如果矿物对所有可见光全部吸收时，矿物则呈现黑色；如果矿物对所有可见光均匀吸收时，矿物则呈现灰色；如果矿物对所有可见光全部不吸收时，矿物则呈现白色或无色；如果矿物只选择性的吸收一部分可见光，而透过或反射出不被吸收的可见光时，矿物则呈现被吸收颜色的补色。

矿物选择吸收的颜色与矿物呈现的颜色之间为互补关系。其关系见图9－1与表9－1。

此外，光对矿物的多次反射、散射、干涉等物理作用，也影响矿物的颜色，如矿物的晕色、锖色等则为可见光对矿物产生干涉的结果。

矿物的颜色依据形成的原因可分为自色、他色和假色，其特征如下：

1.自色

自色为矿物自身固有的颜色。一般的同一种矿物颜色是固定的，如孔雀石呈翠绿色。

表9－1　矿物吸收光颜色与补色

矿物自色的形成是由于其化学成分中含有的过渡型离子和矿物的晶体结构缺陷等造成的。不同的自色矿物，其呈色的机制又不相同。一般常分为以下几种类型：

（1）电子内部跃迁。由于矿物化学成分中含有过渡型离子，这些离子的d或f轨道都未充填满电子，它们在晶体结构中，受到配位体（如O、S、F等）的作用使得离子同一能级的d或f轨道发生能级分裂，而分裂后形成轨道能级差值均在可见光范围内。当自然光照射在矿物晶体上时，受光能量的作用，引起d或f轨道上电子发生由低能级向高能级跃迁，这个过程电子要选择性吸收某些波长的可见光，导致矿物晶体呈现出被吸收光波颜色的补色。这种由于电子跃迁而呈颜色的过程发生在过渡型离子的d或f轨道内，所以被称为电子内部跃迁。这些过渡型的离子被称为色素离子，常见的有Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、U、TR等离子，这些离子引起的颜色可以相同，也可以不同。如红宝石的红色是成分中含的Cr离子的电子发生d－d跃迁所造成的。

（2）离子间的电子转移。在晶体结构中相邻的离子间受外界高能量的诱发，可使离子之间的电子发生转移。这个过程所产生的透射光使矿物呈色。一般易发生在同一晶体结构中同种但价态不同的离子身上，如常见发生在Fe²⁺与Fe³⁺之间的电子转移。

（3）带隙跃迁。发生在许多硫化物、砷化物矿物身上的颜色的呈色机制，为矿物晶体在光照射下电子吸收能量而发生不同能带间的跃迁而造成的。如黄铁矿呈现的金黄色就是带隙跃迁造成的。

（4）色心。在矿物中存在着晶格缺陷，这种缺陷是由于其化学组成中某种元素含量过剩或不足或存在杂质离子或晶格因外力产生机械变形所造成，这种缺陷可形成色心。当光照射在晶体上时，在缺陷周围会吸收不同可见光而发生电子转移，使晶体呈现出被吸收光波颜色的补色，如萤石呈现的紫色或绿色。

2.他色

他色为矿物因含外来杂质而引起的颜色。由于他色的颜色与外来杂质有关，所以一般不固定。但有些矿物的杂质比较固定，导致矿物颜色也稳定，可作为鉴定这些矿物的依据。

3.假色

假色为矿物因光的反射、干涉等某些物理因素所引起的颜色。这种颜色与矿物的化学组成与晶体结构无关，与外界环境有关系，主要包括有：

（1）晕色。一些透明矿物的表面呈现出一种如彩虹般的色带。如晕石英颜色，为矿物内部的解理面或裂隙对光的连续反射和干涉所引起。

（2）锖色。如斑铜矿表面呈现的紫蓝色是由于表面出现薄的氧化膜对反射光的干涉引起的。

（3）变彩。一些透明矿物在转动或从不同角度观察，出现不同颜色的变化。为矿物内部具有的微细球粒或叶片状包体所引起，如欧泊的变彩效应。

矿物的颜色十分丰富多彩。在描述矿物颜色时常采用简明、通俗、确切的原则。一般选择自然物体作比喻，如孔雀绿、天蓝色等。矿物颜色由多色构成时采用重命法，如黄绿色、紫红色等。若矿物颜色在色调上有变化可在色别前加形容词，如深蓝色、浅红色等。

（二）矿物条痕（粉末色）

矿物在瓷板上摩擦后留下的痕迹颜色被称为条痕，实为矿物的粉末色。

矿物条痕由于可消除假色，降低他色，使得矿物的颜色更稳定，用其鉴定矿物更准确。如赤铁矿块体可呈现黑色、红色等，但其条痕色均为樱红色。

条痕对不透明的彩色或金属矿物鉴定比较重要；对透明矿物，其鉴定意义不大。

（三）矿物透明度

矿物透过可见光的程度被称为透明度。它主要取决于矿物对光的吸收程度和矿物块体的薄厚。一般金属矿物对光吸收率高，呈不透明状；非金属矿物吸收率低，常呈透明状。观察矿物的透明度时，为了消除厚度对透明度的影响，一般观察矿物的边缘。根据观察结果，将矿物的透明度分为：

（1）透明。矿物可使大部分光线透过，这种矿物薄片透光能力强，可清晰看见另一边晶体的轮廓，如石英、方解石等矿物。

（2）半透明。矿物可使少部分光线透过，这种矿物薄片透光能力较强，但分辨不清另一边晶体的轮廓，如辰砂、雄黄等矿物。

（3）不透明。矿物不允许光线透过，这种矿物则为不透明矿物，如磁铁矿、方铅矿等矿物。

影响矿物的透明度还有许多因素，如矿物中的包裹体数量、颜色、个体大小、裂隙以及矿物的集合体形式等方面。

（四）矿物光泽

矿物表面对可见光的反射能力被称为矿物的光泽。矿物光泽的强弱主要由其表面的反射光的光量来决定，而反射光的光量与矿物的化学键属性、离子堆积密度及矿物个体之间的结合方式等因素有关。根据矿物单体表面反射光的强弱次序可分为：

（1）金属光泽。具有典型金属键或主要具有金属键组成的矿物，表面受光照射时出现金属磨光面一样反光的光泽，如自然金、方铅矿、黄铁矿等矿物的光泽。

（2）半金属光泽。部分具有金属键，部分具有离子键或共价键组成的矿物，表面受光照射时出现暗或次于金属磨光面一样反光的光泽，如磁铁矿、黑钨矿等矿物的光泽。

（3）金刚光泽。具有典型共价键或主要具有共价键的复合键组成的矿物，表面受光照射时出现金刚石表面一样反光的光泽，如金刚石、闪锌矿、自然硫等矿物的光泽。

（4）玻璃光泽。具有典型离子键或主要具有离子键或堆积密度不紧密的共价键组成的矿物，表面受光照射时出现平板玻璃面一样反光的光泽，如石英、方解石、磷灰石等矿物的光泽。

此外，矿物光泽的强弱也受矿物颜色、表面的光滑程度的影响，一般矿物颜色深，则光泽强；矿物颜色浅，则光泽弱。矿物表面越光滑，则光泽越强。

自然界大多数矿物往往以集合体形式出现。由于不同集合体的单体矿物之间的结合方式有差异，可见光照射在矿物集合体上引起光出现漫反射、多次折射及散射等现象，引起矿物光泽会产生变异，出现特殊光泽，主要有：

（1）油脂光泽。颜色浅，具有离子键或共价键的矿物集合体。由于表面不光滑导致光出现漫反射而呈现油脂面状光泽，如石英块体、软玉等矿物集合体的光泽。

（2）树脂光泽。颜色浅黄－褐黄色，具有共价键的矿物集合体或单体。由于表面不平坦导致光出现漫反射而呈现如松香等树脂状光泽，如闪锌矿块体、雄黄等矿物的光泽。

（3）沥青光泽。颜色黑色－褐黑色，具有共价键的矿物集合体或单体。由于表面不平坦导致光出现漫反射而呈现如沥青等的光泽，如沥青铀矿等矿物的光泽。

（4）丝绢光泽。颜色浅而透明，具有离子键或共价键的由个体细小呈纤维状的矿物集合体或具有完全解理的矿物。由于表面出现纤维面导致光出现漫反射而呈现如蚕丝或丝织品状光泽，如石棉类矿物呈现的光泽。

（5）珍珠光泽。解理面特发育的浅色矿物集合体。光照射在解理面上出现漫反射和干涉效应，使其呈现一种柔和多彩如雨后彩虹般的光泽，如云母类矿物解理面上呈现的光泽。

（6）土状光泽。呈粉末状或土状集合体的矿物。光照射在表面上出现漫反射使光泽呈现暗淡如土的光泽，如高岭石、蒙脱石等矿物的光泽。

矿物的光泽是矿物固有的性质，是构成矿物鉴定的一个重要依据。

（五）矿物发光性

当矿物受外界能量激发，发生可见光的性质被称为矿物发光性。根据发光持续时间的长短可分为：

荧光。如发光体一旦停止受激发，发光现象立即消失的现象被称为荧光，发光体被称为荧光体。如方解石具有荧光现象。

磷光。如发光体一旦停止受激发，发光现象仍持续存在现象被称为磷光，发光体被称为磷光体。如磷灰石、萤石可具有磷光现象。

根据发光源的不同可分为：

（1）光致发光。光源为可见光、红外光、紫外光等，其中用紫外光为绿光，做光源比较常见，矿物或宝石受激发可发出不同颜色（波长）的可见光荧光，帮助人们鉴定矿物或宝石。由于不同矿物的结构、成因等不同，使得发光所需的能量不同，导致使用荧光的波长不同，常用波长为253.7nm（短波）或365nm（长波）。一般常来鉴定白钨矿、金刚石等宝石矿物。

（2）阴极射线发光。光源为高能电子束。发光颜色为蓝色，发光余晖短。但高温下会发生发光的热猝灭（发光突然熄灭）现象。

（3）热发光。以热量为激发源使矿物发光。主要用于矿床成因、地质年龄测定、地层的对比与划分以及确定地质温度计等方面。