二、矿物的力学性质
矿物在外力作用下表现出来的各种物理性质被称为力学性质。主要包括解理、裂理、断口、密度、硬度、延展性、弹性、脆性及挠性等方面内容。
（一）解理
1.解理的概念
矿物晶体在外力（敲打、挤压等）作用下，沿一定的结晶学方向破裂成一系列光滑平面的性质被称为解理。破裂的光滑平面被称为解理面。
2.解理的分级
根据解理产生难易程度、解理片厚薄、解理面大小及光滑程度将解理分为五个级别，分别是：
（1）极完全解理。矿物在外力作用下极易产生明显的解理，解理面大而极平滑，解理片极薄，如云母、石墨等矿物的解理。
（2）完全解理。矿物在外力作用下易产生解理，一般不成薄片，常裂成块，解理面较大而平滑，解理片光滑平坦，如方解石、方铅矿等矿物的解理。
（3）中等解理。矿物在外力作用下可产生较明显解理，解理面不连续，解理面光滑与平坦程度较差，解理块上断口出现，如辉石、角闪石等矿物的解理。
（4）不完全解理。矿物在外力作用下不易产生解理，解理面较小而不光滑平坦，碎块主要呈现断口，如磷灰石、绿柱石等矿物的解理。
（5）极不完全解理。矿物在外力作用下极难产生解理，无解理面出现，主要呈现断口，如石英等矿物的解理。一般可称为无解理。
3.解理的表示
解理是晶体固有的性质，它既体现出晶体的异向性，又体现了晶体的对称性，常采用单形符号来表征，它可以表示解理的方向，又可表示解理的组数（相同方向为一组）和解理面夹角。例如用｛100｝表示石盐的解理，石盐为等轴晶系，｛100｝表示其为三组，即（100）、（010）、（001）三对平行面方向产生解理，又表示了这些解理面之间夹角为90°。
4.影响解理产生的因素
只有结晶体才出现解理，解理面的方向和获得的难易程度，严格受晶体结构制约。解理面一般沿面网间化学键力最弱的方向产生。主要体现在晶体结构中的几个方向：
（1）解理面一般平行于晶体结构中面网密度最大的方向。这是由于面网密度大，其面网之间的间距大，则面网间的化学键力小，平行面网可产生解理。如金刚石的（111）面网的间距最大，所以会产生｛111｝解理。
（2）解理面平行于晶体结构中由异号离子组成的电性中和面。因为电性中和的面网之间的静电引力最弱，故平行电性中和面方向可产生解理。如石盐的晶体结构的（100）面网上，Na+与Cl－的数目相同，该面网为电性中和面，故平行该方向产生解理｛100｝。
（3）解理面平行于晶体结构中由同号离子组成的相邻面网。由于同号离子之间存在斥力，导致相邻面网的联结力差，所以平行该面网方向产生解理。如萤石晶体结构中的（111）相邻面网全由F－离子组成，其解理｛111｝则平行该面网。
（4）解理面平行晶体结构中化学键最弱方向。在晶体结构中若离子之间在不同方向上是用不同性质的化学键结合的，其中垂直化学键最弱方向则会产生解理。如石墨为层状结构，层内为共价键联结，层间（0001）方向为分子键联结，故垂直分子键方向产生｛0001｝极完全解理。
5.解理面与晶面的区别
在实际观察矿物晶体时，必然会遇到解理面和晶面。正确认识这两种不同性质的面对矿物鉴定有重要作用。表9－2为二者的区别标志。
表9－2 解理面与晶面区别的标志
6.常见矿物的解理特征
自然界中矿物的解理是一种不随外界条件而改变的性质，因此具有重要的鉴定意义。部分常见矿物的解理特征列入表9－3，图9－2表示常见解理的方向。
图9－2 解理方向图示（引自潘兆橹，1993）
（a）表示立方体解理；（b）表示八面体解理；（c）表示菱形十二面体解理；
（d）表示菱面体解理；（e）表示底面解理。
表9－3 部分常见矿物的解理特征
（二）裂理
矿物受外力作用，有时可沿一定结晶学方向裂成平面的性质被称为裂理，又称为裂开。裂开的面被称为裂理面。
裂理与解理表面很相似，但二者的成因根本不同。裂理常沿双晶接合面，特别是聚片双晶接合面发生，或因晶格中某一方向的面网中存在着杂质包体而形成。如磁铁矿晶体常发育｛111｝裂理。
裂理与解理本质上是不相同的，在同种矿物晶体上，解理一定都有；而裂理则可有可无。它不是矿物的特性，一般在某些环境下形成的矿物晶体才具有特殊意义。
（三）断口
矿物受外力打击后，会发生无方向、无规律的破裂面现象被称为断口。断口可发生在结晶质矿物身上，也可发生在非晶质矿物身上。由于不同的矿物其产生的断口具有一定的形状，可作为矿物鉴定的依据。
断口根据性质、特点可分为以下几种：
（1）贝壳状断口。断口呈椭圆形的光滑曲面，面上分布有同心圆纹，形似贝壳状，如石英、玻璃等矿物的断口。
（2）锯齿状断口。断口呈锯齿状。延伸性强的矿物往往具有此种断口，如自然铜的断口。
（3）纤维状断口。断口呈纤维状，如石棉的断口。
（4）参差状断口。断口参差不整齐，断面粗糙不平状，如磷灰石的断口。大多数矿物具有此种断口。
（5）土状断口。断面呈细粉末状，如高岭石的断口。
（6）平坦状断口。断面比较平坦，如块状高岭石的断口。
（四）矿物的硬度
1.矿物硬度的概念
矿物抵抗外力刻划、压入或研磨等机械作用的能力被称为矿物硬度。它是矿物比较稳定的性质之一，是矿物一个重要的鉴定特征。
2.矿物硬度的分类
矿物硬度由于测量方法的不同，其表示方式也不相同。常用的有刻划法。按刻划所使用的仪器差异可分为：
（1）摩氏硬度计，又称矿物相对硬度计。为1822年由Friedrich Mohs提出。该硬度计由10种矿物组成，按硬度的程度分为十级，用Hm值表示如下：
①滑石；②石膏；③方解石；④萤石；⑤磷灰石；⑥长石；⑦石英；⑧黄玉；⑨刚玉；⑩金刚石。
这十种矿物的硬度级差是相对的，各级差之间的硬度差异是不相同的。
利用摩氏硬度计确定矿物硬度的方法称为刻划法，将其他矿物与摩氏硬度计中已知硬度级别的矿物互相刻划比较，如某一矿物能划动长石，而划不动石英，则其硬度为Hm=6～7。
（2）工具硬度计。使用更常用更简单的工具确定矿物硬度，其标准如下：
指甲Hm＞2；铜针Hm=3；小刀Hm=5～5.5；瓷片Hm=6～6.5。其使用方法也是刻划法。
注意：确定矿物硬度，必须在纯净、新鲜的单体晶粒上进行，刻划时用力要缓而均匀，不要刻挖，如有滑感，则表明被刻划矿物硬度大；如有阻涩感，则表明被刻划矿物硬度小。
这两种硬度计都是使用比较方便，但结果比较粗糙。
（3）维氏硬度计，又称为显微硬度计。该方法是利用金刚石正方形锥体加一定负荷压在矿物表面上，以负荷与压痕表面积的关系计算矿物的硬度。一般负荷与压痕表面积成正比关系，即负荷越大，压痕表面积越大，而矿物硬度越大。当负荷一定时，矿物硬度越大，压痕表面积越小。维氏硬度计用Hv值表示。一般Hv与Hm的关系为：
Hv=3.25Hm3
这个公式不适应金刚石的硬度关系。
3.影响矿物硬度的因素
影响矿物硬度的因素比较复杂，主要有：
（1）晶体中化学键的类型。一般的，矿物具有典型共价键时硬度特大。具有离子键时，硬度取决于离子的电荷、半径等因素，其硬度变化较大；具有典型金属键时，硬度较低；含有分子键的矿物硬度最小。
（2）矿物晶格中，由于离子键的强度与离子性质有关，导致矿物硬度变化大，一般影响因素为：
①离子半径。当矿物晶体结构类型和离子电荷相同，则矿物硬度随着离子半径的增大而减小。如方解石型结构的方解石与菱镁矿，因Ca2+的半径为0.108nm，Mg2+的半径为0.066nm，所以方解石Hm=3；而菱镁矿Hm=4.5。
②离子电价。当矿物晶体结构类型和离子半径相同，则矿物硬度随着离子电价的增大而增大。例如萤石和方钍石具有相同晶体结构，Ca2+与Th4+离子半径几乎相等（Ca2+= 0.120nm；Th4+=0.112nm）。但Ca2+与Th4+电荷差异特大，所以萤石Hm=4；方钍石Hm=6.5。
③离子堆积密度。由于离子键无方向性，在晶体结构中离子的堆积密度越大，则晶体的硬度越高，否则硬度变小。如方解石与文石化学组成同为Ca［CO3］，但方解石离子堆积比文石松弛。所以方解石Hm=3；文石Hm=4。
④配位数。晶体结构中随离子配位数的增大而硬度增大。如方解石与文石化学组成同为Ca［CO3］，但方解石结构中Ca2+的配位数为6，文石结构中Ca2+的配位数为9。所以方解石Hm=3；文石Hm=4。
⑤矿物中的水。矿物成分中只要含有“水”，其硬度均降低。如石膏含水Hm=2；硬石膏不含水Hm=3～3.5。
（3）硬度的对称性和异向性。由于矿物晶体具有对称性和异向性，所以矿物硬度也有对称性和异向性。如图1－7所示，蓝晶石被称为二硬石，在它的（100）面上，平行晶体延伸方向的硬度Hm=4.5，小刀可以划得动；垂直晶体延伸方向的硬度Hm=6.5～7，小刀划不动。
（五）矿物密度和相对密度（比重）
矿物单位体积内的质量被称为密度，单位为g/cm3。矿物的相对密度为矿物在空气中的重量与在4℃同体积水的重量比。其数值与密度相同，但无量纲。
1.矿物相对密度（比重）的分级
矿物的相对密度变化范围很大，在矿物学中，根据其相对密度值的大小分为三级：
（1）轻矿物。其相对密度值小于2.5，如石膏等矿物的相对密度值。
（2）中等矿物。其相对密度值在2.5～3.5之间，如石英等矿物的相对密度值。
（3）重矿物。其相对密度值大于3.5，如方铅矿等矿物的相对密度值。
在矿物学中，一般用手感掂量矿物的相对密度等级。该方法误差大，但简单实用。
2.影响矿物相对密度的因素
影响矿物相对密度的因素比较多，主要有：
（1）化学成分中元素的原子量。矿物化学成分中，对矿物相对密度影响比较大的是化学元素的原子量，一般元素的原子量值越大，则矿物相对密度值越高。如方铅矿的相对密度值很高的原因在于其成分中铅的原子量特高所引起。
（2）原子或离子的半径。当矿物的结构类型相同而化学成分中原子量差异不大时，其相对密度值与原子或离子的半径有关，一般元素原子或离子的半径越大，则矿物相对密度值越小；否则相反。如方解石与菱镁矿为等结构，且钙的原子量又比镁大，但由于钙的离子半径远大于镁离子半径，所以菱镁矿的相对密度值大于方解石的相对密度值。
（3）离子堆积的紧密程度。当化学元素的原子量和离子半径相近或相同时，离子堆积得越紧密，离子的配位数越高，一般矿物的相对密度越大。如方解石与文石矿物，二者的化学成分相同，但在方解石中钙的配位数为6，而在文石中钙的配位数为9。所以文石的相对密度值大于方解石的相对密度值。
（4）温度和压力。一般温度升高则使阳离子的配位数降低而导致矿物相对密度值变小；一般压力增大则使阳离子的配位数增加而导致矿物相对密度值变大。
此外，影响矿物的相对密度还有其他因素，如矿物的纯净度、矿物中混入物的含量及包裹体特征等。
矿物的相对密度是矿物固有的性质之一，在矿物的鉴定、应用中有重要的意义。
（六）矿物弹性、挠性与延展性等
1.矿物弹性
矿物在外力作用下发生弯曲形变，当外力解除后又恢复原状的性质被称为矿物的弹性。如云母类矿物的解理片均具有弹性。
矿物产生弹性的实质是一些层状结构的矿物，其单位结构层之间存在着离子键的作用力，当遭遇外力作用时，这些键由于被拉长或压缩，各单位结构层能够弯曲或移动。外力取消后，这些键则恢复正常，并使各单位结构层恢复到原状。
2.矿物挠性
矿物在外力作用下发生弯曲形变，当外力解除后无法恢复原状的性质被称为矿物的挠性。如绿泥石、蛭石类矿物的解理片均具有挠性。
矿物产生挠性的实质是一些层状结构的矿物，其单位结构层之间以氢键等余键的作用力联结，当遭遇外力作用时，这些键由于被拉长或压缩，各单位结构层能够产生相对移动，形成新的氢键等余键的作用。外力取消后，这些键无法使各单位结构层恢复到原状。
3.矿物延展性
矿物在外力作用下容易形成薄片或细丝的性质被称为矿物的延展性。如自然金则具有被拉丝的特性。
矿物的延展性主要发生在具有强金属键的矿物身上。
4.矿物脆性
矿物在外力作用下易破碎的性质被称为矿物的脆性。如石英具有脆性。
矿物脆性主要发生在强离子键或强共价键的矿物身上。实质上是这些矿物化学键的承受力超过外力极限。
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