—、矿物的光学性质

矿物的光学性质（optical properties）是指矿物对可见光的反射、折射、吸收等所表现出来的各种性质。

1.矿物的颜色

颜色（color）是矿物最明显、最直观的性质，对鉴定矿物具有重要的意义。矿物的颜色是矿物对入射的白色可见光（390～770nm）中不同波长的光波吸收后，透射和反射的各种波长可见光的混合色。

自然光呈白色，它是由红、橙、黄、绿、蓝、青、紫七种颜色的光波组成。不同的色光，波长各不相同。不同颜色的互补关系如图 14-1 所示，对角扇形区为互补的颜色。

图14-1 互补色

当矿物对白光中的不同波长的光波同等程度地均匀吸收时，矿物所呈现的颜色取决于吸收程度。如果是均匀地全部吸收，矿物即呈黑色；若基本上都不吸收，则为无色或白色；若各色光皆被均匀地吸收了一部分，则视其吸收量的多少，而呈现出不同浓度的灰色。如果矿物只是选择性地吸收某种波长的色光时，则矿物呈现出被吸收的色光的补色。

矿物呈现颜色主要是由于其组成中的原子或离子之外层电子发生跃迁，选择性地吸收可见光中一定波长的光波所致；也可以是因光的反射、干涉、衍射、散射等物理光学效应而引起矿物呈色。

矿物的颜色，据其产生的原因，通常可分为自色、他色和假色三种。

1）自色

自色（idiochromatic color）系由矿物本身固有的化学成分和内部结构所决定的颜色，是由于组成矿物的原子或离子在可见光的激发下，发生电子跃迁或转移所造成的。对同种矿物来说，自色一般相当固定，因而是鉴定矿物的重要依据之一。矿物的自色，大多是由于组成矿物的原子或离子，受可见光的激发，发生电子跃迁或电荷转移而造成的，其呈色机理主要有以下四种：

（1）离子内部电子跃迁（internal electron transition）：这是含过渡型离子的矿物呈色的主要方式。过渡型离子具有未满的外电子层结构，受配位体的作用，d轨道或f轨道会发生能级分裂，能级间的能量差与可见光中的某种波长的光波相当。当自然光照射时，矿物将吸收这部分色光而呈现其补色。由于电子跃迁发生在过渡型离子的d轨道或f轨道内部，故又称为d—d跃迁或f—f跃迁。能使矿物呈色的过渡型离子称为色素离子（chromophoric ion），主要有周期表中第四周期的Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni，以及次要的W、Mo、U、Cu和稀土元素等的离子，其中最常见的是通常分别使矿物致绿色和褐红色的Fe²⁺和Fe³⁺。而对于仅由惰性气体型离子所构成的矿物，因其基态与激发态能级间的能量差远比可见光的能量为大，可见光不能激发电子而使其发生跃迁，即矿物对可见光不吸收，故呈现无色或白色。

（2）离子间电荷转移（interionic charge transfer）：在外加能量的激发下，矿物晶体结构中变价元素的相邻离子之间可以发生电子跃迁（称为电荷转移），而使矿物致色，如Fe²⁺与Fe³⁺，Mn²⁺与Mn³⁺或Ti³⁺与Ti⁴⁺之间最易发生电荷转移，蓝闪石即是由于结构中存在Fe²⁺和Fe³⁺之间的电荷转移而呈蓝色的。

（3）能带间电子跃迁（interband transition），也称带隙跃迁（band-gap transition）。能带理论认为，矿物中的原子或离子，其外层电子均处于一定的能带。能带的下部为价带（valence band），上部为导带（conduction band），价带与导带之间为禁带（forbidden band）（即带隙）。若禁带宽度与可见光中某种色光的能量相当，则矿物可吸收能量高于该色光能量的光波，使电子越过禁带而从价带跃迁到导带，导致矿物呈色。许多自然金属矿物或硫化物矿物的呈色，可以从能带理论得到解释。如辰砂（HgS）的禁带宽度为3.2×10^-16J，相当于620nm的波长，故矿物能吸收除红光以外的其他色光而呈红色。

（4）色心（color centre）：色心是一种能选择性吸收可见光波的晶格缺陷，它能引起相应的电子跃迁而使矿物呈色。当矿物中某种元素的含量过剩或存在杂质离子以及晶格的机械变形等，均可形成色心。大部分碱金属和碱土金属化合物的呈色主要与色心有关。最常见的是由于晶格中阴离子的空位而产生的 F心（F-centre）。由于矿物晶格中阴离子空位，局部正电荷过剩，能捕获电子，发生相应的电子转移，选择性吸收某种色光，导致矿物呈现其补色。如萤石（CaF₂ ）的紫色、石盐（NaCl）的蓝色即分别是因晶格中 F^-空位和 Cl^-空位所引起的 F心所致。

矿物的自色又可分为体色（body color）和表面色（surface color）。

对于透明或半透明的矿物，可见光可入射到其内部一定的深度，当晶格内的某些电子从基态跃迁到激发态所需的能量正好与某波长的可见光的能量相当时，这些电子即可吸收入射光中的这部分色光而从基态跃迁到激发态，剩余部分色光则重新透射、散射或反射出矿物的表面而使矿物呈现的颜色，称为矿物的体色，也即是矿物透光的颜色，它表现为被吸收色光的补色。例如橄榄石的橄榄绿色即是其主要吸收紫光所致的体色。

而对金属晶格的矿物而言，由于其吸收非常强，入射光难以深入到矿物内部，主要是矿物表层对入射光吸收，当处于激发态的电子跃迁回到基态时，其释放的能量则以可见光波的形式再辐射出来，从而产生表面色，即反射色（reflection color），它表现为与被吸收色光一致的颜色。例如黄铁矿对波长约520nm以上的绿、黄、橙红色光均有较强的吸收，再辐射后即呈其混合色——浅黄铜色。

2）他色

他色（allochromatic color）是指矿物因含外来带色的杂质、气液包裹体等所引起的颜色，它与矿物本身的成分、结构无关，不是矿物固有的颜色，无鉴定意义。此外，少数矿物往往因晶格缺陷（如色心）而引起他色。大部分碱金属和碱土金属的化合物的呈色现象主要与色心（最常见F心）的存在有关，如石盐的天蓝色、萤石的紫色等。

3）假色

假色（pseudochromatic color）是由物理光学效应所引起的颜色，是自然光照射在矿物表面或进入到矿物内部所产生的干涉、衍射、散射等而引起的颜色。假色只对个别矿物有辅助鉴定意义。矿物中常见的假色主要有：①锖色（tarnish），即某些不透明矿物的表面氧化薄膜引起反射光的干涉作用而使矿物表面呈现出斑驳陆离的彩色，锖色大多可用小刀刮掉，如斑铜矿表面独特的蓝、靛、红、紫斑驳的彩色，可作为鉴定特征；②晕色（iridescence），即某些透明矿物内部一系列平行密集的解理面或裂隙面对光连续反射，引起光的干涉，从而使矿物表面常出现如同水面上的油膜所形成的彩虹般的色带，这在白云母、冰洲石、透石膏等无色透明晶体的解理面上最易见到；③变彩（play of color），是指当从不同方向观察某些透明矿物时，其不均匀分布的各种颜色会随之发生变换，这是由于矿物内部存在有许多厚度与可见光波长相当的微细叶片状或层状结构，引起光的衍射、干涉作用所致，例如拉长石即具有美丽的蓝绿、金黄、红紫等连续改变的变彩，贵蛋白石能呈现蓝、绿、紫、红等色的变彩；④乳光（也称蛋白光，opalescence），是指在矿物中见到的一种类似于蛋清般略带柔和淡蓝色调的乳白色浮光，它是由于矿物内部含有许多远比可见光波长为小的其他矿物或胶体微粒，使入射光发生漫反射而引起的，如月长石和乳蛋白石均可见到这种乳光。

2.矿物的条痕

矿物的条痕（streak）是矿物粉末的颜色。通常是指矿物在白色无釉瓷板上擦划所留下的粉末的颜色。

矿物的条痕能消除假色、减弱他色、突出自色，它比矿物颗粒的颜色更为稳定得多，更有鉴定意义。例如不同成因不同形态的赤铁矿可呈钢灰、铁黑、褐红等色，但其条痕总是呈特征的红棕色（或称樱红色）。

条痕对于鉴定不透明矿物和鲜艳彩色的透明—半透明矿物，尤其是硫化物或部分氧化物和自然元素矿物，具有重要意义；而浅色或白色、无色的透明矿物，其条痕多为白色、浅灰色等浅色，无鉴定意义。

必须注意的是，有些矿物由于类质同象混入物的影响，其条痕和颜色会有所变化。例如，不同物理化学条件下形成的闪锌矿，随着铁含量的增高，其颜色从浅黄、黄褐变至褐黑、铁黑色，条痕由黄白色变为褐色。显然，根据条痕的微细变化，可大致了解矿物成分的变化，推测矿物的形成条件。

3.矿物的透明度

矿物的透明度（transparency或diaphaneity）是指矿物允许可见光透过的程度。

矿物肉眼鉴定时，通常是依据矿物碎片刃边的透光程度，配合矿物的条痕，将矿物的透明度划分为三级：

（1）透明（transparent或diaphanous）：能允许绝大部分光透过，矿物条痕常为无色或白色，或略呈浅色。如石英、方解石和普通角闪石等。

（2）半透明（translucent）：可允许部分光透过，矿物条痕呈各种彩色（如红、褐等色）。如辰砂、雄黄和黑钨矿等。

（3）不透明（opaque）：基本不允许光透过，矿物具黑色或金属色条痕。如方铅矿、磁铁矿和石墨等。

在矿物的偏光显微镜研究中，是根据0.03mm厚度的岩石薄片中矿物的透光与否，而将矿物划分为透明矿物（transparent mineral）和不透明矿物（opaque mineral）两类。

矿物的透明度主要与其对可见光的吸收程度有关。物理学中常以吸收系数来表示。吸收系数大的矿物，其透明度即低。矿物对光的吸收强弱取决于矿物的晶格类型及阳离子类型。一般地，金属晶格由于内部存在着自由电子，因而其对光的吸收比原子晶格和离子晶格要强得多。而离子晶格的吸收程度又因离子类型而异：铜型离子对光的吸收很强，过渡型离子、惰性气体型离子的吸收能力则依次降低。

此外，矿物中的裂隙、包裹体及矿物的集合方式、颜色深浅和表面风化程度等均会影响矿物的透明度。

4.矿物的光泽

矿物的光泽（luster）是指矿物表面对可见光的反射能力。矿物反光的强弱主要取决于矿物对光的折射和吸收的程度，折射及吸收越强，矿物反光能力越大，光泽则越强，反之则光泽弱。

矿物肉眼鉴定时，根据矿物新鲜平滑的晶面、解理面或磨光面上反光能力的强弱，同时常配合矿物的条痕和透明度，而将矿物的光泽分为四个等级：

（1）金属光泽（metallic luster）：反光能力很强，似平滑金属磨光面的反光。矿物具金属色，条痕呈黑色或金属色，不透明。如方铅矿、黄铁矿和自然金等。

（2）半金属光泽（submetallic luster）：反光能力较强，似未经磨光的金属表面的反光。矿物呈金属色，条痕为深彩色（如棕色、褐色等），不透明—半透明。如赤铁矿、铁闪锌矿和黑钨矿等。

（3）金刚光泽（adamantine luster）：反光较强，似金刚石般明亮耀眼的反光。矿物的颜色和条痕均为浅色（如浅黄、桔红、浅绿等）、白色或无色，半透明—透明。如浅色闪锌矿、雄黄和金刚石等。

（4）玻璃光泽（vitreous luster）：反光能力相对较弱，呈普通平板玻璃表面的反光。矿物为无色、白色或浅色，条痕呈无色或白色，透明。如方解石，石英和萤石等。

此外，在矿物不平坦的表面或矿物集合体的表面上，常表现出一些特殊的变异光泽，主要有：

（1）油脂光泽（greasy luster）：某些具玻璃光泽或金刚光泽、解理不发育的浅色透明矿物，在其不平坦的断口上所呈现的如同油脂般的光泽，如石英、磷灰石、石榴子石和霞石等。

（2）树脂光泽（resinous luster）：在某些具金刚光泽的黄、褐或棕色透明矿物的不平坦的断口上，可见到似松香般的光泽。如浅色闪锌矿和雄黄等。

（3）沥青光泽（pitchy luster）：解理不发育的半透明或不透明黑色矿物，其不平坦的断口上具乌亮沥青状光亮。如沥青铀矿和富含Nb、Ta的锡石等。

（4）珍珠光泽（pearly luster）：浅色透明矿物的极完全的解理面上呈现出如同珍珠表面或蚌壳内壁那种柔和而多彩的光泽。如白云母和透石膏等。

（5）丝绢光泽（silky luster）：无色或浅色、具玻璃光泽的透明矿物的纤维状集合体表面常呈蚕丝或丝织品状的光亮。如纤维石膏和石棉等。

（6）蜡状光泽（waxy luster）：某些透明矿物的隐晶质或非晶质致密块体上，呈现有如蜡烛表面的光泽。如块状叶蜡石、蛇纹石及很粗糙的玉髓等。

（7）土状光泽（earthy luster）：呈土状、粉末状或疏松多孔状集合体的矿物，表面如土块般暗淡无光。如块状高岭石和褐铁矿等。

影响矿物光泽的主要因素是矿物的化学键类型。具金属键的矿物，一般呈现金属或半金属光泽；具共价键的矿物一般呈现金刚光泽或玻璃光泽；具离子键或分子键的矿物，对光的吸收程度小，反光就很弱，光泽即弱。

矿物的光泽的等级一般是确定的，但变异光泽却因矿物产出的状态不同而异。光泽是矿物鉴定的依据之一，也是评价宝石的重要标志。

5.矿物的发光性

自然界有些矿物在外加能量的激发下，往往能明显地发出可见光，这种性质称为矿物的发光性（luminescence）。

能使矿物发光的激发源很多，主要有：紫外线、阴极射线、X射线、γ射线和高速质子流等各种高能辐射，以及加热、摩擦、可见紫光等。

矿物发光的实质是矿物晶格中的原子或离子的外层电子受外加能量的激发时，首先从基态跃迁到较高能级的激发态，由于激发态不稳定，受激电子随即会自发地分段向基态跃迁，同时将吸收的部分能量以一定波长的可见光的形式释放出来。

矿物在外加能量的激发下发光，当撤除激发源后，若发光的持续时间（即原子处于激发态的平均寿命）在10^-8s以上的发光，称为磷光（phosphorescence），而小于10^-8s的发光称荧光（fluorescence）。

按外加激发源的不同，矿物的发光性主要可分为以下几种：

（1）热发光（或称热释发光，thermoluminescence），以一定的升温速率对矿物样品加热使其发光。具体地有两种研究方法：①天然热发光（natural thermoluminescence），将未经过人工辐照处理的样品直接进行热发光实验；②辐射热发光（radiothermoluminescence）：样品经过人工辐照处理（常以β射线或Co⁶⁰γ射线照射）之后，再对其加热引起发光。目前，热发光技术已广泛应用于地质学领域，用以提供矿床成因和找矿信息、矿床（体）的评价和预测、地质年龄的测定、地层对比和划分、岩相古地理分析及地质温度计研究等。此外，热发光还在材料、考古、陨石、核试验及环境保护等领域均有深入和独到的应用。

（2）阴极发光（cathodoluminescence）：用阴极射线即用电子枪产生的高速电子流激发矿物。阴极射线具有较高的激发密度，能使大多数矿物发光，因此，目前在矿物发光研究中得到更为普遍的应用。例如，人们成功地利用阴极发光成像技术研究沉积岩石学问题：通过碳酸盐矿物的发光研究进行地层对比；对石英砂颗粒的发光研究以确定变质程度（王奎仁，1989）。目前，阴极发光也广泛应用于宝石鉴定方面。

（3）X射线发光（X-ray luminescence）：是用 X射线激发样品。对那些在紫外光和阴极射线激发下发光特征不明显的矿物，是一种有效的手段。罗卡丘克（Рокачук，Т.А.，1977）通过对乌克兰地盾花岗岩类中近200 个碱性长石的 X射线发光性的测量，成功地确定了岩石的不同成因。

（4）光致发光（photoluminescence）：是由紫外光或可见光等激发矿物而产生的发光现象。这是过去矿物发光研究和鉴定的主要方法，特别是对白钨矿和金刚石的鉴定、找矿和选矿更为有效。

此外，尚有质子发光（protonoluminescence）、摩擦发光（triboluminescence）和场致发光（electroluminescence）等。

矿物的发光性几乎总是与晶格中存在微量杂质元素及因杂质而产生的晶格缺陷有关。矿物中含有的过渡元素（特别是稀土元素和某些锕系元素）的种类和数量决定了矿物的发光性以及发射光的颜色和强度，因为过渡元素具有未填满的d轨道和f轨道，是电子在外加能量作用下发生跃迁和再发射可见光的最好条件。例如，含有稀土元素的萤石和方解石通常能产生荧光；有镧系元素替代Ca的磷灰石常具磷光。目前彩色电视显像系统所用的荧光材料即主要是由稀土元素的磷酸盐构成的。

自然界只有少数矿物的发光性比较稳定，故可作为矿物鉴定及找矿、探矿、选矿、品位估计的重要依据。如在紫外光照射下，白钨矿发特征的浅蓝色荧光，独居石呈鲜绿色荧光，钙铀云母发鲜明的黄绿色荧光等。

而大多数矿物的发光性不稳定，产地不同的同种矿物往往有的发光，有的不发光，甚至同一晶体不同部位的发光性也可有所不同，这主要取决于那些引起矿物发光的杂质元素的有无及多少。当矿物不含杂质元素或杂质含量过多，都将导致矿物不发光。如方解石含微量Mn具发光性，而锰方解石却不发光。显然，这些矿物的发光性特征，可指示矿物的形成条件及杂质含量等。