绪论

第一节　工业矿物与岩石的概念及分类

一、概念

工业矿物与岩石（industrial minerals and rocks）原意是指除金属矿石、矿物燃料、宝石以外，其化学成分或物理性能可资工业利用且具有经济价值的非金属矿物与岩石。然而，严格限定工业矿物与岩石一词的含义是困难的。首先，某些金属矿石不仅是冶炼金属的工业原料，同时又是利用其某种物理特性的工业矿物原料，如用作耐火材料的铝土矿，用作颜料的赤铁矿等。其次，许多宝石矿物不仅作为宝石，而且大量用作其他工业矿物原料，如金刚石、蓝晶石、刚玉等。

工业矿物与岩石作为现代材料工业的基础，承载着直接向材料工业提供绝大部分生产原料的功能。现今国际上对材料的代表性分类，是将其分为金属材料、陶瓷材料、聚合物材料、复合材料、半导体材料和生物材料六大类。广义的陶瓷材料含义，既涵盖传统无机非金属材料（主要是硅酸盐材料），又包括现代技术陶瓷材料。而上述金属材料、陶瓷材料、聚合物材料、复合材料和半导体材料又都可能被用作生物材料（Callister，2000）。在上述六大类材料中，以工业矿物与岩石作为原料而加工制造的比例约达70%。工业矿物与岩石作为金属、陶瓷、半导体材料的全部原料，生物材料的大部分原料，以及复合材料的部分原料，其金属与非金属的资源属性也已渐趋模糊。

矿物资源绿色加工（green process of mineral resources），是人类进入21世纪面对资源、能源、环境方面的挑战，历经长期研究探索和工业实践，基于可持续发展、环境保护、节约能耗和资源利用率最大化理念而提出的全新科学概念。其核心内容是人类对矿物资源开发利用过程中相关物质和能量流平衡（material and energy flow balance）的科学掌控。

矿物资源绿色加工，其科学内涵主要体现在对矿物资源开采、加工过程应当遵循四项基本原则，即永续利用（sustainable）、清洁利用（clean production）、低碳利用（low carbon）、集约利用（integrated process）（马鸿文，2014）。

有关矿物资源产业可持续发展、清洁生产、节能低碳已为业界所熟知，并获得广泛认同。而矿物资源的集约利用，则主要反映矿物资源利用率最大化的基本理念。在地质作用过程中，具有相似地球化学性质的元素通常形成相互共生的矿物集合体——岩石/矿石。传统上，以获取某种可用元素或矿物为目的的矿业开发过程，往往将其他所谓脉石矿物作为尾矿而废弃。显然，此种开发策略和加工行为，既违背资源利用率最大化原则，也极可能抛弃了潜在的另类资源。

矿物资源绿色加工，不仅摒弃了传统的矿产资源开发利用理念，强化了矿物资源产业的可持续性、清洁性、低碳性等环保理念，而且通过集约化利用，提高了资源利用率，减少了尾矿排放；因而可显著减少对一次性资源（尤其是非金属矿物资源）的开采，有效保护自然植被与生态环境。显然，实施建设生态文明的国家战略，大力发展矿物资源绿色加工产业，乃是必然选择！

鉴于上述分析，著者认为工业矿物与岩石应包括：（1）工业矿物原料，如石英、钾长石、铝土矿、石膏等；（2）工业矿物材料，又可分为天然矿物材料与合成矿物材料，前者如石墨、白云母、冰洲石、沸石等，后者主要包括人工晶体材料，如合成金刚石、水晶、红宝石、金云母等；（3）工业岩石原料，如高岭土、膨润土、霞石正长岩等，以及通常具有二次资源属性的工业固体废物。考虑到“矿物材料科学系列教材”中，拟单独出版《硅酸盐材料学》教材，故本版教材不再涉及有关工业岩石制品（硅酸盐陶瓷、玻璃、耐火材料、水泥）的相关内容。

由此，本书将工业矿物与岩石定义为：除矿物燃料以外其技术物理性能或化学成分可资工业利用且具有经济价值的天然矿物与岩石，包括具有相似的技术物理性能或化学成分且具有二次资源属性的无机非金属固体废物。本版教材主要论述有关工业矿物与岩石原料的内容。

二、特点

相对于金属矿石和燃料矿产而言，工业矿物和岩石具有以下重要特点：

（1）工业矿物与岩石虽也有利用其所含元素者，如钾盐、明矾石、黄铁矿等，但绝大部分是利用其固有的物理性质，如石棉、滑石、白云母等，或利用经加工后形成的技术物理特性，如珍珠岩、膨润土等。

（2）每种工业矿物或岩石通常都具有多种用途，且随着科学技术的发展，同种工业矿物与岩石的用途也愈来愈广。例如，高岭土最早只用作陶瓷原料，后又成为造纸、橡胶、搪瓷、医药填料，近代经处理的高岭土则被用于石化工业。

（3）工业矿物与岩石的种类繁多，而且随着科技的发展，其种类还在不断增多。工业领域可利用的工业矿物与岩石，在20世纪初不足60种，目前则已超过200种。20世纪60年代以前，压电石英是一种宝贵资源，后被合成压电石英所代替。白云母过去主要用作电容器与电子管、电机的绝缘材料等，20世纪70年代后期，电机绝缘材料所需大片云母已被碎云母制成的云母纸所代替，高压锅炉零件所需云母则由合成云母代替。

（4）工业矿物与岩石的价值相差悬殊。价值较低的品种如石灰岩、石膏等，其产地必须靠近主要交通线，以降低运输成本，否则即可能失去工业价值。价值差别不仅表现在不同的矿种之间，也表现在同一矿种不同的矿石类型之间。

（5）工业矿物与岩石的成矿地质条件复杂，既有其多样性，又有特殊性。前者如高岭土矿床，既有热液成因，又有风化成因和沉积成因；后者如石英，作为造岩矿物几乎无处不在，但作为玻璃原料的石英和光学石英，则形成于特殊的成矿地质环境。

上述特点要求从事这类矿产品研发的技术人员，必须具备良好的地质基础理论，熟悉工业矿物与岩石的资源属性，掌握矿产品研发的技术经济评价方法，了解工业领域对非金属材料（含矿物材料）的需求，熟悉产品深加工技术及其发展动向，发掘新的工业矿物与岩石品种，开拓新的用途及应用领域。

三、分类

前人对工业矿物与岩石的分类方案，按其分类原则主要有两类。一是以地质成因作为分类基础，如Bates（1959）将工业矿物分为伟晶岩型、脉岩型、交代型、变质型、沉积型五类，将工业岩石分为岩浆、变质、沉积成因三类。二是以工业用途作为分类原则，如Fisher（1969）将工业矿物与岩石分为建筑材料、陶瓷材料、耐火材料、化工原料和肥料等。我国多采用依据主要工业用途的分类方案（陶维屏等，1987）（表0-1）。

注：据陶维屏等（1987），略有补充。

本教材的内容力求既与地球科学领域的矿物学、岩石学的学科体系相衔接，又能满足材料科学与工程专业教学与材料工程应用的要求。因此，本书中将工业矿物与岩石分为两大类，即工业矿物学和工业岩石学。

工业矿物学主要阐述工业矿物原料。矿物的化学成分和结构的统一，决定了矿物本身的性质，并与特定的形成条件有关，反映了自然界元素结合的规律。因此，本书中采用以矿物的成分、结构为依据的晶体化学分类。即矿物类的划分依据阴离子或络阴离子的种类，矿物族的划分依据晶体结构型和阳离子性质，而划分矿物种则是依据一定的晶体结构和化学成分。

按照上述分类原则，本书中将工业矿物分为硅酸盐矿物、自然元素与卤化物矿物、硫化物矿物、氧化物与氢氧化物和其他含氧盐矿物。

上篇中，对矿物族或矿物种的描述按照晶体化学、结构形态、理化性能、资源地质、鉴定特征、工业应用的格式给出。

工业岩石学主要阐述工业岩石原料。本教材采用以化学成分为主要依据、同时参考其地质成因的分类方法。这种分类大致可与一般岩石学教科书中的岩石分类相对比。按照上述分类方法，将工业岩石原料分为六大类，即超镁铁-镁铁质岩类、硅铝质岩类、碱性岩类、碳酸盐岩类、有机质岩类（表0-2）和工业固体废物资源。各大类之下，再按照化学成分划分亚类，每一亚类中工业岩石原料的岩石种属与一般岩石学教科书中的名称相一致。

工业固体废物虽然不是一般意义上的工业岩石原料，但其中大多数具有二次资源属性，因而本书中将铝硅酸盐工业固废等同于工业岩石原料。工业固体废物资源主要包括矿山尾矿、冶金渣、石油化工渣、热能工程渣等。

下篇中，对工业岩石原料的描述一般按照概念与分类、矿物成分与岩相学、化学成分与物理性质、产状与分布、工业应用与技术要求的格式给出。某些重要的工业岩石原料还对其研究现状及发展趋势给予简要评述。