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礦物

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各式的礦物

礦物是指在地質作用下天然形成的結晶狀純淨物（單質或化合物）。絕對的純淨物是不存在的，所以這裏的純淨物是指物質化學成份相對單一的物質。礦物是組成岩石的基礎（像石英、長石、方解石都是常見的造岩礦物），但礦物和岩石不同，礦物可以用其化學式表示，而岩石是由許多礦物及非礦物所合成，沒有一定的化學式。

礦物多半是非生物產生的無機化合物，一般為固體，具有有序的原子結構，但也有液態的礦物，如汞（水銀）。有關礦物的精確定義尚有爭議，有爭議的是非生物產生，以及有序原子結構這二個條件。像褐鐵礦、黑曜岩等類似礦物，但沒有結晶性的物質，會稱為準礦物。

研究礦物的自然科學稱為礦物學。世界上已知的礦物（英語：List of minerals (complete)）超過5300種，其中5,070種已由國際礦物學學會（IMA）批准過。地殼中有超過75%是由矽和氧組成，因此許多的礦物是矽酸鹽礦物。礦物可以依其物理性質及化學性質區分，可以依其化學成份及晶體結構分為幾類，而在礦物形成時的溫度壓力等因素會影響其中一些性質。岩石所在的溫度、壓力及其主成份的變化，都會影響其中的礦物。也有可能礦物的主成份不變，但其中的礦物因溫度壓力改變而變化。

礦物可以用許多的物理性質來描述，而這些性質也和其化學結構及組成有關。常見的礦物物理性質有晶體結構及晶體慣態、硬度、光澤、透明度、顏色、條痕、韌性、解理、斷口、裂理（parting）及比重。進一步的特性包括對酸的反應、磁性、氣味或味道，以及放射性。

礦物可以依其主要化學成份分類，最主要的兩種分類系統分別是Strunz礦物分類及Dana礦物分類。矽酸鹽可以依其化學結構的同質多晶形性再細分為六小類。所有的矽酸鹽都有[SiO4]4−的矽酸根四面體，是一個矽原子和四個氧原子以四面體的方式鍵結。矽酸鹽又可以分為原矽酸鹽（orthosilicates，矽酸根沒有聚合）、二矽酸鹽（disilicates，二個矽酸根互相聚合）、環狀矽酸鹽（cyclosilicates，環狀的矽酸根）、鏈狀矽酸鹽（inosilicates，鏈狀的矽酸根）、層狀矽酸鹽（phyllosilicates，層狀的矽酸根）及網矽酸鹽（tectosilicates，三維的矽酸根結構）。其他重要的礦物分類有自然元素、硫化物、氧化物、鹵化物、碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽。

化學

組成元素

礦物的豐度和多樣性由所含化學元素控制，進而取決於地球中元素的豐度。 觀察到的大多數礦物質都來自地殼。 由於地殼中含量豐富的八種元素佔據了礦物的大部分關鍵成分。 這八種元素合計佔地殼重量的 98% 以上，按照豐度遞減的順序排列為：氧、矽、鋁、鐵、鎂、鈣、鈉和鉀。 氧和矽是迄今為止最重要的兩種——氧佔地殼重量的 47%，矽占 28%[1]。

形成條件

形成的礦物是那些在形成溫度和壓力下最穩定的礦物，在母體的本體化學所施加的限制內[2]。例如，在大多數火成岩中，存在的鋁和鹼金屬（鈉和鉀）主要與氧、矽和鈣結合形成長石礦物。

然而，如果岩石中鹼金屬含量異常豐富，則不會有足夠的鋁與所有鈉結合成長石，過量的鈉會形成鈉閃石（Riebeckite）。 如果鋁豐度異常高，多餘的鋁就會形成白雲母或其他富鋁礦物[3]。如果缺乏矽，部分長石將被長石礦物替代[4]。精確預測在特定溫度和壓力下形成的特定成分的岩石中將存在哪些礦物需要複雜的熱力學計算。 然而，可以使用相對簡單的經驗法則進行近似估計，例如 CIPW 範數，它對干岩漿形成的火山岩給出了合理的估計[5]。

固溶體系列的端元種類之間的化學成分可能有所不同。 例如，斜長石包括從富鈉端元鈉長石 (NaAlSi3O8) 到富鈣鈣長石 (CaAl2Si2O8) 的連續系列，其中有四個公認的中間品種（按從富鈉到富鈣的順序給出）： 奧長石、 中長石、拉長石和倍長石[6]。系列的其他例子包括富鎂鎂橄欖石和富鐵鐵橄欖石的橄欖石系列，以及富錳輝錳礦（Hübnerite）和富鐵鐵錳礦（Ferberite）的黑鎢礦系列[7]。

元素替換

在自然界中，礦物質不是純物質，並且會受到化學系統中存在的其他元素的污染；化學取代和配位多面體解釋了礦物的這一共同特徵。 一種元素可以替換另一種元素[8]。

大小和電荷相似的離子之間會發生化學取代，例如Si4+被Al3+取代，它們在地殼中的電荷、大小和豐度都很接近。以斜長石為例，存在三種取代情況：

1、長石均為骨架矽酸鹽，其矽氧比為2:1，其他元素的空間由Al3+取代Si4+給出，基本單元為 [AlSi3O8]−；

2、如果沒有取代，該公式將像一樣電荷平衡，得到石英[9]。這種結構的重要性將通過配位多面體進一步解釋。

3、二次取代，第二次取代發生在Na+和Ca2+ 之間； 然而，必須通過用Al3+第二次取代Si4+來解決電荷差異[10]。

尺寸和電荷的巨大差異導致化學和結構不相容，例如K+不會取代Si4+。

配位結構

配位多面體是陽離子被陰離子包圍的幾何表示。 在礦物學中，配位多面體通常根據氧來考慮，因為它在地殼中含量豐富。

矽酸鹽礦物的基本單元是二氧化矽四面體——一個Si4+被四個 O2− 包圍。 描述矽酸鹽配位的另一種方式是用數字：在二氧化矽四面體的情況下，矽的配位數為 4。各種陽離子具有特定的可能配位數範圍； 對於矽來說，它幾乎總是4，除了非常高壓的礦物，在這些礦物中，化合物被壓縮，使得矽與氧處於六重（八面體）配位。較大的陽離子具有較大的配位數，因為與氧相比，相對尺寸增加（較重原子的最後一個軌道亞層也不同）。

配位數的變化會導致物理和礦物結構上的差異； 例如，在高壓下，在地幔中，許多礦物，特別是橄欖石和石榴石等矽酸鹽，將轉變為鈣鈦礦結構，其中矽處於八面體配位。 其他例子有鋁矽酸鹽藍晶石、紅柱石和矽線石（多晶型物，因為它們的化學式為 Al2SiO5），它們的不同之處在於Al3+ 的配位數； 這些礦物質隨着壓力和溫度的變化而相互轉變[1]。

在矽酸鹽材料的情況下，由於需要平衡電荷，用Al3+代替Si4+允許使用多種礦物質[11]。

由於 8 種最常見的元素構成了地殼的 98% 以上，因此通常存在的少量其他元素被替換為常見的造岩礦物。 大多數元素的獨特礦物都非常稀有，只有在這些元素被地質過程（例如熱液循環）濃縮到無法再容納在普通礦物中的地方才能找到[12]。

結構轉化

溫度、壓力和成分的變化會改變岩石樣品的礦物結構。 成分的變化可能是由風化作用或交代作用等過程引起的。 當主岩經歷構造（Tectonics）或岩漿運動進入不同的物理狀態時，溫度和壓力就會發生變化。 熱力學條件的變化有利於礦物組合相互反應生成新礦物； 因此，兩種岩石可能具有相同或非常相似的塊體岩石化學性質，但不具有相似的礦物學。 這種礦物蝕變過程與岩石循環有關。 一系列礦物反應的例子如下所示[13]

正長石 (KAlSi3O8) 是一種常見於花崗岩（一種深成岩&岩漿岩）中的礦物。 當暴露於風化時，它會反應形成高嶺土（Al2Si2O5(OH)4，一種沉積礦物和矽酸）：

2 KAlSi3O8 + 5 H2O + 2 H+ → Al2Si2O5(OH)4 + 4 H2SiO3 + 2 K+

在低級變質條件下，高嶺土與石英反應形成葉臘石(Al2Si4O10(OH)2):

Al2Si2O5(OH)4 + SiO2 → Al2Si4O10(OH)2 + H2O

隨着變質程度的增加，葉臘石反應形成藍晶石和石英：

Al2Si4O10(OH)2 → Al2SiO5 + 3 SiO2 + H2O

或者，礦物可能會因溫度和壓力的變化而改變其晶體結構，但不會發生反應。 例如，石英會在高溫下轉變為各種SiO2多晶型物，如鱗石英（Tridymite）和方石英（Cristobalite），在高壓下轉變為柯石英[14]。

礦物和岩石的區別

礦物是自然形成的純物質或化合物，化學成份組成變化不大，有結晶結構。岩石是一或多種礦物的聚合體，化學成份不定，通常無結晶結構。

礦物分類

  • Strunz礦物分類（9大分類）
  1. 元素（Elements）
  2. 硫化物（Sulphides）
  3. 鹵化物（Halides）
  4. 氧化物及氫氧化物（Oxides & Hydroxides）
  5. 硝酸鹽、碳酸鹽、硼酸鹽（Nitrates, Carbonates & Borates）
  6. 硫酸鹽、鉻酸鹽、鉬酸鹽（Sulphates, Chromates, Molybdates）
  7. 磷酸鹽、砷酸鹽、釩酸鹽（Phosphates, Arsenates, Vanadates）
  8. 矽酸鹽（Silicates）
  9. 有機化合物（Organic Compounds）
  • Dana礦物分類第8版（78大分類）
舊Dana分類 新Dana分類
I.自然元素礦物（Native Elements） 第1類
II.硫化物（Sulfides） 第2 & 3類
III.氧化物和氫氧化物（Oxides and Hydroxides） 第4, 5, 6, 7 & 8類
IV.鹵化物（Halides） 第9, 10, 11 & 12類
V.碳酸鹽、硝酸鹽、硼酸鹽（Carbonates, Nitrates, Borates） 第13, 14, 15, 16 & 17類（碳酸鹽）
第18, 19 & 20類（硝酸鹽）
第21, 22 & 23類（碘酸鹽）
第24, 25, 26 & 27類（硼酸鹽）
VI.硫酸鹽、鉻酸鹽、鉬酸鹽（Sulfates, Chromates, Molybdates） 第28, 29, 30, 31 & 32類（硫酸鹽）
第33類（硒酸鹽及碲酸鹽）
第34類（亞硒酸鹽、亞碲酸鹽及亞硫酸鹽）
第35 & 36類（鉻酸鹽）
VII.磷酸鹽、砷酸鹽、釩酸鹽（Phosphates, Arsenates, Vanadates） 第37, 38, 39, 40, 41, 42 & 43類（磷酸鹽）
第44, 45 & 46類（銻酸鹽）
第47類（釩酸鹽）
第48 & 49類（鉬酸鹽及鎢酸鹽）
IX.有機化合物（Organic Minerals） 第50類
VIII.矽酸鹽礦物（Silicates） 第51 - 78類
-- 孤立島狀矽酸鹽礦物（Nesosilicates） 第51, 52, 53 & 54類
-- 多島狀矽酸鹽礦物（Sorosilicates） 第55, 56, 57 & 58類
-- 環狀矽酸鹽礦物（Cyclosilicates） 第59, 60, 61, 62, 63 & 64類
-- 鏈狀矽酸鹽礦物（Inosilicates） 第65, 66, 67, 68, 69 & 70類
-- 層狀矽酸鹽礦物（Phyllosilicates） 第71, 72, 73 & 74類
-- 架狀矽酸鹽礦物（Tektosilicates） 第75, 76 & 77類
-- 未分類矽酸鹽礦物（Not Classified Silicates） 第78類

物理性質

晶體結構及晶體慣態

黃玉有特殊的斜方晶系外形

晶體結構是礦物中原子依其內在結構，所進行的有序幾何排列。晶體結構是依內部原子或離子的規則排列方式而定，而且常以晶體的幾何形狀命名。即使礦物晶粒太小，或看似不規則的排列，但透過X光繞射仍可以看出其內部的週期性排列[15]。晶體結構常會以其對稱性來描述，依晶體局限定理，晶體結構只存在32種對稱性不同的點群，可以再做進一步的分類，其中以六方晶系的空間群最多[16]。

晶族可以用其三個晶軸的長度、各軸之間的夾角來定義，這些關係會對應其對稱性，而點群就是以對稱性來定義。以下是晶族的列表，a, b和c為晶軸長度，α, β, γ是不和各軸相鄰的夾角角度，例如α是b和c二晶軸的夾角:[16]：

晶族 晶軸長度 夾角 常見例子
立方晶系 a=b=c α=β=γ=90° 石榴石、石鹽、黃鐵礦
四方晶系 a=b≠c α=β=γ=90° 金紅石、鋯石、橄欖石
正交晶系 a≠b≠c α=β=γ=90° 橄欖石、霰石、斜方輝石
六方晶系 a=b≠c α=β=90°, γ=120° 石英、方解石、電氣石
單斜晶系 a≠b≠c α=γ=90°, β≠90° 單斜輝石、正長石、石膏
三斜晶系 a≠b≠c α≠β≠γ≠90° 鈣長石, 鈉長石、藍晶石

晶體慣態是指整個晶體的外形。常見的晶體慣態如有刺而呈放射狀的針狀（英語：Acicular (crystal habit)）（如鈉沸石（英語：natrolite）），刀刃狀、樹枝狀（像天然銅）、等軸晶（像橄欖石）、往一方向延伸的角柱狀及平板狀。和結晶形狀有關，晶面的品質也是確認礦物的方式，一般會用岩相顯微鏡來觀測。自形（英語：Euhedral and anhedral）（Euhedral）的晶體有明確的外形，而他形晶（anhedral）的就沒有，介於自形晶及他形晶之間的稱為半自形[17][18]。

硬度

主條目：摩氏硬度
鑽石是最堅硬的天然材料，摩氏硬度為10

礦物的硬度是其抵抗刮損的能力。礦物的硬度和礦物的化學成份及晶體結構有關。礦物的硬度是其結構的函數，各方向的硬度不一定是定值，可能一些晶格弱點會使一方向的硬度比另一方向要低[19]。像藍晶石在平行[001]的方向，其摩氏硬度為5½，但在平行[100]的方向，其摩氏硬度為7[20]。

最常用的礦物硬度標準是摩氏硬度，有十種參考用的礦物，從摩氏硬度為1的滑石到摩氏硬度為10的鑽石，摩氏硬度較高的礦物會在硬度較低的礦物表面留下刮痕。摩氏硬度計就是指這十種礦物，表列如下[19]：

硬度 礦物 絕對硬度
1 滑石（Mg3Si4O10(OH)2） 1
2 石膏（CaSO4·2H2O） 2
3 方解石（CaCO3） 9
4 螢石（CaF2） 21
5 磷灰石（Ca5(PO4)3(OH,Cl,F)） 48
6 正長石（KAlSi3O8） 72
7 石英（SiO2） 100
8 黃玉（Al2SiO4(OH,F)2） 200
9 剛玉（Al2O3） 400
10 鑽石（C） 1500

當鑑定硬度時，如果沒有以上的摩氏硬度計，可用其他東西代替，如小刀（或鋼針）其硬度約為5.5、銅幣約為3.5至4、指甲約為2至3、玻璃硬度為6。

光澤和透明度

黃鐵礦有金屬光澤

光澤是指礦物表面對光反射的能力，和其礦物品質及光的強度有關。有許多描述礦物光澤的詞，主要可分為金屬光澤及非金屬光澤。金屬光澤及次金屬光澤的反射率高，類似金屬，像是方鉛礦及黃鐵礦都有金屬光澤。非金屬光澤有金剛光澤（adamantine，例如鑽石）、玻璃光澤（vitreous，例如矽酸鹽礦物）、珍珠光澤（pearly，例如滑石及魚眼石）、 樹脂光澤（resinous，例如石榴石）、絹絲光澤（silky，像石棉等纖維狀礦物）[21]。

礦物的透明度是指其透光的程度。當光通過透明礦物時，其強度不會減少，例如白雲母，有些礦物甚至透明到可以用在窗戶上。半透明的礦物允許部份光線通過，但強度比通過透明礦物要低。像翡翠及軟玉就是半透明的礦物。若礦物完全不允許光線通過，則稱為不透明[22][23][24]。

比重

比重是礦物的重量與相同體積的水的比率，也就是礦物與1atm4℃純水之密度比值，沒有單位。對於大部份的礦物而言，不太適合用比重來識別礦物。造岩礦物主要是以矽酸鹽及碳酸鹽為主，其密度介於2.5–3.5之間[25]。

一些特殊的礦物有較高的比重，若氧化物及硫化物中含有原子質量較大的原子，比重就會較重，一般有金屬光澤或是金剛光澤的岩石其比重會比非金屬光澤甚至無光澤的要重，例如赤鐵礦的Fe2O3比重就有5.26[26]，而方鉛礦PbS的比重為7.2–7.6，[27]都是因為其中含有高原子質量的鐵及鉛。天然金屬（英語：Native metal）的比重也相當的高，例如錐紋石是一種常出現在鐵隕石中的鐵鎳合金，比重7.9,[28]，而金的比重甚至到15和19.3之間[25][29]。

條痕

主條目：條痕

顏色是礦物最明顯的特性之一，不過不容易用顏色來識別礦物[30]。

條痕是礦物在條痕板留下的顏色，也就是礦物粉末的顏色。條痕的顏色不一定會和礦物的顏色相同[23]。測試條痕的方式是在礦物在條痕板上摩擦，條痕板一般是陶瓷的，顏色是黑色或白色，條痕的顏色不受礦物中的痕量元素[22]或礦物的表面風化影響[23]。像赤鐵礦的顏色可能是黑色、銀色或紅色，但條痕顏色為櫻桃紅[22]到紅棕色[23]。不過條痕測試對礦物的硬度有一定的限制，若硬度大於7，礦物和條痕板摩擦後反而會在礦物上留下條痕板的粉末[23]。

其他特性

  • 解理：礦物分離的方式。
  • 斷口：礦物折斷時，邊緣的形狀。

相關類別

參見

腳註

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參考資料

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  • Chesterman, C.W.; Lowe, K.E. Field guide to North American rocks and minerals. Toronto: Random House of Canada. 2008. ISBN 0-394-50269-8. 
  • Dyar, M.D.; Gunter, M.E. Mineralogy and Optical Mineralogy. Chantilly, Virginia: Mineralogical Society of America. 2008. ISBN 978-0-939950-81-2. 

外部連結

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