地球物質

Ch1–2　地球物質簡介與固體地球的物質

Ch1–2　地球物質簡介與固體地球的物質

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這章在回答：組成地球的元素從哪裡來？地球怎麼分層？「礦物」到底怎麼定義、怎麼分類，地殼主要由哪些礦物組成？礦物和岩石是什麼關係？

考前 30 秒

  1. 宇宙年齡 138 億年（2013 年 CMB 量測）；太陽系（CAI 定年）45.68 億年（4568 Ma）；最老的鋯石約 44 億年、最老的岩石約 38–40 億年。
  2. 大霹靂核合成只做出 H 和 He；比 He 重到 Fe 的在恆星核融合中產生，比 Fe 重的主要在超新星爆炸（和中子星合併）中產生。
  3. 地函過渡帶：410 km 橄欖石 → 瓦茲利石（β）、525 km → 林伍德石（γ）、660 km → 布里奇曼石 + 方鎂石。
  4. 地溫梯度平均 25 °C/km（10–60 都有）；地壓梯度約 30 MPa/km。
  5. 礦物五條件：天然、無機、固體、規則原子排列、一定（但不必固定）的化學成分。★ 每年必考名詞解釋。
  6. 依陰離子分類；地殼 92 % 是矽酸鹽，長石 + 石英 + 輝石 ≈ 75 %。矽酸鹽六種結構：島狀、雙島狀、環狀、鏈狀、層狀、架狀。
  7. 礦物演化（Hazen 2008）：三個時期、十個階段，礦物種類從十幾種增加到約六千種；最大躍增是大氧化事件。

先認識的名詞

名詞English一句話
大霹靂核合成Big Bang nucleosynthesis (BBN)宇宙最初幾分鐘產生 H、He（和微量 Li）
星雲假說nebular hypothesis恆星與行星由氣體塵埃組成的星雲重力塌縮形成
富鈣鋁包體calcium-aluminum-rich inclusion (CAI)球粒隕石中最早凝結的物質，用來定太陽系年齡
球粒chondrule球粒隕石中毫米級、曾經熔融的矽酸鹽小球
吸積accretion小天體碰撞聚合成行星
地溫梯度geothermal gradient溫度隨深度增加的速率
礦物mineral天然、無機、固體、原子規則排列、化學成分一定的物質
同質異形體polymorph化學成分相同、結構不同的礦物（鑽石／石墨）
晶體crystal被平整晶面包圍、外形反映內部規則排列的固體
結晶質／非晶質crystalline / amorphous原子三維規則重複排列／沒有長程規則（黑曜岩、玻璃）
自形／半自形／他形euhedral / subhedral / anhedral晶面完整／部分／沒有晶面
岩石rock天然產出、固結的礦物集合體
組織texture單一礦物顆粒彼此怎麼共生（粒徑、形狀、排列）
構造structure較大尺度的特徵，如成分分層、球狀構造
礦物演化mineral evolution地球礦物種類隨地質歷史逐步增加的概念

這一章的邏輯地圖

邏輯地圖
地球由什麼組成？
元素 → 礦物 → 岩石
元素從哪來？
大霹靂、恆星核融合、超新星
地球怎麼形成、分層？
星雲 → 隕石 → 吸積 → 核、地函、地殼；地溫
什麼算礦物？
五條件；依結構、成分分類；地殼礦物
礦物會演化？
Hazen 十階段；命名；北投石
礦物 → 岩石
晶體、結晶質；三大岩類與板塊
手機上可以左右滑動看全圖。讀法：這章是整門課的前言，每一節都是後面章節的伏筆：元素豐度 → 為什麼矽酸鹽最多（Ch4）；地函相變 → 同質異像（Ch5）；地溫 → 熱力學與相圖（Ch8）。考試重點在礦物定義、地殼礦物、礦物演化和年齡數字。

★ = 考試重點。

1. 元素的起源

大霹靂H、He（微量 Li）H burning4 H → He主序星He burning3 He → C紅巨星α processC → O → … → Si每次 + ⁴Hee processSi + Si → Fe結合能最大+ 中子s process（慢）沿穩定谷AGB 紅巨星r process（快）富中子超新星融合只能做到 Fe：再往上融合會吸收能量，重元素只能靠捕獲中子 + β⁻ 衰變（Sr、Ba、Pb、U…）
元素是怎麼做出來的。大霹靂只做出 H、He（和微量 Li）；恆星依序把 H 融合成 He、He 融合成 C，大質量星再用 α process 一次加一個 He 做出 O、Ne、Mg、Si，最後 e process 在統計平衡下做出 Fe 附近的元素，那裡結合能最大，融合到此為止。比 Fe 重的元素只能靠捕獲中子再 β⁻ 衰變：慢的 s process（沿著穩定谷走，在 AGB 紅巨星）和快的 r process（富中子環境，超新星、中子星合併）。自繪示意圖；概念參考：B²FH (1957)；課堂投影片 Ch1
  • 大霹靂（138 億年前）：最初幾分鐘的大霹靂核合成（BBN）只做出 H 和 He（質量比約 3：1），以及極少量的 Li。
  • 恆星：小質量恆星（像太陽）把 H 燒成 He、再燒成 C、O，最後核心塌縮成白矮星，外層形成行星狀星雲。大質量恆星一路燒到 Fe，核心塌縮成中子星或黑洞，並發生超新星爆炸（例：仙后座 A 殘骸）。
分子雲原恆星低質量大質量主序星紅巨星行星狀星雲白矮星主序星紅超巨星Type II 超新星中子星或黑洞雙星吸積到 1.4 M☉Type Ia 超新星
恆星的一生由質量決定。低質量星（像太陽）最後變成白矮星；大質量星燒到 Fe 之後核心塌縮，爆成 Type II 超新星，留下中子星或黑洞。雙星系統裡的白矮星吸積物質到 1.4 倍太陽質量，會爆成 Type Ia 超新星。自繪示意圖；概念參考：NASA Night Sky Network；課堂投影片 Ch1
  • 為什麼停在 Fe？ 看核結合能：每個核子的結合能在 ⁵⁶Fe 附近最大，最穩定。比 Fe 輕的核融合會放能量；要做出比 Fe 重的元素反而要吸收能量，所以要靠超新星爆炸時的大量中子捕獲。
02468⁴He⁵⁶Fe²³⁸U融合（放能）分裂（放能）04080120160200240質量數 A每核子結合能（MeV）
每核子結合能對質量數。越高越穩定，最高點在 ⁵⁶Fe 附近（⁶²Ni 幾乎一樣高）。比 Fe 輕的核融合時往曲線高處走、放出能量（恆星發光）；比 Fe 重的核分裂時也往高處走（核能）；但融合到比 Fe 更重會吸收能量，所以恆星燒到 Fe 就停。⁴He 特別穩定，在曲線上突出一個尖峰，這也是 α process 一次加一個 ⁴He 的原因。自繪示意圖；概念參考：Paraschiv et al. (2022)；課堂投影片 Ch1
  • 太陽系的元素豐度：H、He 最多；Li、Be、B 特別少（恆星裡會被燒掉）；Fe 附近有一個高峰；偶數原子序比相鄰奇數多。
自我檢測 1
  1. 大霹靂核合成做出哪些元素？
  2. 為什麼恆星核融合只能做到 Fe？比 Fe 重的元素從哪裡來？
  3. 小質量和大質量恆星的結局各是什麼？

答案：(1) H 和 He（約 3：1），以及極少量的 Li。(2) Fe 附近每核子結合能最大、最穩定，再融合下去要吸收能量；比 Fe 重的元素主要在超新星爆炸（和中子星合併）時靠快速中子捕獲產生。(3) 小質量：核心塌縮成白矮星，外層成為行星狀星雲；大質量：核心塌縮成中子星或黑洞，並發生超新星爆炸。

2. 太陽系與地球的形成

從星雲到太陽系

星雲假說：恆星形成於由氣體和塵埃組成的星雲中，星雲在重力下塌縮，中心形成高溫高密度的核心，點燃核融合，成為恆星；周圍物質形成旋轉的原行星盤，行星在其中形成。內側的類地行星由較重的造岩元素（Si、O、Mg、Fe）組成；外側的氣體巨星主要由較輕的冰、CO₂、氨和甲烷組成。

隕石與太陽系的年齡 ★

類型說明
石隕石：球粒隕石 chondrite未分異，保存太陽星雲最原始的物質；含球粒、CAI
石隕石：非球粒隕石 achondrite分異過的天體碎片，常為玄武岩質
鐵隕石 iron分異天體的金屬核
石鐵隕石 stony-iron金屬和矽酸鹽混合，推測來自分異天體的核–函交界

CV 球粒隕石中的**富鈣鋁包體（CAI）**是太陽星雲最早凝結的固體，定年得到 4568 Ma = 45.68 億年（Bouvier & Wadhwa 2010），就是太陽系（也常當地球）的年齡。考古題「根據 CV 球粒隕石中 CAI 的定年得知地球年齡約 ___ 億年（兩位小數）」答 45.68。

地球的早期歷史

  • 地球由太陽系原始物質吸積形成，吸積物質的動能變成內部熱能；約 45–38 億年間大量隕石撞擊（晚期重轟炸）也提供熱，約 44.5 億年前一次大撞擊撞出月球。
  • 其他熱源：放射性元素衰變（早期尤其是短半衰期的 Hf–W 系統）、熔融的鐵鎳。
  • 分層：地核在吸積後約 3000 萬年就形成。鐵鎳下沉成核，較輕的物質上升靠近地表，對流和輻射冷卻加速。
  • 最老的地球物質：西澳 Jack Hills 的鋯石（ZrSiO₄）約 44 億年，代表那時已有大陸地殼；最老的岩石約 38–40 億年。
大氣 + 海洋親氣：N、H、惰性氣體不形成礦物地殼親石 + 不相容：Si、Al、K、Na、Rb、Ba、REE親硫礦床：Cu、Zn、Pb地函親石 + 相容：Mg、Ni、Cr、CoD > 1，熔融時留在殘餘固體地核親鐵：Fe、Ni、Au、Pt 族金屬 Fe⁰ 下沉部分熔融不相容 ↑金屬下沉
分異之後，元素住在哪裡。金屬鐵下沉時，把親鐵元素一起帶進地核；地函部分熔融時，不相容的親石元素（K、Rb、Ba、REE）進入熔體、上升形成地殼，相容的（Mg、Ni、Cr、Co）留在地函；親硫元素集中在硫化物礦床；親氣元素在大氣和海洋。自繪示意圖；概念參考：課堂投影片 Ch1

地球內部與地函過渡帶 ★

鎂橄欖石 α-Mg₂SiO₄斜方，SiO₄ 獨立四面體瓦茲利石 β-Mg₂SiO₄（Wadsleyite）尖晶石類似結構林伍德石 γ-Mg₂SiO₄（Ringwoodite）尖晶石結構布里奇曼石 MgSiO₃ + 方鎂石 MgOSi 變成六配位（鈣鈦礦結構）0 km410 km525 km660 km深度、壓力增加 →
同樣成分 Mg₂SiO₄，壓力越大排得越緊密，所以 410、525、660 km 三個深度的震波速度突然跳增，就是同質異像相變。660 km 以下 Si 從四配位變六配位，礦物分解成 bridgmanite + periclase，是下部地函的主要礦物。自繪示意圖；概念參考：課堂投影片 Ch1；Open Petrology

地溫與熱流

  • 地溫梯度平均約 25 °C/km，實際從 10 到 60 °C/km 都有。岩石熱傳導係數約 2 W/m·K（0.005 cal/cm·s·°C），用 25 °C/km 算出的熱流約 50 mW/m²。
  • 全球熱流圖（超過 24000 口井）：張裂型板塊邊界只占全球面積 30 %，卻占熱流失的 50 %。
  • Kelvin 的地球年齡：假設地球最初 3900 °C 完全熔融、整體是固體、沒有其他熱源，冷卻到現在約需 2000–4000 萬年。錯在他不知道放射性衰變（和地函對流）一直在產生、搬運熱。
  • 台灣：四磺子坪地熱發電廠（大屯火山），野外有去。
自我檢測 2
  1. 太陽系的年齡是多少？用什麼物質、哪一類隕石定出來的？
  2. 早期地球的熱有哪些來源？
  3. 410、525、660 km 各發生什麼相變？
  4. Kelvin 估計的地球年齡為什麼太小？

答案：(1) 45.68 億年（4568 Ma），用 CV 球粒隕石中的富鈣鋁包體（CAI）定年。(2) 吸積的動能、隕石撞擊（晚期重轟炸、形成月球的大撞擊）、放射性元素衰變、鐵鎳核形成釋放的重力位能與熔融鐵鎳的熱。(3) 410 km 鎂橄欖石（α）→ 瓦茲利石（β）；525 km → 林伍德石（γ）；660 km → 布里奇曼石 MgSiO₃ + 方鎂石 MgO。(4) 他假設沒有額外熱源、地球是固體，沒考慮放射性衰變產熱（和液態核心、地函對流）。

3. 礦物的定義與分類 ★

定義：五個條件

  1. 自然形成（occurs in nature）：人造寶石、合成石榴子石（YAG）不算。
  2. 無機作用生成（inorganic origin）：投影片的思考題——硫酸還原菌作用的黃鐵礦化（Fe²⁺ + H₂S → FeS + 2H⁺）算不算？產物和無機形成的完全一樣，現在的定義（Nickel 1995：「由地質作用形成」）傾向算礦物；生物的殼（方解石、霰石）也常被接受。
  3. 固態：液態的水、汞不算；冰算。
  4. 具有規則原子排列的晶體結構：黑曜岩（火山玻璃）不算（非晶質）。
  5. 一定且均勻的化學成分：可以在一定範圍內變化（固溶體），所以寫成 (Mg,Fe)₂SiO₄。

Dana (1922)：「由無機自然作用產生、具有一定化學成分，在有利條件下有特定分子結構，並表現在晶形與其他物理性質上的物體。」Nickel (1995)：「通常為結晶質、由地質作用形成的元素或化合物。」

作答模板（名詞解釋 Minerals）：寫出五個條件，各舉一個不符合的反例，再加一句「截至 2024 年 3 月，國際礦物協會（IMA）認證的礦物約 6036 種」。

依晶體結構分：六大晶系

等軸、六方、正方、斜方、單斜、三斜（Ch5 詳述）。

依化學組成分：看主要陰離子

類別陰離子例子
自然元素 native elements—金 Au、鑽石／石墨 C
矽酸鹽 silicatesSiO₄⁴⁻橄欖石 (Mg,Fe)₂SiO₄
碳酸鹽 carbonatesCO₃²⁻方解石 CaCO₃
磷酸鹽 phosphatesPO₄³⁻磷灰石 Ca₅(PO₄)₃(F,Cl,OH)
硫酸鹽 sulfatesSO₄²⁻石膏 CaSO₄·2H₂O
硫鹽 sulfosalts部分 S 被 As、Sb、Bi 取代硫砷銅礦 Cu₃AsS₄（AmBnXp：A = Cu、Ag、Pb；B = As、Sb、Bi；X = S）
硫化物 sulfidesS²⁻黃鐵礦 FeS₂
氧化物 oxidesO²⁻剛玉 Al₂O₃
鹵化物 halidesF⁻、Cl⁻、Br⁻、I⁻岩鹽 NaCl

地殼的主要礦物 ★

斜長石39 %鹼性長石12 %石英12 %輝石11 %角閃石 5 %雲母 5 %黏土礦物 4.6 %其他矽酸鹽 3 %非矽酸鹽 8 %長石 + 石英 + 輝石 ≈ 74 %矽酸鹽 ≈ 92 %
地殼的礦物組成（體積 %）。長石（斜長石 + 鹼性長石）一半以上，加上石英和輝石就約 75 %；矽酸鹽總共約 92 %，非矽酸鹽（碳酸鹽、氧化物、硫化物……）只有 8 %。考古題「組成地殼的三種主要礦物」答長石、石英、輝石。自繪示意圖；概念參考：Ronov & Yaroshevsky (1969)；課堂投影片 Ch2

矽酸鹽的六種結構

島狀 nesoSiO₄　1 : 4不共用
橄欖石、石榴子石、鋯石、Al₂SiO₅
對狀 soroSi₂O₇　1 : 3.5共用 1 個
綠簾石
環狀 cycloSi₆O₁₈　1 : 3共用 2 個成環
電氣石、綠柱石、堇青石
單鏈 inoSiO₃　1 : 3共用 2 個成鏈
輝石
雙鏈 inoSi₄O₁₁　1 : 2.75共用 2–3 個
角閃石
層狀 phylloSi₂O₅　1 : 2.5共用 3 個
雲母、黏土、滑石、蛇紋石
矽酸鹽依 SiO₄ 四面體怎麼共用頂點的氧來分類（俯視，三角形是四面體，紅點是沒有共用的氧可以接陽離子）。共用的氧越多，四面體連得越廣，Si : O 的比值越大：島狀 1 : 4 → 層狀 1 : 2.5；四個角全部共用時延伸成三維的架狀（石英、長石，SiO₂，1 : 2），圖上沒有畫。這個順序大致也是鮑文反應系列從高溫到低溫的順序。自繪示意圖；概念參考：Klein & Philpotts (2017)；課堂投影片 Ch2
結構四面體怎麼連Si：O例子
島狀 nesosilicates獨立1：4橄欖石、石榴子石、鋯石、藍晶石
雙島狀 sorosilicates兩個共一角2：7綠簾石、符山石
環狀 cyclosilicates環1：3綠柱石、電氣石、堇青石
鏈狀 inosilicates單鏈／雙鏈1：3／4：11輝石／角閃石
層狀 phyllosilicates片2：5雲母、滑石、蛇紋石、綠泥石、黏土
架狀 tectosilicates三維網1：2石英、長石

投影片的礦物例子

礦物化學式類別晶系產狀
岩鹽 haliteNaCl鹵化物等軸海水蒸發的沉積岩（蒸發岩，和石膏、方解石一起）
石英 quartzSiO₂架狀三方（α 石英）多數來自岩漿結晶；變種：紫水晶、黃水晶、煙水晶、玉髓、瑪瑙、碧玉、砂金石
滑石 talcMg₃Si₄O₁₀(OH)₂層狀單斜變質岩中 Mg 礦物（蛇紋石）碳酸化
纖蛇紋石 chrysotileMg₃Si₂O₅(OH)₄層狀單斜蛇紋岩受熱液換質；石綿之一
石榴子石 garnetX₃Y₂(SiO₄)₃島狀等軸多為高溫高壓變質岩
  • 石綿（asbestos）六種：溫石綿（纖蛇紋石）、鐵石綿、青石綿、陽起石、直閃石、透閃石——一種蛇紋石 + 五種角閃石。
  • 石榴子石族：X = Ca、Mg、Fe、Mn；Y = Al³⁺、Fe³⁺、Cr³⁺。鋁榴石族 pyralspite：鎂鋁（pyrope）、鐵鋁（almandine）、錳鋁（spessartine）；鈣榴石族 ugrandite：鈣鉻（uvarovite）、鈣鋁（grossular）、鈣鐵（andradite）。人工合成的 YAG、GGG、LuAG 用柴可夫斯基法（Czochralski）拉晶，不是礦物。
自我檢測 3
  1. 寫出礦物的五個條件，各舉一個不符合的例子。
  2. 礦物依什麼分類？舉出五類各一個例子。
  3. 地殼中最多的礦物是什麼？組成地殼的三種主要礦物？
  4. 矽酸鹽六種結構各舉一例。
  5. 石綿包含哪幾種礦物？

答案：(1) 天然（人造紅寶石、YAG ✗）、無機（爭議：生物沉澱的方解石、黃鐵礦化）、固體（液態水、汞 ✗）、規則原子排列（黑曜岩、玻璃 ✗）、一定且均勻的化學成分（可在固溶體範圍內變化）。(2) 依主要陰離子（或陰離子團）：自然元素（金）、矽酸鹽（橄欖石）、碳酸鹽（方解石）、硫化物（黃鐵礦）、氧化物（剛玉）、鹵化物（岩鹽）、硫酸鹽（石膏）、磷酸鹽（磷灰石）。(3) 長石（斜長石 39 % + 鹼性長石 12 % ≈ 51 %）；三種主要礦物是長石、石英、輝石，合計約 75 %。(4) 島狀：橄欖石；雙島狀：綠簾石；環狀：綠柱石；鏈狀：輝石、角閃石；層狀：雲母；架狀：石英、長石。(5) 溫石綿（纖蛇紋石）、鐵石綿、青石綿、陽起石、直閃石、透閃石。

4. 礦物演化與命名 ★

0恆星形成前>4.6 Ga Ga超新星、紅巨星外層凝結：鑽石、石墨、碳化矽~121原始球粒隕石4.56 Ga太陽星雲凝結：CAI、球粒（橄欖石、輝石）~602微行星換質、分異4.56–4.55 Ga水換質、熱變質、分異出核與殼~2503火成岩演化4.55–4.0 Ga地殼火成岩、揮發份~4204花崗岩形成4.0–3.5 Ga部分熔融再熔融 → 偉晶岩~10005板塊作用>3.0 Ga隱沒、熱液硫化物、高壓變質礦物~15006無氧生物世界3.9–2.5 Ga生物還沒改變大氣~15007古元古代大氣變遷2.5–1.9 Ga大氧化事件：數千種氧化、水合礦物~40008過渡型海洋1.9–1.0 Ga深海缺氧、硫化~40009新元古代變遷1.0–0.542 Ga雪球地球、氧氣再上升~400010顯生宙0.542–今 Ga生物礦化：殼、骨骼、黏土、煤~4400■ 原行星盤吸積時期■ 地殼與地函改造時期■ 生物介導礦物作用時期
礦物演化（Hazen et al. 2008）：地球上的礦物種類不是一開始就有，而是隨地質事件一階段一階段增加，從恆星形成前約十幾種，到現在約六千種。長條是各階段累積的礦物種數（約略，對數）。最大的一次跳增在第 7 期大氧化事件：氧氣讓 Fe、Mn、Cu、U 等元素出現大量氧化物與水合礦物。自繪示意圖；概念參考：Hazen et al. (2008)；課堂投影片 Ch2

礦物演化（Mineral Evolution）的基本概念：地球（和其他行星）的礦物種類、豐度和分布，會隨著地質與生物事件不可逆地增加與改變。原因是新的作用（分異、部分熔融、板塊、生命、氧氣）會把元素集中、創造新的溫壓與化學環境，讓原本不可能出現的礦物得以形成。

時期階段年代
原行星盤吸積時期0 恆星形成前的礦物> 46 億年
1 原始球粒隕石礦物> 45.6 億年
2 微行星體的換質與分異45.6–45.5 億年
地殼與地函改造時期3 火成岩演化45.5–40 億年
4 花崗岩形成40–35 億年
5 板塊作用> 30 億年
6 無氧生物世界39–25 億年
生物介導礦物作用時期7 古元古代大氣變遷（大氧化事件）25–19 億年
8 過渡型海洋環境19–10 億年
9 新元古代地球化學變遷10–5.42 億年
10 顯生宙5.42 億年至今

【例題 ★ 2025 期中 C1，8 分】說明礦物演化的基本概念，並以一個時期為例說明主導的地質事件與一種代表性礦物。

解（參考作答）：礦物演化是指地球上的礦物種類隨時間逐步增加：太陽系形成前只有十幾種，隨著行星分異、部分熔融、板塊運動、生命出現與大氣氧化，元素被集中、出現新的溫壓與氧化還原環境，目前約有六千種礦物（Hazen et al. 2008）。例：第 7 期古元古代大氣變遷（25–19 億年前）——光合作用生物使大氣氧含量上升（大氧化事件），原本以還原態存在的 Fe、Mn、Cu、U 等被氧化，出現上千種新的氧化物與氫氧化物、硫酸鹽，例如赤鐵礦（Fe₂O₃，條帶狀鐵礦層）、孔雀石、藍銅礦。（也可選第 4 期花崗岩形成：重複部分熔融使不相容元素集中，形成偉晶岩中的綠柱石、鋰雲母；或第 10 期顯生宙：生物礦化產生方解石、霰石的殼與骨骼。）

人為礦物：人類活動也產生新的「礦物」，例如博物館標本盒中的 calclacite Ca(CH₃COO)Cl·5H₂O、古代爐渣與海水反應的 fiedlerite Pb₃FCl₄(OH)·H₂O。

命名

很多名字在科學工具出現前就有了（quartz、feldspar、garnet）。命名很雜：物理性質、化學成分、地名、人名、礦物學家。自 1959 年起由國際礦物協會（IMA）的新礦物委員會負責（現為 CNMNC）。

礦物化學式命名依據
霰石 aragoniteCaCO₃地名：西班牙 Aragon
輝鉬礦 molybdeniteMoS₂唯一的陽離子 Mo
六方鉀霞石 kalsiliteKAlSiO₄所有陽離子 K、Al、Si
矽線石 sillimaniteAl₂SiO₅人名：耶魯大學 Benjamin Silliman

北投石（hokutolite）：(Ba,Pb)SO₄，富 Pb²⁺ 的重晶石置換式固溶體；1905 年由岡本要八郎發現，是唯一以台灣地名命名的礦物；富含鐳-226，北投地熱谷現地輻射劑量最高約 0.34 μSv/h。

自我檢測 4
  1. 礦物演化的三個時期是什麼？
  2. 大氧化事件對礦物種類有什麼影響？舉一個代表礦物。
  3. 礦物的命名可以依據哪些？各舉一例。
  4. 北投石的化學式是什麼？是什麼的固溶體？

答案：(1) 原行星盤吸積時期、地殼與地函改造時期、生物介導礦物作用時期。(2) 大氣氧含量上升，使 Fe、Mn、Cu、U 等被氧化，出現上千種新的氧化物、氫氧化物、硫酸鹽，例如赤鐵礦、孔雀石。(3) 地名（霰石 Aragon）、成分（輝鉬礦、六方鉀霞石）、人名（矽線石 Silliman）、物理性質（顏色、晶形）。(4) (Ba,Pb)SO₄，富 Pb 的重晶石置換式固溶體。

5. 晶體、結晶質與岩石

晶體與晶形

  • 晶體：外形被平整晶面包圍的結晶質固體；外形是內部規則原子排列的外在表現。
  • 晶面發展好壞：自形、半自形、他形（例：偏光顯微鏡下的鋯石）。
  • 結晶質（crystalline）：原子三維規則重複排列，例如石英 SiO₂；非晶質（amorphous）：沒有長程規則，例如黑曜岩 SiO₂。成分一樣，結構不同。★（2024 名詞解釋 Amorphous solid）
  • 絕大多數礦物顆粒都 < 1 cm 而且形狀不規則；漂亮的標本大多來自礦脈（尤其有孔洞 vug 時）或偉晶岩（顆粒 > 1 cm，出產綠柱石、鋰雲母等寶石，例：加州 Little Three mine 的細晶岩–偉晶岩岩脈、文象微斜長石）。
  • 澎湖文石：低溫（20–68 °C）下在玄武岩孔洞中沉澱的霰石、菱鐵礦等。

岩石

  • 岩石：天然產出、固結的礦物混合物。礦物都由少數元素組成，地球上很難有一處成分剛好只形成一種礦物，所以通常形成多種礦物的集合 = 岩石（例：花崗岩 = 正長石 + 斜長石 + 石英 + 黑雲母／輝石）。
  • 組織（texture）：顆粒彼此怎麼共生（例：玄武岩的輝綠組織，斜長石長條被輝石包住）；構造（structure）：較大尺度、礦物分布不均勻（例：花崗岩的球狀構造、成分分層）。
  • 三大岩類：岩石部分熔融成岩漿，冷卻成火成岩；地殼淺部多為沉積岩，由風化侵蝕的沉積物構成，多堆積在海洋；板塊把岩石帶到不同溫壓，礦物朝新的平衡轉變 → 變質岩。
  • 板塊與岩石：張裂盆地的洪流玄武岩（華盛頓 Palouse Falls）、Cyprus 的枕狀玄武岩（古地中海海床）、隱沒帶釋出的水讓地函楔熔融形成火山（智利 Osorno）。
  • 三種代表岩石：玄武岩（Kilauea Iki 熔岩湖：橄欖石斑晶 + 褐色輝石 + 黑色鈦鐵礦，斑晶中有更早結晶、富 Cr 的尖晶石）、砂岩（次圓石英顆粒，被黏土和石英膠結）、片岩（泥質岩變質，雲母垂直受力方向排列成葉理）。
自我檢測 5
  1. 結晶質與非晶質的差別？各舉一例。
  2. 為什麼漂亮的礦物標本多來自礦脈和偉晶岩？
  3. 岩石的組織和構造有什麼不同？
  4. 三大岩類分別怎麼形成？

答案：(1) 結晶質原子三維規則重複排列（石英）；非晶質沒有長程規則（黑曜岩、玻璃），兩者成分可以相同。(2) 礦脈的孔洞、偉晶岩的富揮發份熔體讓晶體有自由空間和充足時間慢慢長大，才能長出自形大晶體。(3) 組織是顆粒尺度的共生關係（粒徑、形狀、排列）；構造是較大尺度的不均勻分布（分層、球狀）。(4) 火成岩：岩漿冷卻凝固；沉積岩：風化侵蝕的沉積物堆積、岩化；變質岩：既有岩石在高溫高壓下礦物重新平衡。

容易混淆

這個那個差別
宇宙年齡太陽系年齡138 億年（CMB）／45.68 億年（CAI）
最老鋯石最老岩石約 44 億年（礦物顆粒）／約 38–40 億年
球粒隕石非球粒隕石未分異、含球粒與 CAI／分異過、多為玄武岩質
礦物似礦物符合五條件／缺規則排列或一定成分（黑曜岩、蛋白石）
晶形晶癖規則幾何外形／一般外觀（含不規則面）
組織構造顆粒尺度／較大尺度
鋁榴石族鈣榴石族Mg、Fe、Mn + Al／Ca + Cr、Al、Fe³⁺
北投石重晶石(Ba,Pb)SO₄（含鐳、富 Pb）／BaSO₄

章末綜合題

  1. 用元素起源和地球分異，解釋為什麼地殼中矽酸鹽占 92 %。
  2. 2025 期中 C1：說明礦物演化並舉一個時期為例（8 分）。
  3. 寫出 Minerals 的名詞解釋（3–5 分版本）。
  4. 410 km 和 660 km 不連續面為什麼是同質異像而不是成分變化？
  5. 組成地殼的三種主要礦物是什麼？合計約多少 %？

每日複習

Ch3　如何識別礦物

本頁目錄

先認識的名詞這一章的邏輯地圖1. 元素的起源2. 太陽系與地球的形成從星雲到太陽系隕石與太陽系的年齡 ★地球的早期歷史地球內部與地函過渡帶 ★地溫與熱流3. 礦物的定義與分類 ★定義：五個條件依晶體結構分：六大晶系依化學組成分：看主要陰離子地殼的主要礦物 ★矽酸鹽的六種結構投影片的礦物例子4. 礦物演化與命名 ★命名5. 晶體、結晶質與岩石晶體與晶形岩石容易混淆章末綜合題