礦物學
L05 礦物的分類與寶石L05 礦物的分類與寶石
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這講在回答：依化學成分分類後，每一類有哪些代表礦物、各有什麼辨認重點和用途？矽酸鹽為什麼還要依「四面體怎麼連」再細分？寶石是怎麼從火山活動中來的？
考前 30 秒
- 分類依陰離子（團）：自然元素 → 硫化物 → 氧化物／氫氧化物 → 鹵化物 → 碳酸鹽 → 磷酸鹽 → 硫酸鹽 → 矽酸鹽。
- 矽酸鹽依 SiO₄ 四面體共用幾個氧：島（橄欖石、石榴子石）→ 對（綠簾石）→ 環（電氣石、堇青石）→ 單鏈（輝石）→ 雙鏈（角閃石）→ 層（雲母、黏土）→ 架（石英、長石）；Si : O 從 1 : 4 到 1 : 2。
- 幾個「唯一」或「最」：自然汞是唯一液態礦物；閃鋅礦幾乎是鋅的唯一來源；辰砂幾乎是汞的唯一來源；方鉛礦是分布最廣的鉛礦物；黃鐵礦是分布最廣的硫化物；斜長石是自然界最多的礦物；鋯石是三大岩類最常見的副礦物。
- 剛玉：含 Cr 紅寶石；含 Ti（和 Fe）藍寶石。Al₂SiO₅ 三兄弟：藍晶石（高壓）、紅柱石（低壓）、矽線石（高溫）。
- 火山寶石三途徑：斑晶（日光石、月光石、黃玉、鋯石）、捕獲晶（鑽石、尖晶石、剛玉、石榴子石、橄欖石）、熱液（祖母綠、綠松石、電氣石、海藍寶）。
先認識的名詞
| 名詞 | English | 一句話 |
|---|---|---|
| 同質異形 | polymorph | 成分相同、結構不同（方解石／霰石；紅柱石／矽線石／藍晶石；硫砷銅礦／呂宋礦） |
| 固溶體 | solid solution | 成分在兩個端成分間連續變化（橄欖石 Mg ⇄ Fe） |
| 副礦物 | accessory mineral | 岩石中含量很少的礦物（鋯石、磷灰石、榍石） |
| 礦物群 | mineral group | 結構相同、成分不同的一群礦物（石榴子石群、尖晶石群） |
| 斑晶 | phenocryst | 岩漿冷卻時先結晶出的較大晶體 |
| 捕獲晶 | xenocryst | 岩漿上升時從圍岩或地函帶上來的晶體 |
| 熱液 | hydrothermal fluid | 岩漿或地熱加熱的水溶液，可以溶解、搬運、沉澱元素 |
這一講的邏輯地圖
★ = 考試重點。
1. 自然元素與硫化物
自然元素：只由一種元素組成。金屬類（Au、Ag、Cu、Hg）通常延展性好、比重大；非金屬類（S、C）。
| 礦物 | 記憶點 |
|---|---|
| 自然金 Au | 岩金、砂金、伴生金、不可見金；溶於水銀和氰化物（也溶於王水） |
| 自然銀 Ag | 硬度只有 2.5–3 |
| 自然銅 Cu | 銅多半和硫結合成硫化物，自然銅較少 |
| 自然汞 Hg | 常溫液態，−39 °C 才結晶；唯一的液態礦物 |
| 硫黃 S | 硫化氫或硫化物氧化形成；斜方硫加熱到 96 °C 變成針狀的單斜硫（同質異形） |
| 石墨 C | 熔點近 3900 °C、耐腐蝕、不活潑；和鑽石同為純碳（同質異形） |
硫化物：多是金屬光澤、比重大，條痕和硬度是辨認關鍵。多由熱液作用形成，是重要的金屬礦石。
| 礦物 | 記憶點 |
|---|---|
| 方鉛礦 PbS | 分布最廣的鉛礦物；立方體解理；熱液；常和閃鋅礦共生 |
| 閃鋅礦 ZnS | 幾乎是鋅的唯一來源；和方鉛礦共生 |
| 黃銅礦 CuFeS₂ | 最重要的銅礦物之一；硬度小於小刀 |
| 黃鐵礦 FeS₂ | 分布最廣的硫化物；在還原的沉積環境形成；分解形成褐鐵礦和硫酸；硬度大於小刀 |
| 辰砂 HgS | 高級紅色染料；幾乎是汞的唯一來源 |
| 雄黃 As₄S₄ | 中藥材；提取砷 |
| 雌黃 As₂S₃ | 製造砷化物；古代的修正液（信口雌黃） |
| 輝銻礦 Sb₂S₃ | 柱狀或針狀；分布最廣的銻礦物；硬度只有 2 |
| 硫砷銅礦 Cu₃AsS₄ | 需要高溫熱液：金瓜石有、九份（低溫）沒有；和呂宋礦是同質異相 |
自我檢測 1
- 哪一種礦物是唯一的液態礦物？要多冷才結晶？
- 黃鐵礦和黃銅礦用什麼工具最快分辨？
- 為什麼金瓜石有硫砷銅礦、九份沒有？
答案：(1) 自然汞（水銀）；−39 °C 以下才結晶。(2) 小刀：黃鐵礦（6–6.5）刮不動，黃銅礦（3.5–4）刮得動。(3) 硫砷銅礦需要高溫熱液；金瓜石是較高溫的熱液礦床，九份是低溫熱液礦脈。
2. 氧化物、氫氧化物、鹵化物
| 礦物 | 記憶點 |
|---|---|
| 剛玉 Al₂O₃ | H 9；紅寶石含 Cr（紅）；藍寶石含 Ti（藍）；含 Fe 黑、含 Ni 黃、含 V 綠；金剛砂（研磨劑） |
| 磁鐵礦 Fe₃O₄ | 強磁性；最重要的煉鐵礦物 |
| 赤鐵礦 Fe₂O₃ | 磁鐵礦氧化變成赤鐵礦；條痕紅；也是重要的鐵礦 |
| 金紅石 TiO₂ | 提取鈦的主要礦物；最重要的白色顏料（鈦白粉）；水晶中的「髮晶」 |
| 尖晶石 MgAl₂O₄（AB₂O₄） | 純的無色；尖晶石其實是一個礦物群 |
| 褐鐵礦 FeO(OH)·nH₂O | 不是單一礦物，是多種含水氧化鐵的天然混合物 → 似礦物 |
| 石鹽 NaCl | 立方體解理；藍色岩鹽是輻射造成的色心，不是雜質 |
自我檢測 2
- 紅寶石和藍寶石的礦物名稱？各含什麼致色元素？
- 磁鐵礦和赤鐵礦的關係？怎麼用條痕和磁性分？
- 為什麼褐鐵礦嚴格說不是礦物？
答案：(1) 都是剛玉 Al₂O₃；紅寶石含 Cr，藍寶石含 Ti（和 Fe）。(2) 磁鐵礦氧化成赤鐵礦；磁鐵礦條痕黑、強磁性，赤鐵礦條痕紅、不被磁鐵吸。(3) 它是多種含水氧化鐵的天然混合物，不是單一成分，又含非晶質，所以是似礦物。
3. 碳酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽
碳酸鹽的共同點：遇稀鹽酸會冒泡（放出 CO₂），但程度不同，這是區分它們的方法。
| 礦物 | 記憶點 |
|---|---|
| 方解石 CaCO₃ | 菱面體解理；冷稀鹽酸劇烈冒泡；無色透明的叫冰洲石，用作光學材料（明顯雙折射） |
| 霰石 CaCO₃ | 中國稱文石；和方解石同質異形，會自然轉變成方解石，加熱會變快 |
| 白雲石 CaMg(CO₃)₂ | 冷鹽酸反應弱；磨成粉末或用加熱的稀鹽酸才會冒泡 |
| 孔雀石 Cu₂(CO₃)(OH)₂ | 含銅礦物風化後形成；綠色、遇 HCl 起泡 |
磷酸鹽：磷灰石 Ca₅(PO₄)₃(F,Cl,OH)，H 5，提取磷的重要材料；骨頭、牙齒的成分。
硫酸鹽：
| 礦物 | 記憶點 |
|---|---|
| 北投石 (Ba,Pb)SO₄ | 重晶石和硫酸鉛礦的混合，結晶時包了微量鐳（放射性）；L07 詳述 |
| 石膏 CaSO₄·2H₂O | 主要在沉積作用形成；H 2；在沙漠或鹽灘中結晶時包裹大量沙粒、板狀交錯生長（沙漠玫瑰） |
| 硬石膏 CaSO₄ | 石膏加熱超過約 200 °C 脫水而成 |
自我檢測 3
- 方解石、霰石、白雲石怎麼用鹽酸區分？
- 霰石和方解石哪個比較穩定？證據是什麼？
- 石膏和硬石膏的差別？
答案：(1) 冷稀鹽酸：方解石劇烈冒泡、霰石也會冒泡；白雲石反應很弱，要磨成粉或用加熱的鹽酸才冒泡。霰石和方解石要靠晶形、比重（霰石較大）區分。(2) 方解石較穩定；霰石會自然轉變成方解石，加熱會更快。(3) 石膏 CaSO₄·2H₂O 含結晶水、H 2；硬石膏 CaSO₄ 不含水，由石膏加熱超過約 200 °C 脫水而成。
4. 矽酸鹽：依四面體的連結再分類 ★
矽酸鹽是最大的一類，地殼大部分都是矽酸鹽。基本單位是 SiO₄ 四面體（Si 在中心、四個 O 在頂點）。四面體之間可以共用頂點的氧，共用越多，連成的結構越大：
先預測：輝石（單鏈）和角閃石（雙鏈），哪一個的鏈比較寬？這和 L04 解理夾角有什麼關係？
| 結構 | 共用氧 | 單位 | 代表礦物 |
|---|---|---|---|
| 島狀 neso | 0 | SiO₄ | 橄欖石、石榴子石、鋯石、Al₂SiO₅（藍晶石、紅柱石、矽線石）、十字石、黃玉、榍石、硬綠泥石 |
| 對狀 soro | 1 | Si₂O₇ | 綠簾石 |
| 環狀 cyclo | 2（成環） | Si₆O₁₈ | 電氣石、綠柱石、堇青石 |
| 單鏈 ino | 2（成鏈） | SiO₃ | 輝石：紫蘇輝石、透輝石、普通輝石 |
| 雙鏈 ino | 2 和 3 | Si₄O₁₁ | 角閃石：閃玉、陽起石、普通角閃石、藍閃石 |
| 層狀 phyllo | 3 | Si₂O₅ | 雲母（白雲母、黑雲母）、黏土（高嶺石、蒙脫石、伊萊石）、滑石、蛇紋石 |
| 架狀 tecto | 4 | SiO₂ | 石英、蛋白石、長石（正長石、斜長石） |
各結構的代表礦物
島狀：
- 橄欖石群：鎂橄欖石 Mg₂SiO₄ ⇄ 鐵橄欖石 Fe₂SiO₄（固溶體）；含鐵越多顏色越深（淡黃綠 → 綠 → 黑）。
- 石榴子石群 A₃B₂(SiO₄)₃，A = Ca、Mg、Fe²⁺、Mn²⁺；B = Al、Fe³⁺、Cr³⁺。例如鈣鋁榴石 Ca₃Al₂(SiO₄)₃、錳鋁榴石 Mn₃Al₂(SiO₄)₃。主要在變質岩，可作研磨料。
- 鋯石 ZrSiO₄：三大岩類最常見的副礦物；鋯和鉿的主要來源。
- Al₂SiO₅ 三兄弟（同質異形）：藍晶石（區域變質、中高壓；Al 配位數 6）、紅柱石、矽線石。
- 十字石：中等程度區域變質。黃玉：無色或淺黃。榍石 CaTiSiO₅：高色散，光通過會變成強烈的七彩霓光；H 5。硬綠泥石：綠泥石 H 2–3，硬綠泥石 H 6.5；強烈多色性。
對狀：綠簾石，晶粒越細顏色越淺；熱液作用在含鈣岩石上形成，斜長石熱液蝕變後變成綠簾石。
環狀：堇青石（常見的熱變質礦物）；電氣石（含鐵黑色，含鋰、錳、銫玫瑰色；結晶好的寶石叫碧璽）。
單鏈（輝石）：
- 紫蘇輝石 (Mg,Fe)SiO₃：鐵 > 30% 紫蘇輝石、10–30% 古銅輝石、< 10% 頑火輝石（都是斜方輝石 Opx）。
- 透輝石 CaMgSi₂O₆：含鐵增加，淺灰 → 綠 → 深綠 → 黑綠。
- 普通輝石 Ca(Mg,Fe)Si₂O₆（單斜輝石 Cpx）：沒什麼經濟用途。
雙鏈（角閃石）：
- 閃玉（軟玉）Ca₂(Mg,Fe)₅Si₈O₂₂(OH)₂：無數極細的纖維緊密交織，韌性極大、不易裂。
- 陽起石：閃玉的成分長成一根根針狀。
- 普通角閃石：成分複雜，含 Na、Ca、Al。
- 藍閃石：含鈉角閃石，藍色（低溫高壓變質，L07）。
層狀：
- 蛇紋石 Mg₃Si₂O₅(OH)₄：富鎂岩石熱液蝕變；石棉的重要來源。
- 白雲母：總是和石英共生；偉晶岩中晶體巨大，是天然白雲母的唯一來源。黑雲母：雲母中分布最廣。
- 高嶺石：長石風化而成，陶瓷主要原料。滑石：H 1。蒙脫石：吸水膨脹，用於止瀉、貓砂、火山泥面膜。伊萊石。
架狀：
- 石英 SiO₂：碧玉（含氧化鐵的緻密塊狀）、玉髓（纖維狀，介於蛋白石和石英之間）、瑪瑙（同心層狀）、燧石（隱晶質）都是石英。
- 正長石 KAlSi₃O₈：肉紅色或白色，條痕白。
- 鈉長石 NaAlSi₃O₈（Ab₉₀–₁₀₀）：有聚片雙晶細紋；斜長石是自然界最多的礦物。
- 蛋白石 SiO₂·nH₂O：非晶質 → 似礦物。
自我檢測 4
- 依共用氧的數目排出七種矽酸鹽結構，並各舉一種礦物。
- 為什麼共用越多氧，Si : O 比值越大？
- Al₂SiO₅ 三種同質異形各在什麼條件下穩定？
- 紫蘇輝石、古銅輝石、頑火輝石怎麼分？
- 碧玉、玉髓、瑪瑙、燧石的共同點和差別？
答案：(1) 島（橄欖石）→ 對（綠簾石）→ 環（電氣石）→ 單鏈（輝石）→ 雙鏈（角閃石）→ 層（雲母）→ 架（石英）。(2) 共用的氧被兩個 Si 分享，每個 Si 分到的 O 變少：不共用 SiO₄（1 : 4），全部共用 SiO₂（1 : 2）。(3) 藍晶石高壓、紅柱石低壓（低溫）、矽線石高溫。(4) 依含鐵量：Fe > 30% 紫蘇輝石、10–30% 古銅輝石、< 10% 頑火輝石。(5) 都是石英（SiO₂）；碧玉是含氧化鐵的緻密塊狀、玉髓是纖維狀、瑪瑙是同心層狀、燧石是隱晶質。
5. 火山與寶石
火山活動用三種途徑產生寶石：
| 途徑 | 過程 | 寶石 |
|---|---|---|
| ① 斑晶 phenocryst | 岩漿本身冷卻結晶（和結晶分化作用有關） | 日光石（銅鈦拉長石）、月光石（微斜混鈉長石）、黃玉（含氟矽酸鹽）、鋯石 |
| ② 捕獲晶 xenocryst | 岩漿熔融圍岩後殘留下來的礦物、或從地函帶上來的（和同化混染作用有關） | 鑽石（高溫高壓純碳）、尖晶石（高溫壓鎂鋁氧化物）、剛玉（高溫變質氧化鋁）、石榴子石（高壓變質）、橄欖石（地函岩石） |
| ③ 熱液 hydrothermal | 熱水把元素帶到岩石裂隙中換質、取代、沉澱 | 祖母綠、綠松石、電氣石（偉晶岩與熱液）、海藍寶（偉晶脈與熱液） |
| 其他 | 和火山有關 | 黑曜岩、蛋白石、玉髓 |
為什麼鑽石一定是捕獲晶？鑽石只在地函深處的高溫高壓下穩定，岩漿本身在地殼淺處不可能結晶出鑽石，所以只能是岩漿（金伯利岩）快速上升時從地函帶上來的。
附帶的岩體名詞：岩基（batholith）是最大的侵入岩體，> 100 km²，不是一次事件形成，多為花崗岩類；岩株（stock）是岩基凸出來的小部分，< 100 km²；另有岩蓋、岩脈、岩床。
自我檢測 5
- 火山寶石的三種途徑，各舉兩種寶石。
- 為什麼鑽石和橄欖石可以是捕獲晶？
- 岩基和岩株差在哪？
答案：(1) 斑晶：月光石、鋯石；捕獲晶：鑽石、尖晶石；熱液：祖母綠、綠松石。(2) 它們在地函或深部高溫高壓下形成，岩漿快速上升時把含有它們的地函或圍岩碎塊帶到地表。(3) 岩基 > 100 km²、規模最大、不是一次事件形成；岩株是岩基凸出的小部分，< 100 km²。
容易混淆
| 這個 | 那個 | 差別 |
|---|---|---|
| 方解石 | 霰石 | 同 CaCO₃；方解石三方、穩定；霰石斜方、比重大、會變成方解石 |
| 方解石 | 白雲石 | 冷鹽酸劇烈冒泡／要磨粉或加熱 |
| 綠泥石 | 硬綠泥石 | H 2–3、層狀／H 6.5、島狀 |
| 紅寶石 | 藍寶石 | 都是剛玉；Cr 紅、Ti（Fe）藍 |
| 紅寶石 | 尖晶石 | 剛玉 Al₂O₃ H 9／MgAl₂O₄ H 8、等軸 |
| 輝石 | 角閃石 | 單鏈、解理近直角、無 OH／雙鏈、124°／56°、含 OH |
| 閃玉 | 輝玉 | 閃玉是角閃石（台灣豐田）；輝玉（翡翠）是輝石 |
| 斑晶 | 捕獲晶 | 岩漿自己結晶／外來的 |
| 白雲母 | 白雲石 | 雲母（層狀矽酸鹽）／碳酸鹽，名字很像但完全不同 |
章末綜合題
- 依 Si : O 比值把橄欖石、綠簾石、電氣石、輝石、角閃石、雲母、石英排序，並解釋為什麼這個順序也大致是岩漿從高溫到低溫的結晶順序。
- 一顆綠色礦物，滴鹽酸起泡，有同心環帶。是什麼？它是怎麼形成的？
- 比較黃鐵礦和黃銅礦：成分、硬度、條痕、形成環境。
- 同一座火山的產物中，同時有鋯石、鑽石和綠松石，它們各是哪一種途徑形成的？