礦物

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占據了礦物的大部分關鍵成分。 這八種元素合計占地殼重量的 98% 以上，按照豐度遞減的順序排列為：氧、硅、鋁、鐵、鎂、鈣、鈉和鉀。 氧和硅是迄今為止最重要的兩種——氧占地殼重量的 47%，硅占 28%^[1]。

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、硅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]。如果缺乏硅，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]。

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、長石均為骨架硅酸鹽，其硅氧比為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${\displaystyle {\ce {SiO2}}}$ 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。

硅酸鹽礦物的基本單元是二氧化硅四面體——一個Si⁴⁺被四個 O2− 包圍。 描述硅酸鹽配位的另一種方式是用數字：在二氧化硅四面體的情況下，硅的配位數為 4。各種陽離子具有特定的可能配位數範圍； 對於硅來說，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，使得硅與氧處於六重（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硅酸鹽，將轉變為鈣鈦礦結構，其中硅處於八面體配位。 其他例子有鋁硅酸鹽藍晶石、紅柱石和硅線石（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]。

在硅酸鹽材料的情況下，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]。

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)₄，一種沉積礦物和硅酸）：

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。

• 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）

 

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]。

 

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]：

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]。

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]。

• 解理：礦物分離的方式。
• 斷口：礦物折斷時，邊緣的形狀。

• 礦業
• 鉀鹽
• 鈉鹽
• 硼礦
• 鹽礦
• 磷礦

• 礦物學
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• 礦物質
• 膳食礦物質
• 金屬
• 能源

• Busbey, A.B.; Coenraads, R.E.; Roots, D.; Willis, P. Rocks and Fossils. San Francisco: Fog City Press. 2007. ISBN 978-1-74089-632-0. 
• 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. 

• （繁體中文）國立自然科學博物館──自然與人文數位博物館──礦物^{[失效連結]}
• （簡體中文）中國科普-礦物博物館 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
• （繁體中文）國立中央大學應用地質研究所工程地質研究室－地科教室──台灣主要礦物與岩石 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
• （簡體中文）南京大學地球科學數字博物館──礦物
• （簡體中文）全球礦物數據庫^{[永久失效連結]}
• （簡體中文）北京大學地質數字博物館──礦物 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
• （簡體中文）中國礦物數據庫
• （繁體中文）數位典藏聯合目錄：礦物的分類 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
• （繁體中文）數位典藏與數位學習成果入口網：地質科學典藏 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）一些礦石標本圖片集

 

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