第二章 礦物(MINERALS)

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1 第二章礦物 (MINERALS)

2 主要觀念 : 1. 原子乃元素最小的組成單位, 而原子係由質子 中子 與環繞的電子雲所組成 2. 一特定元素原子的原子核有一定的質子數, 同位素則因原子核內的中子數不同所造成 3. 離子為帶電的原子, 因原子獲得或失去電子所形成 4. 物質三態為 : 氣態 液態與固態

3 5. 礦物為自然產的無機固體, 其內部原子有規則性的排列, 具有一定的化學成份 ( 僅允許有限度的變化 ) 6. 礦物因結晶構造原子的增添 ( 或移去 ) 而成長 ( 或熔解 ) 7. 礦物具備一定的物理性質 8. 地球地殼的成份有超過 95% 的矽酸岩類 9. 重要的造岩礦物有 : 長石 雲母 橄欖石 輝石 角閃石 石英 粘土礦物和方解石

4 2-1 物質 (MATERIALS) 原子為元素最小的組成單位, 具有元素的特性 原子包含由質子與中子組成的原子核, 以及環繞原子核運轉的電子雲 原子學說係由英國化學家道爾頓 (JohnDalton) 於 1805 年所建立

5 2-2 礦物 (MINERALS) 礦物為地球主要的固態成份, 物質必需具備特殊條件方可稱為礦物 : (1) 自然產的無機固體 (2) 有一定的內部構造, 其組成原子精確的排列成一結晶體 (3) 因其特定的結晶構造與化學成份, 而有一定的物理性質

6 (4) 有一定的化學成份, 僅允許在一定範圍內有限度的變化, 可以一化學式表示 [ 礦物成份的變化以離子交換 (Ionic Substitution) 的方式進行, 當兩離子的半徑差異在 15% 的範圍內時, 有助於離子交換的進行

7 2-3 礦物的生長 (GROWTH) 與破壞 (DESTRUCTION) ( 一 ) 礦物的生長 - 礦物的結晶作用乃因原子增添於礦物的晶面而成 條件 : (1) 一特定礦物生長所需的離子或原子的適當濃度 (2) 適當的溫度和壓力 (3) 足夠的時間 ( 溫度緩慢下降 ) 和生長空間

8 丹麥 Nicolaus Steno(1669) 首先提出晶面角不變法則, 認為任何一個同類礦物, 不論其晶體的大小形狀如何, 其相對應的一組晶面間的夾角相等, 稱為面角恆定律 (Law of Constancy of Interfacial Angles)

9 ( 二 ) 礦物的破壞 - 礦物的熔解作用發生於外側的原子 自晶體構造移去時, 此作用始於晶體的表面而逐漸往 內部進行

10 2-4 礦物的鑑定 (IDENTIFICATION) 礦物的鑑定可以依據其化學成份與組成原子的排列方 式, 於實驗室內進行分析, 在野外則主要根據礦物的 物理性質來鑑定不同礦物 礦物的物理性質分為 :

11 ( 一 ) 光線照射晶體所表現的性質 : 顏色 (Color) 條痕(Streak) 光澤(Luster) 透光度 (Diaphaneity) 發光度(Luminescence) ( 二 ) 原子構造和結集的性質 : 晶系 (Crystal System) 習性(Crystal Habit) 解理 (Cleavage) 斷口(Fracture) 韌度(Tenacity) 硬度 (Hardness)

12 ( 三 ) 感覺有關的性質 : 味覺 (Taste) 嗅覺(Smell) 觸覺(Touch) ( 四 ) 比重 (Specific Gravity) ( 五 ) 熱學性質 (Thermal Properties) ( 六 ) 其他 : 磁性 (Magnetism) 電性(Electricity) 放射性 (Radioactivity)

13 2-5 礦物主要物理性質 (PHYSICAL PROPERTIES) ( 一 ) 晶系 (Crystal System)- 假設晶軸為通過晶體中心垂直相對兩晶面的假想直線, 結晶學上依據晶軸 (Crystallographic Axis) 間的交角和單位長度, 將礦物劃分為六大晶系 :

14 (1) 等軸晶系 (Isometric or Cubic System) - 方鉛礦 黃鐵礦 (2) 正方晶系 (Tetragonal System) - 黃銅礦 金紅石 (3) 六方晶系 (Hexagonal System) - 石英 方解石 (4) 斜方晶系 (Orthorhombic System) - 橄欖石 重晶石 (5) 單斜晶系 (Monoclinic System) - 正長石 石膏 (6) 三斜晶系 (Triclinic System) - 長石 藍晶石

15 ( 二 ) 晶性 (Crystal Habit)- 礦物晶體常具有與其內部構造有關的特殊結晶外形, 如 : 黃鐵礦 - 正六面體 (Hexahedron) 方解石 - 菱面體 (Rhombohedron) 磷灰石 - 柱狀體 (Prism)

16 ( 三 ) 結晶聚合體 (Crystal Aggregates)- 粒狀 (Granular)- 黃鐵礦鮞狀 (Oolitic) 和豆狀 (Pisolitic)- 赤鐵礦 鋁土礦樹枝狀 (Dendritic)- 軟錳礦塊狀 (Massive)- 石英柱狀 (Columnar)- 角閃石纖維狀 (Fibrous)- 石綿葉片狀 (Foliated)- 雲母

17 放射狀 (Radiating)- 鈉沸石網狀 (Reticulated)- 陽起石針狀 (Acicular) 或絲狀 (Filliform)- 輝銻礦腎狀 (Reniform) 或乳房狀 (Mammillary)- 腎狀 ( 赤鐵礦 ) 或乳房狀 ( 孔雀石 ) 板狀 (Tabular)- 正長石 重晶石葡萄狀 (Botryoidal)- 褐鐵礦 葡萄石鐘乳狀 (Stalactitic)- 鐘乳石 方解石

18 ( 四 ) 硬度 (Hardness)- 奧國礦物學家摩氏將礦物的相對硬度分為十個等級, 分別舉出各硬度的代表性礦物, 稱之為摩氏硬度計 (Mohs Hardness Scale):

19 硬度礦物測試工具 1 2 滑石 (Talc) 石膏 (Gypsum) 手指甲 3 方解石 (Calcite) 銅幣 4 5 螢石 (Fluorite) 磷灰石 (Apatite ) 小刀或玻璃板 正長石 (Orthoclase) 石英 (Quartz) 黃玉 (Topaz) 鋼玉 (Corundum) 10 金剛石 (Diamond)

20 ( 五 ) 解理 (Cleavage)- 礦物受外力打擊時, 常依一定方向的光滑面裂開, 此性質稱為解理, 此光滑面稱為解理面 解理面一般垂直於晶體鍵結密度和強度最低的方向 可分為 : 優 (Perfect)- 雲母良 (Good)- 普通輝石可 (Fair)- 硫磺劣 (Poor)- 磷灰石無 (None)- 非晶質礦物

21 ( 六 ) 斷口 (Fracture)- 礦物受外力打擊不依一定方向裂開, 稱為斷口 可分為 : 貝殼狀 (Conchoidal)- 燧石平坦狀 (Even)- 高嶺土參差狀 (Uneven)- 輝石鋸齒狀 (Hackly)- 自然銅碎片狀 (Splintery)- 白雲母土狀 (Earthy)- 高嶺土

22 ( 七 ) 顏色 (Color)- 礦物晶體選擇性吸收白光中之特定頻率色光, 其未被吸引之其他色光的組合被反射出來, 所顯現出的顏色 ( 八 ) 條痕 (Streak)- 礦物粉末的顏色, 礦物外表的顏色和條痕的顏色可以不同, 但同一礦物條痕的顏色恆一定

23 ( 九 ) 光澤 (Luster)- 光線照射礦物晶體表面反射的光彩 一般分類為 : 金屬 (Metallic) 如金 銀 銅, 次金屬 (Sub-metallic) 如褐鐵礦 閃鋅礦, 非金屬 (Non-metallic) 非金屬光澤又細分為: 金剛石狀 (Almandine)- 如金剛石玻璃狀 (Vitreous)- 如石英樹脂狀 (Resinous)- 如蛋白石油脂狀 (Greasy)- 如霞石珍珠狀 (Pearly)- 如雲母 滑石絲絹狀 (Silky)- 如石棉

24 ( 十 ) 比重 (Specific Gravity)- 比重的測定可利用阿基米德原理, 或以彈簧秤法 (Jolly s Spring Balance) 比重瓶法(Pycnometer) 和比重液法 (Heavy Solution) 為之

25 2-6 矽酸鹽 (SILICATE) 礦物 造岩礦物有 90% 是矽酸鹽類, 矽氧四面體是構成矽酸鹽的基本單位, 而矽酸鹽的分類則決定於矽氧四面體的聚合作用 (Polymerization) 方式 主要的矽酸鹽礦物為 : 鐵鎂礦物 橄欖石輝石角閃石黑雲母非鐵鎂礦物 長石石英白雲母

26 矽氧四面體 (1) 島狀矽酸鹽類 (Neso-)- 橄欖石類 (Olivine) (2) 對狀矽酸鹽類 (Soro-)- 硬柱石 (Lawsonite) (3) 環狀矽酸鹽類 (Cyclo-)- 綠柱石 (Beryl) (4) 鍊狀矽酸鹽類 (Ino-) 單鍊狀 (Single Chain)- 輝石類 (Pyroxene) 雙鍊狀 (Doublen Chain)- 角閃石類 (Amphibole) (5) 片狀矽酸鹽類 (Phyllo-)- 雲母類 (Mica) (6) 架狀矽酸鹽類 (Tecto-)- 石英 (Quartz)

27 2-7 造岩礦物 (ROCK-FORMING MINERALS) ( 一 ) 非鐵鎂礦物 (Non-ferromagnesian Minerals) 長石 (Feldspar)- 數量最多的礦物, 約占地殼的 50%, 有兩組發達的解理, 陶瓷光澤, 摩氏硬度 6 明顯的離子交換造成長石的兩大分類 :

28 鉀長石 (K-feldspar)- 成份為 KAlSi 3 O 8 (1/2K 2 O 1/2Al 2 O 3 3SiO 2 ), 肉紅色, 常見於花崗岩 斜長石 (Plagioclase)- 因鈉和鈣可完全交換, 成份範圍介於鈉長石 NaAlSi 3 O 8 與鈣長石 CaAl 2 Si 2 O 8 (CaO Al 2 O 3 2 SiO 2 ) 之間, 花崗岩中常見白色含鈉的斜長石

29 正長石

30 斜長石

31 雲母 (Micas)- 有一組發育極為優良的解理, 屬於片狀的矽酸鹽礦物, 較常見的雲母有黑色的黑雲母 (Biotite) 和白色或無色的白雲母 (Muscovite) 雲母於花崗岩和變質岩中數量極多, 有時在砂岩中為顯著成份

32 黑雲母

33 白雲母

34 金雲母

35 石英 (Quartz)- 石英在花崗岩中較晚結晶, 通常生長於長石和雲母類礦物的縫隙之中, 缺乏完整晶形 石英在三大岩類中都常可見, 其成份為 SiO 2, 摩氏硬度為 7, 有貝殼狀斷口, 具玻璃狀光澤, 純的石英晶體為透明無色, 但常因包含雜質而呈不同顏色 石英常呈六角柱狀晶體, 屬於架狀的矽酸鹽礦物, 極為安定

36 石英晶形

37 ( 二 ) 鐵鎂礦物 (Ferromagnesian Minerals) 橄欖石 (Olivines)- 橄欖石中鐵和鎂可自由進行離子交換, 化學式以 (Mg,Fe) 2 SiO 4 表示 橄欖石的顏色為橄欖綠, 具玻璃光澤, 晶體直徑一般小於一毫米, 玄武岩中較常見 橄欖石可能為地函的主要成份

38 輝石 (Pyroxenes)- 輝石為常見於許多火成岩和變質岩的高溫礦物, 其顏色為深綠至黑色 輝石為單鍊狀的矽酸鹽礦物, 一般具有兩組互相正交的明顯解理 角閃石 (Amphiboles)- 角閃石的特性近似輝石, 但含 (OH - ) 離子, 其晶體呈細長形, 具兩組發達的解理 角閃石常存在於與花崗岩相關的岩類中, 更為角閃岩 ( 變質岩 ) 的主要組成礦物 普通角閃石 (Hornblende) 為角閃石類礦物最常見者

39 ( 三 ) 黏土礦物 (Clay Minerals)- 形成於地表, 為土壤的主要成份 黏土礦物屬於片狀的矽酸鹽礦物, 其晶體為微晶質, 需用電子顯微鏡方可顯現其晶形 依其結晶構造和化學成份, 黏土礦物可分成十種以上的不同種類

40 ( 四 ) 方解石 (Calcite)- 成份 CaCO, 為石灰岩和大理岩的主 3 要組成礦物 方解石可直接由海水或海洋生物析出, 通常呈透明或白色, 但常因所含雜質而改變顏色, 形成灰或棕色色調 方解石的摩氏硬度為 3, 可溶解於稀酸溶液, 有三組完整的解理, 常形成菱面體 方解石為工業上製造水泥的原料

41 ( 五 ) 白雲石 (Dolomite)- 白雲石為含鈣和鎂的碳酸鹽, 大的晶體呈菱面體, 但大都為粒狀 僅有粉末狀的白雲石可溶解於稀酸溶液, 可藉此與方解石區分出來

42 ( 七 ) 岩鹽 (Halite) 和石膏 (Gypsum)- 岩鹽 - 成份為 NaCl, 有鹹味, 有三組發達的解理, 常形成六面體, 極易溶於水中 石膏 - 成份 CaSO 2H O, 常為無色 4 2 帶有玻璃或絲絹狀光澤, 摩氏硬度為 2, 可被手指甲括傷 石膏可結晶成單一晶體 呈團狀小晶體的聚合體 [ 雪花石膏 (Alabaster)] 或呈纖維狀 [ 纖維石膏 (Satin Spar)]

43 石膏晶形

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