三、礦物和巖石-1

2020-08-28 羅漢果地學百科

1.啥是礦物

1.1礦物的定義

為什麼我們從礦物開始研究固體地球？毫不誇張地說，我們可以說礦物是這個星球的基石。從實際的角度來看，礦物是製造許多物品的原材料：從窗戶到電線，從磚到混凝土，這些都用於維持現代社會。

對地質學家來說，礦物是一種天然形成的均質固態晶體，具有可確定的化學成分，在大多數情況下是無機的。接下來對其定義進行詳細的解釋：

礦物有貴重的也有常見的：各種貴重珠寶的王冠；透明到白色的石英晶體

1.1.1天然形成的

真正的礦物質是天然形成的，而非工廠生產的。現在化學家已經能夠合成和真正的礦物具有相同特徵的材料，這些可稱為合成礦物

1.1.2均質

礦物每部分的組成和結構完全相同

1.1.3固體

固體是一種物質狀態，它可以無限期地保持它的形狀

1.1.4晶體

固體中以一種特定的、有序的模式排列

石英晶體，含有有序排列的原子，排列的幾何形狀定義了晶格

1.1.5可定義的化學成分

化學成分的定義強調礦物以特定的比例包含特定的元素。有些礦物質只含有一種元素，但大多數是兩種或兩種以上元素的化合物。

有相同元素組成的不同礦物，鑽石和石墨的分子式都是C。化學式也有簡單複雜之分，石英是SiO2，方解石為CaCO3，黑雲母則是K(Mg,Fe)3(AlSi3O10)(OH)2。

1.1.6無機的

有機化學物質是存在於生物體中或類似於生物體中的含碳化合物。碳原子排列成鏈或環，並與氫原子、氮原子和/或氧原子結合。例如，糖(C12H22O11)是一種有機化學物。幾乎所有的礦物質都是無機物。

記住了礦物的定義，我們就可以區分礦物和玻璃。玻璃是一種沒有晶體結構的無機固體。換句話說，礦物中的原子、離子或分子以一種有規律的方式排列，而玻璃中的原子、離子或分子以一種半混亂的方式排列

玻璃製品內原子無序排列

1.2模式中的美：晶體和其結構

礦物可以以晶體的形式出現。具體地說，晶體是一個單一的、連續的固體塊，其中原子、分子或離子有序的排列固定。地質學家也使用「顆粒」，這個更普遍的詞。

晶體被稱為晶面的平面所包圍，這些平面相交形成晶體邊緣，並隨著晶體的生長而自然發展。晶體也可能有一個不規則的形狀或圓形的表面。面是平的晶體稱為自形晶體，反之稱為它形晶體。自形晶體的每一面都與其相鄰的面形成一個特定的角度。自形晶體可能有許多迷人的形狀：立方體、梯形、金字塔、八面體、六角形圓柱體、刀狀、針狀等。

晶體有各種各樣的形狀，有些終止於某一點，有些終止於平面

晶體結構提供了自然界模式最壯觀的例子之一，即以幾何排列方式重複某一特徵。正如牆紙上的圖案是由圖案的規則間隔組成，晶體中的圖案是由原子的規則間隔組成。你可以把礦物中的原子想像成被化學鍵固定的小球。晶體中原子相對位置的幾何網格稱為晶格。

牆紙上花卉圖案的重複；礦物方鉛礦(PbS)中硫、鉛原子交替重複

例如，巖鹽是用來調味食物或融化人行道上的冰的。在巖鹽晶體(NaCl)中，氯離子(Cl−)與鈉離子交替出現(Na+)在一個晶格中，以90°相交。它的內部結構使巖鹽晶體有一個立方體的形狀。請注意，原子或離子在礦物中的對稱性意味著一個部分的形狀是另一部分的鏡像。

巖鹽(NaCl)模型：左邊的模型把離子描繪成球，化學鍵描繪成棒

巖鹽或雪花(冰晶)的一半是另一半的鏡像

1.3礦物是如何形成的？

地質學家識別出五種不同的礦物形成過程，其發生的時間和地點取決於形成時的地質背景：

1.3.1熔體凝固

液體變為固體的過程稱為凝固或凍結。在凝固過程中，原子或離子鎖定在晶體表面的晶格位置。冰在水中的生長就是這個過程的一個例子

1.3.2從溶液中沉澱

在沉澱過程中，液體中的離子結合在一起，形成與液體分離的固體晶體。例如，當鍋裡的鹽水蒸發後，就會形成鹽晶體，並留下一層白色的外殼

1.3.3固體中的擴散

擴散是指原子或分子在物質中的遷移。例如，如果你把一滴墨水滴到水裡，墨水分子會在水中擴散。某些礦物的形成涉及到原子在固體中的擴散，這個過程比在空氣或水中的擴散要慢得多。擴散原子可以在固體中移動到一個新的位置並附著在其他原子上，或者在固體中重新排列

1.3.4生物礦化

一些礦物形成於物理和生物組分之間的界面。生物體內的新陳代謝引起原子在生物體的細胞內，細胞上或緊鄰細胞沉澱。例如，蛤蜊提取鈣(Ca+)和碳酸鹽(CO32-)，產生方解石的外殼

1.3.5從氣體中沉澱

我們通常認為沉澱是在液體中發生的。但在火山口周圍，火山氣體和蒸汽進入大氣並迅速冷卻，礦物從氣體中直接沉澱，在噴口周圍形成沉積物。雪花和明亮的黃色硫磺晶體均通過這種機制生長

晶體的生長始於偶然出現的一粒種子（一種極其微小的晶體）。一旦種子存在，周圍物質中的其他原子就會附著在種子的表面上。隨著晶體長大，其表面向外移動，在任何給定的時間，晶體最年輕的部分位於晶體表面。晶體朝著相同的方向生長，晶體的形狀(針狀、片狀、刃狀)既取決於晶體晶格的幾何形狀，也取決於晶體是否在某一方向上比其他方向生長得更快。

晶體的生長：新的晶體從水溶液中形成並開始沉澱

如果一種礦物生長不受周圍環境的抑制，它就會變成一種自形晶體。例如，從晶洞的巖壁凸出的礦物通常是自面體晶體。然而，如果環境抑制了礦物的生長，就會形成它形晶體。

晶體的生長：巴西的晶洞由紫色的石英晶體(紫水晶)組成

晶體的生長：不斷生長的晶體保持其形狀直到它們相互幹擾

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