地球科學：從做中學
2002/06/17
礦物的定義：礦物是天然產出的結晶物質，有一定的化學組成和物理特性。例如金剛石(又名鑽石)，嚴格的定義是：由地殼中結晶出來碳晶體，屬等軸晶系，摩氏硬度為十度。
礦物是結晶的物質，也就是說組成礦物的原子(或分子)在礦物晶體依照一定秩序很規則地排列在一起。所謂結晶構造或是晶體結構指的便是原子(或分子)在晶體內部的規則排列而言。礦物或人造晶體表現在外的物理性質、光學性質或電學性質等都直接受到晶體內部原子排列變化的影響。
在地質學領域中，礦物學是屬於一門比較基礎的科學。有了礦物學的基礎，才能進一步修習岩石學、構迼地質學、礦床學、地球物理、地球化學，以至於工程地質學、環境地質學等其他學門。在另一方面，自從1960年代太空科學與技術發展以來，帶動了材料科學的研究並迅速使材料科學成為一門獨立的科學。材料科學所討論的材料可概略地分為陶瓷材料、金屬材料和高分子材料，其中陶瓷材料可並容於礦物學的範疇中。
礦物本身也與人類日常生活發生極為重要的關係。人們身上配戴的鑽戒或玉鐲都是礦物。人們居住場所的磚、牆、石材地板也都是由礦物所組成。電子錶內的振盪器則是人工培育的石英晶體。電腦或電子工業所大量使用的IC中則使用了加了些微量元素的純矽，這則是礦物學(或材料科學)發展的極緻表現。
鑑定礦物最簡易的方法便是利用礦物的物理性質，如顏色、晶形、硬度、條痕、解理和韌度等來比較。
不同的礦物常有不同的顏色，但有時同一種礦物因含少量雜質而有不同的顏色。世人所喜愛的寶石常有一些迷人的色彩，如祖母綠(照片)發出迷幻般熒熒綠光，翡翠(照片)卻發出溫暖潤澤綠袍，貴蛋白石有多彩變化莫測的炫光，而海藍寶綠柱石(照片)有著如海水般透明的湛藍。
太陽光譜中，人類可以看見的所謂「可見光」範圍大約從波長7000埃的紅光到4000埃的紫光之間。不同波段的光波組合產生不同的顏色，所有波段混合在一起則為白光。陽光照射在物體上，若所有光波都被吸收，沒有光從該物體放射出來，物體看起來是黑的，如果所有色光都被反射出來，物體則呈現白色。而若部份波段被吸收，另外部份波段放射出來，則可以看到放射光波所組成的顏色，例如紅寶石吸收了橙黃綠藍紫等色光，只讓紅光放出來，我們肉眼對紅寶石的感覺就呈現紅色。
大部份晶體成色原理與晶體內部電子因能階躍升而吸收部份可見光有關，電子能階之間的能量差，決定電子吸收的光波波長(波長愈短者能量愈大)，而能階之變化又決定於晶體之結構。
不同的光源照射在同一物質上，也可能呈現不同的顏色。俄國沙皇亞歷山大二世所配戴的寶石—著名的亞歷山大石(就是變石，是含有鉻元素的金錄寶石，chrysoberyl)，白天在太陽光下是綠色的寶石，晚上在燭光或紅熾光源下則變為紅色，而華人買賣玉器的商場也流傳一句話，所謂「燈下不辨色」，昂貴的玉器在夜晚的人工光源下買賣成功，但拿到白天的陽光下色澤全都走了樣，徒增買賣糾紛。台北的建國高架橋下著名的「假日玉市」有著燦爛絢麗的投射燈，在此奉勸買家們選購時，能多拿到自然光下再三比較，以免吃虧。
同一種礦物會因含少量的雜質或微量元素而呈現不同的顏色。以市面上最易看見的水晶為例，大部份的水晶是無色透明，但含少量鐵離子(Fe3+)則成為紫水晶，含少量鉻離子(Cr3+)則成為黃水晶，含少量鋁離子(Al3+)則成為黑色的煙水晶。而紅寶石是無色的剛玉(成分Al2O3)因夾雜少量鉻離子(Cr3+)而造成它美麗的紅色，三價鉻離子取代三價鋁離子，其晶體力場效應所產生的電子能階躍升造成紅寶石的黃光-綠光及紫光兩個吸收帶，少量藍光和大部份紅光穿透，所以看到紅寶石是紅色的。
鉻離子是寶石界中的顏色魔法師，祖母綠的高貴綠色、亞力山大石的變色原因、以及台灣玉和緬甸玉的神奇翠綠，都是鉻離子的傑作。
礦物可以分為結晶質(Crystalline)和非晶質(Amorphous)二類。凡屬結晶質的礦物，它內部具有一定的原子結構。因此在適當情況下形成固態的礦物時，在外形上可以有平滑的表面，形成有規律的多面體，稱為晶體。各種礦物大致具有一定的晶形，故研究礦物的晶形，常可以作為鑑定和區別的方法。
結晶學上根據晶軸(Crystallographic Axis)間相互的交角和長度，可以將各種礦物劃分為六大晶系，如圖。所謂晶軸是通過晶體中心垂直相對兩晶面的假想直線，常為三或四條，長度不等，交角也不一致。
以晶形來決定礦物種類，事實上並非如此簡單實用，因為一般礦物之天然結晶體具完整晶形者並不多。通常礦物之晶形，多半只能看到晶形中的幾個晶面而已，但若能獲得完整晶形者，常被當成標本或珍品收藏。
火成岩中，岩漿中早期結晶礦物有充足空間生長，常具良好晶形，例如台灣北部安山岩(照片)中常可見呈菱形的角閃石晶體(照片)，一般民眾最感興趣的，莫過於晶洞中生長的(紫)水晶晶簇，晶洞原為一充滿液體的空間，水晶由壁面向中心生長，因為有自由空間，水晶可以長出良好的六角尖柱狀，此種水晶晶簇以生長半滿且晶體獨立完整的晶洞為上品。
台灣東部變質岩中有少數礦物晶形甚為完美，如石榴子石(照片一，照片二)具完美的正十二面體，磁鐵礦具完美的正八面體，而黃鐵礦則具完美的正立方體、正八面體、五角十二面體、偏方三八面體等。
礦物的表面因為外力所加的摩擦力而產生的抵抗力大小，稱為該礦物的硬度。礦物的硬度可以用比較而得知，就是用兩種礦物互相摩擦來決定，如果用軟硬兩物相刻劃，則較軟者必定被劃傷而出現痕跡。
奧地利礦物學家摩氏(Frederich Mohs)曾經創立一種硬度表，可作為礦物間相對硬度的標準，稱為摩氏硬度計(照片一，照片二)。其最軟者為滑石，最硬者為金剛石，共有十種礦物。由軟至硬分為：
透明的剛玉可以成為高貴的寶石，顏色有如玫瑰紅或鴿血般深紅的稱為紅寶石(Ruby)，海水般深藍的稱為藍寶石(Sapphire)，但其他顏色如綠或橙的剛玉也都稱為Sapphire。目前以人工合成剛玉的技術已經可以製造出手臂般巨大而完美透明的紅或藍寶石，因此已經普遍地進入一般人的生活中，如銀樓中數百元一顆紅寶石戒面，和手錶上常用的礦石錶面(通常這類手錶皆會在錶盤或錶背中標示Sapphire一字)。
摩氏硬度表所定的數字，並沒有一定比例上的關係。如石英的硬度為7，並不表示其硬度為滑石的7倍，僅表明數字大者，其硬度比較高，所以摩氏硬度計只是一種相對硬度。另外以儀器可以測量出礦物本身的絕對硬度，稱為壓痕硬度，單位為kgw/mm2，是使用錐狀金剛石在晶體表面上以一定壓力施壓一段時間後，再觀測表面壓痕的大小深淺以決定晶體的硬度。滑石以至於剛玉的壓痕硬度，皆在2000 kgw/mm2以下呈線性遞增，但金剛石的壓痕硬度卻高達10000 kgw/mm2。金剛石和剛玉的硬度差，比起剛玉和黃玉的硬度差，大的非常多，由此不難發現，世界上的礦物縱然軟硬有差，但都沒有金剛石那麼的超硬出眾，所以有人說把金剛石看成是鋼鐵的話，那麼剛玉就成了橡膠了。
通常鑑定硬度時，如果沒有以上的摩氏礦物，可以用其他隨身的東西來代替。最常用的東西，如指甲2.5，銅幣3.5，鐵釘4.5，玻璃5.5，鋸片和美工刀6.5。身上的鑰匙圈如能附上一小片鋸片頭，在日常生活中經常會派上用場，隨處遇見的礦物即可馬上測知硬度，有時還能充當一字起子。但是，別忘了，販售礦物和寶石的店家，是不允許客人使用這類工具，測量硬度是一種破壞性的檢測，即使所測的對象是最高硬度的金剛石，店家還是不放心用這種方法。那麼，銀樓中提供給客人使用的鑽石檢驗筆是什麼?它是利用金剛石有非常高的導熱率的原理，當筆尖觸到金剛石時，筆尖的熱量會急速傳給金剛石而急速降溫，此時筆內的溫度感知器即會響起，反之，當筆尖觸到的是玻璃或是蘇聯鑽則無反應。
硬度是礦物晶體很重要的物理性質之一，自然也受制於晶體構造、化學成分以及瑕疵構造等影響。結晶構造對硬度的影響主要在於鍵結的強弱。由強力共價鍵(註：共價鍵等名詞可查閱高中化學課本)結合而成的晶體包括金剛石、碳化矽、碳化硼、氮化硼、氮化矽等都是硬度很高(大於9)的晶體，在超硬材料應用上具有重要價值。其中碳化矽已經被發展成鑽石的代用品上市，稱為美神萊寶石(Moissanite)，此礦物硬度相當高為9.25(明顯優於蘇聯鑽)，更重要的特性是它的折射指數、色散指數和光澤率皆優於金剛石，若得到適當的切磨，會比金剛石擁有更燦爛的火彩和更明亮的光澤。
金剛石的高硬度主要來自碳原子間強有力的共價鍵，想要在金剛石表面劃上一道刮痕，必須具備足夠破壞這個共價鍵結合的能量才能辦到。同是由碳結晶而成的石墨，同一碳層內之原子間雖然是強有力的SP2鍵結，然而相鄰碳層間卻是以微弱的凡得瓦力相連結，這使得石墨極軟，硬度約1，用指頭即可搓下粉末，或者可以石墨在紙上劃線。現代鉛筆中已不含鉛，而以石墨代替，但純石墨太軟，只好加入黏土硬化成形，而黏土的比例加的愈高，劃出的線條顏色愈淡。
就同一晶體而言，由於晶體本身的異向性(anisotropy)，會使得同一顆晶體上不同的晶面有不同的硬度，甚至於同一晶面上的不同方向，硬度也有所不同。比方金剛石的(111)晶面，是碳原子排列最緊密的面，所以硬度最大，我們可以說這個面是已知自然界中最硬的晶面。在用力敲擊金剛石時，要破壞這晶面比破壞其他晶面困難的多，所以金剛石選擇在此面裂開，而成為解理面，因此，不要以為堅硬如金剛石者也無堅不摧，因而任意地使用它在物體上擦劃，稍有不慎即可能撞碎了昂貴的金剛石。其實，愈堅硬者反而愈易碎(韌度小)，例如，玻璃比起橡膠來說，硬度不小，但若摔落地面，何者易碎，不說亦明。
由於金剛石的(111)硬度最大，同時(111)又是解理面，因此在金剛石的切割與研磨過程中，都要避開這個面，金剛石的研磨技術可以說是充分利用了硬度隨方向改變的特性。在磨金剛石的同一個切面時，不同方向的硬度差異頗大，研磨時間也就不同，因此一顆燦爛型切割的金剛石，有57個研磨面，研磨時都選擇硬度較低的方向研磨，如果以顯微鏡觀察各面上留下來的磨痕，會發現方向都不一樣。相反地，金剛石仿冒品如玻璃或蘇聯鑽的硬度沒那麼高，在研磨時沒有方向的顧慮，因此每一個寶石面上所留下來的磨痕多是同一個方向，這也是實驗室中區分真鑽與仿品的方法之一。
因為金剛石的硬度無人可比，所以常被拿來鑲在鑽頭上，以鑽入堅硬的物體中，因此金剛石也常被稱為鑽石。下列是常需要鑽石鑽頭或鋸片的地方：探採石油時鑽入岩層的鑽頭，開挖隧道的斷面機鑽頭，牙醫用的鑽頭，切割和研磨寶石的鋸片和砂輪片，水泥工切割磚牆用的鋸片等。為何鑽切岩石時特別需要鑽石?因為石英和長石是岩石中主要而常見的礦物，它們的硬度分別是7和6，比普通的鋼鐵還硬，因此非經硬化處理的鋼鑽根本鑽不進。但是鑽石何等貴重，拿來當鑽頭豈不可惜?別擔心，鑲埋在鑽頭裏的都是碎鑽，它們根本不能當寶石。世界上80%以上的鑽石產量皆淪為工業用途，有很大的比例就是用在鑽頭上。其實，鑽石礦中大到能成為寶石的不多，而今天南非開採鑽石的方法是採碾碎岩石再找尋鑽石的工法，這方法很有效率，但也碾碎了不少的大鑽石。除了上述岩石中的碎鑽外，成色不佳的鑽石也常被淘汱，例如黃色和黑色鑽石是比較不受歡迎的鑽石顏色。此外，在切磨鑽石時也會產生一些碎鑽。
既然，鑽石如此堅硬，那用什麼來琢磨鑽石?以前在公車廣告上看到一面某物理補習班的廣告「只有鑽石才能琢磨鑽石」，意指只有明師才能教出英材。鑽石研磨技師在動手之前常在針對每一顆原石的不同特質，選擇不同的鑽石切割型式，例如標準的圓形，或是特殊的梨形或馬眼形，考慮的重點不外乎保留原石的最大重量，或是隱藏內部的瑕疵，決定好切割型式後再利用上述解理的特性，沿某些解理面敲擊或切割。在這裡用「切割」這個字，並不像我們拿小刀在紙上切割，可以直接將紙張一刀割成兩半，技師所使用的是一片鑲有碎鑽的金屬片，利用高速旋轉的碎鑽在原石上磨，硬碰硬，兩敗俱傷，欲研磨的切面成形了，至於碎鑽則消秏掉了。
條痕是礦物粉末的顏色。同種礦物的顏色可能不相同，然而同種礦物粉末的顏色絕不改變，因為礦物中所含雜質造成的顏色不會在條痕中出現。例如赤鐵礦的顏色變化很大，從紅色、紅褐色到黑色，但是赤鐵礦的條痕則都為磚紅色。而黃鐵礦是不透明具金屬光澤的金黃色晶體(因此也被稱為愚人金)，但是將黃鐵礦在白瓷板上擦劃，會在白瓷板上留下一條黑色的痕跡，因此黃鐵礦的條痕是黑色。(圖示：左為黃鐵礦的條痕，右為赤鐵礦的條痕)
黑色赤鐵礦拋光後有黝黑的金屬光澤，常被俗稱為黑膽石，而下一張照片是赤鐵礦複晶的球狀集合體，有人稱腎形石，但從外形上可能較像黑膽。
其實要鑑定愚人金很簡單，除了它的條痕是黑色之外，它的硬度比黃金要硬的多，但密度卻小的多。黃鐵礦的硬度6到6.5度，密度5.2 g/cm3，自然金的硬度只有2.5度(用牙齒即可咬出齒痕)，密度卻高達19.3 g/cm3。此外，黃鐵礦的顏色較淡，沒有黃金般黃澄澄的顏色，而天然黃鐵礦經常出現結晶外形，如正立方體，正八面體和五角十二面體(照片一，照片二，照片三，照片四)是很常見的晶形，但自然金本來就不多見，要看見它的晶形更是困難，其實自然金經常以塊狀聚合體來面對世人。
測定礦物條痕所使用的條痕板硬度約6到7度，比條痕板還要硬的礦物就沒有辦法在條痕板上磨出粉末，反而會將條痕板割傷。例如，拿鑽石或紅寶石在條痕板上磨，就會使條痕板受損。
若沒有條痕板，可以拿石英磚代替，但要先敲掉光滑的表面。
凡是結晶礦物，如果用外力打擊它，常可以依一定方向裂開，裂面光滑，好像天然的晶面，這種容易裂開的性質，叫做解理，而裂開的光滑面稱為解理面。同一塊礦物上，若有很多但互相平行的解理面，稱為同一組解理，而若有二組不平行的面，則說它有二組解理，以此類推。在同一種礦物上，不同組解理之間的夾角，是永遠固定不變的，所以解理夾角也可做為鑑定礦物的依據。
解理面可以反映出結晶構造內的平面性弱點，通常解理面都垂直於鍵結密度和強度最低的方向。因此解理強烈受到結晶構造的支配，受化學成分的影響反而不明顯。例如岩鹽(NaCl)，鉀鹽(KCl)，方鎂石(MgO)，方鉛礦(PbS)等晶體都屬於氯化鈉構造，雖然化學成分互異，但都具有相同的解理面(100)。
方鉛礦是一種很有趣的金屬礦物，因為含鉛所以密度高達7.6 g/cm3，拿在手上沉甸甸地，但若不小心掉落地面，則會解理成方塊狀，它有三組解理互成垂直，又有著鉛灰色強烈的金屬光澤，真是名符其實的黑金磚。方鉛礦硬度不大，只有2.5度，在紙上可劃出如鉛筆般的線條。方鉛礦的英文名galena，以英文發音很像台語罵人的話，編者在唸大學時，同學間常以此互嘲，頗為莞爾。
礦物的解理方向常和晶面平行，如雲母可以裂開成片狀，方鉛礦裂成立方體，方解石則裂成菱面體。雲母是一種良好的電的絕緣體，而熔點高達一千多度，因此在高熱的電器用品中常可發現，例如烤麵包機或吹風機中都可看見雲母包著電熱絲。雲母的硬度約2.5度，和指甲差不多。因為它有一組發達的解理，因此可以很容易沿著解理面剝開，成為一片片發亮透明的薄片。
角閃石和輝石是二種長相接近的寶貝礦物，它們的顏色，密度，硬度皆差不多，但很容易以解理夾角區分。輝石是單鏈結構的矽酸鹽礦物，而角閃石是雙鏈結構的矽酸鹽礦物，它們皆沿著(110)與(1-10)的面裂開而成為二組解理面。輝石的兩組解理幾乎垂直相交(87度與93度)，敲碎後看起來是方形柱狀。而角閃石的兩組解理夾角是120度與60度，敲碎後看起來是菱形柱狀。在野外(例如陽明山地區的安山岩)很容易以肉眼或放大鏡鑑定出來。
礦物或其他晶體對抗外力擊破的能力稱為韌度。前面討論的硬度是礦物晶體對抗外力磨損的能力，兩者略有不同。一個硬度很大的晶體受外力衝擊時(比方掉落在地面上)，可能會沿著解理面裂開，那麼它的韌度可能不算高。但是如果一個硬度不很大的複晶體，由於複晶體中每個單晶的排列方位不同，可能使這個複晶韌度變得很大。例如鑽石硬度雖大，其單晶體仍可能受外力敲擊而沿(111)解理面裂開。其實以這種沿解理面擊開鑽石的方法在寶石業中還經常使用。但是由許多單晶鑽石以完全凌亂方式組合而成的複晶鑽石(如黑鑽石就常以複晶結構出現)，其韌度就要比單晶鑽石高多了。所以黑鑽石廣泛地使用在鑽井工程上，鑽頭上的鑽石在鑽磨受衝擊時較不會碎裂，也就較耐用。
玉是韌度極高的礦物，這也是古代中國人喜愛配戴玉器的原因之一。試想一塊玉石一不小心掉落在地上就破成碎片，誰還會去配戴呢?不過，從另一角度來看，西方人習於把寶石鑲在金屬中配戴，此法較能妥善保護寶石，而中國人只在穿孔的玉器中繫繩，玉的韌度就顯得很重要。
玉有兩種：一是輝玉(硬玉)屬輝石類礦物，一是閃玉(軟玉)屬角閃石類礦物。最有名的輝玉產地在緬甸，而台灣花蓮和新彊和闐所產的玉則是閃玉。玉雖然韌度高，但是硬度並不特別大，只有6到7度。造成玉的韌度特別高的原因主要來自於其構造組織(顯微照片)，所謂組織是指礦物晶體之間排列的關係。由於輝玉與閃玉都是鏈狀矽酸鹽，以單晶來說，它們是容易沿解理面裂開的。
閃玉的韌度尤其大。閃玉纖維之間由於凌亂的排列而造成所謂的交錯組織或稱為交鎖組織。如示意圖(閃玉結構中的交錯組織)。假設對閃玉施以外力將其中的一個外圍閃玉單晶沿其解理面擊裂，當這裂縫前進到結晶方位迥異的第二顆閃玉晶體時，由於解理面排列方式的不同，這個裂縫可能被迫停止，這時由於外力與第二晶體解理面成一角度，要讓裂縫繼續沿第二個單晶解理面方向前進，必須增加外來的應力，因而閃玉韌度無形中提高了。
註：有關韌度描述文字大部份取材自余樹楨教授所著《晶體之結構與性質》
市面上的水晶飾品愈來愈多，而價格也降低至數十或數百元就能擁有。因為價格低，業者其實已經不太需要費心地以仿冒品出售圖利。本文是想要與讀者分享，當您學會了許多的礦物學基本知識後，如何能實地應用，在逛街之餘，還能與商家共同討論心得，這是一種知識的喜悅，也是一份求知動機的培養。
結晶完美而又透明的石英稱為水晶(rock crystal)。古希臘人認為水晶是由水凝固結晶而成，永不熔化，故名水晶。石英常因內部的少量元素而呈現不同的顏色，可以當作寶石飾物之用，如紫水晶(amethyst)，黃水晶(citrine)，煙水晶(smoky quartz)，薔薇石英(rose quartz)等。
提到水晶，總會讓人聯想到它的註冊商標：六面角錐柱狀體。在礦物學上晶系的分類，它是屬於六方晶系，六方柱面和六方錐面是它最常面對世人的外形，如同一隻小學生寫字用的鉛筆，具有六角長柱狀，頂端自然削尖，充分展現力與美，是自然界最令人喜愛的晶形，而它的普遍和價廉，也使它成為引領人們進入晶體美麗世界的親善大使。
在台灣也可以挖掘到水晶的晶體，尤其是變質岩區的岩石裂縫中，但是單一晶體體積很少超過10公分。水晶在數十年前是很貴的，一直到最近一二十年在巴西發現大量的水晶礦，才使得價格降到目前一公斤數百元，不但水晶晶體超大，而且晶形完美，透明度又高，其中以紫水晶最受大眾青睞。
其實在寶石界「物以稀為貴」是永遠不變的道理，另一種命運相同的寶石：珍珠，受到人工養珠產量大增的影響，價格也是直直落。相信熟悉古裝連續劇的讀者，都常聽到一句土匪常說的台詞：「珍珠瑪瑙，翡翠珠寶」(用河洛話唸更順口)，如今，翡翠價格還是高高在上，而瑪瑙在路邊攤或夜市可以數十元買到。
至於鑑定水晶的真假，可以使用下幾種方法。
