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1. 礦物與岩石 – 地質的基礎材枓
礦物是什麼?
構成岩石的常見礦物
岩石是什麼?
火成岩
沉積岩
變質岩
岩石循環
2. 板塊運動 – 強大的力量
3. 測量景觀 – 地質調查導論
4. 風化與侵蝕 – 地貌過程導論
5. 香港地質研究史
6. 香港的地質歷史和岩石
7. 地質構造
8. 經濟地質學 – 香港的礦產與礦業
9. 香港地形與人為影響
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礦物與岩石 – 地質的基礎材枓

礦物和岩石是組成岩石圈的重要部分。雖然有超過三千種礦物存在,但其中只有很少的礦物﹝如石英、長石、雲母、角閃石、輝石、橄欖石和方解石﹞是常見組成岩石的礦物。岩石分為三大類:火成岩,沉積岩和變質岩,這取決於其形成的模式。經過長年累月,岩石逐漸從一種類型轉化成另一種類型,這稱為岩石循環。任何岩石的起源皆可通過仔細研究其岩理、成分和內部結構而得知,從而作基礎的岩石鑑定和分類。

  • 礦物是什麼?
  • 構成岩石的常見礦物
  • 岩石是什麼?
  • 火成岩
  • 沉積岩
  • 變質岩
  • 岩石循環

礦物是什麼?

礦物是岩石的基本成分,屬天然形成的無機物質,它們由特定化學元素組成,原子規律地重複構成晶體結構。

矽酸鹽礦物是地球表面的岩石中,所含最豐富的成分,佔地殼物質超過90%。矽酸鹽礦物的基本成分是化合物四氧化矽﹝SiO4﹞﹝圖1﹞。

其他常見的非矽酸鹽礦物,合共佔地殼成分不足10%,計有碳酸鹽、氧化物、硫化物、磷酸鹽和鹽。此外,還包括少量可能以單一化學元素存在的礦物,例如金、銀、銅、鉍、砷、鉛、碲及碳。

儘管自然界的天然化學元素多達92種,但當中僅有8種天然化學元素,常見於地殼內的岩石,而這8種元素合共已佔去地殼的98%以上。﹝表1﹞

氧 ﹝O﹞ 46.6%
矽 ﹝Si﹞ 27.7%
鋁 ﹝Al﹞ 8.1%
鐵 ﹝Fe﹞ 5.0%
鈣 ﹝Ca﹞ 3.6%
鈉 ﹝Na﹞ 2.8%
鉀 ﹝K﹞ 2.6%
鎂 ﹝Mg﹞ 2.1%

表1:8種地殼最常見的元素﹝以質量計﹞。

 

礦物的分類及鑑定

礦物是以其化學成分分類。

礦物按照其物理性質,如堅硬度、光澤、顏色、解理、斷口及相對密度來識別。這些一般特性主要由礦物的原子結構﹝晶體結構﹞操控。

四氧化矽, SiO 4
圖 1: 四氧化矽, SiO4

構成岩石的常見礦物

石英

  • 石英﹝圖2﹞,常稱矽,是地殼中最常見的礦物之一。
  • 石英由化合物二氧化矽形成。
  • 石英的晶體多呈六角及稜柱形狀。
  • 純石英是無色的,但若含有雜質,則會呈現各種不同的顏色,如紫、粉紅或橙色。
  • 石英是製造玻璃的原料。
  石英
圖2:石英
 

斜長石

  • 斜長石﹝圖3﹞是含有豐富鈉質或鈣質的長石。
  • 其化學成分組合範圍從鈉鋁矽酸鹽至鈣鋁矽酸鹽。
  • 斜長石的晶體多呈短而粗的稜柱狀。
  • 斜長石通常是白至灰白色,並顯出玻璃光澤。
  • 斜長石是製造陶瓷的重要工業礦物原料 。
  斜長石
圖3:斜長石
 

鹼性長石

  • 鹼性長石﹝圖4﹞是長石礦物類中另一種礦石。
  • 鹼性長石﹝鉀鈉鋁矽酸鹽﹞含有豐富鹼金屬原素。
  • 鹼性長石的晶體多呈短而粗的稜柱狀。
  • 鹼性長石色澤以粉紅帶白色為主。
  • 鹼性長石一般用作製造瓷器的原料。
  鹼性長石
圖4: 鹼性長石

雲母

  • 雲母屬矽酸鹽礦物。
  • 雲母由鉀、鎂及鐵,以及鋁、矽和水份這些不同成分組成。
  • 雲母的晶體多呈片狀,可沿其解理面分裂為平滑片面,仿如書本的薄頁。
  • 雲母是侵入性火成岩中常見的礦物,亦見於沉積岩及變質岩。
  • 黑雲母﹝圖5﹞色澤深、帶黑或啡色,而淺色或透明的雲母則稱為白雲母﹝圖6﹞。
  黑雲母
圖5:黑雲母
白雲母
圖6:白雲母

閃石類

  • 閃石類礦物屬矽酸鹽礦物。
  • 閃石類礦物含有鐵、鎂、鈣、鋁,以及矽、氧和水份。
  • 閃石類礦物形成稜柱狀或針狀晶體。
  • 閃石類礦物是多種火成岩及變質岩中的礦物成分。
  • 角閃石﹝圖7﹞是岩石礦物中閃石類礦物的常見成員。
  角閃石
圖7:角閃石
 

輝石

  • 輝石﹝圖8﹞屬矽酸鹽礦物。
  • 輝石礦物一般含有鎂、鐵、鈣、鋁,以及矽和氧。
  • 輝石形成短小或柱狀的稜柱晶體。
  • 輝石是多種火成岩及變質岩中的礦物成分。
  • 輝石的晶體通常雕琢成寶石,珍貴的翡翠玉石﹝輝玉﹞正是輝石的一種。
  輝石
圖8:輝石
 

橄欖石

  • 橄欖石﹝圖9﹞屬矽酸鹽礦物。
  • 橄欖石含有鐵和鎂。
  • 橄欖石是綠色、像玻璃質的礦物。
  • 橄欖石是鐵鎂質岩石及超基性岩石中常見的礦物,但這類岩石並未在香港出現。
  • 清澈及透明的橄欖石晶體多被切割成寶石。

 

橄欖石
圖9:橄欖石
 

方解石

  • 方解石﹝圖10﹞屬碳酸鹽礦物。
  • 方解石由碳酸鈣形成。
  • 方解石通常是白色至透明無色,容易被刀刮花。
  • 方解石是常見的沉積岩礦物,是石灰岩等鈣質沉積岩的重要成分。

方解石
圖10:方解石
 

岩石是什麼?

岩石是礦物、岩石碎塊或有機物質的天然集成體。岩石的成分、外貌、形狀,以及岩石內顆粒和晶體的排列﹝即其岩理﹞皆顯示其形成過程。根據岩石的形成模式,岩石可分成三種類別:火成岩、沉積岩及變質岩。

岩石鑑定

在大多數情況下,岩石的形成過程不可能直接觀察得到。因此,要判斷岩石的類型,就必須從其獨有的特徵來識別,而岩石的岩理及礦物成分是推斷岩石類型的兩個可靠線索。

  • 岩理是指岩石結構內礦物或粒子的大小及形狀,和它們在岩石內的排列形態。
  • 成分是指岩石的組成成分,包括晶體、礦物、其他岩石碎片及/或化石; 同時亦指岩石的化學成分。岩石的顏色為判斷岩石成分提供重要指示。

鑑定和識別岩石的類型,許多時是一項需要技巧的工作,要求擁有廣博的地質知識及豐富經驗。

火成岩

熾熱的岩漿冷卻凝固後形成火成岩。岩漿來自地球深處,鄰近活躍的板塊邊緣或熱點,並向地球表面上升。火成岩根據岩漿在不同地點凝固而劃分為兩大類:侵入岩及噴出岩。﹝圖11﹞

各種火成岩的形態
圖11:各種火成岩的形態。
  • 侵入岩,或稱深成岩,是當岩漿上升期間被困於地球深處,導致冷卻過程非常緩慢,往往歷時數千或百萬年才得以完全凝固。緩慢的冷卻過程給予個別礦物足夠時間凝固,結成體積相對較大的晶體。侵入性火成岩一般擁有較粗粒的岩理及互鎖的礦物。花崗岩是香港境內常見的侵入性火成岩。
  • 噴出岩,或稱火山岩,是當岩漿向上湧出噴發,並在地面或非常接近地球表面冷卻而形成。噴出的岩漿暴露於溫度較低的大氣層,其冷卻及凝固速度相對較快,因而形成岩理較幼的噴出性火成岩。熔岩及凝灰岩是兩種常見的火山岩。

侵入性火成岩的特徵

 

花崗岩

  • 花崗岩主要成分是長石和石英礦物,其次是角閃石及雲母。
  • 花崗岩以深成岩體、岩牆或岩床形態出現﹝圖11﹞。
  • 個別礦物一般可憑肉眼觀察﹝圖12及圖13﹞。
  • 花崗岩內的礦物呈晶體狀,並顯現出互鎖的岩理﹝圖12及圖13﹞。
  • 未受風化的花崗岩一般呈淡粉紅色或淡灰色。
等粒花崗岩,即其晶體大小大致相同
圖12:等粒花崗岩,
即其晶體大小大致相同。
不等粒的花崗岩,含有晶體較大的長石﹝斑晶﹞
圖13:不等粒的花崗岩,
含有晶體較大的長石﹝斑晶﹞。

噴出性火成岩的特微

 

熔岩

  • 熔岩中的個別礦物顆粒一般都非常細小,難以憑肉眼辨認。
  • 熔岩的幼細基質內可能含體積較大的晶體﹝斑晶﹞。
  • 岩石可呈流動構造。
粗火山灰晶屑凝灰岩,主要含有晶體碎屑
圖14:粗火山灰晶屑凝灰岩,
主要含有晶體碎屑。
 

凝灰岩

  • 凝灰岩﹝圖14﹞成分包括礦物、玻璃、浮石及/或已存在岩石的碎塊。
  • 凝灰岩根據不同碎塊的相對成分分類。
  • 碎片一般呈棱角狀及破碎。
  • 未被風化的凝灰岩通常呈深灰色。
  • 岩石可呈條紋斑狀﹝圖15﹞、熔結構造等特徵。
  • 部分凝灰岩顯現柱狀節理。

 

條紋斑狀凝灰岩﹝熔結凝灰岩﹞,含有在其形成時被壓扁的浮石碎塊 ﹝火焰石﹞及玻璃碎片。
圖15:條紋斑狀凝灰岩﹝熔結凝灰岩﹞, 含有在其形成時被壓扁的浮石碎塊 ﹝火焰石﹞及玻璃碎片。

沉積岩

沉積岩是由已存在的岩石被侵蝕後剝落的碎屑或死去的植物或生物的骨骼碎塊結成。沉積岩通常集中於地球表面的不同環境,一般呈現明顯的層次或層理。沉積岩可細分為三組,包括碎屑沉積岩、生物沉積岩及化學沉積岩。

  • 碎屑沉積岩由已存在的岩石碎片﹝碎屑﹞組成。晶體及碎片從已存在的岩石中經過長期的風化而剝落,並搬運到另一地方沉積。沉積物被埋藏、壓縮及膠結,形成碎屑沉積岩。
  • 生物沉積岩是當大量植物或生物死亡,其殘骸被分解、壓縮、膠結及堆積,形成的沉積岩。沉積物含豐富碳質的植物便可能形成煤;若沉積物中含大量動物貝殼,則可能形成石灰岩或燧石。
  • 化學沉積岩是積岩由液體沉澱化合物形成。當水沿岩石隙流動時,石頭內部份礦物溶於水中,並被水流帶走。其後當水份蒸發或水中含礦物過多,最終礦物會沉積或從溶液中沉澱而形成化學岩石。岩鹽正是化學沉積岩的例子。

沉積岩的特徵

 

碎屑沉積岩
﹝粉砂岩、砂岩及礫岩﹞

  • 碎屑沉積岩由已存在的岩石,經風化侵蝕而分解出來的岩石及礦物顆粒結集而成﹝圖16﹞。
  • 個別顆粒由石英或方解石礦物組成的膠結物凝結而成。
  • 碎屑沉積岩可能含有化石。
  • 沉積層理可能出現,是岩石中排列有序的顆粒,因其結構及成分改變而造成。
  • 顏色的變化反映岩石的成份、沉積環境、及/或遭受風化的狀況。

碎屑沉積岩以其岩石碎屑的顆粒大小、形狀而命名﹝表2﹞。例如粉砂岩﹝圖17﹞是由粉砂大小的顆粒集結而成,而砂岩則由沙粒組成。

礫岩,含有被磨圓的岩石碎屑。
圖16:礫岩,
含有被磨圓的岩石碎屑。

粉砂岩,展示薄的沉積層。
圖17:粉砂岩,
展示薄的沉積層。

 

表2:碎屑沉積物及沉積岩的分類。
表2:碎屑沉積物及沉積岩的分類。

 

變質岩

當已存在的岩石遇上高溫、高壓、含豐富礦物成分熱溶液,或混合以上情況,皆可形成變質岩。原本的岩石可以是火成岩、沉積岩或已有的變質岩。在變質岩中,部份甚至全部原有的礦物會被新的礦物取代,而原有的岩理則可能受到與變質作用同時出現的變形﹝如剪切及褶皺﹞而被遮蓋。變質岩普遍於地球深處或板塊邊緣形成。

  • 有葉理的變質岩呈片狀或頁狀結構。葉理是當岩石中片狀或稜柱狀的礦物,受極高壓壓縮以致構成定向排列而形成。葉理構造可反映岩石受壓的方向。板岩、片岩及片麻岩全是有葉理的變質岩石。
  • 無葉理的變質岩具均勻結構。此類岩石可於侵入性火成岩周圍,在接觸變質作用下形成。當遇到岩漿侵入,已存在的岩石受到極度高溫的變質作用,但岩石中的礦物並無受到壓力擠壓,因此其結構有所改變卻沒有構成葉理。石英岩及大理岩便是無葉理的變質岩石。

變質岩的特徵

 

片岩及千枚岩

  • 岩石原有的礦物可能被新的變質礦物取代,如雲母(片狀礦物)及角閃石(稜柱狀礦物)。
  • 葉理是由片狀或稜柱狀的礦物排列而成﹝圖18﹞。
  • 變質岩一般呈深淺色帶交替,層次分明,反映深色和淺色礦物的不同密集度。
  • 由於岩石內含有雲母,一般呈絲質的光澤。

大理岩

  • 大理岩﹝圖19﹞是由方解石礦物晶體形成。
  • 純大理岩是白色或奶白色,但亦可能因內含雜質而變成淺灰或灰藍色。
  • 大理岩跟稀鹽酸會有化學反應,產生氣泡(泡騰)。
    大理岩跟稀鹽酸會有化學反應,產生氣泡(泡騰)。
  • 大理岩很容易給小刀刮花。
  • 礦物晶體互鎖。

石墨片岩,展示變質葉理
圖18:石墨片岩,
展示變質葉理。

大理岩,含有結晶的方解石礦物
圖19:大理岩,
含有結晶的方解石礦物。

岩石循環

岩石循環﹝圖20﹞是一個概念模型,用以闡釋火成岩、沉積岩和變質岩這三種主要岩石如何受地質活動影響,變成另一種岩石。而板塊運動正是推動岩石循環的原動力。

要了解岩石循環,首先要明白造岩的過程:

  • 火成岩造岩的過程包括岩漿形成、冷卻及結晶。
  • 沉積岩的造岩過程包括風化、侵蝕、堆積、埋藏及岩化作用。
  • 變質岩造岩的過程涉及因受熱力、壓力或熱溶液影響,而產生岩理和礦物成分的變化。

岩石循環可從這三種岩石中的任何一種開始,無須經歷由火成岩變為沉積岩、再轉為變質岩,然後重新變回火成岩的整個過程。例如火成岩可直接化身為變質岩,而途中無須到達地球表面,也不用先演變為沉積岩。同樣地,任何類型的岩石亦可轉變為同類的新岩石。

 

岩石循環

圖20:岩石循環