矿物与岩石 – 地质的基础材枓

矿物是什么？

矿物是岩石的基本成分，属天然形成的无机物质，它们由特定化学元素组成，原子规律地重复构成晶体结构。

矽酸盐矿物是地球表面的岩石中，所含最丰富的成分，占地壳物质超过90%。矽酸盐矿物的基本成分是化合物四氧化矽﹝SiO₄﹞﹝图1﹞。

其他常见的非矽酸盐矿物，合共占地壳成分不足10%，计有碳酸盐、氧化物、硫化物、磷酸盐和盐。此外，还包括少量可能以单一化学元素存在的矿物，例如金、银、铜、铋、砷、铅、碲及碳。

图 1： 四氧化矽, SiO₄

尽管自然界的天然化学元素多达92种，但当中仅有8种天然化学元素，常见于地壳内的岩石，而这8种元素合共已占去地壳的98%以上。﹝表1﹞

矿物的分类及鉴定

矿物是以其化学成分分类。

矿物按照其物理性质，如坚硬度、光泽、颜色、解理、断口及相对密度来识别。这些一般特性主要由矿物的原子结构﹝晶体结构﹞操控。

构成岩石的常见矿物

石英

• 石英﹝图2﹞，常称矽，是地壳中最常见的矿物之一。
• 石英由化合物二氧化矽形成。
• 石英的晶体多呈六角及棱柱形状。
• 纯石英是无色的，但若含有杂质，则会呈现各种不同的颜色，如紫、粉红或橙色。
• 石英是制造玻璃的原料。

图2：石英

斜长石

• 斜长石﹝图3﹞是含有丰富钠质或钙质的长石。
• 其化学成分组合范围从钠铝矽酸盐至钙铝矽酸盐。
• 斜长石的晶体多呈短而粗的棱柱状。
• 斜长石通常是白至灰白色，并显出玻璃光泽。
• 斜长石是制造陶瓷的重要工业矿物原料 。

图3：斜长石

碱性长石

• 碱性长石﹝图4﹞是长石矿物类中另一种矿石。
• 碱性长石﹝钾钠铝矽酸盐﹞含有丰富碱金属原素。
• 碱性长石的晶体多呈短而粗的棱柱状。
• 碱性长石色泽以粉红带白色为主。
• 碱性长石一般用作制造瓷器的原料。

图4： 碱性长石

云母

• 云母属矽酸盐矿物。
• 云母由钾、镁及铁，以及铝、矽和水份这些不同成分组成。
• 云母的晶体多呈片状，可沿其解理面分裂为平滑片面，仿如书本的薄页。
• 云母是侵入性火成岩中常见的矿物，亦见于沉积岩及变质岩。
• 黑云母﹝图5﹞色泽深、带黑或啡色，而浅色或透明的云母则称为白云母﹝图6﹞。

图5：黑云母

图6：白云母

闪石类

• 闪石类矿物属矽酸盐矿物。
• 闪石类矿物含有铁、镁、钙、铝，以及矽、氧和水份。
• 闪石类矿物形成棱柱状或针状晶体。
• 闪石类矿物是多种火成岩及变质岩中的矿物成分。
• 角闪石﹝图7﹞是岩石矿物中闪石类矿物的常见成员。

图7：角闪石

辉石

• 辉石﹝图8﹞属矽酸盐矿物。
• 辉石矿物一般含有镁、铁、钙、铝，以及矽和氧。
• 辉石形成短小或柱状的棱柱晶体。
• 辉石是多种火成岩及变质岩中的矿物成分。
• 辉石的晶体通常雕琢成宝石，珍贵的翡翠玉石﹝辉玉﹞正是辉石的一种。

图8：辉石

橄榄石

• 橄榄石﹝图9﹞属矽酸盐矿物。
• 橄榄石含有铁和镁。
• 橄榄石是绿色、像玻璃质的矿物。
• 橄榄石是铁镁质岩石及超基性岩石中常见的矿物，但这类岩石并未在香港出现。
• 清澈及透明的橄榄石晶体多被切割成宝石。

图9：橄榄石

方解石

• 方解石﹝图10﹞属碳酸盐矿物。
• 方解石由碳酸钙形成。
• 方解石通常是白色至透明无色，容易被刀刮花。
• 方解石是常见的沉积岩矿物，是石灰岩等钙质沉积岩的重要成分。

图10：方解石

岩石是什么？

岩石是矿物、岩石碎块或有机物质的天然集成体。岩石的成分、外貌、形状，以及岩石内颗粒和晶体的排列﹝即其岩理﹞皆显示其形成过程。根据岩石的形成模式，岩石可分成三种类别：火成岩、沉积岩及变质岩。

岩石鉴定

在大多数情况下，岩石的形成过程不可能直接观察得到。因此，要判断岩石的类型，就必须从其独有的特征来识别，而岩石的岩理及矿物成分是推断岩石类型的两个可靠线索。

• 岩理是指岩石结构内矿物或粒子的大小及形状，和它们在岩石内的排列形态。
• 成分是指岩石的组成成分，包括晶体、矿物、其他岩石碎片及/或化石； 同时亦指岩石的化学成分。岩石的颜色为判断岩石成分提供重要指示。

鉴定和识别岩石的类型，许多时是一项需要技巧的工作，要求拥有广博的地质知识及丰富经验。

火成岩

炽热的岩浆冷却凝固后形成火成岩。岩浆来自地球深处，邻近活跃的板块边缘或热点，并向地球表面上升。火成岩根据岩浆在不同地点凝固而划分为两大类：侵入岩及喷出岩。﹝图11﹞

图11：各种火成岩的形态。

• 侵入岩，或称深成岩，是当岩浆上升期间被困于地球深处，导致冷却过程非常缓慢，往往历时数千或百万年才得以完全凝固。缓慢的冷却过程给予个别矿物足够时间凝固，结成体积相对较大的晶体。侵入性火成岩一般拥有较粗粒的岩理及互锁的矿物。花岗岩是香港境内常见的侵入性火成岩。
• 喷出岩，或称火山岩，是当岩浆向上涌出喷发，并在地面或非常接近地球表面冷却而形成。喷出的岩浆暴露于温度较低的大气层，其冷却及凝固速度相对较快，因而形成岩理较幼的喷出性火成岩。熔岩及凝灰岩是两种常见的火山岩。

侵入性火成岩的特征

花岗岩

• 花岗岩主要成分是长石和石英矿物，其次是角闪石及云母。
• 花岗岩以深成岩体、岩墙或岩床形态出现﹝图11﹞。
• 个别矿物一般可凭肉眼观察﹝图12及图13﹞。
• 花岗岩内的矿物呈晶体状，并显现出互锁的岩理﹝图12及图13﹞。
• 未受风化的花岗岩一般呈淡粉红色或淡灰色。

图12：等粒花岗岩，即其晶体大小大致相同。

图13：不等粒的花岗岩，含有晶体较大的长石﹝斑晶﹞。

喷出性火成岩的特微

熔岩

• 熔岩中的个别矿物颗粒一般都非常细小，难以凭肉眼辨认。
• 熔岩的幼细基质内可能含体积较大的晶体﹝斑晶﹞。
• 岩石可呈流动构造。

凝灰岩

• 凝灰岩﹝图14﹞成分包括矿物、玻璃、浮石及/或已存在岩石的碎块。
• 凝灰岩根据不同碎块的相对成分分类。
• 碎片一般呈棱角状及破碎。
• 未被风化的凝灰岩通常呈深灰色。
• 岩石可呈条纹斑状﹝图15﹞、熔结构造等特征。
• 部分凝灰岩显现柱状节理。

图14：粗火山灰晶屑凝灰岩，主要含有晶体碎屑。

图15：条纹斑状凝灰岩﹝熔结凝灰岩﹞，含有在其形成时被压扁的浮石碎块﹝火焰石﹞及玻璃碎片。

沉积岩

沉积岩是由已存在的岩石被侵蚀后剥落的碎屑或死去的植物或生物的骨骼碎块结成。沉积岩通常集中于地球表面的不同环境，一般呈现明显的层次或层理。沉积岩可细分为三组，包括碎屑沉积岩、生物沉积岩及化学沉积岩。

• 碎屑沉积岩由已存在的岩石碎片﹝碎屑﹞组成。晶体及碎片从已存在的岩石中经过长期的风化而剥落，并搬运到另一地方沉积。沉积物被埋藏、压缩及胶结，形成碎屑沉积岩。
• 生物沉积岩是当大量植物或生物死亡，其残骸被分解、压缩、胶结及堆积，形成的沉积岩。沉积物含丰富碳质的植物便可能形成煤；若沉积物中含大量动物贝壳，则可能形成石灰岩或燧石。
• 化学沉积岩是积岩由液体沉淀化合物形成。当水沿岩石隙流动时，石头内部份矿物溶于水中，并被水流带走。其后当水份蒸发或水中含矿物过多，最终矿物会沉积或从溶液中沉淀而形成化学岩石。岩盐正是化学沉积岩的例子。

沉积岩的特征

碎屑沉积岩﹝粉砂岩、砂岩及砾岩﹞

• 碎屑沉积岩由已存在的岩石，经风化侵蚀而分解出来的岩石及矿物颗粒结集而成﹝图16﹞。
• 个别颗粒由石英或方解石矿物组成的胶结物凝结而成。
• 碎屑沉积岩可能含有化石。
• 沉积层理可能出现，是岩石中排列有序的颗粒，因其结构及成分改变而造成。
• 颜色的变化反映岩石的成份、沉积环境、及/或遭受风化的状况。

碎屑沉积岩以其岩石碎屑的颗粒大小、形状而命名﹝表2﹞。例如粉砂岩﹝图17﹞是由粉砂大小的颗粒集结而成，而砂岩则由沙粒组成。

图16：砾岩，含有被磨圆的岩石碎屑。

图17：粉砂岩，展示薄的沉积层。

表2：碎屑沉积物及沉积岩的分类。

变质岩

当已存在的岩石遇上高温、高压、含丰富矿物成分热溶液，或混合以上情况，皆可形成变质岩。原本的岩石可以是火成岩、沉积岩或已有的变质岩。在变质岩中，部份甚至全部原有的矿物会被新的矿物取代，而原有的岩理则可能受到与变质作用同时出现的变形﹝如剪切及褶皱﹞而被遮盖。变质岩普遍于地球深处或板块边缘形成。

• 有叶理的变质岩呈片状或页状结构。叶理是当岩石中片状或棱柱状的矿物，受极高压压缩以致构成定向排列而形成。叶理构造可反映岩石受压的方向。板岩、片岩及片麻岩全是有叶理的变质岩石。
• 无叶理的变质岩具均匀结构。此类岩石可于侵入性火成岩周围，在接触变质作用下形成。当遇到岩浆侵入，已存在的岩石受到极度高温的变质作用，但岩石中的矿物并无受到压力挤压，因此其结构有所改变却没有构成叶理。石英岩及大理岩便是无叶理的变质岩石。

变质岩的特征

片岩及千枚岩

• 岩石原有的矿物可能被新的变质矿物取代，如云母（片状矿物）及角闪石（棱柱状矿物）。
• 叶理是由片状或棱柱状的矿物排列而成﹝图18﹞。
• 变质岩一般呈深浅色带交替，层次分明，反映深色和浅色矿物的不同密集度。
• 由于岩石内含有云母，一般呈丝质的光泽。

图18：石墨片岩，展示变质叶理。

图19：大理岩，含有结晶的方解石矿物。

大理岩

• 大理岩﹝图19﹞是由方解石矿物晶体形成。
• 纯大理岩是白色或奶白色，但亦可能因内含杂质而变成浅灰或灰蓝色。
• 大理岩跟稀盐酸会有化学反应，产生气泡（泡腾）。
  
• 大理岩很容易给小刀刮花。
• 矿物晶体互锁。

岩石循环

岩石循环﹝图20﹞是一个概念模型，用以阐释火成岩、沉积岩和变质岩这三种主要岩石如何受地质活动影响，变成另一种岩石。而板块运动正是推动岩石循环的原动力。

要了解岩石循环，首先要明白造岩的过程：

• 火成岩造岩的过程包括岩浆形成、冷却及结晶。
• 沉积岩的造岩过程包括风化、侵蚀、堆积、埋藏及岩化作用。
• 变质岩造岩的过程涉及因受热力、压力或热溶液影响，而产生岩理和矿物成分的变化。

岩石循环可从这三种岩石中的任何一种开始，无须经历由火成岩变为沉积岩、再转为变质岩，然后重新变回火成岩的整个过程。例如火成岩可直接化身为变质岩，而途中无须到达地球表面，也不用先演变为沉积岩。同样地，任何类型的岩石亦可转变为同类的新岩石。

图20：岩石循环