簡介礦物的晶系(一) @ 桃園親子教育博物館:: 隨意窩Xuite日誌

0．前言：礦物的晶系意即礦物晶體的分類；在儀器缺乏的數百年期間，這項分類對於常見的礦物識別十分重要；到了現代，晶系意味著礦物內部組成的分子或原子 ... ­桃園親子教育博物館簡介礦物的晶系 (CrystalSystem)０．前言：礦物的晶系意即礦物晶體的分類；在儀器缺乏的數百年期間，這項分類對於常見的礦物識別十分重要；到了現代，晶系意味著礦物內部組成的分子或原子排列方式，會決定礦物的光學等物理特性，以及解理斷裂面的方式，因此對於寶石鑑定與寶石加工有一定的重要性。

本文預計分成二段來介紹，第一段除了前言之外，介紹(1)等軸晶系(Isometric System)或稱立方晶系(Cubic System)，(2)正方晶系(Tetragonal  System) ，第二段介紹(3)斜方晶系(OrthorhombicSystem)也稱正交晶系，(4)單斜晶系(Monoclinic  System)，與(5)三斜晶系(Triclinic  System)；最後才介紹(6)三方晶系(Rhombohedral  System)或稱菱方晶系，(7)六方晶系(Hexagonal  System)以及結語。

　　與七大晶系最有關的是布拉菲晶格(Bravaislattices)，在此借用百度百科的一張圖表來說明其中的關係：圖一：a,b,c可視為晶體成長時的發展軸，α,β,γ則是其各二軸的夾角，單位晶元P是簡單立方，I是體心立方，F是面心立方，C則是側面心立方。

在了解晶系這張圖表極為重要。

圖一~1 借用Grace心想願成俱樂部的圖檔，除了三方與六方晶系，晶體都只有三個發展軸。

a.沒晶體(rough)的礦物不用儀器難以分辨：圖二無晶形的菱鋅礦Smithsonite(79mine,GilaCo.,Arizona)與異極礦Hemimorphite或三水鋁石Gibbsite很像。

b.對探礦者而言重要的是豐富的資源，無晶形可能是因為1.結晶快速，2.熱液擾動大或溶質供應不穩，也可能是3.混雜多種物質，第三種是探礦者最愛(稀少資源不易單獨存在)，如果借能助表面些許小晶體辨識極為重要。

圖三,四無晶形的黃銅礦Chalcopyrite與黃鐵礦Pyrite不易分辨，但從這標本的表面氧化礦物(鈣銅礬Devilline，成分CaCu4(SO4)2(OH)6•3(H2O)，單斜晶系，產地GrubeClara，Deutschland)，可知是塊硫化物之銅礦。

而其中含有諸多的有價值元素如金,銀,白金族...的機率比在黃鐵礦大許多。

圖五,六探礦者在礦脈中如果找到圖五之獨居石-鈰Monazite-Ce(產地Zagi,Pakistan，晶體大到7mm，單斜晶系)還不一定很高興(對一般礦物收藏者則是大驚喜)，只因此晶體是幾乎純淨的磷酸鈰CePO4價值不高；他們必須沿礦脈尋找到或已風化的火成岩(如花崗岩Granite)，若能發現其中含大量有開採價值的如圖六之非晶形獨居石Monazite(產地Colorado)其感覺則是如同中了大樂透，因為其成分包含了其他所有有價值的稀土元素。

c.成分相同晶系不同，在化學的觀點是同一種化合物或元素(化學性質很相近)，但在礦物學則是不同礦物(有不同物理性質)。

(物理性質可能包含密度,硬度,導熱,導電,折射...等性質)。

　　元素部分最著名的就是鑽石Diamond(硬度10,不易導電,等軸晶系)與石墨Graphite(硬度1.5~2,易導電,六方晶系)而其組成均為碳C，如圖七；其次是斜方硫Obliquesulfur或α-Sulfur與單斜硫Monoclinicsulfur或β-Sulfur組成均為硫分子S8，如圖八,九；在化學上稱為同素異形體Allotrope。

　　至於化合物方面最著名的是輝銀礦Argentite(等軸晶系)與硫銀礦Acanthite(單斜晶系)成分均為硫化銀Ag2S，如圖十,十一；其次是硫砷銅礦Enargite(斜方晶系)與呂宋銅礦Luzonite(正方晶系)成分均為Cu3AsS4，在礦物學上稱同質異形礦物Homogeneousmineral，與化學上的同分異構物Isomer不同(此為同分但不是同一種化合物)。

　　產生成分相同晶系不同的原因，仍是溫度與壓力，因為構成物質的粒子即使是固態也均會震動，特定的溫度條件均有其所處在的穩定能階，若是溫度壓力改變至某值時會跳至另一個能階，隨之粒子間的距離和相對位置也跟著調整，因此改變了所堆疊成的晶體外形，若是小改變則是下列d.項所述，若是大改變則是連晶系都產生變動。

圖七正立體的鑽石(產地Congo)放在片狀的石墨(產地SriLanka)上，都是由碳元素組成，但是在前者需在壓力大於50,000atm(約120Km下的地函)，溫度超過1300℃以上，才能形成。

圖八,九國中理化課中談到之斜方硫(產地Russia)與單斜硫(產地Yangmingshan,Taiwan)，後者須在96℃以上之火山硫氣噴口處形成。

 圖十,十一美好的輝銀礦Argentite標本，是礦物收藏家最愛但很不易入手的礦物之一，她需在177~179℃以上(但溫度再高Ag2S會分解)的熱液中穩定且緩慢的結晶，於低溫則形成硫銀礦Acanthite(產地Morocco)。

圖十二,十三台灣金瓜石的硫砷銅礦Enargite與樹梅(在金瓜石旁)的呂宋銅礦Luzonite舉世聞名，兩者組成均為Cu3AsS4，前者在高溫(或許是107℃以上，有記得的礦友請更正。

)形成，後者則是低溫。

銅礦與上述銀礦相反，在高溫即強烈反應析出，至低溫則是殘餘礦液不但供應量不足且不穩定，因此高溫產生的硫砷銅礦晶體大且多(圖十二標本4cm大，由張英傑里長提供)，至於呂宋銅礦則少有晶體，如圖十三晶體雖只有3~4mm，已經是十分罕見，為圖庫中所沒有(礦友小顏先生提供)。

　　由於我們生活在低溫環境，原本高溫形成的礦物將會如何？理論上由高能階狀態降至符合低溫的低能階狀態只是時間長短的問題，例如鑽石慢慢會變成石墨，但要經過很多億年，至於一般礦物則不需多少時間，尤其單斜硫在常溫轉成斜方硫只需數日，因此我們現在看到的單斜硫,輝銀礦,硫砷銅礦晶體實際上她們內部的原子分子堆疊情況已經變成斜方硫,硫銀礦和呂宋銅礦了。

d.外觀不同卻因晶系相同成分相同(物理,化學性質極相近)，則視為同一種礦物。

(圖三九,四十是少數的例外。

)有一些礦物的外形有許多種，最著名的是水晶,方解石與黃鐵礦；在此先介紹黃鐵礦，其他在後面介紹。

圖十三,十四,十五在缺氧的環境，硫與鐵結合成黃鐵礦，她們分別來自於著名產地西班牙,澳洲與台灣(金瓜石)，晶體分別是正方形的六面體,正五邊形的十二面體，正三角形的八面體，看似差別很大，然而這些由正多邊形組成的晶體說明她們均屬於等軸晶系，也就是她們內部粒子的排列相同只是堆的方式不同，因此三者被認定是同一種礦物，而不需用α,β....區分。

據信後者形成溫度較前者高。

一.等軸晶系Isometric System：或稱立方晶系 Cubic System三軸等長a=b=c，交角相等且垂直α=β=γ=90゜，這是對稱性最高的一種情況，是晶系中最容易判斷的，因其內部粒子排列無論哪個方向都相同，所以無論是哪個方向測試其物理性質也都會一樣(對等軸的鑽石測硬度，則會因為測試的方向與內部共價鍵結的角度而有所不同)，包含光學性質如折射率因此也沒有雙折射，所以可以區分不同的寶石。

圖十六借用珠寶實驗室的圖。

它有4個三重對稱軸(記為4A3，並對應4組平行平面，記為4P，此情況如正八面體)以及3個互相垂直的4次對稱軸(記為3A4，並對應3組平行平面，記為3P，如正立方體)或者3個相互垂直的二重對稱軸(6A2及6P，如菱形組成的正12面體)....。

其中的3個互相垂直的4次對稱軸或者3個相互垂直的二重對稱軸是晶體結晶軸。

a.許多自然金屬元素如自然金,銅,鉑..等，因原子間金屬鍵無方向性除部分為六方最密堆集外，許多為等軸晶系並形成六面體,八面體。

(鑽石屬於等軸是非金屬中的少數。

)ㄈ圖十六密西根產的自然銅Copper。

(有標記為"石探紀"為敝小館向茶包所採購。

) 圖十七俄羅斯產的自然鉑Platinum。

b.簡單的雙原子化合物如岩鹽及分子呈直線狀如螢石，很多都屬於等軸晶系：圖十八產於台灣的岩鹽Halite，晶體有1.1cm大。

圖十九,二十,二一螢石Fluorite是大家喜愛的礦物之一，以上標本產地分別為希臘,西班牙及田納西州，第一件為正立方體，第二件為正八面體，第三件則是正立方體旁再長出正八面體。

礦物市場銷售之人工螢石為正八面體，而自然標本多為正立方體，因此可猜想正立方體是較高溫下形成，田納西州的標本正可以說明這件事。

c.尖晶石類礦物分子較上述大，呈現出的晶體則以正八面體較多。

圖二二越南產的尖晶石SpinelMgAl2O4。

大家熟悉的磁鐵礦也屬於尖晶石類礦物。

d.比尖晶石更複雜的分子所形成之礦物，可以是等軸晶系列然要形成正立方體較難，但是也有例外。

圖二三十二面體的鐵鋁榴石 Almandine Fe2+3Al2(SiO4)3，，石榴子石除十二面體之外二十四面體也很常見。

圖二四日光榴石Helvite Mn4Be3(SiO4)3S產地巴西，也屬於等軸晶系但其晶體呈現罕見的正四面體。

圖二五氯銅鉛銀礦Boleite產地墨西哥，分子(KPb26Ag9Cu24Cl62(OH)48)奇大無比，也屬於等軸晶系，並以正立方體呈現。

 二.正方晶系Tetragonal  System：三軸只有二軸等長a=b≠c，交角相等且垂直α=β=γ=90°。

圖二六此借用珠寶實驗室的圖。

正方晶系與等軸晶系只有一個不同，就是c(或稱Z)晶軸，不與a,b等長，所以呈現拉長或壓扁的正方柱。

圖二七此借用珠寶實驗室的圖，只能找到一組平面具有4次對稱軸(1A4)，或能找到4組2次對稱側面(4A2)。

a.正方晶系的礦物，晶體終端呈平面的很少。

圖二八,二九墨西哥的經典礦物之一：鉬鉛礦WulfeninitePbMoO4，前者a,b軸較長(伴生礦為異極礦Hemimorphite)，後者則是c軸較長(伴生礦為砷鉛礦Mimetite，無晶形呈蘑菇狀，說明鉬鉛礦晶體成長較快。

)。

圖三十印度的氟魚眼石Fluorapophyllite或Apophyllite-(KF)，晶體終端較平。

b.同一種正方晶系的礦物，也可以有不同外形：圖三一,三二鋯石ZirconZrSiO4，前者產於俄羅斯，是扁的八面體，構成的三角形是等腰三角形不是正三角形。

後者產於緬甸，終端便與圖二七相仿。

圖三三,三四,三五符山石Vesuvianite，產地依次為中國河北,墨西哥,加拿大。

c.晶體極其相似，但非同一種礦物，還需測其他特性如硬度： 圖三六這是納米比亞的鉬鉛礦。

d.其他著名的正方晶系的礦物：圖三七印度的魚眼石 apophyllit，尖端若節理而斷裂就會成圖三十的模樣。

橘粉紅的伴生礦是輝沸石Stilbite，為單斜晶系。

圖三八方柱石Scapolite，產地巴基斯坦。

不美，但是有7.5cm大，是很好的教學材料。

 圖三九,四十依次為銳鈦礦Anatase產地巴基斯坦，金紅石Rutile產地緬甸，組成(均為TiO2)相同晶系相同，但是物理性質不同，最後被判定為不同礦物。

圖四一產於中國的白鎢礦Scheelite。

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