寶石形成的環境與要件(上)－桃園親子教育博物館二

寶石形成的環境與要件(上)

一.寶石的組成元素及其分佈

1.太陽系形成某超新星爆炸(約46億年前)，甩出的一片物質，主要成分是氫佔98%~96%，比鐵更大的元素含量不到1%。物質迅速向中心聚集，中心溫度壓力氫密度均足夠時產生核融合，太陽於是誕生。太陽的熱以及發射出的電子(太陽風)也會將星球上沸點低的物質吹走。使得水星表面沒有流體，金星表面的流體是沸點高的硫酸，地球剛形成(碰撞期結束)時原本沒有液態的水，待溫度下降水蒸氣凝結、火山噴發將水分帶出以及再吸取接近小星體如彗星的水分，如今地球表面才有70%為水覆蓋的風貌。由小行星組成近木星的是C型，接近火星是S型，而接近地球的則是M型，一直到水星及其近處的小行星，科學家相信此間含有豐富的銥鋨，也就是越接近太陽的星球重元素的比例較高，而地球的位置很適中，含有形成寶石所需的C碳,Si矽,O氧,與M金屬。

圖一:a圖最初中央是暗的，一直要到溫度和密度到達一定條件，太陽才誕生。

2.地球的結構與元素分布

圖二:地球在形成的初期，可能只是個較大的碎片，藉著吸引鄰近小碎片逐漸變大，再藉著碰撞形成地球。

　　物質向地心聚集時溫度升高，加上放射性物質產生的熱，以及星體的碰撞，整個地球處於高溫狀態，因此該階段地表沒有液態的水。待地表溫度降低，才有液態水聚在地表。除了大氣與水圈，物理學上，地球又可劃分為岩石圈、軟流層、地函、外核和内核5層。化學上，地球則是被劃分為地殼、上地函、下地函、外核和内核。岩石圈與地函間有部分岩石被熔化成岩漿(約10%)深度在100~200KM稱為軟流層。莫氏面則是地殼與地函的交界平均深度35KM，地殼含有長石，地函沒有長石，而是以橄欖石為主。地殼又分成a.大陸地殼:密度較小,又稱矽鋁層,主要成分為矽鋁及其他輕元素,代表岩石為花岡岩。b.海洋地殼:密度較大,又稱矽鎂層,主要成分為矽鎂鐵及稍多些重元素，代表岩石為玄武岩,輝長岩。其中大陸地殼的花崗岩，則與許多寶石的形成有重要的關係。

圖三:地球的內部構造。1：大陸地殼；2：海洋地殼；3：上地函；4：下地函；5：外核；6：内核；A：莫霍面；B：古登堡面；C：萊曼面(圖摘自Wikimedia Commons網站) 地函深度525Km深度以上主要礦物橄欖岩，525至660km為Ringwoodite尖晶橄欖石，670至2700Km則是Bridganite布氏岩。

3.主要寶石的組成元素

　　寶石原文jewel,jewelry或Gemstone或Precious Stone或Noble Gem，在西方的含義通常包括1.堅硬,永恆(另稱耐久性)，硬度8以上，常溫下穩定不與酸鹼作用。2.純淨,美麗。3.天然,稀少,需求。按此要求只有四種礦物是屬於寶石，也就是鑽石,紅寶石,藍寶石和綠寶石。但是習慣上也會將硬度8以上的拓帕石,海藍寶,金綠寶石,尖晶石...以及硬度7上下的美麗石頭如翡翠,蛋白石,電氣石,石榴石,橄欖石...，當成寶石一起討論。所以硬度是寶石很重要的要件，按此寶石的組成元素其原子序必然不會太大(只有鋯石等稍大)，因為硬度與結構及當中的化學鍵強弱有關，而離子半徑小,電荷多的組成的鍵較強，例如Li+>Na+>K+..，Be2+>Mg2+>Ca2+..，以及Al3+>Mg2+>Na+等等；這在結構相似的礦物中可以看出，例如8矽鈹石Phenakite Be2SiO4 >7鎂橄欖石Forsterite Mg2SiO4 > 6.5錳橄欖石Tephroite Mn2SiO4 > 5.5矽鋅礦Willemite Zn2SiO4，又如9剛玉Corundum Al2O3 > 8.5金綠寶石Chrysoberyl BeAl2O4 > 8尖晶石Spinel MgAl2O4 > 7.5鐵尖晶石Hercynite Fe2+Al2O4。　　因此吾人可以歸納出與SiO2作用的對象如Al2O3,BeO,B2O3等少數成分再加上結構也不錯時，硬度才會大於7，如果對象是MgO或Li2O，則比7大一些或是相若，主要成分其他時如Na+,Ca2+...則會比原來水晶SiO2的7還小。這說明雖然矽酸鹽礦物一千多種，但是可以用於製成寶石的也只有數十種。

4.主要寶石的成分與形成環境

名稱　　成分　礦物分類致(自)色元素母岩

鑽石　　 C 　　元素　　 N,B　　　慶伯利岩..

剛玉 Al2O3 氧化物 Cr,Ti,Fe.. 結晶石灰岩

尖晶石 MgAl2O4 氧化物 Cr,Co.... 結晶石灰岩

綠柱石 Be3Al2(SiO3)6 矽酸鹽 Cr,V.Fe,Mn.. 花崗岩礦脈

拓帕石 Al2SiO4(OH,F)2 矽酸鹽 Cr... 〞

電氣石XR₃Al₆B₃Si₆O₂₇(OH)₄矽硼酸岩 Fe,Cr,Co,Mn,Cu 〞

石榴石 A2B3(SiO4)3 矽酸鹽 (Fe,Cr,V,Mn) 〞

橄欖石 (Mg,Fe)2SiO4 矽酸鹽 (Fe) 捕獲岩,礦脈

蛋白石 SiO2‧nH2O 水合氧化物變質砂岩..

閃玉 Ca2Mg5Si8O22(OH)2 矽酸鹽 Cr,Ni... 變質岩接觸帶

輝玉 NaAlSi2O6 矽酸鹽 Cr,Ni,Fe.. 〞

二.寶石形成的一般要件

1.溫度與壓力:以鑽石形成為例。

圖四:Graphite Crystal Lake, Kinmount,Ontario

壓力、溫度不足下，碳元素以石墨狀態存在。

圖五:Diamond In Kimberlite Mengyin, Shandong,China

壓力大於5萬atm，溫度超過1300℃以上，碳則會漸漸轉變為鑽石。如果環境是在地球，則是要在深度達120Km以上含有碳的地函，才符合這個條件。

2.同樣元素在熱水礦脈中，因為溫度以及酸鹼度不同產生不同礦物。以綠柱石為例。

圖六:Roscherite on Rose Quartz 水磷鈹錳石

Ca(Mn++,Fe++)5Be4(PO4)6(OH)4•6(H2O)

Lavra da Liha，Brazil

含Be2+溫度不高，最初酸性後轉中性環境，產生水磷鈹錳石。

圖七:Emerald 綠寶石(祖母綠)

Be3Al2(SiO3)6

Muzo，Colobia

持續高溫且鹼性的環境才能產生綠寶石。

3.火成岩及其變質岩中的含眾多雜質，產生的寶石礦物，晶體很美但不是寶石級的。以剛玉為例。

在若干火成岩與沉積岩的變質岩中都能找到剛玉的蹤跡，然而在火成岩的變質岩中因雜質無法排除，如上圖在河北(上)與印度(下)的剛玉，晶形很美，但不是寶石級的。

4.水的作用是排除雜質的方法，但是無法適用在剛玉，因為有水的環境會產生一水鋁石AlO(OH)與三水鋁石Al(OH)3而不是剛玉Al2O3。

5.適當的雜質，也是必須，缺乏雜質，許多寶石變成無色透明。

圖十二:Tourmaline ；Suao, Taiwan.台灣本島沒有花崗岩，而是以沉積岩地層為主，所以寶石礦物較少；在蘇澳有最接近的偉晶岩，但因雜質未排除其中的電氣石是黑色的。

圖十三:Pollucite & Achroite ；La Speranza, Tuscany, Italy。義大利該地的花崗岩原本就很少重元素，經熱水作用產生無色的電氣石Achroite。

6.變質岩作用能產生寶石礦物，但是母岩的雜質如果太多，則會降低寶石的等級。以石榴石為例。

圖十四:台灣花蓮瑞穗鄉藍閃石片岩中大量的鈣鋁榴石 Grossalar

圖十五:晶體大小可以超過1cm (晶礦屋小寶贈)

三.火成岩中形成的寶石

1.鑽石；劇烈的火山活動，將深度120Km以上的地函含有鑽石的物質帶至地表，這類物質以慶伯利岩Kimberlite為代表，而Kimberlite另一個學名是黑雲母橄欖岩或角礫雲母橄欖岩。

圖十六~二十:第四張圖岩漿庫下方岩漿流非管狀，而是如第三張圖氣泡狀。

　　隱沒地殼(除石灰岩外)以石英最先熔化(壓力增加熔點下降)，密度遠比地函小，以氣泡狀上升聚集成岩漿，岩漿聚集多時成為岩漿庫，受地函向上之浮力，使地殼稍微向上隆起，因板塊擠壓應力之作用，地層破裂，岩漿噴出形成火山。若地函向上浮力甚大快噴完岩漿時，地函物質也被往上帶，這些物質因密度較大沒有噴出，堵在火山岩漿通道，最後凝固。慶伯利岩便是這型物質的代表之一。