Ch1–2 地球物質簡介與固體地球的物質
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這章在回答:組成地球的元素從哪裡來?地球怎麼分層?「礦物」到底怎麼定義、怎麼分類,地殼主要由哪些礦物組成?礦物和岩石是什麼關係?
考前 30 秒
- 宇宙年齡 138 億年(2013 年 CMB 量測);太陽系(CAI 定年)45.68 億年(4568 Ma);最老的鋯石約 44 億年、最老的岩石約 38–40 億年。
- 大霹靂核合成只做出 H 和 He;比 He 重到 Fe 的在恆星核融合中產生,比 Fe 重的主要在超新星爆炸(和中子星合併)中產生。
- 地函過渡帶:410 km 橄欖石 → 瓦茲利石(β)、525 km → 林伍德石(γ)、660 km → 布里奇曼石 + 方鎂石。
- 地溫梯度平均 25 °C/km(10–60 都有);地壓梯度約 30 MPa/km。
- 礦物五條件:天然、無機、固體、規則原子排列、一定(但不必固定)的化學成分。★ 每年必考名詞解釋。
- 依陰離子分類;地殼 92 % 是矽酸鹽,長石 + 石英 + 輝石 ≈ 75 %。矽酸鹽六種結構:島狀、雙島狀、環狀、鏈狀、層狀、架狀。
- 礦物演化(Hazen 2008):三個時期、十個階段,礦物種類從十幾種增加到約六千種;最大躍增是大氧化事件。
先認識的名詞
| 名詞 | English | 一句話 |
|---|---|---|
| 大霹靂核合成 | Big Bang nucleosynthesis (BBN) | 宇宙最初幾分鐘產生 H、He(和微量 Li) |
| 星雲假說 | nebular hypothesis | 恆星與行星由氣體塵埃組成的星雲重力塌縮形成 |
| 富鈣鋁包體 | calcium-aluminum-rich inclusion (CAI) | 球粒隕石中最早凝結的物質,用來定太陽系年齡 |
| 球粒 | chondrule | 球粒隕石中毫米級、曾經熔融的矽酸鹽小球 |
| 吸積 | accretion | 小天體碰撞聚合成行星 |
| 地溫梯度 | geothermal gradient | 溫度隨深度增加的速率 |
| 礦物 | mineral | 天然、無機、固體、原子規則排列、化學成分一定的物質 |
| 同質異形體 | polymorph | 化學成分相同、結構不同的礦物(鑽石/石墨) |
| 晶體 | crystal | 被平整晶面包圍、外形反映內部規則排列的固體 |
| 結晶質/非晶質 | crystalline / amorphous | 原子三維規則重複排列/沒有長程規則(黑曜岩、玻璃) |
| 自形/半自形/他形 | euhedral / subhedral / anhedral | 晶面完整/部分/沒有晶面 |
| 岩石 | rock | 天然產出、固結的礦物集合體 |
| 組織 | texture | 單一礦物顆粒彼此怎麼共生(粒徑、形狀、排列) |
| 構造 | structure | 較大尺度的特徵,如成分分層、球狀構造 |
| 礦物演化 | mineral evolution | 地球礦物種類隨地質歷史逐步增加的概念 |
這一章的邏輯地圖
★ = 考試重點。
1. 元素的起源
- 大霹靂(138 億年前):最初幾分鐘的大霹靂核合成(BBN)只做出 H 和 He(質量比約 3:1),以及極少量的 Li。
- 恆星:小質量恆星(像太陽)把 H 燒成 He、再燒成 C、O,最後核心塌縮成白矮星,外層形成行星狀星雲。大質量恆星一路燒到 Fe,核心塌縮成中子星或黑洞,並發生超新星爆炸(例:仙后座 A 殘骸)。
- 為什麼停在 Fe? 看核結合能:每個核子的結合能在 ⁵⁶Fe 附近最大,最穩定。比 Fe 輕的核融合會放能量;要做出比 Fe 重的元素反而要吸收能量,所以要靠超新星爆炸時的大量中子捕獲。
- 太陽系的元素豐度:H、He 最多;Li、Be、B 特別少(恆星裡會被燒掉);Fe 附近有一個高峰;偶數原子序比相鄰奇數多。
自我檢測 1
- 大霹靂核合成做出哪些元素?
- 為什麼恆星核融合只能做到 Fe?比 Fe 重的元素從哪裡來?
- 小質量和大質量恆星的結局各是什麼?
答案:(1) H 和 He(約 3:1),以及極少量的 Li。(2) Fe 附近每核子結合能最大、最穩定,再融合下去要吸收能量;比 Fe 重的元素主要在超新星爆炸(和中子星合併)時靠快速中子捕獲產生。(3) 小質量:核心塌縮成白矮星,外層成為行星狀星雲;大質量:核心塌縮成中子星或黑洞,並發生超新星爆炸。
2. 太陽系與地球的形成
從星雲到太陽系
星雲假說:恆星形成於由氣體和塵埃組成的星雲中,星雲在重力下塌縮,中心形成高溫高密度的核心,點燃核融合,成為恆星;周圍物質形成旋轉的原行星盤,行星在其中形成。內側的類地行星由較重的造岩元素(Si、O、Mg、Fe)組成;外側的氣體巨星主要由較輕的冰、CO₂、氨和甲烷組成。
隕石與太陽系的年齡 ★
| 類型 | 說明 |
|---|---|
| 石隕石:球粒隕石 chondrite | 未分異,保存太陽星雲最原始的物質;含球粒、CAI |
| 石隕石:非球粒隕石 achondrite | 分異過的天體碎片,常為玄武岩質 |
| 鐵隕石 iron | 分異天體的金屬核 |
| 石鐵隕石 stony-iron | 金屬和矽酸鹽混合,推測來自分異天體的核–函交界 |
CV 球粒隕石中的**富鈣鋁包體(CAI)**是太陽星雲最早凝結的固體,定年得到 4568 Ma = 45.68 億年(Bouvier & Wadhwa 2010),就是太陽系(也常當地球)的年齡。考古題「根據 CV 球粒隕石中 CAI 的定年得知地球年齡約 ___ 億年(兩位小數)」答 45.68。
地球的早期歷史
- 地球由太陽系原始物質吸積形成,吸積物質的動能變成內部熱能;約 45–38 億年間大量隕石撞擊(晚期重轟炸)也提供熱,約 44.5 億年前一次大撞擊撞出月球。
- 其他熱源:放射性元素衰變(早期尤其是短半衰期的 Hf–W 系統)、熔融的鐵鎳。
- 分層:地核在吸積後約 3000 萬年就形成。鐵鎳下沉成核,較輕的物質上升靠近地表,對流和輻射冷卻加速。
- 最老的地球物質:西澳 Jack Hills 的鋯石(ZrSiO₄)約 44 億年,代表那時已有大陸地殼;最老的岩石約 38–40 億年。
地球內部與地函過渡帶 ★
地溫與熱流
- 地溫梯度平均約 25 °C/km,實際從 10 到 60 °C/km 都有。岩石熱傳導係數約 2 W/m·K(0.005 cal/cm·s·°C),用 25 °C/km 算出的熱流約 50 mW/m²。
- 全球熱流圖(超過 24000 口井):張裂型板塊邊界只占全球面積 30 %,卻占熱流失的 50 %。
- Kelvin 的地球年齡:假設地球最初 3900 °C 完全熔融、整體是固體、沒有其他熱源,冷卻到現在約需 2000–4000 萬年。錯在他不知道放射性衰變(和地函對流)一直在產生、搬運熱。
- 台灣:四磺子坪地熱發電廠(大屯火山),野外有去。
自我檢測 2
- 太陽系的年齡是多少?用什麼物質、哪一類隕石定出來的?
- 早期地球的熱有哪些來源?
- 410、525、660 km 各發生什麼相變?
- Kelvin 估計的地球年齡為什麼太小?
答案:(1) 45.68 億年(4568 Ma),用 CV 球粒隕石中的富鈣鋁包體(CAI)定年。(2) 吸積的動能、隕石撞擊(晚期重轟炸、形成月球的大撞擊)、放射性元素衰變、鐵鎳核形成釋放的重力位能與熔融鐵鎳的熱。(3) 410 km 鎂橄欖石(α)→ 瓦茲利石(β);525 km → 林伍德石(γ);660 km → 布里奇曼石 MgSiO₃ + 方鎂石 MgO。(4) 他假設沒有額外熱源、地球是固體,沒考慮放射性衰變產熱(和液態核心、地函對流)。
3. 礦物的定義與分類 ★
定義:五個條件
- 自然形成(occurs in nature):人造寶石、合成石榴子石(YAG)不算。
- 無機作用生成(inorganic origin):投影片的思考題——硫酸還原菌作用的黃鐵礦化(Fe²⁺ + H₂S → FeS + 2H⁺)算不算?產物和無機形成的完全一樣,現在的定義(Nickel 1995:「由地質作用形成」)傾向算礦物;生物的殼(方解石、霰石)也常被接受。
- 固態:液態的水、汞不算;冰算。
- 具有規則原子排列的晶體結構:黑曜岩(火山玻璃)不算(非晶質)。
- 一定且均勻的化學成分:可以在一定範圍內變化(固溶體),所以寫成 (Mg,Fe)₂SiO₄。
Dana (1922):「由無機自然作用產生、具有一定化學成分,在有利條件下有特定分子結構,並表現在晶形與其他物理性質上的物體。」Nickel (1995):「通常為結晶質、由地質作用形成的元素或化合物。」
作答模板(名詞解釋 Minerals):寫出五個條件,各舉一個不符合的反例,再加一句「截至 2024 年 3 月,國際礦物協會(IMA)認證的礦物約 6036 種」。
依晶體結構分:六大晶系
等軸、六方、正方、斜方、單斜、三斜(Ch5 詳述)。
依化學組成分:看主要陰離子
| 類別 | 陰離子 | 例子 |
|---|---|---|
| 自然元素 native elements | — | 金 Au、鑽石/石墨 C |
| 矽酸鹽 silicates | SiO₄⁴⁻ | 橄欖石 (Mg,Fe)₂SiO₄ |
| 碳酸鹽 carbonates | CO₃²⁻ | 方解石 CaCO₃ |
| 磷酸鹽 phosphates | PO₄³⁻ | 磷灰石 Ca₅(PO₄)₃(F,Cl,OH) |
| 硫酸鹽 sulfates | SO₄²⁻ | 石膏 CaSO₄·2H₂O |
| 硫鹽 sulfosalts | 部分 S 被 As、Sb、Bi 取代 | 硫砷銅礦 Cu₃AsS₄(AmBnXp:A = Cu、Ag、Pb;B = As、Sb、Bi;X = S) |
| 硫化物 sulfides | S²⁻ | 黃鐵礦 FeS₂ |
| 氧化物 oxides | O²⁻ | 剛玉 Al₂O₃ |
| 鹵化物 halides | F⁻、Cl⁻、Br⁻、I⁻ | 岩鹽 NaCl |
地殼的主要礦物 ★
矽酸鹽的六種結構
| 結構 | 四面體怎麼連 | Si:O | 例子 |
|---|---|---|---|
| 島狀 nesosilicates | 獨立 | 1:4 | 橄欖石、石榴子石、鋯石、藍晶石 |
| 雙島狀 sorosilicates | 兩個共一角 | 2:7 | 綠簾石、符山石 |
| 環狀 cyclosilicates | 環 | 1:3 | 綠柱石、電氣石、堇青石 |
| 鏈狀 inosilicates | 單鏈/雙鏈 | 1:3/4:11 | 輝石/角閃石 |
| 層狀 phyllosilicates | 片 | 2:5 | 雲母、滑石、蛇紋石、綠泥石、黏土 |
| 架狀 tectosilicates | 三維網 | 1:2 | 石英、長石 |
投影片的礦物例子
| 礦物 | 化學式 | 類別 | 晶系 | 產狀 |
|---|---|---|---|---|
| 岩鹽 halite | NaCl | 鹵化物 | 等軸 | 海水蒸發的沉積岩(蒸發岩,和石膏、方解石一起) |
| 石英 quartz | SiO₂ | 架狀 | 三方(α 石英) | 多數來自岩漿結晶;變種:紫水晶、黃水晶、煙水晶、玉髓、瑪瑙、碧玉、砂金石 |
| 滑石 talc | Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂ | 層狀 | 單斜 | 變質岩中 Mg 礦物(蛇紋石)碳酸化 |
| 纖蛇紋石 chrysotile | Mg₃Si₂O₅(OH)₄ | 層狀 | 單斜 | 蛇紋岩受熱液換質;石綿之一 |
| 石榴子石 garnet | X₃Y₂(SiO₄)₃ | 島狀 | 等軸 | 多為高溫高壓變質岩 |
- 石綿(asbestos)六種:溫石綿(纖蛇紋石)、鐵石綿、青石綿、陽起石、直閃石、透閃石——一種蛇紋石 + 五種角閃石。
- 石榴子石族:X = Ca、Mg、Fe、Mn;Y = Al³⁺、Fe³⁺、Cr³⁺。鋁榴石族 pyralspite:鎂鋁(pyrope)、鐵鋁(almandine)、錳鋁(spessartine);鈣榴石族 ugrandite:鈣鉻(uvarovite)、鈣鋁(grossular)、鈣鐵(andradite)。人工合成的 YAG、GGG、LuAG 用柴可夫斯基法(Czochralski)拉晶,不是礦物。
自我檢測 3
- 寫出礦物的五個條件,各舉一個不符合的例子。
- 礦物依什麼分類?舉出五類各一個例子。
- 地殼中最多的礦物是什麼?組成地殼的三種主要礦物?
- 矽酸鹽六種結構各舉一例。
- 石綿包含哪幾種礦物?
答案:(1) 天然(人造紅寶石、YAG ✗)、無機(爭議:生物沉澱的方解石、黃鐵礦化)、固體(液態水、汞 ✗)、規則原子排列(黑曜岩、玻璃 ✗)、一定且均勻的化學成分(可在固溶體範圍內變化)。(2) 依主要陰離子(或陰離子團):自然元素(金)、矽酸鹽(橄欖石)、碳酸鹽(方解石)、硫化物(黃鐵礦)、氧化物(剛玉)、鹵化物(岩鹽)、硫酸鹽(石膏)、磷酸鹽(磷灰石)。(3) 長石(斜長石 39 % + 鹼性長石 12 % ≈ 51 %);三種主要礦物是長石、石英、輝石,合計約 75 %。(4) 島狀:橄欖石;雙島狀:綠簾石;環狀:綠柱石;鏈狀:輝石、角閃石;層狀:雲母;架狀:石英、長石。(5) 溫石綿(纖蛇紋石)、鐵石綿、青石綿、陽起石、直閃石、透閃石。
4. 礦物演化與命名 ★
礦物演化(Mineral Evolution)的基本概念:地球(和其他行星)的礦物種類、豐度和分布,會隨著地質與生物事件不可逆地增加與改變。原因是新的作用(分異、部分熔融、板塊、生命、氧氣)會把元素集中、創造新的溫壓與化學環境,讓原本不可能出現的礦物得以形成。
| 時期 | 階段 | 年代 |
|---|---|---|
| 原行星盤吸積時期 | 0 恆星形成前的礦物 | > 46 億年 |
| 1 原始球粒隕石礦物 | > 45.6 億年 | |
| 2 微行星體的換質與分異 | 45.6–45.5 億年 | |
| 地殼與地函改造時期 | 3 火成岩演化 | 45.5–40 億年 |
| 4 花崗岩形成 | 40–35 億年 | |
| 5 板塊作用 | > 30 億年 | |
| 6 無氧生物世界 | 39–25 億年 | |
| 生物介導礦物作用時期 | 7 古元古代大氣變遷(大氧化事件) | 25–19 億年 |
| 8 過渡型海洋環境 | 19–10 億年 | |
| 9 新元古代地球化學變遷 | 10–5.42 億年 | |
| 10 顯生宙 | 5.42 億年至今 |
【例題 ★ 2025 期中 C1,8 分】說明礦物演化的基本概念,並以一個時期為例說明主導的地質事件與一種代表性礦物。
解(參考作答):礦物演化是指地球上的礦物種類隨時間逐步增加:太陽系形成前只有十幾種,隨著行星分異、部分熔融、板塊運動、生命出現與大氣氧化,元素被集中、出現新的溫壓與氧化還原環境,目前約有六千種礦物(Hazen et al. 2008)。例:第 7 期古元古代大氣變遷(25–19 億年前)——光合作用生物使大氣氧含量上升(大氧化事件),原本以還原態存在的 Fe、Mn、Cu、U 等被氧化,出現上千種新的氧化物與氫氧化物、硫酸鹽,例如赤鐵礦(Fe₂O₃,條帶狀鐵礦層)、孔雀石、藍銅礦。(也可選第 4 期花崗岩形成:重複部分熔融使不相容元素集中,形成偉晶岩中的綠柱石、鋰雲母;或第 10 期顯生宙:生物礦化產生方解石、霰石的殼與骨骼。)
人為礦物:人類活動也產生新的「礦物」,例如博物館標本盒中的 calclacite Ca(CH₃COO)Cl·5H₂O、古代爐渣與海水反應的 fiedlerite Pb₃FCl₄(OH)·H₂O。
命名
很多名字在科學工具出現前就有了(quartz、feldspar、garnet)。命名很雜:物理性質、化學成分、地名、人名、礦物學家。自 1959 年起由國際礦物協會(IMA)的新礦物委員會負責(現為 CNMNC)。
| 礦物 | 化學式 | 命名依據 |
|---|---|---|
| 霰石 aragonite | CaCO₃ | 地名:西班牙 Aragon |
| 輝鉬礦 molybdenite | MoS₂ | 唯一的陽離子 Mo |
| 六方鉀霞石 kalsilite | KAlSiO₄ | 所有陽離子 K、Al、Si |
| 矽線石 sillimanite | Al₂SiO₅ | 人名:耶魯大學 Benjamin Silliman |
北投石(hokutolite):(Ba,Pb)SO₄,富 Pb²⁺ 的重晶石置換式固溶體;1905 年由岡本要八郎發現,是唯一以台灣地名命名的礦物;富含鐳-226,北投地熱谷現地輻射劑量最高約 0.34 μSv/h。
自我檢測 4
- 礦物演化的三個時期是什麼?
- 大氧化事件對礦物種類有什麼影響?舉一個代表礦物。
- 礦物的命名可以依據哪些?各舉一例。
- 北投石的化學式是什麼?是什麼的固溶體?
答案:(1) 原行星盤吸積時期、地殼與地函改造時期、生物介導礦物作用時期。(2) 大氣氧含量上升,使 Fe、Mn、Cu、U 等被氧化,出現上千種新的氧化物、氫氧化物、硫酸鹽,例如赤鐵礦、孔雀石。(3) 地名(霰石 Aragon)、成分(輝鉬礦、六方鉀霞石)、人名(矽線石 Silliman)、物理性質(顏色、晶形)。(4) (Ba,Pb)SO₄,富 Pb 的重晶石置換式固溶體。
5. 晶體、結晶質與岩石
晶體與晶形
- 晶體:外形被平整晶面包圍的結晶質固體;外形是內部規則原子排列的外在表現。
- 晶面發展好壞:自形、半自形、他形(例:偏光顯微鏡下的鋯石)。
- 結晶質(crystalline):原子三維規則重複排列,例如石英 SiO₂;非晶質(amorphous):沒有長程規則,例如黑曜岩 SiO₂。成分一樣,結構不同。★(2024 名詞解釋 Amorphous solid)
- 絕大多數礦物顆粒都 < 1 cm 而且形狀不規則;漂亮的標本大多來自礦脈(尤其有孔洞 vug 時)或偉晶岩(顆粒 > 1 cm,出產綠柱石、鋰雲母等寶石,例:加州 Little Three mine 的細晶岩–偉晶岩岩脈、文象微斜長石)。
- 澎湖文石:低溫(20–68 °C)下在玄武岩孔洞中沉澱的霰石、菱鐵礦等。
岩石
- 岩石:天然產出、固結的礦物混合物。礦物都由少數元素組成,地球上很難有一處成分剛好只形成一種礦物,所以通常形成多種礦物的集合 = 岩石(例:花崗岩 = 正長石 + 斜長石 + 石英 + 黑雲母/輝石)。
- 組織(texture):顆粒彼此怎麼共生(例:玄武岩的輝綠組織,斜長石長條被輝石包住);構造(structure):較大尺度、礦物分布不均勻(例:花崗岩的球狀構造、成分分層)。
- 三大岩類:岩石部分熔融成岩漿,冷卻成火成岩;地殼淺部多為沉積岩,由風化侵蝕的沉積物構成,多堆積在海洋;板塊把岩石帶到不同溫壓,礦物朝新的平衡轉變 → 變質岩。
- 板塊與岩石:張裂盆地的洪流玄武岩(華盛頓 Palouse Falls)、Cyprus 的枕狀玄武岩(古地中海海床)、隱沒帶釋出的水讓地函楔熔融形成火山(智利 Osorno)。
- 三種代表岩石:玄武岩(Kilauea Iki 熔岩湖:橄欖石斑晶 + 褐色輝石 + 黑色鈦鐵礦,斑晶中有更早結晶、富 Cr 的尖晶石)、砂岩(次圓石英顆粒,被黏土和石英膠結)、片岩(泥質岩變質,雲母垂直受力方向排列成葉理)。
自我檢測 5
- 結晶質與非晶質的差別?各舉一例。
- 為什麼漂亮的礦物標本多來自礦脈和偉晶岩?
- 岩石的組織和構造有什麼不同?
- 三大岩類分別怎麼形成?
答案:(1) 結晶質原子三維規則重複排列(石英);非晶質沒有長程規則(黑曜岩、玻璃),兩者成分可以相同。(2) 礦脈的孔洞、偉晶岩的富揮發份熔體讓晶體有自由空間和充足時間慢慢長大,才能長出自形大晶體。(3) 組織是顆粒尺度的共生關係(粒徑、形狀、排列);構造是較大尺度的不均勻分布(分層、球狀)。(4) 火成岩:岩漿冷卻凝固;沉積岩:風化侵蝕的沉積物堆積、岩化;變質岩:既有岩石在高溫高壓下礦物重新平衡。
容易混淆
| 這個 | 那個 | 差別 |
|---|---|---|
| 宇宙年齡 | 太陽系年齡 | 138 億年(CMB)/45.68 億年(CAI) |
| 最老鋯石 | 最老岩石 | 約 44 億年(礦物顆粒)/約 38–40 億年 |
| 球粒隕石 | 非球粒隕石 | 未分異、含球粒與 CAI/分異過、多為玄武岩質 |
| 礦物 | 似礦物 | 符合五條件/缺規則排列或一定成分(黑曜岩、蛋白石) |
| 晶形 | 晶癖 | 規則幾何外形/一般外觀(含不規則面) |
| 組織 | 構造 | 顆粒尺度/較大尺度 |
| 鋁榴石族 | 鈣榴石族 | Mg、Fe、Mn + Al/Ca + Cr、Al、Fe³⁺ |
| 北投石 | 重晶石 | (Ba,Pb)SO₄(含鐳、富 Pb)/BaSO₄ |
章末綜合題
- 用元素起源和地球分異,解釋為什麼地殼中矽酸鹽占 92 %。
- 2025 期中 C1:說明礦物演化並舉一個時期為例(8 分)。
- 寫出 Minerals 的名詞解釋(3–5 分版本)。
- 410 km 和 660 km 不連續面為什麼是同質異像而不是成分變化?
- 組成地殼的三種主要礦物是什麼?合計約多少 %?