水晶的漫長形成過程

        水晶形成過程主要是在地殼深處，當二氧化矽在高温高壓下達到過飽和狀態，然後在冷卻過程中逐漸結晶而成。 這個過程可能需要數萬年甚至數百萬年，過程中受到地殼運動、火山活動、地層壓力等因素的影響，最終形成不同顏色和種類的水晶。

各種寶石在地球上許多不同的環境中形成。而幾乎所有的寶石都是在地表下形成的。有些是透過採礦帶到地面的，而有些是透過地球活動（斷層、褶皺、大規模隆升、火山活動）帶到地表的。這些過程可以將地表下400多公里處的岩石向上移動。

夏威夷大島上，熔岩從基勞亞火山裂隙最東邊的普奧奧火山口噴出。

PHOTOGRAPH BY JIM SUGAR, GETTY

水晶形成的條件

1. 地質環境：水晶通常在深埋地下的岩漿或熱液中形成，這些環境中含有豐富的二氧化矽。
2. 高温高壓：地殼運動、火山活動等因素會導致高温高壓環境，使二氧化矽在其中達到過飽和狀態。
3. 冷卻結晶：當温度和壓力降低時，過飽和的二氧化矽溶液開始冷卻，其中的二氧化矽分子按照特定的晶體結構排列，形成水晶晶體。
4. 共生現象：在水晶形成過程中，其他礦物質和雜質也可能一同被包覆在水晶中，形成共生礦物，如紫水晶中的鐵離子，煙水晶中的天然輻射。
5. 地殼運動影響：地殼運動、板塊擠壓等作用，會使地層出現裂縫，讓富含礦物質的熱液流動到這些裂縫中，並在冷卻過程中形成水晶。

由地球表面附近的水形成

        地表附近的水與礦物質相互作用並溶解它們。這些溶液維持元素溶解狀態的能力會隨物理條件而改變。如果溶液條件改變（例如溶液冷卻或蒸發），礦物質就會沉澱。一個類似的、常見的過程是海水蒸發形成鹽結晶。

        礦物的形成取決於溶解元素的種類。如果水與富含二氧化矽的岩石（例如砂岩）相互作用，就會形成富含二氧化矽的礦物：

• 富含二氧化矽（SiO2）礦物： 紫水晶（石英）；瑪瑙 ；以及蛋白石的形成 。其中，只有蛋白石是非結晶（有序的凝膠塊，直徑小於一微米）。
• 如果水與富含銅的岩石相互作用，就會形成銅礦物： 含銅礦物： 孔雀石和藍銅礦；或綠松石。

在熱液礦床中形成

        透過岩漿熱液過程形成的寶石與地球表面附近的水中形成的寶石並無不同。這些溶液包括雨水和/或冷卻岩漿體產生的水。當溶液遇到裂縫等開放空間時，寶石就會從溶液中結晶出來。結果，礦脈填補了先前存在的裂縫。

        綠柱石（例如祖母綠）、 電氣石等礦物 需要不尋常的元素，其中一些元素，如鈹（綠柱石）或硼（電氣石）來自冷卻的熔岩（岩漿）。

偉晶岩 (Pegmatite)岩漿

        偉晶岩 (Pegmatite) 是一種非常特別的火成岩，它最主要的特徵是含有異常巨大的礦物晶體，有些晶體甚至可以達到數公尺長。此外，偉晶岩還經常富集稀有元素和寶石級礦物，因此在地質學和經濟上都非常重要。偉晶岩可以被視為岩漿的「精華液」，是在極端富含水和稀有元素的條件下形成的，這解釋了其獨特的巨大晶體和多樣的稀有礦物組成。

偉晶岩的形成

偉晶岩的形成是一個獨特的地質過程，發生在岩漿結晶的最後階段：

1. 岩漿分異： 當岩漿（熔融的岩石物質）從地下深處上升並開始冷卻時，組成岩漿的礦物會依照其熔點高低陸續結晶。首先結晶的礦物通常是像橄欖石、輝石這類較常見的礦物。

2. 殘餘熔漿富集： 隨著這些早期結晶礦物的形成並從岩漿中分離出來，剩餘的熔漿（殘餘熔體）會變得越來越富集於一些揮發性成分（如水、氟、硼、磷、氯等）以及稀有元素（如鋰、鈹、銫、鉭、鈮、錫、稀土元素等）。這些元素之所以會富集，是因為它們難以進入早期結晶礦物的晶體結構中。

3. 水含量高，黏度低： 這種富含揮發性成分的殘餘熔漿，由於其高水含量，具有極低的黏度。低黏度使得其中的離子能夠更自由、更快速地移動。

4. 巨晶生長： 當這種富含揮發物和稀有元素的低黏度熔漿侵入周圍的岩石裂隙或在岩漿房內形成獨立的口袋時，離子可以快速擴散並快速補充到晶體的生長表面。這種條件非常有利於礦物晶體在相對較短的時間內快速且巨大地生長，形成典型的偉晶岩特徵。

偉晶岩的特徵

• 巨大晶體 (Giant Crystals)： 這是偉晶岩最顯著的特徵。晶體尺寸通常大於 2.5 公分（1 英寸），甚至可以達到數公尺長。

• 多樣的礦物組成 (Diverse Mineralogy)：

  • 主要成分： 大多數偉晶岩的組成與花崗岩相似，主要由石英 (Quartz)、長石 (Feldspar) 和雲母 (Mica) 組成。

  • 稀有礦物： 許多偉晶岩，尤其是複雜型偉晶岩，含有其他岩石中罕見的特殊礦物，這些礦物富集了鋰、鈹、銫、鉭、鈮、錫、稀土元素等稀有元素。

• 常見產狀： 偉晶岩常以岩脈、岩牆、岩席或不規則的團塊形式出現在火成岩或變質岩體周圍。

• 內部結構： 許多偉晶岩體會呈現出內部環帶狀構造 (Zoning)，不同區域有不同的礦物組合。有時也會形成開放的晶洞 (Pockets)，為高品質的晶體提供生長空間。

偉晶岩的經濟重要性

偉晶岩是許多重要礦產和寶石的主要來源：

• 稀有金屬：

  • 鋰 (Lithium)： 主要來源於鋰輝石 (Spodumene)、鋰雲母 (Lepidolite) 等。隨著電動車和儲能技術的發展，鋰的需求量巨大。

  • 鈹 (Beryllium)： 主要來源於綠柱石 (Beryl)。

  • 鉭 (Tantalum) 和 鈮 (Niobium)： 主要來源於鉭鐵礦 (Tantalite) 和鈮鐵礦 (Columbite) 系列礦物，廣泛用於電子產品、航空航天等領域。

  • 錫 (Tin)： 主要來源於錫石 (Cassiterite)。

  • 稀土元素 (Rare Earth Elements, REE)： 某些偉晶岩富集稀土元素。

• 寶石： 許多著名的寶石都產自偉晶岩，因為這裡有充足的空間和有利的條件讓它們長成大而完整的晶體。

  • 綠柱石家族： 祖母綠 (Emerald)、海藍寶石 (Aquamarine)。

  • 電氣石家族： 碧璽 (Tourmaline)，尤其是各色寶石級碧璽。

  • 黃玉 (Topaz)。

  • 鋰輝石： 鋰紫玉 (Kunzite)、鋰黃玉 (Hiddenite)。

  • 石榴石 (Garnet)。

  • 水晶 (Quartz)： 包括煙水晶、紫水晶等。

• 工業礦物： 大型且純淨的長石和雲母晶體也具有工業價值，用於陶瓷、玻璃和電子絕緣材料。

岩漿寶石

        有些寶石結晶於岩漿或火山岩的氣泡（孔洞）。例如： 鋯石、 黃玉、 紅寶石等。

變質寶石

        變質岩是受熱、壓力以及與溶液相互作用而改變的岩石。變質環境有多種類型：

• 板塊構造運動創造了以高溫高壓為特徵的變質環境，從而產生了硬玉 （翡翠）。在極為罕見的情況下，變質岩中的壓力甚至可能高到足以形成鑽石。
• 區域變質岩：大量岩石被埋藏，並因壓力和溫度升高而改變。在這些岩石中發現的礦物可能包括石榴石和堇青石等寶石。

        在接觸變質的過程中。這是岩石中的礦物質在接近高溫侵入體時會改變的過程。例如，被岩漿侵入的石灰岩的晶體大小、礦物含量和化學性質會發生顯著變化（這是由於冷卻岩漿釋放的溶液的加入）。這些岩石中會含有石榴石等寶石。

地函中形成的寶石

• 最豐富的上地函礦物是橄欖石。地函物質板塊透過構造活動和火山活動被帶到地表。
• 深地函寶石。金伯利岩 等岩石 是來自地函深處的噴發火山岩，其中蘊藏著鑽石。鑽石由碳構成。碳在地球表面的穩定形態是石墨。石墨轉化為鑽石需要高壓和高溫。因此，幾乎所有鑽石都形成於地球表面下約100英里處。研究表明，它們的形成時間僅限於地球歷史的最初數十億年。鑽石很少在極高溫度和壓力的變質岩中形成。鑽石不是在金伯利岩漿中形成的，而是被岩漿帶到地表的。

沖積寶石礦床：

        岩石透過造山運動被帶到地表後，寶石可能會因風化作用而從岩石中分離出來（有些礦物會溶解，有些會轉化為黏土礦物，有些則保持不變）。這些保持不變的礦物可能會被沖刷到溪流等地，並在河流/海洋作用下濃縮。

• 從沖積礦床中開採出來的寶石由於在河流和海洋中滾動， 通常呈圓形。
• 寶石通常是那些能夠抵抗化學風化的礦物。它們通常集中在河床和海灘沙中，形成所謂的沖積礦床。
• 寶石通常比其他礦物具有更高的比重（密度），因此很容易被困在河床窪地中。這使得它們更加富集，更容易開採。其他貴重且耐用的物質也會透過此過程富集。黃金就是一個眾所周知的例子。

        總而言之，這類寶石並不總是在它們形成的地方被發現，它們也不總是在它們被發現的地方形成！

水晶是由什麼組成的？是什麼將水晶碎片黏合在一起的？

        晶體是由原子組成的。原子的基本構成單位是質子、中子和電子。原子依其質子數在元素週期表中列出並排列（從左到右逐行增加）。您應該認識構成重要寶石並賦予其顏色的元素的名稱和符號。一般來說，寶石中發現的元素是地殼中相對豐富的元素（然而，情況並非總是如此！）。

        上面是地表最常見的元素，可以知道除了氧以外，矽是佔第二，而二氧化矽(石英)就是形成水晶的重要元素。我們以前的化學課會學到，晶體中的元素是怎麼結合在一起的，也就是原子與原子間是如何結合成化合物？
        當原子失去（陽離子）或獲得（陰離子）電子時，就會形成離子。陽離子是帶正電荷的離子；陰離子（帶負電荷的離子）帶電離子。晶體中的原子透過原子鍵結合在一起。 最重要的鍵類型是透過電子交換（離子）或電子共享（共價）形成的。所以我們玩礦礦常常會聽到這個礦是屬於哪一類礦物質？例如：

• 矽酸鹽－富含二氧化矽（Si）的礦物；如紫水晶（石英）、電氣石、綠柱石
• 氧化物- 陰離子是氧（O）；如剛玉（紅寶石和藍寶石）和金紅石
• 碳酸鹽－含有碳和氧（C）；如方解石和文石（珍珠中）
• 硫酸鹽－含硫（S）
• 磷酸鹽- 含磷（P）
• 硼酸鹽- 含硼（B）

水晶晶體的形成

        如果構成物質的原子或離子以規則的方式排列，則 該物質為晶體（即，由於原子在三維
空間中的週期性排列，晶體具有內部有序性）。如果寶石不是晶體， 則稱為非晶態。具有良好發育晶面（外表面）的晶體稱為自形晶體 。自形晶體並不總是具有良好的發育晶面。
        晶體是透過將原子和原子團以規則的模式排列而形成的，例如在立方體或長方體的角落。
確定描述晶體結構的基本原子排列，這稱為晶胞(unit cell)。晶體必須保持電荷平衡。這意味著負電荷的數量必須由等量的正電荷來補償。例如Al 3+和 O 2-：它們化合形成 Al 2 O 3（兩個鋁原子對應三個氧原子）。一定要理解為什麼它不是 AlO （一個鋁原子對應一個氧原子！）
        陽離子和陰離子是如何排列的？由陰離子規則排列在中心陽離子周圍（或中心陽離子與陰離子規則排列）的原子簇稱為配位多面體。配位多面體比單一原子更大。配位排列由陽離子（+）和陰離子（-）的 相對大小決定。這裡如果覺得艱深，可以想像一下，晶體的外部形狀是透過在固定排列中添加原子組（晶胞）而直接增加生長的結果！
        想像一下在不同的排列方式(之前有講過晶格系統，在晶體結構一文中)，使得晶體會有不同的外型，水晶晶格結構系統如立方體、六邊形、四方晶系、正交晶系、單斜晶系、三斜等等。我們舉晶體的例子：矽酸鹽和氧化物礦物

• 矽酸鹽礦物：矽酸鹽具有富含矽四面體的結構，即以Si為中心，周圍環繞四個氧陰離子的四面體。許多矽酸鹽含有矽四面體鍵。這構成了結構的骨架。矽酸鹽礦物根據四面體鍵結的方式 進行分類。此分類系統極端的寶石範例包括：
• 紫水晶（石英，其中每個四面體都與其他四個四面體相連，形成完全交聯的框架）
• 橄欖石（橄欖石，其中矽酸鹽四面體不與任何其他四面體連接
• 氧化物礦物： 簡單的氧化物礦物由金屬和氧組成。例如剛玉（Al2O3）和赤鐵礦（Fe2O3）。它們含有由氧陰離子形成的六配位點（八面體位點）上的金屬（鋁或鐵）。

        水晶在生長環境中，經過漫長時間的冷卻，在溫度很高的環境下，二氧化矽會和礦物質結合，並且在緩慢的降溫過程，形成結晶 (Crystallization)。這個過程即是原子或分子在空間中以一種高度規律、重複且有序的方式排列，形成堅硬固體晶體的物理過程。簡單來說，就是物質從液態（溶液或熔融狀態）或氣態轉變成具有明確幾何形狀的固體（晶體）。

影響水晶晶體形態的因素

        儘管石英的基本晶體結構決定了它傾向於形成六方柱狀晶體，但其最終的晶體慣態（宏觀外形）還會受到多種因素影響：

• 生長空間： 充足的空間讓晶體自由生長，形成完整晶形；空間受限則可能導致不規則或集合體。
• 雜質： 熱液中存在的微量元素（如鐵、錳、鈦、鋁等）會進入晶格，賦予水晶不同的顏色（如紫水晶的紫色來自鐵的絡合物、黃水晶的黃色也與鐵有關、粉晶的粉色可能與鈦、錳或鋁有關）。
• 生長速度： 緩慢而穩定的生長有利於形成大而透明的晶體；快速生長則可能形成小晶體或多個晶體交生。
• 溫度和壓力： 不同的溫壓條件會影響晶體的生長速率和晶面的發育情況。
• 共生礦物： 與其他礦物一起生長時，可能會形成特殊的共生形態，如伴生在方解石或黃鐵礦上。

        總之，水晶晶體的形成是一個複雜的地質過程，它不僅揭示了地球內部的動力學，也為我們帶來了這些美麗且用途廣泛的礦物。