[量子晶選] 石英家族（Quartz Family）

        石英家族（Quartz Family）是以二氧化矽（SiO₂）為主要成分的龐大礦物家族，硬度為7，具玻璃光澤，依結晶程度分為「顯晶質」（肉眼可見結晶，如水晶）與「隱晶質」（顆粒極細，如瑪瑙）兩大類。常見成員包括白水晶、紫水晶、黃水晶、煙水晶、粉晶、髮晶、瑪瑙、玉髓、碧玉等，顏色多變，常因微量金屬離子（如鐵、鈦、鋁）而呈現不同色澤。

        石英家族是地球上地殼中含量非常豐富的礦物（僅次於長石家族），在工業與裝飾領域皆有廣泛應用。

地殼主要造岩礦物排名

        石英是地球地殼中分佈最廣、變化最多的礦物家族。如果我們從地殼（Crust）的角度來看，礦物的豐富度排名確實很有趣。以下是地殼中含量最豐富的主要礦物家族排名：

排名	礦物家族	估計體積佔比 (%)	備註
1	長石家族 (Feldspars)	~58%	包含斜長石與正長石，是地殼最主要的成分。
2	石英家族 (Quartz)	~12%	化學式為SiO2，在酸性火成岩（如花崗岩）中含量極高。
3	輝石家族 (Pyroxenes)	~11%	常見於基性岩（如玄武岩）中。
4	雲母家族 (Micas)	~5%	包含黑雲母與白雲母，具有顯著的片狀解理。
5	角閃石家族 (Amphiboles)	~5%	結構複雜的矽酸鹽礦物。
6	粘土礦物 (Clay Minerals)	~4%	由其他矽酸鹽礦物風化而成。
7	其他礦物	~5%	包含橄欖石、方解石、磁鐵礦等。

關於整個地球（含地函與地核）

        如果是整個地球（而不僅僅是地殼），上述排名會發生巨大變化(地殼僅佔地球質量約 1%。)。因為地核主要由鐵和鎳組成，而佔地球體積最大的地函主要由高壓矽酸鹽組成：

• 橋曼石 (Bridgmanite)： 矽酸鎂鐵 (𝑀𝑔,𝐹𝑒)𝑆𝑖𝑂₃，具有鈣鈦礦結構。這是整個地球中含量最多的礦物（佔地球體積約 38%），存在於下地函。 在地函的高壓環境下，地殼常見的矽酸鹽（如石英）無法穩定存在，其原子結構會塌陷擠壓成更緻密的橋曼石。

• 鐵鎂橄欖石 (Ferropericlase)：鎂與鐵的氧化物(Mg,Fe)O。排名第二約佔整個地球體積的 16% - 18%（主要在地函下部）

• 橄欖石 (Olivine)： (𝑀𝑔,𝐹𝑒)₂𝑆𝑖𝑂₄，若考慮整個地球，排名靠前，但在地函深處會轉變為瓦茲利石（Wadsleyite）或林伍德石（Ringwoodite）。

PS. 如果以化學元素來說，在整個地球的化學組成中，氧 (O) 和 矽 (Si) 雖然很多，但 鐵 (Fe) 才是重量佔比最高的元素，因為地核是一個巨大的鐵球。  

石英家族的兩大支系

        雖然其基本化學成分都是單純的二氧化矽（SiO₂），但由於生長環境、微量元素及物理結構的差異，演化出了兩大截然不同的支系。

        我們可以將石英家族分為：顯晶質（大晶體）與隱晶質（微晶/瑪瑙）。

• 顯晶質石英 (Macrocrystalline Quartz)

這類石英擁有肉眼清晰可見的晶體，通常呈現典型的六方柱狀。

種類	致色原因 / 特徵	物理特性
白水晶 (Clear Quartz)	純淨無雜質。	最純粹的 SiO2，常作為能量與壓電材料。
紫水晶 (Amethyst)	鐵離子(Fe3+) + 自然輻射。	遇高溫會褪色或轉變為黃色。
黃水晶 (Citrine)	微量鐵元素。	天然極稀有，市售多為紫水晶燒製而成。
煙水晶 (Smoky Quartz)	鋁元素雜質 + 輻射致色。	顏色從淺灰色到深黑色（墨晶）。
粉晶 (Rose Quartz)	含有微量鈦、錳或細微的矽線石包裹體。	通常呈塊狀，極少見到完整的單晶。
髮晶/鈦晶 (Rutilated Quartz)	內部包裹了金紅石 (TiO2) 或其他針狀礦物。	具有強烈的金屬光澤包裹體。
紫黃晶 (Ametrine)	紫水晶與黃水晶生長在同一晶體中。

• 隱晶質石英 (Cryptocrystalline / Chalcedony)

這類石英由極其微小的纖維狀晶體組成，肉眼看不見單一晶體，呈現塊狀或結核狀。

• 玉髓 (Chalcedony)

指單一顏色、半透明至不透明的隱晶質石英。

• 藍玉髓（臺灣藍寶）： 含有微量銅元素，呈現湛藍色。

• 紅玉髓 (Carnelian)： 含有氧化鐵，呈現橘紅色。

• 綠玉髓 (Chrysoprase)： 含有鎳元素，呈現類似翡翠的翠綠色。

• 瑪瑙 (Agate)

• 具有帶狀構造（條紋）的玉髓。
• 其條紋是由於地下熱液週期性填充岩石空洞，分層沈積而成。
• 碧玉 (Jasper)

含有大量雜質（高達 20% 以上的黏土或氧化鐵），導致完全不透明，色彩斑斕。

 

石英家族的「變體」與特殊現象

• 貓眼與星光效應： 當石英中含有平行排列的纖維狀包裹體（如青石棉），會形成虎眼石 (Tiger's Eye) 或鷹眼石。

• 幻影水晶 (Phantom Quartz)： 水晶生長過程中一度停止，表面覆蓋了綠泥石等礦物，隨後繼續生長，將先前的「自己的影子」封存其中。

• 骸骨結構：因環境過飽和導致晶體邊緣快速生長，留下中空窗格的特殊形態。

 

核心物理性質總結

• 化學組成：SiO₂(二氧化矽)

• 晶系： 屬於三方晶系（Trigonal system）。典型的單晶呈現六方柱狀，頂端通常由兩組菱面體組合成六面錐體。

• 顏色： 純石英無色，因含微量雜質而呈現豐富色彩，無色、紫色、玫瑰色、紅色、黑色、黃色、棕色、綠色、藍色、橙色等。。

• 透明度： 從完全透明（白水晶）到完全不透明（碧玉）均有。

• 硬度： 摩氏硬度 7（家族標竿）。石英是摩氏硬度計（Mohs Scale）上的標竿礦物。雖然硬度高（耐刮），但石英的韌性中等，受到強力撞擊時仍會碎裂。

• 比重：約 2.65  (10³ kg/m³)

• 光澤：具有強烈的玻璃光澤（Vitreous）；但在斷口處有時呈現油脂光澤。

• 折射率： 約為 1.544 - 1.553。它具有雙折射（Birefringence）現象，雖然不如方解石明顯，但在精密儀器下可觀察到光線透過晶體後的偏振與分解。

• 解理： 無解理（受力呈現貝殼狀斷口）。當石英破碎時，斷面會呈現出類似貝殼的圓弧狀紋路，邊緣非常鋒利。這是因為石英的矽氧鍵結（Si-O）在各個方向的強度近乎一致。

• 壓電效應： 施加壓力會產生電荷；反之，若施加交流電，晶體則會產生高頻且穩定的震盪。這是石英鐘錶與電子元件的核心原理。

• 化學穩定性： 極其穩定，僅溶於氫氟酸 (HF)。不輕易與酸鹼反應，也不容易風化。

• 熱學特徵與相變：導熱性較差，劇烈加熱會導致其內部應力不均而炸裂。在 573°C 時，石英會發生從低溫 alpha-石英 到高溫 beta-石英 的位移型相變，晶格對稱性提高，體積發生突變。

• 石英的空間群：P3₂21（右晶體），P3₁21（左晶體），在結晶學中，空間群（Space Group）是描述其內部原子在三維空間中對稱排列方式的嚴謹代號。

• 熔點：1723 至 1750°C（相變溫度為 573°C）

石英的相變化

        石英（SiO₂）的相變化是地質學與材料科學中非常經典的研究課題。石英並非只有一種形態，隨著溫度與壓力的改變，它的原子排列方式（晶體結構）會發生多次轉換。

        石英的相變主要可以分為兩類：「位移型相變」（快速、可逆）與「重建型相變」（緩慢、需打破化學鍵）。

• alpha-beta 石英（α-β Quartz）相變（最著名的位移型相變）

這是我們在討論水晶受熱炸裂時最常提到的現象。

• 相變溫度： 在常壓下為 573°C。
• 過程：
• 低溫 alpha-石英（三方晶系）： 矽氧四面體架構處於「扭曲」狀態，對稱性較低。
• 高溫 beta-石英（六方晶系）： 當溫度升高，原子振動加劇，扭曲的架構「挺直」變正，對稱性提高。
• 特性： 
• 體積突變： 轉換瞬間體積會膨脹約 0.8%~2%，這是導致水晶受熱破碎的主因。

• 瞬間性： 這種變化不需打破化學鍵，只是鍵角調整，因此過程極快且冷卻後會立即跳回 alpha 型。

        這是一塊典型的β-石英晶體（其實是α石英假象，由β石英假晶形成），嵌於酸性火山岩－流紋岩的基質中。這類晶體通常呈灰色或白色，暗淡且半透明，晶體形態非常簡單，呈短粗狀。它們由兩個六方雙錐體組成，因此看起來有點像沒有棱柱面的普通石英晶體。由於它們是在熔體中生長，生長過程中並未附著在固體岩石上，所以是雙尖晶體。

• 重建型相變（隨溫度進一步升高）

當溫度持續上升，簡單的結構調整已不足以維持穩定，矽氧鍵結必須斷裂並重新組合。

• 鱗石英 (Tridymite)： 約在 870°C 時產生。常見於火山岩中，結構比石英更疏鬆。

• 方石英 (Cristobalite)： 約在 1470°C 時產生。這是石英熔化前的最後一個固相階段。

• 熔融 (Melting)： 約在 1713°C 時，石英完全熔化。若快速冷卻則形成非晶質的「石英玻璃」。

• 高壓相變（深入地函的變化）

        當壓力增加（例如在隕石撞擊坑或地函深處），石英會被「擠壓」成更緻密的結構：

• 柯石英 (Coesite)： 高壓下的產物。它在地質學上極其重要，因為如果在表面發現柯石英，通常意味著該處曾發生過巨大的隕石撞擊或經歷過超高壓變質作用。

• 超石英 (Stishovite)： 極高壓產物。在這種狀態下，矽原子的配位數從 4 變成了 6（形成八面體），密度大幅增加。這是地球深處最堅硬的矽酸鹽形態之一。

• 石英相變總覽表（常壓下）

溫度 (∘C)	相態名稱	晶系	變換類型
< 573	alpha-石英	三方晶系	穩定常態
573 - 870	beta-石英	六方晶系	位移型 (快速)
870 - 1470	鱗石英	六方晶系	重建型 (緩慢)
1470 - 1713	方石英	等軸晶系	重建型 (緩慢)
> 1713	石英熔體	非晶質	熔化