石英變變變 作者：余樹楨 成功大學地球科學系
一篇很好的文章，轉載自網友【主恩】的 〝生活簡單就是享受〞 部落格文章...
原轉載網址:
http://tw.myblog.yahoo.com/takeheart-nevergiveup/article?mid=122&prev=126&next=119原著作轉載自《行政院國家科學委員會--科普知識》
原文網址:
http://web1.nsc.gov.tw/ct.aspx?xItem=10275&ctNode=40&mp=1附註:為尊重原文作者，故此篇文章原作者以全名貼出... 
石英的變種大部分是在二氧化矽的結晶過程中，由於外界物質的介入而衍生出來的。石英變種可以說是千變萬化，像是虎眼石、鷹眼石、斑馬石、瑪瑙、天珠、髮晶，乃至綠幽靈、年糕玉、蛋白石都是。
石英是地球表面上產量最豐富的礦物之一，大家熟知的水晶也是石英家族的一員。其實，石英除了水晶以外，還有許多變種令人喜愛而成為寶石珍品。出現在人們日常生活中的石英家族，只是因為它們各有獨特的名稱，所以讓人忘了它們與石英的關係罷了！
石英的變種大部分是在二氧化矽的結晶過程中，由於外界物質的介入而衍生出來的。有些則是在生長過程中，二氧化矽在岩漿中濃度、溫度等化學、物理因子的變化造成的。石英變種可以說是千變萬化，以下介紹的石英假晶、含包裹物的石英、微晶質石英及含水二氧化矽等４大類，都是石英變種。
石英假晶
最常見的石英假晶有虎眼石、鷹眼石，以及它們的組合──斑馬石。石英假晶的形成牽扯到一些複雜而冗長的生長過程，要了解什麼是假晶，讓我們先從虎眼石談起。
虎眼石 虎眼石簡稱為虎眼，是一種有類似老虎眼睛紋路的寶石礦物。虎眼怎麼會與石英扯上關係呢？
這就說來話長，得先從石棉介紹起。石棉是一種變質礦物，特徵是纖維組織特別發達。有一種藍色的石棉稱作青石棉，是從鏈狀矽酸鹽類礦物－－閃石礦物變質形成的。這種青石棉在地底下受到地下水的作用，會慢慢被水中的二氧化矽取代。這種緩慢的取代作用，可以讓青石棉原有的纖維結構完整地保留下來，有點像矽化木的情形一般。也就是說，青石棉被地下水中的二氧化矽取代，成為纖維發達的石英，這種現象在礦物學中稱作假像，形成的結晶稱作假晶。
藍色的青石棉轉變成石英假晶，理論上是由藍色轉變成白色。不過地下水中不會只含有二氧化矽，通常也包含許多其他的雜質礦物，例如含水氧化鐵，或通稱作氫氧化鐵。這類氫氧化鐵通常是針鐵礦，成分是 FeO(OH)。當鐵離子進入纖維狀石英假晶時，便可看到石英假晶呈現 3 價鐵離子的棕黃色條紋。由於條紋或條帶之間鐵離子濃度的不同，產生棕色條紋深淺的色調變化，把這種原石切磨成凸圓型寶石，便會呈現類似老虎眼睛的棕色光芒，因此稱作虎眼。
鷹眼石 鷹眼與虎眼類似，不同的地方是二氧化矽沒有完全取代青石棉，而殘存一些藍色的青石棉纖維，且沒有氫氧化鐵的加入。把這種原石切磨成凸圓型寶石，可以看到藍綠色的條紋光芒，有點類似老鷹的眼睛，因此稱作鷹眼石。
斑馬石 如果正巧是虎眼與鷹眼的組合，也就是說，在石英假晶中，既含有殘存的藍綠色青石棉條紋，又有棕色的虎眼條紋，兩者相間排列，產生類似斑馬黑白相間的條紋效果，這時候便稱作斑馬石。
含包裹物的石英
第２類石英變種是包裹各種不同內含物的石英晶體。二氧化矽在自然界岩漿活動後期的結晶過程中，會夾雜一些外來物質在石英晶體內。由於這些包裹物的種類、顏色或外形的不同，常常產生一些變異的石英寶石。比較常見的有砂金石及髮晶。
砂金石 要了解砂金石，首先要介紹雲母礦物。雲母是一種片狀的矽酸鹽類礦物，最常見的雲母是大家熟悉的，用在家電器材中當作絕緣體的白雲母。由於雲母礦物具有十分發達的解理，沿著解理面，雲母很容易被撕裂。撕開的解理面光滑平整，容易反射光線，呈現亮晶晶的閃光效果。雲母礦物由於化學成分的不同，會呈現不同的顏色，包括黑色的黑雲母，金色到棕色的金雲母，紫色的鋰雲母，以及綠色的鉻雲母。
當石英晶體夾雜微細的棕黃色雲母鱗片時，在日光照耀下會閃閃發光，類似金砂，這種石英便稱作砂金石。如果包裹的礦物是綠色雲母鱗片時，則稱作綠色砂金石。市面上可以看到的 goldstone 寶石，就是棕黃色砂金石的模仿品。Goldstone 其實是以紅棕色的氧化亞銅微粒混夾在玻璃中，在切割琢磨成寶石時，頗有金色砂金石的光學效果。
髮晶 石英的包裹體千變萬化，如果是包裹纖維狀或針狀的礦物，而呈現髮絲的外觀時，就稱作髮晶。常見的髮晶包裹體有金紅石、電氣石及陽起石。金紅石的纖維是金色的，這種金色髮晶又稱作維納斯髮晶。包裹電氣石的髮晶呈現黑色，又稱作海洋女神佘提斯髮晶。至於包裹陽起石的髮晶，會呈現出陽起石的2價鐵離子的綠色，是綠色髮晶。
微晶質石英
第３類石英變種是微晶質石英。有一句俗話說「慢工出細活」，一點也不錯，即便是自然界的礦物結晶過程，也是如此。水晶是結晶完美、無色透明的石英晶體，也是大自然經歷千百萬年的地質時間，緩慢孕育生長而成的優質產品。如果仔細觀察一個晶洞的剖面，經常可以看到出現結晶外形的各色水晶長在最外層，底部常常是不具晶形的微晶質石英。
前面提過石英是岩漿活動末期的產物。石英在剛開始結晶時，二氧化矽在岩漿後期熱液中的濃度比較高。一般來說，晶體從熔液結晶時，通常要有一個驅動力來促成，過飽和的熔液便是一個天然的結晶驅動力。
結晶的過程一般可以分成結核與生長兩個階段。早期由於二氧化矽濃度很高，呈現過飽和狀態，因此結核速率超過生長速率，造成石英結晶體的個數很多，但是每顆石英粒都很小。這些細小的石英就是微晶質石英，通常長在晶洞底層。等到微晶質石英長到相當數量後，熔液中的二氧化矽濃度因為消耗而逐漸降低。結核驅動力減小後，結核速率變慢了，使晶洞表層的水晶個數減少，但顆粒都很大，肉眼就可分辨。
微晶質石英又可以依據它的內部組織的特徵變化，進一步分成纖維狀與粒狀兩種微晶質石英。
纖維狀微晶質石英
纖維組織發達的微晶質石英通稱作玉髓。一般來說，玉髓是白色的微晶質礦物，但是由於內含物的不同，而呈現多采多姿的美麗變種。
藍玉髓是因為玉髓中包含微粒矽孔雀石，而呈現藍色的色調。矽孔雀石的藍色主要來自內部的銅離子，就像藍礬的藍色源自硫酸銅中的銅離子。臺灣東部海岸山脈是藍玉髓的重要產地，尤其是臺東都巒山的藍玉髓，俗稱「臺灣藍寶石」，色澤亮麗搶眼，早就成為珠寶市場的高價商品。目前，優質的藍玉髓原礦石 1 公斤喊價到 100 萬新臺幣，如果你有機會到臺東一訪，不妨跑一趟都巒山試試你的運氣。不過，走路要 4 小時才能到達雲深不知處的礦區。
紅玉髓的紅色是因為內含物是赤鐵礦所造成的，赤鐵礦本身是紅色的氧化鐵結晶。比較著名的紅玉髓產地是印度。
綠玉髓的綠色有點接近玉的翠綠，因此，澳洲出產的綠玉髓也稱作澳洲玉。綠玉髓的綠色主要因為包裹物是含鎳的綠色礦物。
瑪瑙是玉髓在生長過程中，出現帶狀組織的變種，通常是乳黃色，南京的雨花石就是道道地地的瑪瑙。有一種瑪瑙內含絲狀結晶，形成苔瑪瑙或蘚苔瑪瑙。綠色的絲狀物常常是綠泥石。有時候，也可以看到黑色的內含物，大部分是樹枝狀的軟錳礦。
綠色的絲狀晶體分布在瑪瑙的主晶內，有人稱它為綠幽靈。另外有一種呈現平行相間的黑色、白色帶狀瑪瑙，稱作縞瑪瑙。把縞瑪瑙對著黑白色帶切割，可以琢磨出同心圓的眼狀紋路，有人稱它為天珠。此外，如果是紅色、橘色條帶相間的就是纏絲瑪瑙。
至於大家耳熟能詳的矽化木，就是埋入地下的樹木在地下水的作用下，二氧化矽逐步取代木質細胞，但是仍然保留樹木原有的紋路組織。乍看起來，它像是一根木頭，但搬起來又十分吃力。這是因為木頭的比重小於 1，會浮在水上；而石英的密度高達 2.65 g／cm3，比水重多了，因此會沉入水中。
粒狀微晶質石英
微晶質石英除了纖維狀的玉髓之外，就是粒狀的碧玉及燧石了。碧玉這個名稱給人一種玉石的聯想，其實碧玉也稱作鐵石英，通常呈現黃色或棕色，主要是內含氧化鐵所形成的顏色。有時候由於表面風化的結果，使得碧玉的色澤十分類似年糕的顏色。事實上，把這種碧玉拿在手上觀看，也的確很像年糕，因此一般愛石族稱它為「年糕玉」。
此外，有一種稱作「總統石」的碧玉，也是愛石族取的名字。原來很多玩石的朋友在尋找奇石的時候，發現一種碧玉十分罕見。因為閩南語很少（介少）的發音，有點像蔣中正總統的別名「介石」，因此，這種碧玉便得到「總統石」的稱號。
至於另外一種粒狀微晶質石英－－燧石，在英文字彙中，有 chert 及 flint 兩個字，它們指的都是燧石。Flint 就是我們常講的打火石，顏色深一些，是一種結核的燧石；Chert 指的則是顏色較淺的層狀燧石。兩者的區別其實不大。燧石也是我們老祖先把它當作日用品使用過的天然礦物之一。
含水二氧化矽
外表看起來很像煮熟的蛋白，因而得名的蛋白石，主要是由含水的二氧化矽（SiO2˙nH2O）球粒所組成的。在化學式中，水分子前面的n表示水的含量不是定值。一般來說，蛋白石的含水量在 3 ~ 9％ 之間，但多的話，可以高達 20％。
Ｘ射線的繞射實驗顯示，蛋白石中的二氧化矽是非晶質的鱗石英或方矽石的結構。這裡的鱗石英、方矽石與石英的成分相同，而結構相異，也就是所謂的同分異構或同質多相現象。它們就如同石墨與鑽石，兩者有相同的化學成分－碳元素，但是石墨是以 sp2 混成軌域為主的六方晶礦物，鑽石卻是以 sp3 混成共價鍵所形成的等軸晶礦物。
有一種稱作貴蛋白石的蛋白石，是珠寶市場的高檔商品。它的特徵是具有彩光的效果，把玩一塊貴蛋白石在眼前晃動時，可以觀賞到不同顏色的光從不同角度散發出來。彩光是可見光的繞射現象產生的光學效應。
原來，貴蛋白石中的二氧化矽球粒如果大小適中，一般都在 250 nm 左右，而且排列整齊時，便成為可見光的天然繞射體。我們可以藉由布拉格繞射方程式，λ = 2d·nR·sinθ，來說明可見光的繞射現象。
其中的 λ 是指入射到貴蛋白石的可見光波長，這些可見光包括波長由 400 nm 的紫光到 700 nm 的紅光，d 是二氧化矽球粒的直徑，通常是在 250 nm 左右，而 nR 是二氧化矽球粒的折射率，大約是 1.5。經由布拉格繞射方程式，可以發現當 θ = 60° 時，能夠見到紅光繞射；當 θ = 35° 時，可以見到紫光繞射。當然，改變二氧化矽球粒的直徑 d 值時，θ 角也會跟著變化，因而形成貴蛋白石五彩繽紛的彩光效果。
相關附件：《科學發展》2009年1月，433期，50 ~ 54頁
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