在變質巖中,礦物的組構、成分及種類會因為外在的溫壓條件、熱水溶液及氣體分壓作用影響下,由原來巖石中的礦物逐漸換質/變質(Metamorphism/Metasomatism),再結晶而形成不同的礦物群,而礦物群的種類、晶粒大小與組成結構取決于原巖與圍巖種類、變質相程度、化學與熱水溶液等條件,再加以變質作用的壓力因素,常導致礦物具有優勢方向(Preferred Orientation),具排列特性或是礦物分層,分帶現象,甚至導致具褶皺(Folding)流動性構造。一般而言,變質程度愈高,再結晶現象愈完全,礦物愈趨于高溫型礦物,顆粒晶形愈大愈完整。
整體而言,每一種礦物都具有一定的結晶構造(晶系、習性、解理、雙晶特性)、化學組成、物理性質(硬度、韌度、比重、比熱膨脹率、光電磁效應、光澤、顏色)及其它性質,因此在同一批相同的石材中,可以發現礦物的表現特征相似(可能擁有相同粒度,分布、形狀、顏色,或者同時具有相同的瑕疵(裂痕、不光亮、色差)等)。但另一方面,有時也會因為礦物形成條件不同、機制不同,或其它外來元素、物質的影響而導致礦物表征些許的差異。因此,相同礦物在不同石材中,其外觀不盡相同。綜合言之,由上述可了解結晶構成石材的礦物特性及特質,石材可呈現出石種本身的普遍性特質,但另一方面石材受到外在其它因素之作用而可能出現普遍性中特殊的變化性(自然性)。
以下即基于礦物對石材質量的重要性,分別針對花崗石最常見的礦物:各種長石,石英及云母等,簡述其基本性質。
長石類礦物(Feldspar)
以鉀鈉為主的長石可統稱為堿性長石,以鈉鈣系列為主的長石稱做斜長石系列,除鉀長石與部分高溫的透長石為單斜晶系(Monoclinic System)外,其余皆為三斜晶系(Triclinic System),以下就顏色、解理、微節理、風化作用等方面逐一說明。;
一、顏色(Color)
長石類顏色變化很大,一般而言含濃度鉀高的長石(鉀長石,呈紅色系表征),因此,花崗石較易呈現各種深淡不同美麗鮮艷的紅色,如印度紅、貴妃紅、將軍紅等;而含鈉鈣量高的斜長石為主的花崗石則為灰白系列,其表征使石材呈現深淺不同的灰白色、灰色。但值得注意的是部分長石含有其它雜元素,則會改變其基本色調,如微斜長石中含少量銣,會呈現天藍色等。因此在評量石材顏色時,應要特別注意長石顏色變化,甚至周圍長石顏色的變化狀況(因為成分些許變化,則導致顏色變化)。另外值得一提的是,拉長石在花崗石石材中的作用。拉長石屬斜長石系列,是一種鈣鈉長石,主要產于基性巖中。當轉動含有拉長石的石材時,拉長石晶體在其特定方向上會呈現藍、綠、紫、金黃等不同的多彩顏色,故礦物學上將拉長石又稱之為月光石,如巴西藍、芬蘭藍、藍珍珠等,為名貴裝飾石材之一。
二、解理(Cleavage)
長石是解理發達的礦物,解理愈發達,顯示長石受風化(熱脹冷縮)程度愈大,或是受外力(大地應力)作用愈強。解理發達的結果會導致長石發生片狀剝離、脫落或光澤度下降,且容易遭受水溶液浸染(鐵銹、高嶺土化、顏色色差),嚴重影響建筑石材質量。另外,解理極發達的石材,它代表著石材風化的程度并嚴重降低機械性質(抗壓,撓曲強度);另一方面,若石板切割剖面平行于長石解理面,則可能出現絹絲霧狀光澤性,在石材表面會呈現出不均質的光澤現象,造成另一種瑕疵。
三、微節理(Microjoint)
微節理是肉眼或顯微鏡下可觀察到的微小不連續面(裂痕(Fracture)),微節理在石材中普遍可見,而且多以群體出現,尤以花崗巖中最常見到。一般的微節理多為主要的大不連續面(例如斷層)或大地應力場的派生構造,所以通常有一定方向性,或是具有多期、多組、多產狀的特性。另外,由于巖石風化作用(熱脹冷縮循環)或解壓作用,也會導致礦物局部受壓迫而產生微裂 (微節理)俗稱雞爪痕。微節理的形成對石材質量及石材病變的發生具有嚴重性負面影響,因為微節理影響石材表面美觀、降低光澤度、促進風化管道進行及導致色差現象等,更甚者會造成石材表面剝離作用,形成凹洞。在花崗石類的石材中,長石通常為大顆粒脆性礦物,所以微節理的行為特別明顯。
四、風化作用(Weathering)
長石由于受到自然界的水解作用或碳酸化作用,往往風化形成高嶺土:
4AlSi3O8+6H2OAl4Si4O10(OH)8+8SiO2+4KOH
4AlSi3O8+4H2O+2CO2 l4Si4O10(OH)8+8SiO2+2K2CO3
風化使得原本的長石,變成土黃色、松散的黏土礦物,嚴重影響石材質量,如改變色澤、降低光澤度、硬度、耐用性及美觀價值等。另外,受到花崗石其它鐵鎂礦物風化氧化釋出Fe+3的作用影響,長石往往沿其解理,或節理遭受浸染銹化(石材病變—銹斑),大大降低原本的色澤與美觀性,所以風化行為嚴重破壞長石基本的特質,降低石材質量。
石英(Quartz)
石英普遍存在于各種石礦中,主要由SiO2所組成,結構為六方晶系(Hexagonal System)結構的架狀為硅酸鹽類,它具有高硬度、耐磨性及抗風化性等特性,一般為透明或乳白色,或因各種雜元素污染而呈現多色性(灰或黑色)。石英一般無解理性質,但由于脆性高,容易因外力作用而產生微破裂。茲針對一般石材中石英常見的瑕疵特性進行討論:
一、透明度(Transparency)
一般而言,石英的透明度極高,但部分石英會因為結晶缺陷(例如差排),或含其它溶液或氣體,甚至和其它礦物(金紅石、針鐵礦等)產生共生包裹現象,而使石英的透明度下降,形成乳白色或雜染物現象。另外,由于石英脆性高,極易遭受應力作用而導致微裂隙,成群的微裂隙會增加入射光的吸收,降低反射,也就導致石英的不透明性及低光澤度。因此,石英顆粒透明度是否均勻、雜染物是否一致及石英微裂縫分布程度等對石材的顏色有相當的影響面。另外,石英透明度高,將會使石材呈現立體感,增加美觀,但另一方面卻降低光澤度。
二、粒度(Grain Size)
石英大都以充填方式不規則存在早期結晶礦物中,但由于早期礦物的堆積排列并非整體一致,因此會導致石英顆粒大小的變化(主要賴于間隙大小);另一方面,當巖漿結晶分異作用進行到最后時,與早期礦物不相溶的元素或氣體物質(H2O、CO2)在殘留巖中的濃度相對提高,使得擴散活動增加,容易造成后期結晶礦物(石英、鉀長石、云母)異常增大,形成斑晶團簇,或者會因為擴散快所導致之蒸氣高壓,進一步導入圍巖(或本身)的裂縫中,造成溫壓急速下降,形成細晶粒結晶充填脈。
三、微裂隙 (Microfracture)
由于大地應力作用或風化的進行(熱脹冷縮),將導致脆性的石英產生許多微型裂隙,微型裂隙不但降低石英的透明度并造成組織松散,另一方面也會增加污染物(風化的鐵銹)侵入浸染的機率,更甚者會造成石材表面剝離脫落現象,因此造成建筑石材病變及施工質量安全的問題存在。另外可由原石表面觀察石英顆粒是否光亮或是產生類似玻化破碎狀,藉以評估原石風化程度及受力作用狀況。
四、風化染色(Weathering)
石英是抗風化性極強的礦物,并不會因為風化作用而分解,但由于風化因素中之物理機械性的破壞(如冷縮熱脹所導致的擠壓應力),常使脆性性質的石英產生成群的微裂縫,此些微裂縫提供風化污染物良好的浸染管道,進而造成石英污染,常見的即為鐵銹污染,選擇原石時必須特別留意此一現象,以免造成色差或危及石材強度。
云母類礦物(Mica Minerals)
石材中常見的云母礦物,大都屬于白云母與黑云母,所占比例大都小于5%,雖然含量遠低于長石與石英,但由于其獨特的礦物性質,對于石材質量關系,有重要性的影響。另外,白云母與黑云母對石材而言是一種有害礦物,云母含量增多,則使石材難以磨光,研磨時會因云母解理面破裂而出現無光澤麻點,或因云母剝落形成凹洞,降低石材表面的美觀。黃鐵礦多賦存在黑色花崗巖中,研磨出來的光板呈閃光的金色質點,極具美觀價值;但黃鐵礦在大氣中會氧化成氧化鐵,原來的金色質點會病變成褐色斑點,若出現在白色花崗巖中,則形成難看的雀斑,失去了石材原有的價值。茲就云母類礦物的特性逐一說明:
一、順自排列(Preferred Orientation)
由于云母礦物的片狀組織,往往因外力作用或自然流動堆積(剪力)行為,或是結晶方向取好而產生順向排列現象,順向排列容易造成規則性組織,并有固定的弱面方向。一般而言,火成巖類的石材,其云母礦物由于形成時間晚,大都穿插在各早期礦物間生長,所以較缺乏順向排列現象,如綠翡翠;但若早期礦物因受迫或自然沈降因素因而產生規則性堆積時,云母礦物則會順勢形成排列。順向排列的結果導致形成石材的方向性,降低石材強度(排列方向)及花紋組織的變化。因此觀察石材時,應注意對排列性敏感的云母礦物進行方向判斷,并沿方向性追蹤是否有弱面潛在的現象(線性發達狀況)。
二、風化特性(Weathering)
云母礦物中的黑云母(K(Mg,Fe)3(AlSi3O10)(OH)2)常遭水溶液作用而產生釋Fe+3作用,會因鐵銹污染其它礦物,產生嚴重銹斑。因此,觀察原石時,應留意細小的云母礦物,檢查其是否有風化傾向(片狀剝離嚴重)或是有銹斑出現(黑云母呈暗色,故常不易觀察銹斑現象),以避免石材瑕疵。
其它鐵鎂礦物(暗色礦物)
大部分的石材(白色、灰色、紅色系列)中含鐵鎂礦物比例極低(小于5%),但在黑色系列中的石材則往往含有50%以上的鐵鎂礦物,這些鐵鎂礦物大都為輝石系列、角閃石系列或橄欖石系列以及部份中、基性斜長石系列的礦物組成,屬于含鐵鎂的鏈狀硅酸鹽類。一般而言,角閃石與輝石大都為黑色、綠色系列為主,硬度6~7(莫氏硬度),光澤度高,韌性強是屬于良好的石材組織礦物,但由于此類礦物通常具有二組近垂直的解理,所以與長石類似,極易產生裂痕。此外,這些礦物通常較長石或石英易風化(綠泥石化或產生銹斑),而產生松散組織或形成雜斑點,甚至凹洞。另一方面,暗色礦物群(團疤)因粒度與致密度變化關系,而會產生似油疤現象,造成光澤度不均勻。
石材中酸性斜長石越少越好,因為它們會在黑色的石材板面上產生很多的細小白點,降低石材本身的價值性,但是若淺色的斜長石相對集中,晶體有序排列,可形成某些特殊花斑,形成名貴的黑色石材,如雪花青與菊花青?;谶@些鐵鎂礦物的基本性質,必須留意下列幾點:
(1)是否含有雜質、白點,其分布性是否均勻?
(2)是否遭受風化,產生具方向性或其它的征裂縫,甚至出現表面松散化(綠泥石化)。
(3)解理是否發達?
(4)礦物排列是否具方向性?
(5)是否產生銹斑?
(6)礦物粒度是否均一?是否有油疤現象?
同綜合而言,礦物是構成石材的最基本單元,不同的礦物,具有不同的物化特性及組構行為,而不同的礦物集合體,也產生不同的排列組合狀況,構成多變化的組織紋理與石材物化性;因此探討評量石材質量或石材病變時,應首先針對石材內部的組成物質(礦物)進行討論,然后再推演至整體性考慮 (組構、花紋、材質、…),如此一來才能踏實地,全面性地進行評量工作,有效率地掌握自然界變化的因子。