矿物
kuàng wù
矿物是自然形成的无机固体，具有确定的化学成分和有序的晶体结构。
Definition
矿物是在自然界中形成的固体材料，从未有过生命，并且从里到外都由同一种物质构成，其原子按照整齐、重复的排列方式堆叠而成。地质学家将其形式化为五项检验标准：矿物必须是天然形成的、无机的、固体的、具有确定的化学成分，并建立在有序的内部晶体结构之上。这种成分可以是固定的，也可以在一定范围内变化，例如橄榄石系列 $(Mg,Fe)_2SiO_4$。矿物通过莫氏硬度、光泽、条痕、解理和颜色等性质来鉴定。目前已确认的矿物约有 $6{,}000$ 种，但地壳体积的约 $90\%$ 由 $SiO_4^{4-}$ 四面体构成的硅酸盐组成。键合类型和结构排列决定了物理性质：石墨和金刚石都是纯碳，但它们不同的晶格结构使二者的硬度值分别约为 $1$ 和 $10$。
Example
食盐就是矿物石盐，夏洛特周边溪床中那些透明或乳白色的石英也是一种矿物。石英是 $SiO_2$，莫氏硬度为 $7$，能划伤玻璃；方解石是 $CaCO_3$，遇稀酸会起泡，并沿三个方向解理。北卡罗来纳州的斯普鲁斯派恩地区出产高纯度的石英和长石。长石是地壳中最丰富的矿物类群，形成两个固溶体系列：碱性长石 $(K,Na)AlSi_3O_8$ 和斜长石（从 $NaAlSi_3O_8$ 到 $CaAl_2Si_2O_8$），它们在火成岩中的成分记录了结晶那一刻的温度和熔体化学组成。
Key Insight
冰在自然形成时是矿物，但水不是，因为矿物必须是固体。颜色是最不可靠的鉴定方法：仅石英一种矿物就有透明、紫色（紫水晶）、粉红色和烟色等多种变种，但它的硬度和晶习从不改变。矿物的稳定性归根结底是一个热力学问题。像金刚石这样在地幔深处高压下结晶的矿物，在地表处于亚稳态，之所以能够留存下来，只是因为它转化为石墨的过程在动力学上极其缓慢。