大屯火山群
珍惜台灣之寶︰北投石及其家族

國立自然科學博物館 研究員 莊文星 博士

 

節要
新北投地熱谷(舊名地獄谷)位於臺灣北部大屯火山群地熱帶的西南端。泉源在熱水池的右側,溫度高達98℃,熱水池外流出口下游約二百公尺處沉澱一種具有放射性的特殊礦物,名叫北投石。1906年日本岡本要八郎(Okamoto, 1906)於地熱谷溫泉下發現了一種特殊的礦物,其主要成分為硫酸鋇(BaSO4)與硫酸鉛(PbSO4)間固融體的鉛質重晶石,因含高放射劑量鐳(Ra),這種礦物因係世界首次發現,故以產地命名為北投石(Hokutolite)。

 

前言
1906年日本岡本要八郎於北投地熱谷溫泉區發現了一種特殊的礦物,為唯一以台灣地名命名的礦物。歷經多年的波折,轉眼已將百週年紀念,仍有賴多方學者同好共同努力。筆者於1999年5月至同年九月由館長周延鑫博士帶領下,深受中央研究院院長李遠哲博士之鼓勵下,完成了北投石特展。展期結束後,二年間於台灣各大都市,巡迴展出。希望藉此園地分二篇報導有關之北投石資料與北投石展之規畫流程與構想思維,以換起行政院、經濟部、教育部、文建會等相關單位重視多多展示本土展品,當更能使參觀的人對台灣的科學產生信心。希望有朝一日有關於北投石、台灣的礦物、以至於中國的礦物能成為一隨時更新進步的常設展。

 

北投石的家鄉—— 地熱谷北投溪
新北投地熱谷(舊名地獄谷)位於新北投公園東北方約一公里,舊稱北投溪溫泉或地獄谷。從台北火車站搭乘捷運淡水線,經由北投轉乘至新北投站下車,步出捷運站,往前望去就可看到新北投公園以及遠處熱海飯店的招牌。飯店前的小溪流也就是北投石的家鄉。沿著北投公園旁的中山路或光明路前進,經過溫泉博物館,不久就可抵達煙霧迷濛、恰似人間仙境的地熱谷公園。圖一 煙霧迷濛的新北投地熱谷

地熱谷(圖一)為一盆狀窪地,可能為一蒸氣爆裂口遺跡。底部有多處溫泉湧出,有硫氣味,熱氣瀰漫。冒出溫泉口水溫達98℃,其它部分多在60~70℃。局部地區岩石表面有黃色之琉黃與黃鉀鐵礬沈澱結晶(圖二)。窪地由溫泉匯合地表水成一淺水潭,池水從西南側缺口流出注入北投溪。池底沙、礫表面多附著有由溫泉沉澱之粉狀或皮殼狀之物質或黃、白色等之藻類著生。沉澱之礦物有石膏、明礬石、黃鉀鐵礬、硫黃、雄黃等。此處溫泉屬酸性硫化物泉。

北投石產地—— 北投溪
出新北投捷運車站經北投公園,沿中山路或光明路旁之北投溪至熱海飯店,附近河床即為北投石產地。北投溪源自地熱谷溫泉,距地熱谷口以下一百到四百公尺間的一段河床,即為北投石的主要分布帶。此段溪中水淺微溫,溪底布滿安山岩或粗粒白砂岩的礫石。原灰黑色安山岩經酸性溫泉浸泡,漸呈白化(圖三)。在礫石表面及間


圖二 地獄谷水溏岩石表面黃色硫黃與黃鉀鐵礬附著沈澱。

圖三 酸性溫泉水腐蝕白化的安山岩為北投石沉澱附著的寄主岩石。

隙中有黃色至白色之沉澱物附著,膠結成一層層的皮殼。沉澱皮殼之最外層附著有半透明至乳白色之密集菱形小晶體,厚約半公分至一公分,這便是著名的北投石(圖四─圖十)。

   
   
   

一般,白化安山岩較白色泥質膠結之粗砂岩或礫岩岩性堅硬,不易因滾動撞碎而易為沉澱物附著,乃成為北投石的寄主岩石。北投石常見於溪旁小瀑布下之洞穴邊緣,近年來河床屢經整治挖掘,良好結晶已十分罕見,僅在岩石表面留下一些磨損的殘破皮殼(圖十一─圖十三)。數十年來由於溫泉區之開發,溫泉浴室林立,大量抽取地下水,污水、垃圾流入溪中,污染了原有的北投石,而水質改變更阻礙結晶的生長(圖十四─圖十七)。北投溪瀧乃湯溫泉浴室前節節下降的河段,原為北投石生長的大本營(圖十八)。瀧乃日語漢字是小瀑布的意思,而在瀑布流水沖激飛濺下,所成長之北投石結晶都具有較佳的外形與質地。
北投石由菱形的細小晶體密集而成,呈乳白色至淡褐色。晶體顆粒數毫米,通常存於北投溪河床上礫石的表層及間隙中,這些礫石大多為安山岩,少數為集塊岩或砂岩礫石。礫石表面常有黃色至白色的沉澱物附著或充填,形成一層層的皮殼,而北投石就存於皮殼之最外層。溫泉沉澱物除了北投石外,大部分為黃褐色的黃鉀鐵礬,此外尚有硫黃、褐鐵礦等(圖十九)。
北投石在化學成分上是一種硫酸鉛和硫酸鋇的化合物,屬於鉛質重晶石,其化學成份如下:


岩樣
成分(重量%)

1

2

3

4

5

6

    PbO

  21.96

  19.38

  20.23

  21.27

  17.88

  22.62

    BaO

  32.04

  42.27

  35.72

  33.11

  47.20

  42.13

    SO3

  30.81

  31.70

  31.76

  31.05

  31.06

  31.61

    Al2O3

   0.88

   0.48

   0.19

   2.13

 }  0.41

  微 量

    Fe2O3

   3.93

   0.43

   3.17

   3.04

  微 量

    CaO

   0.51

   0.17

   0.40

   0.60

   0.05

  微 量

    MgO

   1.04

   0.28

   0.02

   0.16

   0.04

    -

    SrO

   0.93

  微 量

   1.10

   1.95

  未 測

  微 量

    La2O3

    -

    -

   0.75

   0.30

    -

    -

    Na2O

   0.53

   1.53

   0.30

   0.53

  未 測

  微 量

    SiO2

   1.27

   0.97

   6.92

    -

  未 測

    -

    P2O5

   0.01

    -

    -

   0.01

   0.15

    -

    H2O

   2.53

    -

   1.12

   0.16

    -

  微 量

總      量

  96.44

  97.21

 101.68

  94.31

  96.79

  96.36

PbSO4:BaSO4
(莫爾比)

  32:68

  24:76

  29:71

  30:70

  21:79

  26:74

 資料來源:
*1,2,3 and 4取自Chang(1961)
*5取自Hamaguchi et al.(1962)
*6根據Yu(1984)
此外北投石中尚含稀有元素、放射性元素鐳(Ra)、鉍(Bi)、鏷(Po)、錒(Ac)、釓(Gd)、鏑(Dy)、鉺(Er)、鐿(Yb)等。並含有稀土元素、放射性元素鐳(Ra)、鉍(Bi)等。北投石為重晶石礦物家族之一成員。
重晶石(BaSO4)成分中的鋇(Ba)可由化學性質相似的鍶、鉛或鈣元素取代,當鋇完全為鍶所取代所成的另一端成分礦物稱為天青石(SrSO4,圖二十);而鉛完全取代鋇所成的一端成分礦物則稱為鉛礬或硫酸鉛(PbSO4,圖二十一)。而由重晶石(BaSO4)—鉛礬(PbSO4)—天青石(SrSO4)三個端成分所構成的三角形範圍乃組成了重晶石的礦物家族。鉛亦可僅部份取代鋇,當Pb含量較多之鉛質重晶石稱北投石,其PbO含量達17~22﹪,此類礦物還含有鐳(Ra)的放射性元素。因產於臺灣北投溫泉中為首度發現的新礦物而命名為北投石(圖二十二)。鋇離子大小大於鉛離子,因此重晶石族中鉛取代愈多之礦物其結晶體也愈小(圖二十三);而於X-光繞射圖中,同一組結晶面繞射峰出現的2θ角度也愈大,故就重晶石、北投石與鉛礬之同一晶面組於X-光繞射圖(圖二十四─二十六)出現之順序,由大到小依次為重晶石(BaSO4)—北投石(Ba,PbSO4)—鉛礬(PbSO4)。

北投石之輻射偵測
一般含有放射性元素,如鈾(U)、釷(Th)、鐳(Ra)等的礦物叫作放射性礦物。放射性元素能自發地從原子核內部釋放出粒子(如α或β粒子)或輻射線(如γ射線),同時釋放出能量,這種特性稱為具有「放射性」。這一過程稱為放射性衰變。
原子序在84以上的元素都具有放射性。原子序在83以下的某些元素,如鉀(K)、銣(Rb)等之同位素也具有放射性(如K40、Rb87)。放射性元素的原子核是不穩定的,它經由一次或一系列的衰變後形成穩定的元素或同位素(原子序相同但質量數不同)的原子核。例如北投石所含的放射性元素鐳即為鈾衰變系列的子產物(圖二十七)。經由一系列的放射性衰變,最後成穩定的鉛—206。
測定放射性的方法通常用蓋氏計數器、閃爍計數器、照片感光等。放射性核種蛻變產生α粒子、β粒子或γ射線。γ射線所釋放出的能量可利用多頻道能譜儀檢測。多頻道能譜儀的功能就如同血液遺傳DNA或指紋的比對,為神秘放射性核種檢測的利器。檢測時,一般北投石所含放射性核種鐳-226則以609.3 KeV(千電子伏特)為代表(圖二十八)。又如臺灣西南海沙灘中含有具放射性的重礦物-- 獨居石含放射性核種釷-232與鐳-226,釷-232釋放出之能量以238.6或583.1 KeV為檢測標的(圖二十九)。而鉀放射性同位素鉀-40釋放出之能量為1460.7 KeV;天然鈾乃根據1000.5 KeV為判識指準(圖三十)。北投石之放射性乃源自於溫泉水,北投溪溫泉水中可檢測出含有鐳-226、釷-232與鉀—40等核種(圖三十一)。其中鐳-226與釷-232於臺灣其它溫泉水(圖三十二)中並不存在。

北投石之近親─硫酸鹽礦物家族
自然界中硫酸鹽礦物有近二百種,主要為在地表生成或熱水(液)後期的產物。硫酸鹽礦物中,如石膏、硬石膏、重晶石、明礬石、芒硝、瀉利鹽等都是重要的工業或化工原料。
硫酸鹽中的硫以高價態(S6+)出現,與氧形成硫酸根離子(SO42-)。與硫酸根結合的陽離子有鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、鉛(Pb) 、鋅(Zn)、銅(Cu)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鋁(Al)、鈉(Na)、和鉀(K)等。SO42-呈四面體形,離子半徑很大,因此只有與大離子半徑的二價陽離子Ba、Sr、Pb結合,才形成穩定的結構。如果與離子半徑小的二價陽離子如Ca2+、Fe2+等結合,往往在陽離子外面存有一層水分子,以形成含水硫酸鹽。
硫酸鹽礦物對稱程度較低,主要屬單斜和斜方晶系,部分為三方晶系。顏色取決於陽離子的種類,一般為灰白色、無色,含Cu、Fe時則往往呈藍色或綠色。具玻璃光澤,透明至半透明;硬度小,通常小於3.5,含結晶水時硬度更低,甚至降至1~2。
硫酸鹽主要為化學性沉積,沙漠鹽湖(圖三十三)因蒸發作用而形成之岩石有石膏、硬石膏、岩鹽與碳酸鹽,其沉澱順序首先為鈣、鎂等碳酸鹽岩之白雲石與石灰石等;繼之者為硫酸鹽岩;最後形成氯化物之鹽岩。而硫酸鹽化合物,其元素析出的順序大致為Ca、(Ba、Sr)、Mg、Na、K的硫酸鹽。封閉的古海洋,岩鹽、硬石膏為最常與石膏相伴產生的礦物。由野外觀察與結晶試驗顯示海水在30℃以下蒸發時可以形成石膏,而硬石膏之沉澱是在30℃以上之溫度下蒸發而成。石膏在各地質時代之沉積岩中常有之,且有若干厚度甚大者,常與石灰岩和頁岩相伴。如同地有岩鹽產生者,則石膏常在岩鹽之下。石膏有時為凸鏡體,夾於沉積岩中。熱液階段後期也有硫酸鹽礦物的產出。有些金屬硫化物經氯化可形成該金屬的含水硫酸鹽之礬類礦物。
根據陽離子大小、對稱程度、含水分子或含其它陰離子等,分類上將硫酸鹽礦物劃分成:

 

 

臺灣之硫酸鹽礦物
臺灣產之硫酸鹽礦物種類雖然不少,但大都結晶顆粒細小。具有較佳外觀者有重晶石(圖五十─圖五十二)、北投石(圖五十三)、石膏(圖五十四─圖五十五)、膽礬(圖五十六)與明礬石(圖五十七─圖五十八)等。大部分硫酸鹽礦物為地表或熱液後期的產物,常與金屬礦床有著密切關係。產於金瓜石金、銅礦之重晶石以簇晶產出(圖五十─圖五十二),常植生於石英、黃鐵礦等硫化礦物上。礦脈中,通常位於上部產出之重晶石較下部者結晶顆粒大,量亦有增加的趨勢。重晶石比重4.5,比重大(約為石英的1.7倍),故依比重大的結晶礦物(石)名為「重晶石」,乃恰得其宜。重晶石為提取鋇的原料,磨成細粉拌水可作為鑽探泥漿的加重劑。當重晶石中鉛含量較高時,稱為北投石(圖五十三),其PbO含量達17~22%,其中還含放射性鐳元素為放射性礦物,係因臺灣北投溫泉中產出而得名。臺灣硫酸鹽礦物除源自於大自然外,尚有部分推測與近期工業發展有密切關係,如臺灣西南部麓山帶第四紀沉積岩中常見石膏之沉澱物(圖五十四─圖五十五),根據中央研究院地球科學研究所硫同位素分析,考其硫之來源與熱液礦床為源自海水者大不相同,推測可能與高屏地區工業污染硫酸廢氣(酸雨)有關。由降水之硫酸根離子與岩石或土壤中的鈣離子結合,因地下水面的起伏變化、毛細作用引導潛移集中於地表岩石顆粒間隙,旱季時蒸發導致水中濃度過高,而於土壤、岩石表面或裂隙沉澱,形成波狀或花瓣狀結晶。

 

 





圖四  北投溪舊河道北投石露頭。

圖五  北投石(標本由黃大一博士提供)。


圖六  瘤狀外觀北投石。

圖七  北投石,北投石結晶外觀。


圖八  北投石晶體外貌。

圖九  北投石(標本由陳嘉琳先生提供)。


圖十  北投石。

圖十一  白化安山岩表面沈澱結晶之北投石(部份已破損刮落)。


圖十二白化安山岩表面沈澱結晶之北投石(部份已破損刮落)。

圖十三  殘缺不全之北投石。


圖十四  水質污染之北投石外貌。

圖十五  已油污之北投石。


圖十六  已油污之北投石。

圖十七  已污染之北投石。


圖十八  北投溪小瀑布(日語漢字稱瀧),流水飛濺沖激為北投石生長極佳的環境。

圖十九  北投石。


圖二十  天青石,產地馬達斯加。

圖二十一  鉛礬,產地摩洛哥。


圖二十二  北投石礦物結晶。

圖二十三  北投石近親——重晶石礦物家族。

圖二十四  重晶石X-光繞射圖譜。


圖二十五  鉛礬X-光繞射圖譜。

圖二十六  北投石礦物之X-光繞射圖譜。北投石、重晶石與鉛礬具有相同之結晶構造,而具有相似之X-光繞射圖譜,其結晶格子大小a、b、c軸長可由繞射2θ角度推算。


圖二十七  鈾系列衰變系統圖。

圖二十八  北投石多頻道能譜圖。


圖二十九  臺灣西南沿海重砂礦物—— 黃色獨居石之多頻道能譜圖。

圖三十  自然界中的鉀—40與天然鈾之多頻道能譜圖。


圖三十一  自然界中的K-40(以常見造岩礦物白雲母為例)之多頻道能譜圖。

圖三十二  北投地熱谷溫泉水多頻道能譜圖,顯示主要含放射性核種254Ra與232Th。


圖三十三  沙漠大鹽湖(青海茶卡鹽湖)除盛產鹽外,亦產出石灰石(CaCO3)、白雲石([(Mg, Ca)CO3]、石膏與芒硝等礦產資源。

圖三十四  重晶石,薄板狀重晶石,雜黃鐵礦顆粒。


圖三十五  重晶石,產地美國內華達州。

圖三十六    重晶石,產地摩洛哥。


圖三十七  白色飯團狀重晶石與紫色螢石,產地  美國田納西州。

圖三十八  重晶石珠寶。


圖三十九  花瓣狀重晶石。


圖四十  天青石,天藍色天青石,產於非洲馬拉加西。


圖四十一  鉛礬。

圖四十二  石膏。


圖四十三  玫瑰花型石膏。

圖四十四  沙漠玫瑰(石膏)。


圖四十五  石膏-透石膏,產地西班牙。

圖四十六  透石膏,產地中國貴州。


圖四十七  硬石膏。

圖四十八  無水芒硝。


圖四十九  膽礬,極純晶瑩剔透玻璃質膽礬可能為水溶液人工培養化學沉澱結晶。

圖五十  重晶石,產於金瓜石、瑞芳之金、銅礦床中,以簇晶產出。


圖五十一  重晶石,產地台灣金瓜石。

圖五十二  重晶石,產地台灣金瓜石。


圖五十三  北投石。


圖五十四  石膏,產於沉積岩沉積物顆粒空隙間、裂隙或沉積物表面沉澱。


圖五十五  石膏,產於沉積岩沉積物顆粒空隙間、裂隙或沉積物表面沉澱。

圖五十六  膽礬,產於金瓜石金、銅礦床中,為一種次生礦物。


圖五十七  明礬石,產於金瓜石之明礬石,於礦床及圍岩中均存在。呈白色粒狀或鱗片狀,結晶有時大至直徑2~3公分。錆色明礬石見於金瓜石本山二、三坑。

圖五十八  明礬石,產地台灣金瓜石。

 

參考文獻
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