圖片：馬達加斯加產的綠磷灰石與作為比例尺依據的新台幣十元硬幣。
作者：嚴融怡
最近在逛化石先生時看到以前在大學聽講岩石學以及礦物學相關課程時所提及的磷灰石系列礦物打磨的收藏用標本，也因此採買收集了其中的一種來自馬達加斯加的綠磷灰石。磷灰石其實是一類含鈣的磷酸鹽礦物的總稱。其中含有氧化鈣為55.38%，含五氧化二磷為42.06%，含氟為1.25%，含氯為2.33%，含水為0.56%。地質環境當中大多數磷灰石是氟磷灰石，而羥基磷灰石則不太常見，氯磷灰石則非常罕見。此外還有氧矽磷灰石和鍶磷灰石等。羥基磷灰石(hydroxyapatite，又譯為羥磷灰石、氫氧磷灰石、氫氧基磷灰石等)實際上是人體骨骼組織的重要組成(高達 50%體積與70%重量的人體骨骼是由修飾後的羥磷灰石所組成)以及牙齒琺瑯質(dental enamel)與牙本質(dentin)的重要成分，因此醫學上也有應用羥基磷灰石細質顆粒協助修補這些組織的技術持續在發展。此外，羥磷灰石也是腦沙(Corpora arenacea或brain sand)這類常存在於老年生物體大腦區域松果體和脈絡叢等位置的小型鈣化結構的重要組成份，關於顱內鈣化組成的成因與機制仍是醫學界在探討的，但是已知這類鈣化與發炎、腫瘤、感染性疾病、內分泌改變與代謝改變等病理有著複雜的關係。磷灰石和生物地球化學循環的關係密切，也常作為化石骨骼或磷酸鹽岩（Phosphate rock）的重要組成。在臺灣各類岩石如玄武岩、安山岩、花岡片麻岩等，都或多或少含有磷灰石。其中含量又以鹼性玄武岩以及基隆火山群的安山岩較多。此外，在蘇澳板岩內的石英脈貫穿當中，也含有磷灰石和黃鐵礦、黃銅礦、方鉛礦等礦物共生的情形。不過在臺灣沒有國外的那種高純度磷礦石的礦床。全球陸地上高純度的磷礦資源主要分佈在非洲、北美、南美以及亞洲的某些區域。摩洛哥是世界上磷酸鹽（提煉自磷礦）出口量第一的國家，磷礦是該國經濟命脈之一。
另外海中有時也會有相關的礦床，也就是海底岩層經生物地球化學作用所形成五氧化二磷含量大於20%的礦床常被稱為海底磷灰石礦(phosphorite of the sea floor，或譯為海底磷酸鹽巖或海底磷礦等)。海底磷灰石礦存在於兩種類型的環境中：（1）在大陸邊緣與陸源、鈣質或矽質沉積物有關；（2）在與鈣質和火成岩有關的水下山區。最大的磷礦區位於非洲和美洲西海岸、美國東海岸、紐西蘭附近和北太平洋中部。磷礦的磷酸鹽物質通常由碳酸鹽-氟磷灰石所構成，並與不同數量的陸源、生物和成岩非磷酸鹽成分混合，這些成分是導致其化學成分出現大範圍波動的原因。海底磷礦的年齡從白堊紀到近代不等。最近的磷礦位於西南非洲和秘魯-智利大陸棚上，這些地區受營養豐富的水域強烈上升流的影響，導致高生物生產力、密集的生物沉積和地球化學活性、流動的有機衍生磷的成岩重新分佈在沉積物中。這種磷以最初柔軟易碎的結核形式堆積，再逐漸石化。由於海浪和海流活動，結核可能會在之後集中，尤其是在海平面多次變化期間。有證據顯示，在所有海洋的大陸邊緣，第四紀前磷礦的形成也是如此。
磷灰石（Apatite）的apate在古希臘文是欺騙的意思。這樣的名稱可能是源自於自然界中磷灰石多變的顏色和其他那些寶石礦物很相像，尤其還具有少數礦物晶體所具備的『貓眼』現象(這是源自於礦物晶體外部組成折射率與內部部分結構的折射率存在較大差異所致)，這也讓自古以來有不少人還滿喜歡收集磷灰石的，然而磷灰石偏偏又沒有那些一般寶石礦物那樣的硬度，磷灰石的摩氏硬度只有5，遠不及於石英、剛玉那些一般硬度都在7以上的寶石礦物。所以真正硬碰硬那是沒辦法相提並論的。但無論如何磷灰石仍舊是不少煉金術士、占卜師、寶石收藏者所會收藏的礦石之一，在中世紀以來也常被傳說代表和平快樂、調解憂鬱，促進情感交流與人際關係，甚至對呼吸系統有所助益的石頭。不過磷灰石真正最重要的效能當然不是這些傳說中的功效，而是在農業上和工業上極其重要的應用。
磷灰石在普通地質學針對岩漿生成作用與岩漿中礦物成分變動當中不算是經常被提及的主角礦物，因為它相對於長石和橄欖岩等矽酸鹽礦物，尤其是相應於包溫反應序列(Bowen's reaction series)所會出現的長石礦物和鐵鎂礦物那兩條主線的礦物而言，磷灰石相對較為次要和冷門；在岩漿性質當中也比較少提及磷灰石(但還是有文獻是專門在研究磷灰石在火成岩中的生成以及它們和其他礦物交互作用的情形)。不過磷灰石在核飛跡定年法當中非常好用。在磷灰石、鋯石等天然礦物結晶中，含有質量數較大的放射性鈾元素。由於鈾的不穩定性會造成核分裂反應，當鈾原子分裂為兩個較輕的高能帶電粒子，會因為高速運動所造成的庫倫力作用，而破壞礦物結晶的晶面，並形成分裂徑跡。由於核飛跡的保存幾乎僅受熱作用的影響，而構造運動又多伴隨著熱作用；因此透過分析分裂徑跡的數量與長度資料，所獲得熱作用歷史與時間對應的地質訊息，便常可應用在隕石撞擊事件、造山運動、盆地演化等事件的時間確認，這就是核飛跡定年法。這套方法是1963年，由物理學家Price和Walker依據鈾238同位素的自發性裂變物理性質所發展出來的一套不同於其他放射性定年法的量測技術。
磷灰石在寶石業者以及土壤學家眼中顯然重要很多，在生物地球化學家的眼中也格外重要，這是因為磷灰石涉及到磷元素在自然界的釋放和轉移，以及整體的磷循環，磷關係到地球全體生物的所需(像是核苷酸、細胞膜等)，而自然界當中磷灰石約保存了全球磷元素的95%。 磷灰石在自然界當中有三種生成方式，在火成岩、沉積岩與變質岩的作用當中都有機會形成磷輝石，其中，形成於火成岩中的為內生磷灰石，一般作為基性或鹼性岩石中富集的副產物；在沉積岩中則為外生磷灰石，是由生物的沉積或是生物化學沉積所造成的，一般為結核狀；在變質岩中的形成則是透過區域變質所產生。磷灰石為六方晶系，晶體多為短到長的六方柱狀，少數還有板狀或雙錐狀。集合體則有塊狀、粒狀與結核狀等多種。磷灰石的顏色會因為當中所含的雜質組成與結構的變動而有多種顏色如灰色、褐色、黃色、綠色、藍色等，磷灰石的雜質，包括氟、氯、碳、鈾、錳與其他稀有元素等。斷口則會呈現貝殼狀，多種磷灰石還具有熒光。
磷灰石的產地包括加拿大、美國、墨西哥、巴西、馬達加斯加、德國、俄羅斯與中國西南部等地。磷灰石所磨成的磷礦粉，可以直接作為酸性土壤肥料所添加的土壤改良劑與長效的磷肥來源。而磷礦粉還可以在工業上進一步加工製作信號彈、煙霧彈與燃燒彈等。近代以來氮磷肥的濫用除了使得土壤容易朝向劣化的方向進程，河川和海洋也容易受到優養化的汙染影響甚至造成藻類過度增生的死區以外。也造成陸源磷的持續朝向海洋輸送，而這一輸送將導致農業上珍貴的磷肥成分持續流失到海底沉積並進入地質循環的體系，然而後者要再等到這些磷再次進入地表卻可能要上萬年的時間，而磷肥的濫用也將可能令我們在將來面對農業土壤磷枯竭的問題。
參考文獻與相關閱讀：
1.火成岩的種類和形成─GEOSTORY 聽聽地球怎麼說 http://www.geostory.tw/igneous-intrusive-extrusive/
2.李定原。台灣雪山山脈北段及其他四個地點磷灰石核飛跡定年研究。國立臺灣大學地質科學研究所碩士論文。
3.核飛跡定年法（Fission Track Dating, FTD）─科學Online https://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=12867
4.海底磷灰石礦─百度百科 https://baike.baidu.com/item/海底磷灰石矿/5274581
5.腦砂 ─維基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/腦砂
6.磷灰石─維基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/磷灰石
7.磷灰石─Wisin.com http://wisin.com/Gem1/Apatite.htm
8.磷灰石Apatite -臺灣地質知識服務網。 https://twgeoref.moeacgs.gov.tw/GipOpenWeb/wSite/ct?xItem=125837&ctNode=1233&mp=6
9.磷礦耗竭的危機 ─科學人雜誌 https://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?id=1414
10.磷礦─百度百科 https://baike.baidu.hk/item/磷礦/2381285
11.Apatite -mindat.org https://www.mindat.org/min-29229.html
12.Hydroxyapatite -wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Hydroxyapatite
13.Intracranial calcifications on CT: an updated review - PubMed https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31558966/
14.Phosphorites on the sea floor and their origin -Marine Geology https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0025322779900409
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