北投石（含鉛重晶石）Hokutolite/Anglesobarite

化學成分
　　(Ba, Pb)SO₄
物理性質
　　北投石與重晶石或硫酸鉛礦都屬同構造型的斜方晶系礦物。北投石之物理性質也多介於重晶石和硫酸鉛礦（鉛礬）之間（表5-22-1）。
　　晶體呈蜜黃色至黃褐色，小部分呈灰白色（圖5-22-1），肉眼可見之晶體自略小於一公厘，以至大到五、六公厘。晶癖呈平行底面厚板狀之菱形六面體，由（001）底面和（110）柱面組成之簡單晶形，少數也具有（111）錐面。多由晶體叢生密集成皮殼狀，構成一皮殼狀薄層，有數公厘，最厚者約1公分的厚度，生長在礫石表面（圖5-22-1a），晶體之稜線多不甚筆直，晶面也有些微彎曲，常有三數晶體平行連生成一小單位，此連晶之基部緊密相接而較窄，往上面增厚並散開成扇狀，且頂部各個體常高低不一，參差近雞冠狀（圖5-22-1b）。推想長得不甚均勻規則之外形，可能是因其內部包含有小晶體，不整齊的組合在一起。 

                                                                 表5-22-1　北投石與硫酸鉛礦及重晶石之物理性質比較表 
                                                                                  【陳培源（Chen, P. Y., 1963b）】。

產地與產狀
　　產生北投石的北投溪是在臺北市北投區的一條小溪，源自新北投東北端地熱谷（地獄谷）溫泉的出口，附近是一盆狀窪地，溫泉主要出口在窪地東南側崖下，是從五指山層砂岩的裂縫湧出，溫泉水和周圍山旁小澗的溪水混合，匯集成一小池塘，這窪地可能是一火山爆裂口的遺跡，池塘裡熱騰騰氣濛濛的熱水從其西南邊的缺口（當地稱為落口）往西南方排出，成一溫水小溪，即為北投溪。河床寬者十餘公尺，窄者不過四、五公尺，河床上滿布安山岩與少數砂岩之大小礫石，水深者可沒膝，淺者僅至足踝。河床自出口以下到約600公尺處，這一段河床上有五道小瀑布（瀧），其落差數十公分以至一、二公尺。北投石之出現約在出口以下150公尺處開始，往下游增多，以至第一瀧附近為止，分布長度約近400公尺，其中就作者以前所見，在第三瀧附近產出最豐【陳培源（Chen, P. Y., 1963b）】（圖5-22-2）。由第一瀧再往下至新北投之七星橋，多泥沙質溪底，罕見礫塊已無北投石出現。
　　北投溪的北投石多年來被人採取搜刮，加之受污水污染，已見不到新生成的礦物，殘餘的也是鳳毛麟角，最近（1999年）才經地方人士之努力，爭取設定北投石保護區，來維護這國寶級的遺跡。
礦物資料
A.北投石之發現與命名
　　這是惟一以臺灣地名命名的礦物，是一種具有放射性的含鉛重晶石。最初是日人岡本要八郎（Okamoto, Y.）於1906年在現今臺北市北投區新北投公園之北投溪河床上發現，經過多人化學分析後，認為是BaSO₄和PbSO₄的化合物。1908年岡本與春原三壽吉（Sunokara）助教授得東京帝大物理學教師之協助，證實此礦物具有放射性，因此引起日本與歐美學者之注意和研究。其後東京大學教授神保小虎（Kotora Jimbo）博士專程來臺調查採樣作研究，並於1912年在俄京召開之國際礦物會議上提出審查申請，命名為anglerobarite，岡本稱其為北投石。岡本於1915年發表了《北投石調查報文》，由臺灣總督府殖產局出版（岡本當時任礦務課技手）作詳細說明。至今所知全世界北投石的產地只有兩處，即北投溪與日本秋田縣澁黑（Shibukuro）溫泉【Dana, 1932】（今稱仙郡田湖沢玉川溫泉，見【藤原卓，1995】）。而Fleischer．Mandarino主編之《礦物種名名稱匯編》中則使用plumboan barite的名稱。
B.儀器分析資料
　　作者曾作XRD分析（圖5-22-3），顯示北投石具有固溶體性質，使用四種樣品分析，包括純重晶石、純硫酸鉛礦，二者之1：1之混合物，以及北投石，然後加以比較此四種之XRD圖譜（圖譜見【張鳳棲（Chang, 1961）】文中，Fig.2），在混合的樣品中分屬重晶石和硫酸鉛礦之反射線都分別出現，而北投石樣品的反射線則自成一體，與二端元礦物反射線位置都不相同，但卻相關，即密勒指數相同的晶面，其間距（d-spacing）雖不同於二端元的數值，但恰好在相應二端元的中間，這表示在重晶石構造中離子半徑較大的鋇離子（1.43Å）被半徑較小的鉛離子（1.32Å）所替代後，晶胞變小了百分之幾（即d-spacing數值變小一點），但仍大於純硫酸鉛礦。所以也證明北投石是二者之固溶體，而非機械式的混合物。依據XRD圖譜之晶面間距數值也計算出北投石平均之單位晶胞之三軸a，b，c常數。
　　北投石另一重要特性是具有放射性，最初岡本要八郎發現照相底片和北投石相接觸之後能被其感光，因之確定北投石具有放射性。岡本要八郎等也發現北投石呈白色者（圖5-22-4）之放射性比褐黃色者較強，作者以蓋氏計數器測強度在528～755 cpm，相當於臺南沙礦獨居石沙放射強度之1 / 3.8倍，科羅拉多州瀝青鈾礦之1 / 200，也發現乳白色者之強度高於淡褐色者【陳培源（Chen, P. Y., 1963a）】。
　　有些學者也由化學方面探討放射性由來的核種性質，最初由早川政太郎及中野友禮二氏【岡本要八郎，1915a；早川政太郎和中野友禮（Hayakawa, M. & Nakano, T., 1912）】，依據自北投石中分離出之放射性部分衰變曲線（Decay curves）推定，認為其中含有釙（Po）、鑀（Io）及鐳（Ra）等放射性元素。吉村氏（1929）並檢測北投與澁黑兩地北投石中Ra與Th之含量為（表5-22-2）：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表5-22-2　北投石之鐳和釷含量（wt.%）

　　木村氏（Kimura, K., 1940）據衰變率之平衡推算，認為北投石表面含有3.810^-2克之Po，相當內部含有1.310^-9克Ra。臺灣大學陳英茂教授曾於1958年用陰離子交換方法，而能自北投石中分離出RaE（Bi²¹⁰）及RaF（Po²¹⁰）。清華大學濱口博教授等曾於1962年（亦即相關李遠哲之碩士論文）由β射線之絕對計數，精測所含鈾系之放射性核種（Nuclides），而測定有Pb²¹⁰、Pb²¹²、Bi²¹⁰、Bi²¹²及Ac²²⁸等存在，認為北投石之放射線源為Ra及其衰變產物，並估計北投石中含有鐳1.5 ×10^-11 g∕g²。Ra²⁺與Ba²⁺二離子之半徑及其他化學性質都很相近，因此可能有鐳離子代替結晶格子中之鋇離子而出現放射性。
　　此外早川政太郎與佐伯正（1915），沿北投溪逐段採取標本，測其放射性，每月測一次，共測十次，取其平均數。由此試驗結果，他認為在上游溪中之北投石比下游者為強：其最低值為91.3 mache∕125 gm，係在第一道小瀑布（日人稱為瀧）所採，最高者為210.5 mache；表層結晶比其底層之放射性較強2至10倍；又新生成之北投石亦比較早生成者為強〔註：mache為放射性之濃度單位，1 mache＝3.610^-10 curie〕。
　　張鳳棲（Chang, 1961）也用蓋氏計數器偵測離泉源90公尺以下至600公尺處為止的溪水放射強度，發現在北投石出現最多的河段，放射強度的降低率最大。又測北投石與放射性亦或相關的北投石所含的稀土元素種類，除過去化學分析表中已列有Ce和La之外，陳培源也曾用X光螢光光譜測出還含有Dy、La、Ta等元素【張鳳棲（Chang, 1961）】。
　　陳慶宗和余樹楨（Chen, C. J. & Yu, 1984）曾作X-光單晶攝影，據其結果判定北投石內部是由體積有些微差異的小晶域（domain）組合而成，並有生長缺陷存在。北投石內部成分不均勻，並具環帶構造【岡本要八郎，1916d；張鳳棲（Chang, 1961）】，在薄片中可見二至三層環帶，明、暗相間，形成與外形近於平行之菱形同心圈，在較寬大環帶中，復可夾有甚薄（微米級）的次環帶。陳慶宗等以電子微探分析各帶成分，發現近於透明的環帶含鉛（Pb）較高，近於26 wt.％，呈雲翳狀暗色帶含鉛較低，近17 wt.％；反之，前者含鋇（Ba）較少（35 wt.％），後者含鋇較多（約42％）。由此可見北投石是由較富BaO者與較富PbO者之層帶交間而成之固溶體，但沒有絕對固定的比例。在重晶石原子構造中鋇離子常被性質相近的鉛離子或鍶離子所替代，如前述金瓜石產之重晶石，就常含有氧化鉛和氧化鍶，但其含量都在2％以下【黃春江和張裕華（Huang & Chang, 1982）】。而在北投石中PbO之含量則可高達17～22 wt.％（表5-22-3），又由不同採樣之化學分析結果（表5-22-3），也可見出各標本間有成分之變化。純粹重晶石之BaO含量應是65.7％，而北投石分析表中BaO最高含量約42％，最低是32％；而PbSO₄對BaSO₄之分子比可由21：79至32：68（其平均值近27：73）。
　　由於成分上差異也影響到物理性常數的測定（例如比重和折射率等，表5-22-4）。《礦物種名名稱匯編》（暫譯名稱）的編者M. Fleischer曾來信說明：因北投石是一固溶體，但僅存在二端元中間的一段範圍，不成一連續的類質同像系列中一員，所以不能被認定為一正式礦物種，在他們匯編內的名稱是以plumboan barite的名字註解北投石（作者私人通信），由陳慶宗等依不同層帶所計算出的分子式是在(Pb_.35Ba_.65)SO₄至(Pb_.20Ba_.80)SO₄之間。但北投石與此二者所特異者，乃具有放射性。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表5-22-3　北投石化學成分表

（1）東京大學分析（1909），纖維狀皮殼。
（2）日本地質調查所分析（1911），新鮮結晶。
（3）京都大學分析（1912），混合標本（？）
（4）臺灣總督府工業研究所分析（1914），混合材料。
（5）清華大學濱口博等分析（1962）。
（6）陳慶宗和余樹楨（Chen, C. J. & Yu, 1984）。
（1）～（5）文獻見【陳培源，1963】

C.北投石成因之探討
　　北投石如何生成，有關生成機制，理化之控制因素與環境等，都是問題，可以推想的相關因子，包括泉源的水質、溫度的變化、流量的速率、溪水酸鹼度（pH）、固形物含量，以至環境因素如河床性質等等。過去討論這問題常多未提及的，就是北投石和黃鉀鐵礬共生的關係，北投石主要生長在安山岩礫表面，但很少直接附著在多少已受風化的安山岩表面，絕大多數在北投石基部都有一層土黃至褐黃色的黃鉀鐵礬，介於安山岩礫或固結之泥沙與北投石晶簇間，黃鉀鐵礬厚度薄者不及一公分，厚者有十餘公分（請參閱「5-27黃鉀鐵礬」）。黃鉀鐵礬的生成和北投的結晶有一定先後的共生次序，可能有觸媒的作用（黃鉀鐵礬的生成條件，可參考「5-27黃鉀鐵礬」）。
 
　　　　　　　　　　　 表5-22-4　北投石與硫酸鉛礦及重晶石之光性性質比較表
　　　　　　　　　　　　　　　　　 【陳培源（Chen, P. Y., 1963）】

　　溫泉水在出口的溫度，都在90℃上下（最近科展學生探測，此地區最高溫高達103℃），強酸性（pH～1.6），有強硫化氫氣味，含有游離鹽酸，能溶金屬（表5-22-5，【岡本要八郎，1916e】）。在成礦河段溪水溫度則由60℃漸降至45℃（陳培源所測），水質之分析中顯示含有BaSO₄和PbSO₄均極為稀少（表5-22-5）。水溫、水質、水流量之類因子均可能有季節性變化。北投石生長均以河床有礫石的河段為主。地熱谷溫泉水源可能由爆裂口深處沿五指山層中斷層湧出。屬酸性明礬類（水綠礬）泉【國府健次，1938a】，流量特大（每小時流量24萬公升）並含放射性0.37 mache。此與鄰近之陸軍偕行社溫泉（舊名）及公共浴場水質都不同，北投石內部有環帶構造似乎不是生成後因交代作用而產生，可能因水質或其他屬性有波動，而產生之週期性變化。另一解釋可能是如前文所述，鐳可能替代鋇而存在，北投石中之富鋇的圈紋多呈雲翳狀，也有可能是放射性的影響。

　　　　　　　　　　　　　　　　　表5-22-5　北投溫泉水成分表（東京衛生試驗所分析，1930）

註：本分析是溫泉水經濾去固體粒子後之成分