大理石は、変成作用の結果、石灰岩とドロマイト石灰岩が再結晶してできた組成物である。成分の90-98%はCaCO3(炭酸カルシウム)で構成されている。MgCO3(炭酸マグネシウム)の割合は低い。CaCO3の結晶からなる大理石では、主鉱物は「方解石」である。また、少量のケイ素、二酸化ケイ素、長石、酸化鉄、雲母、フッ素、有機物を含むこともある。色は通常、白や灰色を帯びている。しかし、異物により、黄色、ピンク色、赤色、青みがかった色、茶色がかった色、黒色などの色を示すこともある。顕微鏡で観察すると、よくかみ合った「方解石結晶」で構成されていることが観察される。
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