一、地殼運動對硯石形成的變化
地球自誕生以來，已有46億年的歷史。在這漫長的歲月中，地殼的運動和變化，使硯石質地產生了變化，硯石的堅細、紋飾繁美的形神特點是怎樣形成的?就要從地質學的原理上加以解釋。
歙硯石產於風景秀麗的黃山與天目山、白際山之間的歙縣、休寧、黟縣、婺源(今屬江西)、績溪(今屬宣城)境內。
硯石產地按黃汲清大地構造單元，屬揚子準地臺北東段。又可分為兩個次級構造，大體以大曆山岩體—黃山岩體、旌德巖體為界，以南屬江南臺隆；以北為浙西-皖南臺褶帶。江南臺隆在中元古代早期為優化地槽，晉寧期褶皺回返形成基底，其基底為中元古代上溪群和上元古代瀝口群組成。上溪群巖性：灰、灰綠、灰黑色千枚巖，千枚狀粉砂岩、板岩。總厚度2709米。歙硯石岩層就形成於8億年前的晉寧期。
大約在13億5千萬年前，這裡是一片汪洋大海，到處是白浪滔滔之地，晉寧運動為本區一次具有劃時代意義的褶皺造山運動。部分地區上升為陸地。後遭海侵而成黟縣和績溪海灣，東出下揚子海槽，中隔歙縣半島，與浙西海相通。在震旦紀至寒武紀，黃山、白際山、天目山均為汪洋澤國。部分歙硯石礦點為海水淹沒，參看震旦紀一寒武紀古地理圖，就一目瞭然。到距今大約4億年的泥盆紀，這時更是天水極目。到了3億3千萬年的石炭紀至2億3千萬年的二疊紀，歙硯石產地的地貌也產生了變化。
二、硯石的岩層科學分析
歙硯石屬於變質岩。變質岩是火成岩和沉積岩，在高壓的作用下，改變了其原來的結構，生成種新巖。歙硯石未變質之前，是種水成岩，巖性為粉砂岩、泥岩和頁岩。它的原始物質非常平凡，主要是黏土，變質後形成絹雲母。近代地質科學已正確地揭示了歙硯石的機理，經顯微鏡鑑定，其巖性為板岩、含粉沙板岩及粉砂質板岩。通過能譜分析和電子探針分析已確定歙硯石由多硅白雲母、蠕綠泥石、石英、金屬礦物和微量炭質組成。蠕綠泥石顆粒約為0.01毫米左右，含量35%～40%；多硅白雲母多在0.01～0.001毫米之間，含量25%～30%；石英多呈粒狀，粒徑0.01～0.005毫米，含量25%～35%；長石等碎屑約2%～3%。歙硯石平均硬度4°左右，比重2.5～3,平均為2.9。
三、硯石的基本物理特性與紋飾紋理
硯石的特徵主要包括顏色、質地、紋飾、光澤、硬度、加工性能和比重、吸水率等物理性能。板岩硯石的礦物化學成分為硅酸鹽,主要由粘土礦物、絹雲母、石英、黃鐵礦等組成；灰巖硯石的礦物化學成分為碳酸鹽，主要由方解石及少量白雲石、絹雲母、石英和鐵質等組成。
顏色是硯石最醒目的標誌之一，有的硯石基本是根據顏色來定名，如紫雲石、廟前青、廟前紅、青綠暈石、歙紅、歙青、歙黃等。硯石的顏色以灰黑色調為主，還有灰、黑、灰褐、紫紅、淡綠、綠灰、灰黃、淡黃等各種顏色，可劃分為原生色和暈色兩大類。
原生色，是硯石在成巖階段自生礦物的顏色，即是組成硯石的造硯礦物本身呈現的顏色，以及滲入礦物均勻分佈所呈現的顏色；暈色，也稱次生色，是指硯石經後生作用或氧化作用而產生的顏色或呈現的彩色薄膜，它是由原生色變化而形成的。
硯石顏色的變化除硯石的造岩礦物本身的顏色，礦物組成形成和硯石成因有密切聯繫外，主要是取決於一些雜質物。常見的染色物質主要是有機物和鐵錳質。這些染色物質的能量很大，哪怕是隻有百分之幾或千分之幾，就足以使硯石的顏色發生強烈變化；如同盆清水稍加一滴色素，馬上會使整盆水發生顏色變化一樣。有機質和鐵的硫酸鹽、還原的硫化鐵都是重要的黑色染色素。如黑色硯石即與富含有機質和硫化鐵有密切關係。鐵質也是種重要的染色物質，主要取決於它的價態及其比值。例如三價鐵呈紅色，為紅色色素；二價鐵呈綠色，為綠色色素。當三價鐵與二價鐵的比值發生變化時，石質的顏色可發生明顯的變化。如比值大於3時，石質顯紅色；在3～1，6間時，石質顯紫色、棕色等；小於1.6時，石質顯淺灰或灰色；近於0時，石質顯黑色。
硯石的質地包括礦物顆粒大小、排列情況以及石英脈筋、裂膈細線等。
歙硯石質地要求緻密，礦物顆粒須十分細小，礦物顆粒的粒徑基本都在0.01-0.05毫米。物質成分的分佈要均勻，石質柔嫩健滑、細膩堅潤。手摸似孩兒肌膚般的柔嫩，故有“孩兒面”“美人膚”之稱。哈氣能凝聚小水珠，且不透水，不吸水，吸水率應達到0.02～0.27%之間。
硯石的紋飾對歙硯的價值影響很大。歙硯的紋飾繁多，按照天然紋理來分，主要有八個大類：羅紋、眉紋、金星金暈、帶狀紋、魚子紋、紫雲玉斑、歙紅、歙青等。從地質成因上則可將其複雜的紋飾歸納成五大類：色澤紋飾、成巖紋飾、生物化石紋飾、構造紋飾、金屬紋飾。其紋理形態各異，千姿百態，有的似白雲飄逸，或秋水漣漪；有的金光燦爛，或隕石紛墮，歙硯善於利用這些紋飾，因材施藝，加以雕琢。
歙硯石從它的折光來看，不同的角度對著不同的光線，硯石表面的折光效果也就不同。硯石表面光澤的強弱取決於現石的結構、礦物成分、化學性質、光學性質和造視礦物的結晶程度等。一般來說。硯石的顏色深，組成的礦物顆粒細小，面也就比較均勻。硯石的折光強弱也是選擇歙硯的標準之一。
測定硯石的硬度一般以10種礦物作為標準比對，列成相對的硬度進行比較，這就是“摩氏硬度計”：
摩氏1度為滑石 摩氏2度為石膏
摩氏3度為方解石 摩氏4度為螢石
摩氏5度為磷灰石 摩氏6度為正長石
摩氏7度為石英 摩氏8度為黃玉
摩氏9度為剛玉 摩氏10度為金剛石
從以上十種礦物硬度來分析測定硯石的硬度，通常可用指甲(硬度2.5度)、小刀(硬度約5.5度)及碎玻璃(硬度約6.5度)來粗測硯石礦物硬度。測定硯石的硬度是選擇硯臺的重要標準之一。硬度過大，雕刻困難；硬度過小，容易使磨墨處磨下凹凸不平，影響硯的使用壽命，同時，硯石的硬度低於墨的硬度，容易將硯石研成粉末，混人墨中，影響書寫繪畫的效果。測定選擇歙硯石的硬度一般在摩氏硬度計的3～4度之間。
還有硯石中的其他物理性質是指比重、孔隙度、吸水率、傳熱性、耐凍性等。不同類型的硯石物理性能不同。地質專家程明銘先生曾經將歙硯石料的比重作過系統的研究比對，不同的硯坑和不同石質比重，吸水率等都不相同。如石質細，黏土礦物高，則硯石的比重則大，反之則小。與硯石礦物的質點排列緊密，比重則大，排列較疏，比重則小。硯石的硬度、礦物成分、結構的構造等因素決定於硯石的切割打磨或加工成為各種形狀硯臺時所使用的工具具有屈服性，也就是說加工成硯的難易程度取決於硯石的硬度。
