碳矽石

碳矽石又稱穆桑石，即天然碳化矽。天然碳矽石是Henri Moissan 於1893 年在隕石中發現並以其姓名命名的礦物。由於Henri Moissan證明他從未用過人造SiC 製備樣品，從而消除了有人造SiC 捲入的質疑。隨後在隕石、金伯利岩及其他不同類型岩石中都發現了天然SiC 。但作為原生的天然SiC ，卻只見於隕石和金伯利岩中，見於蛇紋岩中者未見報導。

基本介紹

• 中文名：碳矽石
• 外文名：moissanite
• 又名：穆桑石
• 實質：天然碳化矽
• 學科：冶金工程
• 領域：礦石

概況

天然碳矽石是Henri Moissan 於1893 年在隕石中發現並以其姓名命名的礦物。由於Henri Moissan證明他從未用過人造SiC 製備樣品，從而消除了有人造SiC 捲入的質疑。隨後在隕石、金伯利岩及其他不同類型岩石中都發現了天然SiC 。但作為原生的天然SiC ，卻只見於隕石和金伯利岩中，見於蛇紋岩中者未見報導。

由於天然SiC 的形成需要很強的還原環境，因而一直是岩石學家感興趣的前沿課題，同時因為很難將人造SiC 和天然SiC 相區別，又使這項研究具有一定難度。目前對天然SiC 形成的溫壓條件尚無系統研究，除技術原因外(與人造SiC 有很多相似性)，主要原因可能是很難取得所需的大量原位天然SiC 樣品。已往研究認為，由於天然SiC 可以產出於任何岩石中，所以並不具有指示溫度壓力和構造背景的特殊意義，也有人指出，不同類型SiC 有不同的成因，但主要意見都認為原位天然SiC 特別是α_6H 和R 型SiC 都是幔源的，立方晶系的β_SiC 則可能是殼源的。將人工合成的SiC稱為碳化矽，稱天然SiC 為碳矽石。

據資料，天然碳矽石有α和β 兩種類型:α型為六方和三方晶系;β 型為立方晶系，形成溫度較低，並隨著溫度、壓力的增大而轉變為α型。但是由於原生的天然碳矽石只見於隕石和金伯利岩中並常作為金剛石的包體產出，有時與金紅石成交錯結構,常見有晶內的塑性變形(彎曲、細紋理、波狀消光、二軸晶化等)，與金剛石有類似的四面體方向sp3 異化鍵和相同的滑移系(當壓力為10 GPa 時，溫度必須高於1 000 ℃，金剛石才會發生晶內變形)，因而認為具有上述晶內變形的原生天然碳矽石應當是高溫高壓條件下的產物。有限的實驗資料表明，形成碳矽石的溫壓條件為:約6 GPa ,1 430 ～ 1 500 ℃。在壓力為10 GPa 、溫度>1 000 ℃時金剛石才會發生晶內變形計算，天然碳矽石應當是形成於>300 km深處的礦物。按照“ 金伯利岩來源於過渡帶石榴石岩的部分熔融”的理論來推算，天然碳矽石的形成壓力應為12 ～ 13 GPa ，相當於上下地幔過渡帶的壓力。另外，原生天然碳矽石中含有的不同類型包體，也是研究殼幔作用過程可靠信息的寶貴標本。

碳化矽由於其高硬度、高熱穩性、耐電擊穿以及抗腐蝕性，而受到材料科學工作者的廣泛關注，但寶石級和工業級的碳化矽完全靠人工合成。人工合成的碳化矽由於結晶性能不好而使其用途受到限制。與人工合成的碳化矽相反，董家山蛇紋岩中的大部分碳矽石都為良好的單晶而不是各種多型的連生體，因此可能有潛在的經濟意義而值得進一步研究。關於人造碳化矽與天然碳矽石的碳同位素是否有所不同，目前有兩種意見:有人認為幔源的天然碳矽石的碳同位素δ13C 應當低於人造碳化矽，但也有人認為並無明顯差異，因此這也是有待進一步研究的問題。

根據1975 年礦點調查報告提供的線索,在大別山南部宿松群範圍內的董家山蛇紋岩體中,發現確有天然碳矽石存在。為保證樣品的可靠性,在處理董家山蛇紋岩體的人工重砂和岩石薄片時,所用機器都經過嚴格清洗，制薄片的磨料用剛玉粉並專備磨片機，排除了人工碳化矽混入的可能，並在此基礎上進行了拉曼光譜、紅外光譜和掃描電鏡分析。董家山蛇紋岩體中的天然碳矽石不但是岩體形成過程的溫壓指示礦物，也為進一步研究本區殼幔作用過程提供了難得的樣品，為進一步建立天然碳矽石與人造碳化矽的有效鑑別標誌提供了可靠的樣本。另外，在深入研究董家山蛇紋岩體中原生天然碳矽石的基礎上，如果今後的研究工作能證明帶內其他超基性岩中也有原生天然碳矽石或其他類似的標誌礦物的存在，那么，將整個宿松群作為揚子大陸低壓俯衝蓋層的傳統看法必須重新考慮。也許，這個基性超基性岩帶代表一個重要的構造帶，兩側是兩個構造背景完全不同的構造岩石單位，而宿松群應該解體，進而對大別山幾何結構和運動學特徵以及有關的找礦方向也需要重新認識。因此，對董家山蛇紋岩中原生天然碳矽石進行深入研究，不但有非常重要的理論意義，同時也有重要的實用意義。

大別山南產出

董家山蛇紋岩體位於大別山南部宿松群的範圍內，已經由鑽探證明是無根的透鏡體，部分出露地表，近東西向分布，長1 440 m ，寬200 ～ 400 m ,鑽探厚度100 ～ 150 m ，與底部大理岩為構造接觸。除去含碳矽石的董家山蛇紋岩體外，該區還有一系列基性和超基性岩體，沿北西西方向分布，這些岩體以往都歸入宿松群，並作為揚子大陸俯衝蓋層的一部分。雖然也有少數人將其作為構造混雜岩帶；但是，也只認為它是次要的、處於宿松群範圍內的、只經過低壓變質作用的構造帶。劉雅琴等曾認為其附近的藍晶石英岩經歷過超高壓變質作用但並未涉及含碳矽石的蛇紋岩本身。張國偉等曾推測這個基性超基性岩帶是他所說勉略構造帶的東延部份，但未做具體描述。

據資料，董家山蛇紋岩主要礦物成分為葉蛇紋石，局部含少量膠蛇紋石和纖維蛇紋石，可能是橄欖石的退變產物。次要礦物有滑石、透輝石、透閃石、綠簾石、綠泥石、陽起石、水鎂石、蛋白石、玉髓等大部為次生或退變產物，殘留的橄欖石、榍石、石榴石、碳矽石以及金屬礦物有磁鐵礦、鉻鐵礦、黃鐵礦等應為原生組合。此外，還發現有斜鋯石、金紅石或銳鈦礦、微粒金剛石和自然金，也應是原生組合的成員。其中斜鋯石、金紅石或銳鈦礦、微粒金剛石都已由拉曼光譜證實，自然金則根據顯微鏡的觀察結果確定。原岩可能為橄欖岩。根據礦物組合，碳矽石應是原生的。蛇紋岩的化學成分由安徽省實驗地質研究所用經典方法完成的。根據礦物組合和化學成分認為董家山蛇紋岩應是富鎂的幔源岩石。

測試方法

人工重砂制樣由經過清洗的破碎機破碎，再經過磁力和重液分選，然後用雙目鏡挑選，最後用偏光顯微鏡確認。薄片用人造金剛石刀片切片，磨料為剛玉粉。偏光顯微鏡為Olympus BX60 ，照片由連線顯微鏡的Olympus DP11 數位照相機拍攝。

單晶碳矽石拉曼光譜測定在國土資源部大陸動力學實驗室和南京大學內生金屬礦床機制研究國家重點實驗室進行，工作條件均為LM 1000 ,Ar+雷射波長514 nm ，功率2 nW ，光闌50 μm 。薄片碳矽石拉曼光譜在中國科學院地質和地球物理研究所測定，工作條件為LM 2000 ,Ar+雷射波長514 nm ，功率20 nW ，光闌25 μm 。

紅外光譜測試在中國科學技術大學七系紅外光譜實驗室進行，工作條件為:FT_IR Nicolet 5700 ，附IR 顯微鏡的光譜儀，解析度80cm-1 ，光闌69 μm ，掃描次數128 ，測試範圍500 ～ 2 000 cm-1 。單晶用透射光模式，薄片中晶體用反射光模式以減少樹膠和載玻片的干擾。

碳矽石成分測試在北京大學物理系電鏡室的掃描電鏡能譜儀上進行，工作條件為:SUTW_SAPPHIRE，129 .96 kV 15 .00 。單晶X 光譜分析在中國地質大學(北京)地學實驗中心進行，工作條件為:Bruker SMA RT APEX_CCD ，20000090 ，石墨單色器,Mokα(0 .710 37 ×10-1nm)，45 kV ，35 mA ，室溫(20 ℃±)，掃描角ω0 .3°。

顯微鏡研究

1 　人工重砂中選出的碳矽石

人工重砂中選出的碳矽石具有不規則形態，大部分為自形或半自形單晶。自形晶以六方板狀為主，有的沿a 軸延長，個別為三方晶系，表現為具有棱形晶面。多數為藍色，少數為黃綠色和無色。有不同類型包體，短柱狀和針狀金屬矽包體較多， 偶見球狀金屬(拉曼光譜對金屬無反應)包體。需要說明的是,因其拉曼峰值為788 、766 、970 cm-1 ，而鋯石的拉曼主峰值為1 008cm-1 ，次要峰為970 ～ 971 cm-1 。

2 　薄片中的天然碳矽石

薄片中的碳矽石大多數為藍色，也有的為黃色和無色。大部分薄片中碳矽石的自形程度較差且有光性異常，為二軸晶正光性，2E ≤30°;部分晶體直徑小於100 μm。由於薄片中碳矽石均未暴露在表面因此無法做成分測定，但拉曼和紅外光譜測定結果均證明其為碳矽石。

3d 、3e 、3f 均為二軸晶正光性。而碳化矽均為一軸晶正光性，未見有二軸晶正光性的報導。原生碳矽石的二軸晶化，表明它有明顯的晶內變形或塑性變形,因而也成為重要的壓力標誌，就好象一軸晶的石英,在超高壓變質作用下可以轉變為二軸晶的柯石英。

因此，二軸晶正光性應是天然碳矽石區別於碳化矽的重要標誌之一。由於碳矽石本身是高度還原條件下的產物，因此一軸晶碳矽石可能是二軸晶碳矽石的退變產物。金屬矽的球狀包體(可能為自然Fe)也是碳矽石區別於碳化矽的重要標誌。

拉曼光譜研究

前期研究中，對30 個單晶以及15 個薄片中的碳矽石進行了拉曼光譜測定。測定結果雖然有差異，但都在允許誤差範圍之內。單晶的拉曼光譜位移峰值穩定，主峰為788 cm-1 ，次峰為766 cm-1 ，弱峰為970 cm-1左右。金屬矽包體的拉曼峰值穩定在520 ～ 521 cm-1。薄片中碳矽石的拉曼位移峰雖然不穩定，但也都變化在允許的誤差範圍內，例如，主峰變化範圍為785 ～ 788 cm-1 ，次峰為968 ～ 995 cm-1 ，弱峰為780 ～ 783 cm-1 之間。次峰和弱峰的強度有時互換。這種變化可能是由薄片中相鄰礦物的干擾引起，但主峰位移則穩定在788 cm-1附近。中國地質大學地質過程與礦產資源國家重點實驗室及本文測試單位提供的碳化矽標樣的拉曼光譜的位移峰值均為:主峰788cm-1 ，次峰965 cm-1 ，弱峰766 cm-1左右，與天然碳矽石的拉曼光譜基本相同。因此，拉曼光譜能證明碳化矽和碳矽石的存在，但不能區分二者。

能譜分析

由於所用電子探針不能測出C 的成份，因此對1 個碳化矽和2 個單晶碳矽石進行了能譜分析。碳化矽中除去主要元素Si 和C外，還有雜質Na 及O ，而碳矽石的能譜中只有Si 和C ，未見其他雜質，表明它未受到過任何殼源物質的污染。波希米亞和地中海卵石碳矽石中有Al 、Na 、Ca 、Mg 等雜質。波希米亞碳矽石產出在火山角礫岩中，角礫成分有火山岩、泥灰岩、褐鐵礦、鈣質和含化石灰岩以及石榴石片麻岩等，因此不能保證其中碳矽石是原位的。含碳矽石的地中海卵石除來源地不明外，成分也很難與自然界的任何已知火山岩對比。因此也不能證明其為原位碳矽石。相反，大別山碳矽石的母岩性質、礦物組合、其本身的光性、紅外光譜等方面的特證，都證明它是天然原位碳矽石。

總結

(1)推測大別山原生碳矽石的形成條件為:溫度高於1 000 ℃，壓力約10 GPa ，相當於上下地幔過渡帶的深度。

(2)根據資料可以認為董家山蛇紋岩體內的碳矽石與碳化矽的區別為:碳矽石有較多的二軸晶正光性晶體，含有針狀金屬矽以及可能的自然鐵包體，天然碳矽石與人造碳化矽的紅外光譜有明顯區別，人造碳化矽比天然碳矽石有較多的雜質。

(3)由於碳矽石是超高壓或幔源礦物，因而對母岩形成條件，乃至區域的構造演化，與隕石中碳矽石對比以研究地球形成歷史，都有重要意義，因此需要對董家山蛇紋岩體內的碳矽石進一步研究。

(4)作為潛在的陶瓷和半導體材料，董家山蛇紋岩體內的碳矽石也有進一步研究的價值。