[科普中国]-碳硅石

简介

天然碳硅石是Henri Moissan 于1893 年在陨石中发现并以其姓名命名的矿物。由于Henri Moissan证明他从未用过人造SiC 制备样品，从而消除了有人造SiC 卷入的质疑。随后在陨石、金伯利岩及其他不同类型岩石中都发现了天然SiC 。但作为原生的天然SiC ，却只见于陨石和金伯利岩中，见于蛇纹岩中者未见报道。

由于天然SiC 的形成需要很强的还原环境，因而一直是岩石学家感兴趣的前沿课题，同时因为很难将人造SiC 和天然SiC 相区别，又使这项研究具有一定难度。目前对天然SiC 形成的温压条件尚无系统研究，除技术原因外(与人造SiC 有很多相似性)，主要原因可能是很难取得所需的大量原位天然SiC 样品。已往研究认为，由于天然SiC 可以产出于任何岩石中，所以并不具有指示温度压力和构造背景的特殊意义，也有人指出，不同类型SiC 有不同的成因，但主要意见都认为原位天然SiC 特别是α_6H 和R 型SiC 都是幔源的，立方晶系的β_SiC 则可能是壳源的。将人工合成的SiC称为碳化硅，称天然SiC 为碳硅石。

据资料，天然碳硅石有α和β 两种类型:α型为六方和三方晶系;β 型为立方晶系，形成温度较低，并随着温度、压力的增大而转变为α型。但是由于原生的天然碳硅石只见于陨石和金伯利岩中并常作为金刚石的包体产出，有时与金红石成交错结构,常见有晶内的塑性变形(弯曲、细纹理、波状消光、二轴晶化等)，与金刚石有类似的四面体方向sp3 异化键和相同的滑移系(当压力为10 GPa 时，温度必须高于1 000 ℃，金刚石才会发生晶内变形)，因而认为具有上述晶内变形的原生天然碳硅石应当是高温高压条件下的产物。有限的实验资料表明，形成碳硅石的温压条件为:约6 GPa ,1 430 ～ 1 500 ℃。在压力为10 GPa 、温度>1 000 ℃时金刚石才会发生晶内变形计算，天然碳硅石应当是形成于>300 km深处的矿物。按照“ 金伯利岩来源于过渡带石榴石岩的部分熔融”的理论来推算，天然碳硅石的形成压力应为12 ～ 13 GPa ，相当于上下地幔过渡带的压力。另外，原生天然碳硅石中含有的不同类型包体，也是研究壳幔作用过程可靠信息的宝贵标本。

碳化硅由于其高硬度、高热稳性、耐电击穿以及抗腐蚀性，而受到材料科学工作者的广泛关注，但宝石级和工业级的碳化硅完全靠人工合成。人工合成的碳化硅由于结晶性能不好而使其用途受到限制。与人工合成的碳化硅相反，董家山蛇纹岩中的大部分碳硅石都为良好的单晶而不是各种多型的连生体，因此可能有潜在的经济意义而值得进一步研究。关于人造碳化硅与天然碳硅石的碳同位素是否有所不同，目前有两种意见:有人认为幔源的天然碳硅石的碳同位素δ13C 应当低于人造碳化硅，但也有人认为并无明显差异，因此这也是有待进一步研究的问题。

根据1975 年矿点调查报告提供的线索,在大别山南部宿松群范围内的董家山蛇纹岩体中,发现确有天然碳硅石存在。为保证样品的可靠性,在处理董家山蛇纹岩体的人工重砂和岩石薄片时,所用机器都经过严格清洗，制薄片的磨料用刚玉粉并专备磨片机，排除了人工碳化硅混入的可能，并在此基础上进行了拉曼光谱、红外光谱和扫描电镜分析。董家山蛇纹岩体中的天然碳硅石不但是岩体形成过程的温压指示矿物，也为进一步研究本区壳幔作用过程提供了难得的样品，为进一步建立天然碳硅石与人造碳化硅的有效鉴别标志提供了可靠的样本。另外，在深入研究董家山蛇纹岩体中原生天然碳硅石的基础上，如果今后的研究工作能证明带内其他超基性岩中也有原生天然碳硅石或其他类似的标志矿物的存在，那么，将整个宿松群作为扬子大陆低压俯冲盖层的传统看法必须重新考虑。也许，这个基性超基性岩带代表一个重要的构造带，两侧是两个构造背景完全不同的构造岩石单位，而宿松群应该解体，进而对大别山几何结构和运动学特征以及有关的找矿方向也需要重新认识。因此，对董家山蛇纹岩中原生天然碳硅石进行深入研究，不但有非常重要的理论意义，同时也有重要的实用意义1。

大别山南部天然碳硅石的产出董家山蛇纹岩体位于大别山南部宿松群的范围内，已经由钻探证明是无根的透镜体，部分出露地表，近东西向分布，长1 440 m ，宽200 ～ 400 m ,钻探厚度100 ～ 150 m ，与底部大理岩为构造接触。除去含碳硅石的董家山蛇纹岩体外，该区还有一系列基性和超基性岩体，沿北西西方向分布，这些岩体以往都归入宿松群，并作为扬子大陆俯冲盖层的一部分。虽然也有少数人将其作为构造混杂岩带；但是，也只认为它是次要的、处于宿松群范围内的、只经过低压变质作用的构造带。刘雅琴等曾认为其附近的蓝晶石英岩经历过超高压变质作用但并未涉及含碳硅石的蛇纹岩本身。张国伟等曾推测这个基性超基性岩带是他所说勉略构造带的东延部份，但未做具体描述。

据资料，董家山蛇纹岩主要矿物成分为叶蛇纹石，局部含少量胶蛇纹石和纤维蛇纹石，可能是橄榄石的退变产物。次要矿物有滑石、透辉石、透闪石、绿帘石、绿泥石、阳起石、水镁石、蛋白石、玉髓等大部为次生或退变产物，残留的橄榄石、榍石、石榴石、碳硅石以及金属矿物有磁铁矿、铬铁矿、黄铁矿等应为原生组合。此外，还发现有斜锆石、金红石或锐钛矿、微粒金刚石和自然金，也应是原生组合的成员。其中斜锆石、金红石或锐钛矿、微粒金刚石都已由拉曼光谱证实，自然金则根据显微镜的观察结果确定。原岩可能为橄榄岩。根据矿物组合，碳硅石应是原生的。蛇纹岩的化学成分由安徽省实验地质研究所用经典方法完成的。根据矿物组合和化学成分认为董家山蛇纹岩应是富镁的幔源岩石。

测试方法人工重砂制样由经过清洗的破碎机破碎，再经过磁力和重液分选，然后用双目镜挑选，最后用偏光显微镜确认。薄片用人造金刚石刀片切片，磨料为刚玉粉。偏光显微镜为Olympus BX60 ，照片由连接显微镜的Olympus DP11 数码照相机拍摄。

单晶碳硅石拉曼光谱测定在国土资源部大陆动力学实验室和南京大学内生金属矿床机制研究国家重点实验室进行，工作条件均为LM 1000 ,Ar+激光波长514 nm ，功率2 nW ，光阑50 μm 。薄片碳硅石拉曼光谱在中国科学院地质和地球物理研究所测定，工作条件为LM 2000 ,Ar+激光波长514 nm ，功率20 nW ，光阑25 μm 。

红外光谱测试在中国科学技术大学七系红外光谱实验室进行，工作条件为:FT_IR Nicolet 5700 ，附IR 显微镜的光谱仪，分辨率80cm-1 ，光阑69 μm ，扫描次数128 ，测试范围500 ～ 2 000 cm-1 。单晶用透射光模式，薄片中晶体用反射光模式以减少树胶和载玻片的干扰。

碳硅石成分测试在北京大学物理系电镜室的扫描电镜能谱仪上进行，工作条件为:SUTW_SAPPHIRE，129 .96 kV 15 .00 。单晶X 光谱分析在中国地质大学(北京)地学实验中心进行，工作条件为:Bruker SMA RT APEX_CCD ，20000090 ，石墨单色器,Mokα(0 .710 37 ×10-1nm)，45 kV ，35 mA ，室温(20 ℃±)，扫描角ω0 .3°2。

天然碳硅石的显微镜研究1 人工重砂中选出的碳硅石

人工重砂中选出的碳硅石具有不规则形态，大部分为自形或半自形单晶。自形晶以六方板状为主，有的沿a 轴延长，个别为三方晶系，表现为具有棱形晶面。多数为蓝色，少数为黄绿色和无色。有不同类型包体，短柱状和针状金属硅包体较多， 偶见球状金属(拉曼光谱对金属无反应)包体。需要说明的是,因其拉曼峰值为788 、766 、970 cm-1 ，而锆石的拉曼主峰值为1 008cm-1 ，次要峰为970 ～ 971 cm-1 。

2 薄片中的天然碳硅石

薄片中的碳硅石大多数为蓝色，也有的为黄色和无色。大部分薄片中碳硅石的自形程度较差且有光性异常，为二轴晶正光性，2E ≤30°;部分晶体直径小于100 μm。由于薄片中碳硅石均未暴露在表面因此无法做成分测定，但拉曼和红外光谱测定结果均证明其为碳硅石。

3d 、3e 、3f 均为二轴晶正光性。而碳化硅均为一轴晶正光性，未见有二轴晶正光性的报道。原生碳硅石的二轴晶化，表明它有明显的晶内变形或塑性变形,因而也成为重要的压力标志，就好象一轴晶的石英,在超高压变质作用下可以转变为二轴晶的柯石英。

因此，二轴晶正光性应是天然碳硅石区别于碳化硅的重要标志之一。由于碳硅石本身是高度还原条件下的产物，因此一轴晶碳硅石可能是二轴晶碳硅石的退变产物。金属硅的球状包体(可能为自然Fe)也是碳硅石区别于碳化硅的重要标志。

碳硅石的拉曼光谱研究前期研究中，对30 个单晶以及15 个薄片中的碳硅石进行了拉曼光谱测定。测定结果虽然有差异，但都在允许误差范围之内。单晶的拉曼光谱位移峰值稳定，主峰为788 cm-1 ，次峰为766 cm-1 ，弱峰为970 cm-1左右。金属硅包体的拉曼峰值稳定在520 ～ 521 cm-1。薄片中碳硅石的拉曼位移峰虽然不稳定，但也都变化在允许的误差范围内，例如，主峰变化范围为785 ～ 788 cm-1 ，次峰为968 ～ 995 cm-1 ，弱峰为780 ～ 783 cm-1 之间。次峰和弱峰的强度有时互换。这种变化可能是由薄片中相邻矿物的干扰引起，但主峰位移则稳定在788 cm-1附近。中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室及本文测试单位提供的碳化硅标样的拉曼光谱的位移峰值均为:主峰788cm-1 ，次峰965 cm-1 ，弱峰766 cm-1左右，与天然碳硅石的拉曼光谱基本相同。因此，拉曼光谱能证明碳化硅和碳硅石的存在，但不能区分二者。

碳硅石的能谱分析由于所用电子探针不能测出C 的成份，因此对1 个碳化硅和2 个单晶碳硅石进行了能谱分析。碳化硅中除去主要元素Si 和C外，还有杂质Na 及O ，而碳硅石的能谱中只有Si 和C ，未见其他杂质，表明它未受到过任何壳源物质的污染。波希米亚和地中海卵石碳硅石中有Al 、Na 、Ca 、Mg 等杂质。波希米亚碳硅石产出在火山角砾岩中，角砾成分有火山岩、泥灰岩、褐铁矿、钙质和含化石灰岩以及石榴石片麻岩等，因此不能保证其中碳硅石是原位的。含碳硅石的地中海卵石除来源地不明外，成分也很难与自然界的任何已知火山岩对比。因此也不能证明其为原位碳硅石。相反，大别山碳硅石的母岩性质、矿物组合、其本身的光性、红外光谱等方面的特证，都证明它是天然原位碳硅石。

总结(1)推测大别山原生碳硅石的形成条件为:温度高于1 000 ℃，压力约10 GPa ，相当于上下地幔过渡带的深度。

(2)根据资料可以认为董家山蛇纹岩体内的碳硅石与碳化硅的区别为:碳硅石有较多的二轴晶正光性晶体，含有针状金属硅以及可能的自然铁包体，天然碳硅石与人造碳化硅的红外光谱有明显区别，人造碳化硅比天然碳硅石有较多的杂质。

(3)由于碳硅石是超高压或幔源矿物，因而对母岩形成条件，乃至区域的构造演化，与陨石中碳硅石对比以研究地球形成历史，都有重要意义，因此需要对董家山蛇纹岩体内的碳硅石进一步研究。

(4)作为潜在的陶瓷和半导体材料，董家山蛇纹岩体内的碳硅石也有进一步研究的价值3。