一种商贸名称为“七彩矿”的观赏石的主成分分析

马 霄，朱红伟，王 萍，李桂华，赵潇雪，李建军

(1.山东省计量科学研究院，山东省计量检测重点实验室，济南 250014；2.国家黄金钻石制品质量监督检验中心，济南 250014 )

近期，市场上出现了一种商贸名称为“七彩矿”的材料，因其鲜艳的颜色和独特规则的晶型而惹人喜爱。有商家称其为“天然碳化硅原石”、“天然火山岩矿石”并作为矿物标本和摆件售卖。矿物学中迄今发现的4000余种矿物中并没有该矿物名称。本文对市场上销售的“七彩矿”进行了X射线粉晶衍射、红外光谱和扫描电子显微镜的测试，来确定这种商贸名称为“七彩矿”的材料的主要成分和形成原因。

1 实验样品和测试方法

1.1 样品

样品总体形状不规则，大小约为： (7×3×2.5)cm，重34.982 g。该材料局部可见形状较为规则的小结晶体，表面多孔隙。样品主体为黑灰色，粉末为黑色，黑灰色表面出现彩虹色，主要包括黄绿青紫色，较少出现红色和橙色。表面金属光泽，整体不透明，质地坚硬，敲断后的新鲜面主要显示黑色，贝壳状断口，断口处锋利，可以轻易划伤玻璃，摩氏硬度大于7。样品尺寸、颜色、晶型见图1、图2、图3。

图1 样品外观Fig.1 Appearance of the sample

图2 样品局部平坦面的颜色Fig.2 The color of the local flat surface of the sample

图3 样品局部的晶型Fig.3 Local crystal morphology of the sample

1.2 X射线粉晶衍射

粉晶衍射实验是由新疆岩矿宝石产品质量监督检验站进行，测试仪器型号为布鲁克D8 ADVANCE A25，铜靶；Ni滤波片，测角仪半径280mm，电压为40.0kV，电流为40.0mA，波长为1.5406埃，步长0.01度，每步积分时间0.5秒，发散狭缝1.0mm，索拉狭缝2.5度，扫描范围3～75度。Lynxeye探测器。

1.3 红外光谱测试

红外光谱测试由国家黄金钻石制品质量监督检验中心进行，采用德国 Buker、Tensor27型傅里叶变换红外光谱仪，利用反射法对样品的红外吸收光谱进行测试，测试条件：室温25℃，相对湿度40%， 分辨率为8cm-1，扫描次数为32次，测量范围为400～4000cm-1。

1.4 扫描电镜测试

扫描电镜测试由山东建筑大学市政与环境学院进行，仪器型号日本JSM-7610F Plus热场发射扫描电镜，测试条件：室温27℃，相对湿度40%，分辨率0.8～1.0nm，放大倍数为25～100万倍，电子能量 0.1～30kV，连续可调。

2 结果与讨论

2.1 X射线粉晶衍射分析

测量结果见图4。图中显示样品中包含石英和碳硅石两种矿物，其中碳硅石的晶型包含α和β两种晶型。β-Sic的晶体结构是立方晶系，3C就代表SiC是由周期为3层的SiC原子密排为立方晶格结构[1]。α-SiC的晶体结构常见六方晶系和三方晶系。本样品中发现了两种堆积方式的六方晶格结构，分别是4H和6H，4H表示由周期为4层的原子密排形成的六方晶格结构，6H表示由周期为6层的原子密排形成的六方晶格结构。

图4 样品的X射线粉晶衍射图Fig.4 X-ray powder diffraction image of the sample

2.2 红外光谱分析

测量结果见图5。黑色的A谱线显示的是新鲜黑色截面的红外光谱，在810cm-1附近出现了明显的Si-C伸缩振动谱峰。

图5 样品红外吸收光谱图Fig.5 FT-MIR absorption spectra of the sample

红色B谱线显示的是表面具有彩虹色的部分红外光谱。光谱除了Si-C振动外，在1090cm-1附近还显示了Si-O-Si反对称伸缩振动谱带。在470cm-1处出现 Si-O对称伸缩振动峰。鉴于XRD测到的石英，结合1090cm-1附近还显示了Si-O-Si反对称伸缩振动谱带，推断790cm-1附近存在Si-O对称伸缩振动峰，但因SiC伸缩振动峰强烈，故Si-O对称伸缩振动峰被SiC特种峰包络[2-3]。

如果所测样品全部为晶态石英，在1200～1100cm-1范围内应该出现明显的分裂双峰；如果全部为非晶态，在1200～1100cm-1范围内应出现单峰，对应范围内双峰的明显程度与其结晶程度相关[2]。B谱线在对应范围内出现了非常不明显的分裂双峰，如图黄圈位置。XRD测试中也检测到了石英的存在，因此彩虹色部分应包含晶态和非晶态的SiO2成分。

因此，样品中只有彩虹色部分具有SiO2成分，且SiO2成分以晶态和非晶态的混合物形式存在。黑色部分主要成分是碳化硅。

2.3 扫描电镜分析

图6是样品碎片在不同位置的扫描电子显微图像，a图中面积大而平坦的深色部分是日光下彩虹色最明显的位置。可以看到平整的板状样品表面附着一层深色的膜状物，结合X射线能谱仪的测试结果(见图7)，发现深浅两个不同点位化学成分的差异。2点位主要成分为二氧化硅，碳元素含量很低，而1点位能够测到C、Si、O三种元素含量都较高，表明晶体外表面氧化程度最高，形成了较厚的氧化膜，侧面也有一定程度的氧化，氧化层较薄。

图6 样品外部平坦面与内部新鲜面的扫描电镜观察Fig.6 SEM images of the flat surface and fresh surface of the sample

图7 样品外部平坦面的X射线荧光能谱图Fig.7 X-ray fluorescence spectra of the flat surface of the sample

这层氧化膜的存在使薄膜干涉的产生成为可能。因为样品内层碳化硅和表层二氧化硅的折射率不同，如果一束光照射到二氧化硅形成的薄膜上，光波会被薄膜的上界面与下界面分别反射，因相互干涉而形成彩虹色[4]。同时说明表层的二氧化硅薄膜一定是透明的。

B图中显示的是黑色新鲜面贝壳状断口的显微图像，图中白色弯曲的高光部分为贝壳线。图像整体颜色较均匀，偶尔出现高光的小亮点，亮点形成原因未知。结合X射线能谱仪的测试结果(见图8)，1点位是相对纯净而结晶良好的SiC晶体，红外光谱中A谱线的也印证了这一点。2点位O含量增高并出现了许多杂质元素。四张能谱在Si元素旁边都测到了贵金属Au(在图中未标出)，与样品表面喷金有关。

图8 样品内部新鲜面的X射线荧光能谱图Fig.8 X-ray fluorescence spectra of fresh surface inside the sample

2.3 材料成因分析

天然碳化硅矿物很罕见，表面未见有二氧化硅成分的报道。鉴于类似样品在市场上的普遍性和较低的价格，推断本文样品为人工成因，不是天然矿物，更不是“天然火山岩原石”。

大颗粒单晶碳化硅透明，商贸名称为莫桑石，通常用来仿钻石等宝石。而工业生产中使用的碳化硅由于含杂质元素通常呈棕至黑色。碳化硅是一种重要的工业磨料，在高温煅烧制备碳化硅时会产生一种无法作为磨料使用的二级品SiC，同时包含α-SiC和β-SiC，但结晶较小[5]。与本文“七彩矿”测得的结果一致。因此推测“七彩矿”的来源有可能就是这种工业废料。

3 结论

“七彩矿”是一种表面均匀附着着一层透明二氧化硅的碳化硅，是一种人工合成材料。其来源可能是工业生产碳化硅磨料时产生的工业废料。

碳化硅表面的二氧化硅是以晶态与非晶态的混合物形式存在的。

“七彩矿”的颜色可能是由薄膜干涉造成的物理色。

致 谢:感谢新疆岩矿宝石产品质量监督检验站的况守英老师和山东建筑大学市政与环境学院张凤霞老师在样品测试过程中提供的帮助。