一種商貿名稱為“七彩礦”的觀賞石的主成分分析

馬 霄，朱紅偉，王 萍，李桂華，趙瀟雪，李建軍

(1.山東省計量科學研究院，山東省計量檢測重點實驗室，濟南 250014；2.國家黃金鉆石制品質量監督檢驗中心，濟南 250014 )

近期，市場上出現了一種商貿名稱為“七彩礦”的材料，因其鮮艷的顏色和獨特規則的晶型而惹人喜愛。有商家稱其為“天然碳化硅原石”、“天然火山巖礦石”并作為礦物標本和擺件售賣。礦物學中迄今發現的4000余種礦物中并沒有該礦物名稱。本文對市場上銷售的“七彩礦”進行了X射線粉晶衍射、紅外光譜和掃描電子顯微鏡的測試，來確定這種商貿名稱為“七彩礦”的材料的主要成分和形成原因。

1 實驗樣品和測試方法

1.1 樣品

樣品總體形狀不規則，大小約為： (7×3×2.5)cm，重34.982 g。該材料局部可見形狀較為規則的小結晶體，表面多孔隙。樣品主體為黑灰色，粉末為黑色，黑灰色表面出現彩虹色，主要包括黃綠青紫色，較少出現紅色和橙色。表面金屬光澤，整體不透明，質地堅硬，敲斷后的新鮮面主要顯示黑色，貝殼狀斷口，斷口處鋒利，可以輕易劃傷玻璃，摩氏硬度大于7。樣品尺寸、顏色、晶型見圖1、圖2、圖3。

圖1 樣品外觀Fig.1 Appearance of the sample

圖2 樣品局部平坦面的顏色Fig.2 The color of the local flat surface of the sample

圖3 樣品局部的晶型Fig.3 Local crystal morphology of the sample

1.2 X射線粉晶衍射

粉晶衍射實驗是由新疆巖礦寶石產品質量監督檢驗站進行，測試儀器型號為布魯克D8 ADVANCE A25，銅靶；Ni濾波片，測角儀半徑280mm，電壓為40.0kV，電流為40.0mA，波長為1.5406埃，步長0.01度，每步積分時間0.5秒，發散狹縫1.0mm，索拉狹縫2.5度，掃描范圍3～75度。Lynxeye探測器。

1.3 紅外光譜測試

紅外光譜測試由國家黃金鉆石制品質量監督檢驗中心進行，采用德國 Buker、Tensor27型傅里葉變換紅外光譜儀，利用反射法對樣品的紅外吸收光譜進行測試，測試條件：室溫25℃，相對濕度40%， 分辨率為8cm-1，掃描次數為32次，測量范圍為400～4000cm-1。

1.4 掃描電鏡測試

掃描電鏡測試由山東建筑大學市政與環境學院進行，儀器型號日本JSM-7610F Plus熱場發射掃描電鏡，測試條件：室溫27℃，相對濕度40%，分辨率0.8～1.0nm，放大倍數為25～100萬倍，電子能量 0.1～30kV，連續可調。

2 結果與討論

2.1 X射線粉晶衍射分析

測量結果見圖4。圖中顯示樣品中包含石英和碳硅石兩種礦物，其中碳硅石的晶型包含α和β兩種晶型。β-Sic的晶體結構是立方晶系，3C就代表SiC是由周期為3層的SiC原子密排為立方晶格結構[1]。α-SiC的晶體結構常見六方晶系和三方晶系。本樣品中發現了兩種堆積方式的六方晶格結構，分別是4H和6H，4H表示由周期為4層的原子密排形成的六方晶格結構，6H表示由周期為6層的原子密排形成的六方晶格結構。

圖4 樣品的X射線粉晶衍射圖Fig.4 X-ray powder diffraction image of the sample

2.2 紅外光譜分析

測量結果見圖5。黑色的A譜線顯示的是新鮮黑色截面的紅外光譜，在810cm-1附近出現了明顯的Si-C伸縮振動譜峰。

圖5 樣品紅外吸收光譜圖Fig.5 FT-MIR absorption spectra of the sample

紅色B譜線顯示的是表面具有彩虹色的部分紅外光譜。光譜除了Si-C振動外，在1090cm-1附近還顯示了Si-O-Si反對稱伸縮振動譜帶。在470cm-1處出現 Si-O對稱伸縮振動峰。鑒于XRD測到的石英，結合1090cm-1附近還顯示了Si-O-Si反對稱伸縮振動譜帶，推斷790cm-1附近存在Si-O對稱伸縮振動峰，但因SiC伸縮振動峰強烈，故Si-O對稱伸縮振動峰被SiC特種峰包絡[2-3]。

如果所測樣品全部為晶態石英，在1200～1100cm-1范圍內應該出現明顯的分裂雙峰；如果全部為非晶態，在1200～1100cm-1范圍內應出現單峰，對應范圍內雙峰的明顯程度與其結晶程度相關[2]。B譜線在對應范圍內出現了非常不明顯的分裂雙峰，如圖黃圈位置。XRD測試中也檢測到了石英的存在，因此彩虹色部分應包含晶態和非晶態的SiO2成分。

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

2.3 掃描電鏡分析

圖6是樣品碎片在不同位置的掃描電子顯微圖像，a圖中面積大而平坦的深色部分是日光下彩虹色最明顯的位置。可以看到平整的板狀樣品表面附著一層深色的膜狀物，結合X射線能譜儀的測試結果(見圖7)，發現深淺兩個不同點位化學成分的差異。2點位主要成分為二氧化硅，碳元素含量很低，而1點位能夠測到C、Si、O三種元素含量都較高，表明晶體外表面氧化程度最高，形成了較厚的氧化膜，側面也有一定程度的氧化，氧化層較薄。

圖6 樣品外部平坦面與內部新鮮面的掃描電鏡觀察Fig.6 SEM images of the flat surface and fresh surface of the sample

圖7 樣品外部平坦面的X射線熒光能譜圖Fig.7 X-ray fluorescence spectra of the flat surface of the sample

這層氧化膜的存在使薄膜干涉的產生成為可能。因為樣品內層碳化硅和表層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，光波會被薄膜的上界面與下界面分別反射，因相互干涉而形成彩虹色[4]。同時說明表層的二氧化硅薄膜一定是透明的。

B圖中顯示的是黑色新鮮面貝殼狀斷口的顯微圖像，圖中白色彎曲的高光部分為貝殼線。圖像整體顏色較均勻，偶爾出現高光的小亮點，亮點形成原因未知。結合X射線能譜儀的測試結果(見圖8)，1點位是相對純凈而結晶良好的SiC晶體，紅外光譜中A譜線的也印證了這一點。2點位O含量增高并出現了許多雜質元素。四張能譜在Si元素旁邊都測到了貴金屬Au(在圖中未標出)，與樣品表面噴金有關。

圖8 樣品內部新鮮面的X射線熒光能譜圖Fig.8 X-ray fluorescence spectra of fresh surface inside the sample

2.3 材料成因分析

天然碳化硅礦物很罕見，表面未見有二氧化硅成分的報道。鑒于類似樣品在市場上的普遍性和較低的價格，推斷本文樣品為人工成因，不是天然礦物，更不是“天然火山巖原石”。

大顆粒單晶碳化硅透明，商貿名稱為莫桑石，通常用來仿鉆石等寶石。而工業生產中使用的碳化硅由于含雜質元素通常呈棕至黑色。碳化硅是一種重要的工業磨料，在高溫煅燒制備碳化硅時會產生一種無法作為磨料使用的二級品SiC，同時包含α-SiC和β-SiC，但結晶較小[5]。與本文“七彩礦”測得的結果一致。因此推測“七彩礦”的來源有可能就是這種工業廢料。

3 結論

“七彩礦”是一種表面均勻附著著一層透明二氧化硅的碳化硅，是一種人工合成材料。其來源可能是工業生產碳化硅磨料時產生的工業廢料。

碳化硅表面的二氧化硅是以晶態與非晶態的混合物形式存在的。

“七彩礦”的顏色可能是由薄膜干涉造成的物理色。

致 謝:感謝新疆巖礦寶石產品質量監督檢驗站的況守英老師和山東建筑大學市政與環境學院張鳳霞老師在樣品測試過程中提供的幫助。