硅作为地质基础

硅，Si，是岩石地球的重要框架元素之一。它与氧一起主导了大陆地壳的化学组成。

在普通地质环境中，硅与氧结合紧密。结果要么是二氧化硅，SiO₂，要么是由SiO₄四面体构成的更大族群的硅酸盐矿物。这些四面体连接成孤立群、链、片和三维框架，产生了橄榄石、辉石、云母、长石和石英等不同的矿物。

宇宙起源：恒星如何制造硅

硅是在大质量恒星晚期核燃烧过程中锻造的。当这些恒星以超新星的形式结束生命时，含硅物质被散布到星际空间。其中一些物质在后来的恒星形成区成为尘埃，包括帮助构建原行星盘的硅酸盐颗粒。

地球从这个宇宙储库继承了硅。一旦被纳入年轻的行星，硅便锁定在岩浆、地幔矿物、地壳岩石、沉积物以及后来的沉积和变质循环中。从这个意义上说，每一粒石英砂和长石晶体既是地质产物，也是恒星化学的遗迹。

地壳中的硅循环

硅在岩石、水体、生物、有机物、沉积物和流体中循环。这个循环缓慢，但它是地壳的核心过程之一。

火成岩路径：岩浆如何分选硅

岩浆的硅含量不同。长英质岩浆富含硅，通常结晶出石英、碱性长石、斜长石和云母。镁铁质岩浆含硅较少，含镁和铁较多，偏好形成橄榄石、辉石和富钙斜长石等矿物。

随着岩浆通过结晶、混合、同化和挥发物浓缩演化，硅可能在晚期流体中浓缩。这些流体可以形成石英脉、玛瑙衬里的空洞、紫水晶包裹体和伟晶岩石英晶体。

沉积和成岩硅

石英在地球表面物理上耐用且化学上耐腐蚀，因此通常以沙子的形式经受风化。这些颗粒形成沙丘、海滩、沙坝和砂岩。经过埋藏和胶结，砂岩可能保存运输、圆度、分选和沉积能量的长期记录。

二氧化硅也以溶解形式移动。在海洋和湖泊环境中，生物源二氧化硅可积累成泥状物，埋藏过程中转变为燧石和燧石。地下水也可能在空洞、裂缝或结核中沉积玉髓和石英，形成玛瑙带、晶洞和早期物质的二氧化硅替代物。

变质和高压二氧化硅

变质作用重新排列含硅岩石而不一定使其熔化。砂岩重结晶成石英岩，这是一种由相互嵌锁的石英晶粒组成的坚硬岩石。在偏光显微镜下，石英岩可能显示出受应变晶粒的马赛克结构、缝合接触和重结晶纹理。

在更高压力下，二氧化硅可以转变为更致密的多晶型。石英岩与高压变质作用和撞击环境相关，而斯石英是极端压力，尤其是冲击事件的标志。这些形态很少作为普通展示晶体出现，通常通过实验室分析在特殊地质样品中确认。

元素硅与精制硅金属

可见的元素硅块通常是人造的，而非从地壳中采集的天然晶体。

天然本征硅的报道很少，通常涉及显微晶粒或异常环境，如陨石、火山系统或高度还原的微环境。在普通富氧岩石中，硅更可能以二氧化硅或硅酸盐矿物的形式存在。

精制硅始于石英或其他富含二氧化硅的原料。在电炉中，二氧化硅与碳反应生成冶金级硅和一氧化碳。进一步纯化可得到用于太阳能和电子原料的多晶硅、单晶硅晶圆或其他技术形态。

SiO₂ ₂ 多晶型

二氧化硅以多种结构形式存在。化学式可保持为SiO₂。 ₂ 随着温度、压力或冲击历史的变化，原子排列发生变化。

含硅材料的种类和形态

“硅”一词常被宽泛使用，但地质学上的精确性很重要。元素硅、二氧化硅矿物、水合蛋白石和碳化硅在化学上相关，但起源、结构和处理方式截然不同。

术语、文件和处理意识

清晰的术语避免混淆。“硅”应指元素Si。“二氧化硅”指SiO₂。₂“硅酸盐”指的是以硅氧四面体为基础的较大矿物家族。“硅氧烷”是一类聚合物，不是矿物。

• 对于元素硅：在已知时描述为精炼硅、硅金属、多晶硅或单晶硅。
• 对于石英品种：使用公认的矿物品种名称，并在已知时区分天然颜色与热处理或辐照材料。
• 对于玛瑙和玉髓：在已知或怀疑的情况下，披露染色、稳定处理、裂缝填充或其他处理。
• 对于蛋白石：区分实心蛋白石、双层蛋白石、三层蛋白石、普通蛋白石、珍贵蛋白石以及处理或稳定过的材料。
• 对于硬石英或斯蒂绍石：应提供分析文件。这些不是普通的硅质展示矿物。

护理与处理

含硅材料的耐久性差异很大。石英坚硬且稳定；蛋白石对热、干燥和化学物质敏感；破碎的硅可能割伤皮肤；吸入的硅尘是严重的危害。