寶石的電子探針分析研究①

戴 利

(棗莊科技職業(yè)學(xué)院,山東 棗莊 277500)

0 引 言

在我國(guó)漫長(zhǎng)的歲月中,寶石被賦予了文化的內(nèi)涵,寄托了人民的美好向往和吉祥的寓意。寶石,泛指色彩瑰麗或晶瑩剔透、堅(jiān)硬耐久、數(shù)量稀少,并可加工制作成首飾和工藝品的礦物或巖石,有時(shí)也包含一些有機(jī)材料,如琥珀、珍珠等。狹義概念上有寶石,如單晶或多晶的鉆石、紅寶石、碧璽、祖母綠等,及玉石如翡翠、軟玉等之分[1]。

原石是指未經(jīng)過(guò)加工的天然礦石。

電子探針EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)是將聚焦電子束照射到樣品,通過(guò)激發(fā)樣品發(fā)出的電子信號(hào)進(jìn)行細(xì)微結(jié)構(gòu)的觀察,通過(guò)檢測(cè)指定區(qū)域內(nèi)發(fā)出的元素特征X射線進(jìn)行定性、定量及面分析等多種測(cè)試分析[2]。

現(xiàn)代的電子探針微區(qū)分析技術(shù)已大量應(yīng)用于礦物成分解析及鑒定、類質(zhì)同像成分的確定、礦物環(huán)帶結(jié)構(gòu)的研究、礦物交代和蝕變、礦物包裹體、寶石礦物、宇宙礦物以及礦物和礦產(chǎn)勘探、礦區(qū)評(píng)價(jià)、油氣礦藏綜合開發(fā)與利用等各個(gè)方面,是礦物學(xué)研究領(lǐng)域中不可或缺的重要手段。

對(duì)寶石原石分析測(cè)試所使用的儀器為島津電子探針EPMA-1720.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 翡翠(硬玉)

玉石,這一類別是專門針對(duì)中國(guó)人劃分的,指翡翠和白玉等多隱晶質(zhì)集合體礦物。早期翡翠并不名貴,我國(guó)也不出產(chǎn)翡翠。被賦予文化概念后,特別是被上層社會(huì)追捧之下,身價(jià)陡增。市場(chǎng)上商業(yè)品級(jí)的翡翠玉石95%以上來(lái)自緬甸,因而翡翠又稱為緬甸玉。

翡翠屬輝石類,單斜晶系,是在地質(zhì)作用下形成的達(dá)到玉石級(jí)的、無(wú)數(shù)細(xì)微礦物微晶縱橫交織而形成的致密塊狀集合體。主要組成物為鈉鋁硅酸鹽,即硬玉NaAl9(Si2O6)(原石中含有超過(guò)50%以上的硬玉才被視為翡翠),出產(chǎn)于低溫高壓下生成的變質(zhì)巖層中[1,3],在形成之后還發(fā)生了不同類型的后期改造。

表1 翡翠表面不同特征位置處的定量測(cè)試(Wt%)

可以看出此翡翠主要由硬玉及鈉鉻輝石、綠輝石組成,鈉鉻輝石是形成翠綠顏色的主要礦物。

圖1 翡翠主要元素分布形態(tài)(圖中數(shù)字表示定量測(cè)試位置,下同)

1.2 石榴石

石榴石,來(lái)源于拉丁文granatum(石榴)。石榴石是較早被利用的一種寶石,我國(guó)古時(shí)稱之為紫牙烏(紫紅色石榴石寶石)。石榴石中,橙色和紅色的錳鋁榴石比較稀有,商用價(jià)值高,綠色的鈣鋁榴石則是珍品,價(jià)值優(yōu)高。

石榴石屬于硅酸鹽礦物中的鳥狀結(jié)構(gòu),化學(xué)式可寫成A3B2(SiO4)3,其中A代表二價(jià)金屬如鈣、鐵、鎂或錳;B代表三價(jià)金屬元素如鋁、鉻、鐵或錳,在稀有的石榴石中,可能是釩、鈦、鋅或硅。如果A的位置上含鈣,稱為鈣榴石系列,B的位置上為鋁,則稱為鋁榴石系列。

表2 石榴石1#環(huán)帶的定量測(cè)試(Wt%)

表3 石榴石2#環(huán)帶的定量測(cè)試(Wt%)

鋁榴石系列中鎂鋁榴石、鐵鋁榴石和錳鋁榴石這三個(gè)品種直徑可以產(chǎn)生完全的類質(zhì)同象,即這三個(gè)品種直徑可以任意比例;混合鈣榴石系列中,鈣鐵榴石和鈣鉻榴石之間也具有類質(zhì)同象現(xiàn)象;兩個(gè)系列之間也發(fā)生一定的類質(zhì)同象現(xiàn)象。

上面測(cè)試的結(jié)果表明,此石榴石試樣為鎂鋁榴石、鐵鋁榴石混有錳鋁榴石,并和鈣鐵榴石及鈣鋁榴石發(fā)生類質(zhì)同象混合。

脈體的形成機(jī)制中,深熔作用形成的脈體會(huì)形成石榴石。在深熔作用下,原變質(zhì)巖中石榴石殘余在成分上具有正環(huán)帶特征,而長(zhǎng)英質(zhì)組分結(jié)晶生成的石榴石具有反環(huán)帶現(xiàn)象[4-7]。

此石榴石試樣具有反環(huán)帶特征。在巖漿冷卻結(jié)晶過(guò)程中,Mn/(Fe+Mg)的比值逐漸升高,結(jié)果導(dǎo)致晚期結(jié)晶的石榴石的Mn元素相對(duì)Fe和Mg元素富集,最后生長(zhǎng)的石榴石邊部Mn元素最為富集。

1.3 青金石

青金石,又稱天青石(英文:Lapis lazuli,來(lái)源于拉丁語(yǔ),意為“寶石”和“藍(lán)色”)也是古老的玉石之一,在中國(guó)古代稱為璆琳、瑾瑜、青黛等。

青金石一般呈藍(lán)色,其顏色是由所含青金石礦物含量決定的,所含青金石礦物含量多,則顏色好。青金石顏色深藍(lán)純正、無(wú)裂紋、無(wú)雜質(zhì)、質(zhì)地細(xì)膩者為上乘。阿富汗為最著名的青金石生產(chǎn)國(guó)。

青金石玉石礦床的成因類型為接觸交代矽卡巖化作用的產(chǎn)物。根據(jù)交代巖石的成分,青金石礦床可劃分為鎂質(zhì)矽卡巖性和鈣質(zhì)矽卡巖性[8-9]。

圖3 青金石各主要元素分布特征

表4 青金石不同礦物的定量測(cè)試(Wt%)

此青金石礦物試樣,主要礦物為青金石,伴生透輝石、方解石、黃鐵礦及方鈉石族的方鈉石和藍(lán)方石。含有雜質(zhì)礦物較多,有交織白線,寶石質(zhì)量低下。

1.4 碧璽(電氣石、托瑪琳石)

碧璽(托瑪琳石)是電氣石族里能夠達(dá)到珠寶級(jí)的一個(gè)種類,電氣石是一種含硼硅鋁酸鹽礦物,一般為柱狀結(jié)晶體狀態(tài),并且可含有鐵、鎂、鈉、鋰、鉀等元素。正是由于含有多種致色元素,碧璽可呈現(xiàn)各式各樣的顏色,一般顏色越濃艷,商業(yè)價(jià)值越高。英語(yǔ)名稱 Tourmaline 意為“混合寶石”。

電氣石也用于地質(zhì)研究。電氣石的地質(zhì)成因相當(dāng)復(fù)雜,常以副礦物的形式廣泛分布于巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖和熱液礦床中,它的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,耐磨、耐蝕,并且各種電氣石的成因各不相同,其化學(xué)成分與地質(zhì)環(huán)境密切相關(guān),是巖石成因的一種指示礦物[10-12]。

圖4 電氣石各主要元素的分布特征

表5 電氣石不同位置的定量測(cè)試(Wt%)

電氣石富含B和H2O,它的成因多與氣成作用有關(guān),多產(chǎn)于花崗偉晶巖及氣成熱液礦床中。此次測(cè)試的原石為黑色電氣石,富含鐵,以短柱狀形態(tài)為主,與熱液石英共生,此電氣石形成于較高溫度,并有晚期形成特征。

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)表明,翡翠是主要由硬玉及鈉鉻輝石、綠輝石組成,鈉鉻輝石是形成翠綠顏色的主要礦物。另外也測(cè)出含有少量角閃石、長(zhǎng)石等伴生礦物。鋁榴石系列中鎂鋁榴石、鐵鋁榴石和錳鋁榴石這三個(gè)品種直徑可以產(chǎn)生完全的類質(zhì)同象,即這三個(gè)品種直徑可以任意比例;混合鈣榴石系列中,鈣鋁榴石和鈣鐵榴石,鈣鐵榴石和鈣鉻榴石之間也具有類質(zhì)同象現(xiàn)象;兩個(gè)系列之間也發(fā)生一定的類質(zhì)同象現(xiàn)象。表3的測(cè)試結(jié)果表明:石榴石試樣為鎂鋁榴石、鐵鋁榴石混有錳鋁榴石,并和鈣鐵榴石及鈣鋁榴石發(fā)生類質(zhì)同象混合。青金石礦物試樣,主要礦物為青金石,伴生透輝石、方解石、黃鐵礦及方鈉石族的方鈉石和藍(lán)方石。含有雜質(zhì)礦物較多,有交織白線,寶石質(zhì)量低下。

3 結(jié) 論

寶石鑒定,除了以往按照顏色、光澤和色散等依靠鑒定人員長(zhǎng)久積累經(jīng)驗(yàn)的方法外,借助微區(qū)分析儀器EPMA可以很快的幫助確定寶石的品種,評(píng)價(jià)寶石的質(zhì)量,特別是針對(duì)人造合成、后期作假,EPMA測(cè)試數(shù)據(jù)可以提供更為可靠的判斷依據(jù)。

寶石作為一種性質(zhì)穩(wěn)定的礦物,對(duì)其的解析還可以還原當(dāng)時(shí)的地質(zhì)環(huán)境。比如對(duì)石榴石環(huán)帶的研究表明,Mg元素與溫度呈正相關(guān),Mn與溫度是負(fù)相關(guān),而Ca與壓力呈正相關(guān),石榴石成分研究可以作為參照估算巖石結(jié)晶時(shí)的溫度和壓力條件,推斷深熔作用發(fā)生的位置。而電氣石足夠穩(wěn)定,成分隨環(huán)境的不同差別較大,甚至可以作為巖石成因的一種指示礦物。