基于拉曼光谱-红外光谱-X射线衍射技术研究斜硅石的相对含量与石英质玉石结晶度的关系

周丹怡， 陈 华， 陆太进， 柯 捷， 何明跃

(1.国土资源部珠宝玉石首饰管理中心北京珠宝研究所， 北京 100013； 2.中国地质大学(北京)珠宝学院， 北京 100083； 3.国家珠宝玉石质量监督检验中心， 北京 100013)



基于拉曼光谱-红外光谱-X射线衍射技术研究斜硅石的相对含量与石英质玉石结晶度的关系

周丹怡1,2， 陈 华1*， 陆太进1， 柯 捷3， 何明跃2

(1.国土资源部珠宝玉石首饰管理中心北京珠宝研究所， 北京 100013； 2.中国地质大学(北京)珠宝学院， 北京 100083； 3.国家珠宝玉石质量监督检验中心， 北京 100013)

石英质玉石的成分除α-石英外，还或多或少含有一种低温低压的SiO2矿物“斜硅石”，关于斜硅石的相对含量与石英质玉石结晶程度的关系还未见有研究。本文选取中国云南龙陵、安徽霍山、广西贺州和内蒙古阿拉善盟地区所产出的不同类型的石英质玉石为研究对象，采用拉曼光谱、红外光谱、X射线衍射分析技术，确定了斜硅石的相对含量与石英质玉石结晶程度之间的关系。结果表明，石英质玉石中斜硅石的相对含量越高,石英质玉石的结晶程度越低；其中拉曼光谱中能够描述斜硅石相对含量变化的502 cm-1/465 cm-1两峰强度比值(X)与石英质玉石的结晶度指数(Y)基本上呈负相关关系：Y=-0.36X+6.93(r=-0.94)。此结论为利用无损检测手段大致判断石英质玉石的结晶程度提供了新的思路，同时也为定性评价石英质玉石的品级提供了科学依据和理论约束。

石英质玉石结晶度； 斜硅石相对含量； 拉曼光谱法； 红外光谱法； X射线衍射法

斜硅石常以纳米尺度微晶的形式存在于各种产状、各种颜色以及不同结晶程度的石英质玉石中[1,3-5]，仅凭肉眼观察一般无法将其鉴别出来。迄今为止，斜硅石的研究主要涉及晶体结构[2-3,6-7]、形态特征[1,4-5]、物理化学性质[1,3]、检测方法[8-15]、分布特征[1,7,16]和形成机理[17-22]等方面，但关于斜硅石的相对含量对石英质玉石结晶程度的影响还未见报道，开展这些方面的研究将为大致判断石英质玉石的结晶程度提供新思路，也可为石英质玉石的品质评价、综合利用等建立科学依据和理论约束。

本文选取中国云南龙陵、安徽大别山地区、广西贺州、内蒙古阿拉善盟地区4个代表性产地所产出的不同颜色、不同结构类型的石英质玉石为研究对象，分别利用拉曼光谱、红外光谱、X射线粉晶衍射三种宝玉石研究中较为常用的测试方法，探讨了石英质玉石中斜硅石和α-石英的相对含量与石英质玉石结晶程度之间的关系，并结合斜硅石与α-石英的晶体结构特征给予了理论上的解释。

1 实验部分

1.1 实验样品

本次研究的19件样品是从100件来自不同产地(云南龙陵、安徽大别山地区、广西贺州和内蒙古阿拉善盟地区)的石英质玉石中挑选出来的典型样品，通过偏光显微镜对样品磨制的岩石薄片进行分析，研究样品的显微结构可分为粒状结构和纤维状结构两大类。

1.2 样品分析方法及其测量条件

(1)拉曼光谱分析：采用Renishaw-inVia 型激光共聚焦显微拉曼光谱仪(英国雷尼绍公司)。仪器测量条件为：激发光源波长532 nm，分辨率1 cm-1，激光功率10 mW，测量范围100～1200 cm-1，扫描次数为3次，对测试图谱进行峰形拟合所使用的软件为Wire 4.1。

(2)红外漫反射光谱分析：采用NICOLET iS5傅里叶变换红外光谱仪(美国尼高力公司)的PIKE TECHNOLOGIES UplRTM红外漫反射附件对19件样品进行测试，所有测试图谱均进行K-K变换予以校正。仪器主要测量参数为：扫描范围400～2000 cm-1，扫描次数为32次，分辨率4 cm-1。

(3)X射线衍射分析：采用Bruker D8 Advance型6.5kW转靶X射线衍射仪(美国Bruker公司)进行测试。根据研究内容的不同，测量参数设置略有差异：在物相鉴定时测量角度范围为10°～80°，扫描速度4°/min，步长0.02°；而在结晶度测量时角度范围为67°～69°，扫描速度0.25°/min。为尽可能地减少晶体粒度和择优取向对测量结果的影响，将样品均磨制成粒度为74 μm(200目)以下的粉末。

2 结果与讨论

2.1 斜硅石及其相对含量表征

2.1.1 拉曼光谱分析

前人研究表明，斜硅石具有19个独立的拉曼光谱谱峰，其中多数与α-石英重合，最特征的也是最强的斜硅石拉曼特征峰位于502 cm-1附近，该峰主要与硅氧四面体组成的四方环中Si—O—Si的对称伸缩-弯曲振动有关，因此常用于确定是否有斜硅石存在[9,12,23]。由于石英质玉石中常含有黄色、红色等主要由铁的氧化物(氢氧化物)组成的致色物质，这些杂质矿物会对斜硅石的拉曼光谱产生影响，如赤铁矿在496 cm-1附近具有特征峰。因此，本次研究选取无色或接近无色的样品进行拉曼光谱测试，结果显示不同样品所包含的502 cm-1谱峰的强度差异较大，说明不同样品中斜硅石的相对含量存在差异。样品中的斜硅石含量越高，其拉曼光谱中斜硅石502 cm-1特征峰就越为明显。

斜硅石含量的多少可以根据研究样品的拉曼光谱和X射线粉晶衍射图谱的分析和计算获得。Götze等(1998)[9]配制了不同含量比例的斜硅石/α-石英样品，对其进行拉曼光谱测试，发现斜硅石在样品中的相对含量越高，拉曼光谱中502 cm-1/465 cm-1谱峰面积的比值和峰强度的比值也越高。本文利用高斯函数及洛伦兹函数对502 cm-1和465 cm-1进行峰形拟合，分别求出两峰的积分面积比(A502/A465，%)和强度比(I502/I465，%),见表1。有必要说明的是，由于部分样品的502 cm-1特征峰较小，无法进行较好的峰形拟合，从而计算得出的积分面积比的误差也相对较大，因此表1中仅列出了这些样品的两峰强度比I502/I465。

将表1中可进行峰形拟合的样品的I502/I465和A502/A465进行对比可知，两种计算方法得出的结果均相对偏差在3%以内，并且其变化趋势基本相同。因此，考虑到研究样品中的斜硅石含量较低，对斜硅石的502 cm-1特征峰较小的部分样品进行峰形拟合时存在一定困难且误差较大，本文将以拉曼光谱的502 cm-1/465 cm-1峰强度比I502/I465来表示斜硅石含量相对大小的变化。

2.1.2 红外漫反射光谱分析

斜硅石在石英质玉石中的相对含量变化同样可对红外漫反射光谱产生影响。Hardgrove(2013)[12]对含有不同比例斜硅石的石英质玉石样品进行红外漫反射光谱分析，发现1095 cm-1与1157 cm-1两处谱线强度比(记作I1095/I1157)会随着斜硅石含量的改变而发生明显的变化。本文对19件研究样品进行红外漫反射光谱测试并计算其红外漫反射光谱强度比值I1095/I1157(表1)，再将样品测试数据投点绘制成“红外漫反射光谱I1095/I1157与拉曼光谱I502/I465散点分布图”(图1)。由图1可知，当拉曼光谱中的502 cm-1与465 cm-1峰强度比I502/I465>12%时，红外漫反射光谱中的I1095/I1157比值与其呈较明显的正相关关系；而当502 cm-1与465 cm-1两峰的强度比I502/I465<5%时，两者的相关性较弱。

表 1 不同产地石英质玉石样品的拉曼光谱和红外漫反射光谱信息

Table 1 Data of Raman spectra and infrared diffuse reflectance spectra of quartzite jade samples from different geographic origins

样品产地样品编号结构类型拉曼光谱峰强度比I502/I465(%)拉曼光谱峰面积比A502/A465(%)红外光谱强度比I1095/I1157内蒙古阿拉善盟地区ALS-1纤维状15.2915.871.746ALS-2纤维状17.2718.541.789ALS-CH-1纤维状16.2516.471.749ALS-MNS-1纤维状19.5419.631.874ALS-MNS-2纤维状14.6815.241.772ALS-MNS-3纤维状16.0016.131.743ALS-BLMN-1纤维状16.5417.211.759ALS-BLMN-2纤维状20.3722.001.724ALS-KD1-1纤维状16.1916.351.837ALS-KD1-2粒状15.3015.941.783ALS-MNT-1粒状12.7512.501.714ALS-MNT-2粒状001.508安徽霍山HSY-60粒状2.92-1.722TB1235粒状001.628广西贺州HZ-C-030粒状2.54-1.512市场购买(产地不详)AGATE-20纤维状16.3017.621.793AGATE-21纤维状17.1317.931.830AGAM10018纤维状4.62-1.602AGAM10019纤维状001.605

注：I502/I465和A502/A465的数据均为每件样品20个测试点的平均值。个别样品由于502 cm-1特征峰过小，无法准确计算出峰面积，在表中以 “-”表示。

图 1 红外漫反射光谱中I1095/I1157与拉曼光谱中I502/I465之间的关系

Fig.1 The relationship betweenI1095/I1157of infrared diffuse reflection spectrum andI502/I465of Raman spectrum

2.1.3 X射线衍射分析

斜硅石的主要特征d值为4.43、4.35、3.11、2.88[7]。根据布拉格公式λ=2dsinθ，上述各d值对应的2θ分别为19.92°、20.27°、28.72°、30.97°。

根据拉曼光谱和红外漫反射光谱的测试结果，选取7件斜硅石相对含量不同的典型样品切除围岩并研磨成74 μm以下的粉末，进行X射线粉晶衍射测试(图2)。由图2可知，样品中斜硅石的衍射峰强度普遍较弱，说明样品中斜硅石的含量普遍较低。一些研究[9,12]通过对比两种计算结果发现，拉曼光谱测试所获得的斜硅石含量更接近于真实值，并认为这种差异可能是因为X射线衍射对于纳米尺度的斜硅石无法产生连续的布拉格散射，而拉曼光谱的微小光斑对纳米尺度的斜硅石的短程有序结构反应灵敏所致。由于样品的X射线衍射分析获得的斜硅石的衍射峰普遍较弱，因此本文主要采用拉曼光谱的计算结果来表征样品中斜硅石相对含量的变化。

图 2 不同斜硅石含量样品的X射线粉晶衍射图谱：(a)斜硅石衍射峰未出现或不明显;(b)斜硅石衍射峰较为明显

Fig.2 XRD patterns of typical samples with different moganite contents: (a) XRD patterns with less obvious or without diffraction peaks of moganite; (b) XRD patterns with relatively obvious diffraction peaks of moganite

Q—α-石英衍射峰; M—斜硅石衍射峰。

2.2 斜硅石相对含量与石英质玉石结晶度的关系

结合拉曼光谱和X射线粉晶衍射的计算结果，分别对7件X射线衍射测试样品的502 cm-1/465 cm-1谱峰强度比I502/I465和石英质玉石结晶度指数进行投点，绘制了“I502/I465-石英结晶度指数”散点分布图(图4)。结果显示，无论是粒状结构还是纤维状结构的石英质玉石，其中斜硅石的相对含量与样品结晶度的关系有着共同的规律，即502 cm-1/465 cm-1峰强度比值(I502/I465)越大，斜硅石的相对含量越高，样品的结晶度越低。通过Excel软件对数据进行线性回归分析，石英质玉石的结晶度指数(Y)与502 cm-1/465 cm-1峰强度比值(X)之间的变化规律大致符合负相关关系：Y=-0.36X+6.93，相关系数r=-0.94。

图 3 7件测试样品XRD图谱的68°五指衍射峰Fig.3 The 68° quintuplet peaks in the XRD patterns of seven investigated samples

图 4 拉曼光谱中峰强度比值I502/I465(%)与石英质玉石结晶度(CI)的关系Fig.4 The relationship between the peak intensity ratio I502/I465(%) of Raman spectrum and the crystallinity index of quartzite jade

2.3 斜硅石相对含量对石英质玉石结晶度影响的理论解释

石英质玉石结晶度指数的变化也可以通过X射线衍射图谱直观地表现出来。由于斜硅石相对含量的不同，石英质玉石中α-石英晶体结构的畸变程度也有所差异，这种结构畸变将导致在X射线衍射过程中，本应产生的衍射转化为不同程度的弥散散射。因此，图3中斜硅石相对含量较高的样品，其衍射峰一般窄且尖锐(如样品TB1235)，反之则宽且弥散(如样品ALS-MNS-1)。

3 结论

在利用无损测试方法分析石英质玉石中斜硅石的相对含量方面，现有研究大多依靠拉曼光谱和红外光谱，而对石英结晶度的定量分析则主要借助X射线衍射技术。本文利用拉曼光谱、红外光谱和X射线衍射这三种宝玉石检测领域较为常用的测试方法，对我国4个代表性产地产出的不同颜色、不同结构类型的石英质玉石中斜硅石的相对含量差异进行了探讨，并在对比分析斜硅石相对含量与石英质玉石结晶度的过程中发现了两者之间的负相关关系，认为拉曼光谱中能够描述斜硅石相对含量变化的502 cm-1/465 cm-1两峰强度比值(X)与石英质玉石的结晶度指数(Y)的负相关关系大致符合线性方程Y=-0.36X+6.93(r=-0.94)。这一结论建立了斜硅石相对含量与石英质玉石结晶度两个不同研究方向的关联性，为判断石英质玉石的结晶程度提供了一种无损的检测方法，也为定性评价石英质玉石的品级、探讨不同产地石英质玉石的形成环境提供了新的借鉴依据。

值得指出的是，由于研究样品数量有限，还需更多的石英质玉石样品的测试数据，以期完善斜硅石的相对含量与石英质玉石结晶度之间的定量关系。

致谢： 感谢中国地质科学院矿产资源研究所蔡剑辉研究员对本文提出的修改建议。

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Study on the Relationship between the Relative Content of Moganite and the Crystallinity of Quartzite Jade by Raman Scattering Spectroscopy, Infrared Absorption Spectroscopy and X-ray Diffraction Techniques

ZHOUDan-yi1,2，CHENHua1*，LUTai-jin1，KEJie3，HEMing-yue1

(1. Beijing Research Institute, National Gems & Jewelry Technology Administrative Center, Ministry of Land and Resources, Beijing 100013, China; 2.School of Gemology, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China; 3.National Gemstone Testing Center, Beijing 100013, China)

Quartzite jade is composed ofα-quartz and another silica phase, moganite, which forms under low pressure and low temperature conditions. At present, there are few studies on the relationship between the relative content of moganite and the crystallinity of quartzite jade. In this study, some quartzite jade samples from four locations in China (Longling, Yunnan province; Huoshan, Anhui province; Hezhou, Guangxi Zhuang Autonomous Region, and Alxa League, Inner Mongolia Autonomous Region), were analyzed by Raman Scattering Spectroscopy, Infrared Absorption Spectroscopy and X-ray Powder Diffraction techniques. The results showed a negative correlation between the relative content of moganite and the crystallinity of quartzite jade. The higher the relative content of moganite, the lower is the crystallinity index of quartzite jade. The relationship of the intensity ratio of 502 cm-1/465 cm-1in the Raman scattering spectrum and the crystallinity index of quartzite jade, could be expressed by the equation ofY=-0.36X+6.93 (the correlation coefficient is -0.94). This research could not only offer some new ideas about qualitatively estimating the crystallinity of quartzite jade by non-destructive testing methods, but also provide some scientific evidence and theoretical restrictions for qualitatively evaluating quartzite jade.

crystallinity of quartzite jade; relative content of moganite; Raman Spectroscopy; Infrared Spectroscopy; X-ray Diffraction

2015-06-26；

2015-09-22； 接受日期： 2015-11-10 基金项目： 国土资源部公益性行业科研专项项目(201011005-2B) 作者简介： 周丹怡，硕士，宝石学专业。E-mail： lilyzdy@163.com。

陈华，研究员，主要从事珠宝玉石研究。E-mail： chenhua63@163.com。

0254-5357(2015)06-0652-07

10.15898/j.cnki.11-2131/td.2015.06.008

P619.281; P575.4; P575.5

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