四川石棉矿区软玉的岩石矿物学及扫描电镜研究

许耀先，卢保奇*，亓利剑

（1. 上海大学材料科学与工程学院，上海 200444；2. 同济大学海洋与地球科学学院，上海 200092）

四川石棉矿区软玉的岩石矿物学及扫描电镜研究

许耀先1，卢保奇1*，亓利剑2

（1. 上海大学材料科学与工程学院，上海 200444；2. 同济大学海洋与地球科学学院，上海 200092）

对四川石棉矿中的软玉进行了电子探针分析、X射线粉晶衍射分析、拉曼光谱分析及扫描电镜分析研究。结果表明其主要由透闪石组成，其中Mg/(Mg+Fe)≥0.88～0.91，并呈现典型的透闪石晶体的拉曼谱图。计算的晶胞参数为：a0=0.984～0.985nm，b0=1.780～1.782nm，c0=0.527～0.528nm，β=106.13˚～106.35˚。四川软玉的猫眼效应由其内部显微纤维状的透闪石晶体而产生，透闪石纤维相互穿插绞合是玉石表现出高韧性和较强抗断裂性能的主要因素。

岩石矿物学；透闪石晶体；软玉；猫眼效应；显微结构

近几年在我国四川省蛇纹石石棉矿中发现的软玉质地温润坚韧[1]，经琢磨后“猫眼”鲜活（图1）。猫眼软玉是指具有猫眼效应的软玉[2]，是软玉中的珍品。除我国台湾省花莲县所产的“台湾玉”、加拿大安大略省和缅甸所产的绿色软玉具有猫眼效应外[3]，尚未见其它报道。本文利用电子探针分析（EPMA）、X射线粉晶衍射分析（XRD）、拉曼光谱分析（Raman）等对四川软玉进行研究，以确定其成分特征；利用扫描电子显微镜（SEM）分析软玉的显微形貌特征以及猫眼效应的形成机理，并对玉石的韧性进行讨论。

图1 四川软玉原石和成品Fig.1 The rough and finished product of nephrite from Sichuan

1 矿区地质背景

四川蛇纹石石棉矿区所处大地构造属“康滇地轴”北段，出露地层主要有太古界康定杂岩、中元古界峨边群沉积及岩浆岩组合、震旦系苏雄组及开建桥组火山岩建造和澄江期花岗岩。矿区构造以南垭河断裂为主，走向NW320˚～330˚。软玉矿体呈透镜状、团块状赋存于峨边群超基性岩体—蛇纹石化橄榄岩内，该岩体呈北东向延伸，长约7.5km。由于被南垭河断裂切割，因此形成相距8km的南北两个矿区（图2）。区内次级断裂构造发育，它们控制了软玉矿体的形成和分布[4,5]。

2 软玉岩石矿物学特征

2.1 电子探针成分分析

图2 四川石棉矿南北矿区横剖面地质图（据四川省区测队,1984）Fig. 2 The geological transverse section of asbestos diggings in Sichuan

选取采自四川蛇纹石石棉矿区的代表性样品进行EPMA成分测试，结果显示，四川软玉的主要成分为SiO2、MgO和CaO。其中，SiO2为56.85%～57.27%，平均57.11%；MgO为21.61%～22.99%，平均22.23%；CaO为12.29%～13.13%，平均12.76%（表1）。Mg/(Mg+Fe)均≥0.88～0.91，属透闪石系列[6]。

表1 四川软玉的电子探针分析结果(%)Table 1 Analysis results of EPMA of the nephrite from Sichuan (wt%)

2.2 X射线粉晶衍射分析

仪器型号：日本RIGAKU Dmax/3B。测试条件：Cu靶，Ni滤波片，管压30V，管流30A，扫描速度4˚/min。图3显示，室温下2个样品的粉晶衍射图谱非常相似，且与标准透闪石的衍射谱线基本一致[6]，表明四川猫眼软玉主要由透闪石组成。同时计算出样品的晶胞参数并与透闪石理论值相对比，结果显示计算值与理论值较好吻合（表2）。

图3 四川软玉的X粉晶衍射图谱（测试单位:中国地质大学(武汉)分析中心）Fig.3 XRD patterns of nephrite from Sichuan

表2 四川软玉的晶胞参数Table 2 Lattice parameters of the nephrite from Sichuan

2.3 拉曼光谱分析

仪器型号：傅里叶变换红外光谱仪（美国，Nicolet-750）。测试条件：KBr压片法，扫描波数范围400～4000cm-1，扫描次数为32次。图4显示，测试样品的红外吸收频率主要出现在3600～3700、960～1100和400～700cm-1范围内。室温下四个样品的图谱基本相似，且与透闪石的标准红外谱非常相似[7,8]，表明样品由较纯的透闪石组成。这与粉晶衍射结果相吻合。

3 软玉的扫描电镜和显微形貌特征

测试仪器型号为日本日立公司的S-3500N型扫描电镜。加速电压为25kV，图像分辨率为15nm，室温20℃。

图5(a,b)为样品St-74平行纤维方向自然敲口断面的微观形貌。该样品在偏光显微镜下为显微纤维变晶结构。可以清楚地看出，透闪石纤维细长，纤维宽度＜1µm，纤维彼此相互穿插交错，紧密结合，大致沿纤维方向定向排列。这种特殊的穿插交错结构使透闪石纤维之间产生了一种机械结合力或绞合力[9]。当受外力作用时，互相穿插绞合着的透闪石所组成的软玉形成断裂面时需要破坏各种力而拔出，这种纤维间的机械结合力的存在加大了每一个面断裂所需的能量，也即增强了软玉的韧度。

图4 四川软玉的拉曼光谱Fig.4 Raman patterns of nephrite from Sichuang

图5(c,d)为样品St-41垂直于纤维方向自然敲口断面的微观形貌。可以看出，透闪石纤维聚集成束状或捆状致密结合。断裂呈阶梯状，断裂面较尖锐，有较多纤维拔出。这可归因于透闪石颗粒具有较弱的晶界强度，这种断裂应属穿晶断裂[10]。同时由于拔出作用不可避免地导致无数次级裂纹的产生，断裂面积的增大，断裂沿各个方向的延伸，将进一步消耗更多的能量，因此断裂所需的外加应力应加大，表现在宏观上则为软玉猫眼韧性较大，不易断裂。

4 猫眼效应形成机理及与显微结构的关系

猫眼效应是一种特殊的光学效应，产生的必备条件之一就是玉石或宝石是由纤维状或细的长柱状并且沿一定方向定向排列的矿物组成，或其中含有大量平行排列的包裹体。从上述四川软玉的矿物组成及其显微形貌研究可知，其组成矿物绝大部分是平行定向排列的纤维状透闪石，显微纤维变晶结构起主导地位。正是由于这些大量定向排列的纤维状透闪石的存在，从内部结构上决定了猫眼效应产生的必备条件，如果切磨正确，必能表现出良好的猫眼效应。

软玉的显微斑状变晶结构中的片状透闪石虽然含量较少，但这种结构和形态会影响猫眼效应的产生，降低猫眼的品质。如果片状透闪石大量存在于平行排列的纤维状透闪石中，则会使猫眼效应减弱甚至消失。

从透闪石的形态看，短柱状、片状的含量很少，总量不超过5%，因此，四川软玉所表现出的猫眼效应总体上是很强的（图1）。尽管平行排列的纤维也被后期脉状透闪石所穿插交代，但这种交代的几率很小，因此对猫眼效应不会产生较大的影响。

图5 四川软玉的显微结构扫描电镜照片(测试单位:中国地质大学(武汉)分析中心)(a)∥纤维方向(25kV×5.0K); (b)∥纤维方向(25kV×2.0K); (c)⊥纤维方向(25kV×0.6K); (d)⊥纤维方向(25kV×5.0K) Fig.5 The microstructure SEM photographs of nephrite from Sichuan (a) parallel to fiber (25kV×5.0K); (b) parallel to fiber (25kV×2.0K); (c) vertical to fiber (25kV×0.6K); (d) vertical to fiber (25kV×5.0K)

5 结论

（1）四川软玉主要组成矿物为透闪石，M g/ (Mg+Fe)≥0.88～0.91。计算的晶胞参数为：a0=0.984～0.985nm，b0=1.780～1.782nm，c0=0.527～0.528nm，β=106.13˚～106.35˚。

（2）拉曼光谱分析测试表明，四川软玉具有典型的透闪石晶体的拉曼谱图，进一步佐证了其矿物组成。

（3）四川软玉的猫眼效应是由其内部显微纤维状的透闪石晶体而产生的。纤维相互穿插绞合增强了玉石的韧性和抗断裂能力。

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A petromineralogical and SEM microstructural analysis of nephrite in Sichuan Province

XU Yao-Xian1, LU Bao-Qi1, QI Li-Jian2
(1. School of Materials and engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China; 2. School of Ocean and Earth Science, Tongji University, Shanghai 200092, China)

In this study, nephrite with chatoyancy from Sichuan province was studied by electron microprobe analysis (EPMA), X-ray powder diffraction analysis (XRD), Raman spectroscopy, and scanning electron microscopy (SEM). Results indicate that the nephrite cat's eye is composed mainly of fiber-shaped tremolite with Mg/(Mg+Fe)≥0.88–0.91, and unit cell parameters as follows: a0=0.984–0.985 nm, b0=1.780–1.782 nm, c0=0.527–0.528 nm, and β=106.13°–106.35°. The Raman spectra provide further proof of the mineral's composition. The effect of the Sichuan nephrite cat's eye is generated by microscopic fibrous tremolite crystals. The fiber-shaped tremolite crystals are tightly arranged, which is the primary reason for the tenacity and fracture resistance of the nephrite cat's eye.

petromineralogy; tremolite crystal; nephrite; chatoyancy; microstructure

P575

A

2095-1329(2015)03-0087-03

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.03.020

2015-06-30

2015-08-28

许耀先(1988-),男,硕士生,主要从事矿物材料科研.

电子邮箱: 240708275@qq.com

联系电话: 021-56335357

国家自然科学基金项目(49772096);上海市教育委员会发展基金项目(03AK23)

*通讯作者: 卢保奇(博士/教授): lbqi_1@shu.edu.cn