X射线荧光能谱法在特殊祖母绿分析上的应用

戴珏 钱伟吉 吴嵩 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

达碧兹不是一种宝石，而是一种宝石特殊的生长现象，并不是仅见于祖母绿中，应该说凡是三方晶系或者六方晶系的宝石都有可能有达碧兹。达碧兹结构由独特的六边形和放射状旋臂色带，以及微小云雾状包裹体构成。在达碧兹这种特殊结构的宝石中，祖母绿有典型的代表性意义，本文研究的宝石主要就是达碧兹祖母绿。

由于祖母绿的价格比较高昂，而达碧兹祖母绿的特殊性使其在市场上变得较为稀有，越来越多的人开始关注这类结构奇特的宝石，这类宝石在市场上也越来越受欢迎。达碧兹祖母绿的“核”和六条绿“臂”也一直是研究的重点。随着X射线能谱技术的发展，应用于宝石学方面的测试也越来越普及。本文通过X射线荧光能谱测试技术对达碧兹祖母绿的光谱学特征进行研究，特别对其“核”和“臂”进行研究，对进一步确定达碧兹结构的形成具有重要意义。

1 达碧兹祖母绿光谱学特征

达碧兹祖母绿的结构及X射线荧光光谱。

1.1 实验仪器

主要仪器为日本岛津公司的能量色散型X射线荧光能谱仪EDX-720。

1.2 测试条件

分辨力在150 eV以下；24小时峰漂移不大于5 eV；分析环境大气；靶材：铑；管电压5-50 kV（1 kV/step）；管电流 1-1 000 μA（1 μA/step）；液氮制冷；检测器有效面积不小于10 mm2。

1.3 方法原理

能量色散型X射线荧光能谱法的基本原理是：当样品被X射线光子所激发，它就会发射出样品中所含元素的特征X射线，每种元素的特征X射线都具有特定的能量。探测这些特征X射线并识别其能量，也就是识别被测样品中含有哪些元素，这就是定性分析；而具有某种能量的X射线强度的大小，是与被测样品中能发射该能量的荧光X射线的元素浓度多少有直接联系，测量这些谱线的强度，并进行相应的数据处理，就可以得出被测样品中各种元素的浓度含量，这就是定量分析。

1.4 测试结果和分析

达碧兹祖母绿的特点是石体横切面有六角形的黑色条纹从中央向外辐射，中间还可以有六角形透明或呈黑色的芯。因其形状似以前西班牙人用来压榨甘蔗的磨轮，故取磨轮一词的发音为名。

而达碧兹祖母绿的各种结晶图形虽然都保留了六边形的构造，其内部的对角线型结构甚至包括晶体芯的六边形外缘壁的厚度却变化万千。有些祖母绿的半径壁很薄，偶尔会以方解石晶体结构的形式出现；有些以碳酸盐或半透明矿物形成的网状结构出现。在一些情况下，矿物聚集体的校准排列较为强烈，展现出宽广且形状各异的径向结构，这些径向结构大多是由不透明矿物，如黄铁矿等构成，这种情况下形成的祖母绿半径壁很小，呈小平行六面体的形状。

达碧兹祖母绿的“核”和“臂”的颜色各不相同，其化学成分必定也不相同。采用岛津EDX-720型X射线荧光能谱仪对样品进行测试，得到样品成分元素主要有 Si、Fe、Ca、V、Cr等元素，见表 1 和表 2。V、Cr是祖母绿呈绿色的主要致色元素。此外通过对Fe元素的观察，也可以看出“核”区、“臂”区与“扇形生长”区的区别，分别见图1、2、3、4和5。

表1 达碧兹祖母绿#1 X射线荧光能谱分析

表2 达碧兹祖母绿#2 X射线荧光能谱分析

2 讨论

对达碧兹祖母绿的研究发现，其为单晶体，且“核”与其他部分形成于不同的生长阶段，具有不同的生长速度，其形成与熔体中富集的各种元素有密切的关系。

“核”是达碧兹祖母绿晶体形成的第一步，经过X射线荧光能谱仪对于样品的分析，表明核区的Fe元素含量最高，显微观察发现，“核”区有大量的黑色物质，推测为Fe的氧化物，在高温熔体降温时与刚玉晶体共同析出，散布于“核”区，并且勾画出六边形的边缘。“臂”与“扇形”区域是达碧兹祖母绿晶体形成的第二步，也是结构形成的关键。由于在核的形成过程中有其他矿物共晶沉淀，这种共晶沉淀导致界面粗糙化，从而引发产生各种晶界、缺陷。这种结构对熔体中的杂质有很强的吸附能力，导致杂质元素在此方向聚集，因此“臂”区的杂质元素含量高于“核”区，颜色也与“扇形”区域不同。同时，熔体中的杂质元素在“臂”区富集，也为“扇形”区域的生长提供了相对稳定的环境，所以该区域颜色较好，质地也较干净，同时，“扇形”区域的致色元素V、Cr含量最高，这也同样印证了该区域颜色的浓郁与纯正。

图1 达碧兹祖母绿#1“臂”区X射线荧光能谱谱图

图2 达碧兹祖母绿#1“核”区X射线荧光能谱谱图

图3 达碧兹祖母绿#2“臂”区X射线荧光能谱谱图

图4 达碧兹祖母绿#2“核”区X射线荧光能谱谱图

图5 达碧兹祖母绿#2“扇形”区X射线荧光能谱谱图

3 结语

用X射线荧光能谱仪来测定达碧兹祖母绿中的主要与痕量元素，可以对其形成机理与颜色分布有一定的辅助解释作用。同时，应采用更多检测手段来对比，从而进一步证明此结果。