蓝紫色堇青石的宝石学特征及颜色成因

成思恩，杨 扬，牟若愚

(1．长春工程学院 勘查与测绘工程学院，吉林 长春 130022；2．山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266500)

堇青石，宝石级品种英文名是lolite，属斜方晶系，是一种环状结构硅酸盐矿物。化学成分为Mg2Al4Si5O18，可含有Na、Ca、K、Fe、Mn等元素及CO2、H2O，其中Mg和Fe可完全替换，形成完全类质同象[1]。大部分自然界中的堇青石是富镁的。堇青石由富含镁、铝的岩石经高级变质作用而形成，是高级变质作用的产物，晶体中常见的包裹体有赤铁矿、针铁矿等，当这些矿物包体定向排列时，可能会产生砂金效应[2]。堇青石颜色很丰富，但是只有蓝色和蓝紫色为宝石级品种。

1 样品常规测试

本次实验所用的堇青石样品于江苏东海水晶城及网络渠道采购，为6颗颜色由浅至深的蓝紫色的堇青石，未经任何优化处理，均为椭圆刻面型宝石，半透明至透明，玻璃光泽；宝石大小一致，为6×4 毫米,平均重量约为0.40克拉，将其编为1～6号。

图1 堇青石样品1Fig.1 The picture of the iolite samples

通过对这6件样品进行常规宝石学测试，发现6颗样品的折射率、密度有一定程度的变化，样品6的折射率和密度最高，颜色饱和度也最高。通过放大观察包裹体，可见气液两相包体、天然矿物包体和裂隙，可排除合成堇青石的可能。样品多色性很明显，为明显的蓝紫/蓝/淡黄，观察结果整理如表1所示。

表1 堇青石的常规宝石学特征Table 1 The gemological characteristics of lolites

通过比对6个样品的常规宝石学特征，发现随着堇青石颜色由浅到深，密度和折射率都随颜色加深而不断增加，三者之间存在着一定的关系，而双折率的变化不突出。这可能与样品中铁离子浓度有关，铁离子通过类质同象取代了其它元素，当光线照射进入堇青石晶体内部时，铁离子与之发生相互作用，延长光线通过时间，使得折射率值偏高。双折率值与颜色深浅无关。

2 红外光谱测试

红外测试在苏州中工珠宝检测中心完成，仪器型号为TENSOR 27，用反射法对指纹区进行测试，扫描范围为1600～400 cm-1，分辨率 4cm-1，扫描16次。测试结果如图2。可见结构基本一致，主要吸收峰为1198cm-1、1146cm-1、964cm-1、906cm-1、770cm-1、748cm-1、676cm-1、617cm-1、580cm-1、485cm-1、446cm-1。其中676cm-1、617cm-1、580cm-1堇青石特征吸收谱带[3]；1198cm-1、1146cm-1与堇青石中的Si-O-Si非对称伸缩振动有关；964cm-1、906cm-1和[AlO4]四面体的伸缩振动有关；770cm-1、748cm-1与堇青石六元环结构的振动有关；485cm-1、446cm-1是由[SiO4]四面体的弯曲振动产生的。不同谱带吸收峰有轻微差异，这与类质同象有关。

图2 样品的红外光谱图Fig.2 The infrared spectrum of samples

3 紫外-可见分光光度计测试

测试在苏州中工珠宝检测中心完成,仪器型号为GEM-3000，对颜色饱和度依次增加的三颗宝石1、3、6进行紫外可见光谱测试。

对样品1、3、6的紫外吸收图谱进行观察，发现三颗样品在350～450nm之间有多条弱的吸收带，在500～650nm之间有宽的吸收带。350～450nm之间的吸收与氧元素和铁元素之间的电荷转移有关，而500～650nm之间的吸收与Fe2+→Fe3+的价间电荷转移有关[4]。而且不论是350～450nm之间的弱吸收带，还是500～650nm之间的宽吸收带，都是随着样品颜色的加深而变强的，这与Fe元素含量增加有密切的联系。其中，变化更明显的是500～650nm之间的宽吸收带，推测样品6因为在绿-红区的强吸收，使得其蓝紫色比样品1、3更明显。

图3 样品1、3、5的紫外吸收谱图Fig.3 The UV absorption spectra of sample 1，3 and 5

4 X射线荧光能谱仪测试

为了定性和定量得到样品所含元素，分析堇青石的颜色成因[33]，选取颜色由浅到深的1、3、6号样品，送到南京晓庄学院做X射线荧光光谱仪测试，测试结果见表2。

该仪器定性可以做到F，定量可以做到Na。另外，由于测试条件有限，X射线荧光光谱仪无法区分同一元素的不同价态，如Fe元素含量用Fe2O3表示，但是不代表Fe元素不存在其他价态。

表2 样品的元素组成(%)Table 2 The elements of samples(%)

经成分测试，可知堇青石的组成元素主要为O、Mg、AI、Si，同时还有Fe、Ca、K等微量元素，其中Mn、Fe是常见的致色元素，堇青石的颜色成因可能与其有关[5]。

但是经数据分析，Mn元素的含量与颜色深浅无明显联系，3号样品Mn元素含量最高但是颜色并不是最明显的，颜色饱和度最高的6号Mn元素含量只比颜色最浅的1号含量高，由此认为，Mn元素并不是影响堇青石颜色的主要原因。而随着堇青石样品的颜色不断加深，可以看见Fe元素含量的不断增加，从一号样中的0.758%到6号样品的2.033%，我们可以得出结论，蓝紫色堇青石的颜色成因主要和Fe元素含量有关，Fe元素含量越高，堇青石颜色越深，反之亦然。

5 结论

(1)蓝紫色堇青石的颜色、密度、折射率，三者呈正相关性，随着Fe元素含量的提高，堇青石的颜色会越来越深，密度和折射率值也会越来越高。

(2)红外光谱测试表明，样品的红外光谱与标准光谱吸收峰一致，676cm-1、617cm-1、580cm-1是堇青石特征吸收谱带。紫外—可见分光光度计测试表明，蓝紫色堇青石350～450nm之间有多条弱吸收带，在500～650nm之间有宽吸收带，且颜色较深的堇青石相比于颜色较浅的堇青石，其在500～650nm之间吸收更明显；

(3)X射线荧光能谱仪测试表示，堇青石的主要组成元素为O、Mg、AI、Si，主要致色元素为Fe，同时还可能含有Ca、K等元素。Fe元素含量的高低决定堇青石颜色的深浅，Fe元素含量越高，堇青石颜色越深。