无色透锂长石的宝石学特征

余炼钢，廖任庆

(1.德宏师范高等专科学校，云南 德宏 678400;2.深圳技术学院，广东 深圳 518100)

0 引 言

长石是地壳中资源丰富、分布广泛、数量最多的造岩矿物之一，宝石级长石分为碱性长石和斜长石两个亚族，因普遍类质同像替代、固溶体离溶等作用成分复杂多变，可形成月光石、日光石、拉长石、天河石等重要宝石种，也包含正长石、透长石、冰长石等鲜为人知的矿物亚种或变种[1-3]，其中透长石是碱性长石中特定组分的类质同像混溶物，钠长石占比在30%～60% 、钾长石占比70%～40% 的碱性长石亚种即为透长石。透长石[4]为单斜晶系，化学通式为R[Sin-xAlxO2n]，其中R为K+、Ca2+、Na+、Li+等低电价、高配位的阳离子，这些阳离子间可相互替代，当R为Li+离子，n=4，x=1，即构成理论上的透锂长石LiAlSi4O10。透锂长石产于花岗伟晶岩中，外观呈无色、白色及黄色，透明-半透明，以0.5～5cm不等的块状或粒状集合体产出，在苏联、加拿大及我国湖北、辽宁、江西等地均有发现[5-7]。透锂长石作为含锂矿物在工业领域有重要应用，如作为提炼金属锂的矿物原料，亦用于新型陶瓷制作原料，因良好的助熔性能替代传统的长石生产锂质耐热陶瓷，显示出优越的理化性能[8-11]。但透锂长石用作宝石材料在珠宝市场上实属少见，尚未引起宝石学界的关注。

近期笔者在教学中发现了两粒购自深圳水贝市场名称为“透锂长石”的特殊样品，外观上无色透明，肉眼特征与玻璃、塑料、合成水晶等人工宝石相似，常规检测发现其折射率值与透长石接近，但双折射率值明显偏高。笔者进一步做了X-射线荧光光谱、红外光谱、拉曼光谱、、紫外-可见光谱等方法的测试分析，发现该样品确实为透锂长石，因目前尚无透锂长石相关的宝石学研究报道，笔者基于详细的实验测试为其鉴定提供参考，以丰富相关宝石学资料。

1 样品及测试方法

1.1 实验样品

两颗样品(图1，编号为T1、T2)均为圆钻型，无色、透明、明亮玻璃光泽，透光性均匀，表面亮度一致，置于纯白卡纸上无任何黄、褐、灰等杂色调，几乎不显火彩，肉眼观察未见裂隙或包体，外观上类似玻璃、塑料仿宝石、合成水晶、无色绿柱石等常见品种。

图1 实验样品(T1、T2)Fig.1 The testing samples(T1、T2)

1.2 测试方法

红外光谱测试采用赛默飞世尔科技公司Nicolet IS10型红外光谱仪，测试条件：扫描范围400～4000 cm-1，背景扫描32次，扫描次数32次，分辨率4 cm-1，对样品做漫反射法测试；拉曼光谱测试采用B&WTek公司BWS415-785H-GR型珠宝拉曼光谱仪。测试条件：激光波长785nm，积分时间：30s，叠加次数：2次，狭缝宽度：10μm；激光功率365mw(衰减率80%)，测试范围：150～2700cm-1；化学成分分析采用赛默飞世尔科技公司QuantX型X射线荧光光谱仪EDXRF，硅漂移探头(SDD)、电制冷、室温下、准直器2.0mm、真空Vacuum气氛、测试时间为100s；紫外-可见光谱测试采用飞博尔公司UV5000型紫外-可见光纤光谱仪，测试条件：分辨率1nm，积分时间300ms，平均次数90次，波长范围210-1060nm 。以上实验均在德宏师范高等专科学校艺术学院大型珠宝仪器测试室完成。

2 测试结果与分析

2.1 常规宝石学测试

测试结果如下表(表1)，偏光镜下观察样品均呈四明四暗消光，为非均质体；折射率仪测试显示刻度标尺上两条阴影线均上下移动，为二轴晶；样品T1折射率值RI：1.508～1.523，双折射率DR：0.015；样品T2折射率值RI：1.505～1.522，双折射率值DR：0.017；采用静水称重法测量三次取平均值，测定密度值为2.33±0.01g∕cm3，长波紫外光下呈惰性，短波紫外光下呈弱-中等紫红色荧光。放大40倍观察(图2)可见样品T1冠部表面有许多沿径向跨越刻面分布长短不同的平直管状凹蚀痕(图T1-a)，台面下方有两个细小的近似短柱状透明晶体包体(图T1-b)。样品T2内部洁净，未见任何裂隙及矿物杂质包体(图T2-a)，从冠部观察两个样品均可见亭部主刻面棱线有明显“双影线”现象(图T2-b)。透明晶体包体指示样品为天然成因可能性大，光性特征及折射率值接近透长石(透长石[3]：二轴晶、单斜晶系，三个主折射率值为Ng=1.518～1.525，Nm=1.522～1.530，Np=1.525～1.532，双折射率值Ng-Np=0.005～0.007，密度2.57～2.58g/cm3)，但相比透长石及正长石、冰长石、微斜长石、拉长石等其他长石品种[1-2]，密度值均偏低，而双折射率明显偏高。基于双折射的光学原理[12]，该样品较高的双折射率值与在显微镜下的后刻面棱“双影线”现象相符。为验明样品归属，采用大型检测仪器做进一步测试。

表1 样品的基本宝石学特征Table 1 Gemological characteristics of the samples

2.2 X射线荧光光谱分析

从样品全元素分析考虑，选Low ZaⅡ、LowZb、LowZc、MidZa、MidZb五个条件进行分析，测试结果(表2)表明样品T1、T2的化学组成相同，均含有Al、Si、Cl、K、Ca等元素，受仪器性能限制，锂Li、氧O、钠Na等轻元素无法测试，比较X荧光光谱图(图3)中各元素计数强度可知，Si、Al为主要组成元素，其含量比次要组分K、Ca、Cl高得多。由于透长石为架状铝硅酸盐[4]，[SiO4]4-、[AlO4]5-配位体是其晶体结构的两个主要骨架单元，其它阳离子仅部分充填在[SiO4]4-及[AlO4]5-骨架空隙中，同时Cl-的存在方式是替代[SiO4]4-配位体中的部分O2-，以平衡不等价阳离子之间替代的多余正电荷。保证电价平衡。因此Al3+、Si4+、O2+是主要组分部分，其原子数百分比(及计数强度)远高于其它元素，因此，该样品的元素组成符合透长石的化学组分特点。

表2 样品的化学元素EDXRF测试结果Table 2 The EDXRF test results of chemical element composition of the samples

图3 样品(T1、T2)的X射线荧光光谱Fig.3 X-ray fluorescence spectra of the samples (T1、T2)

2.3 红外光谱分析

采用红外反射光谱法测试，结果(图4)显示T1、T2样品的红外图谱特征相同，在指纹区1264、1177、1137、 1082、731、572、524、494 cm-1等处有一组特征的红外吸收谱带。

图4 样品(T1、T2)的红外反射光谱Fig.4 Infrared reflectance spectra of the samples (T1、T2)

根据长石族矿物的晶体化学特征[4]，透长石属于架状铝硅酸盐矿物，其晶体结构中每个[SiO4]4-四面体与相邻的4个相同硅氧四面体共用4个角顶，其中部分Si4+被Al3+所替代，形成[AlO4]5-四面体，[SiO4]4-四面体和[AlO4]5-四面体在三维空间延伸形成连续骨架结构，由于Al3+并非四价，骨架结构中因Al3+的引入而带负电荷，部分带有剩余负电荷的O2-将与硅氧、铝氧配位体外侧的阳离子R结合，阳离子R处在[SiO4]4-及[AlO4]5-骨架空隙中，从而保证电价平衡。由于类质同像替代在长石中广泛存在，纯的端员矿物实际不存在。当阳离子以Li+为主，同时存在少部分K+、 Ca2+、Na+等其它阳离子即为透锂长石。基于以上观点，透锂长石中键振动类型包含Si-O-Si(Al)、Al-O-Al、O-Si-O、R-O-R等，R为Li+、K+、Na+、Ca2+等，分析样品的红外光谱图可知，1137、1082、1033cm-1为[SiO4]4-四面体中Si-O-Si、O-Si-O反对称伸缩振动致吸收峰，754、731、704 cm-1为Al-O-Al及Si-O-Si的对称伸缩振动致吸收峰，543、524 、494、417cm-1处吸收峰为Si-O-Si及Li-O-Li的弯曲振动及晶格振动所致[13、14]。样品在指纹区(400～1500 cm-1)的基团振动模式及红外吸收频率与透锂长石一致。

2.4 拉曼光谱分析

运用BWS415-785H-GR型珠宝拉曼光谱仪对样品T1、T2进行鉴定测试，并与宝玉石鉴定软件(GemID)的数据库做比对。

测试结果(图5、6)显示T1、T2的拉曼光谱特征一致，GemID软件自动生成的最佳匹配均为透锂长石(Petalite)，在283、318、358、382、467、490 cm-1处显示一组与[SiO4]4-及[AlO4]5-配位体中Si-O、Ai-O键振动模式相关的特征拉曼位移峰，其中358、382 cm-1中等强度拉曼峰为Si-O-Si的弯曲振动，490 cm-1强锐峰及467 cm-1弱的肩峰为O-Si-O弯曲振动，794 cm-1中等强度峰为Si-O及Al-O的伸缩振动的耦合，1131 cm-1弱峰由Si-O弯曲振动所致，253 cm-1弱峰由阳离子晶格振动引起[15-16]。这些拉曼特征峰位的组合特征与透锂长石RRUFF数据库标准谱(Petalite ID：R040100)相吻合。

图5 样品(T1、T2)的拉曼光谱鉴定结果Fig.5 Raman spectra identification result of the samples (T1, T2)

图6 样品(T1、T2)的拉曼光谱特征峰Fig.6 The characteristic peak of Raman spectrum of the samples (T1, T2)

2.5 紫外-可见光谱分析

测试结果(图7)显示，样品在可见光380～780nm内完全无吸收，这表明样品中不含过渡型致色离子，符合X荧光光谱测试结果。仅在紫外区有两个弱吸收峰319nm、298nm，推测是阳离子(K+、Ca2+等)之间发生电荷跃迁引起，电荷迁移吸收带落在紫外光区，对可见光区无影响而呈无色，产生原因有待进一步研究。

图7 样品(T1、T2)的UV-Vis光谱Fig.7 UV-Vis spectra of the samples (T1,T2)

3 讨论

本实验中，首先根据样品实测密度值、折射率值以及偏光镜下特征初步判断为长石族宝石，进一步利用拉红外光谱、拉曼光谱分析分子基团特别是[SiO4]4-、[AlO4]5-配位体振动模式，并对其特征谱峰及频率进行归属指认，综合确定样品为透锂长石。化学组分测试表明Al、Si含量高，K、Ca、Cl含量低，亦符合透锂长石组分及晶体结构特征。显微镜下观察其中包体极少，推测与其形成的热液环境作用有关，伟晶岩常生长于地壳深部，地层深部热液物质在相对稳定条件下成矿，可实现更为完全的转化，从而结晶出的透锂长石的杂质含量较少[11]。有研究表明，透锂长石伟晶岩在形成后期随着温度的下降可同时析出石英和锂辉石，其分级过程为：LiAlSi4O10(透锂长石)→LiAlSi2O6(锂辉石)+2SiO2(石英)，其中锂辉石呈细长针状沿边缘部位“蚕食”透锂长石，石英呈自形粒状[5,7]。基于这一观点推测，样品(T1)表面类似平直凹蚀痕状物质可能是锂辉石，因加工出露在成品表面，内部透明的短柱状包体可能为石英晶体。同时，样品的双折射率值(T1为0.015、T2为0.017)较长石族各宝石种的理论值均明显偏高(注：长石族宝石双折射率值为正长石0.006～0.007、透长石0.005～0.007，冰长石0.005～0.008，微斜长石0.007，钠长石0.009-0.010，奥长石0.010，拉长石0.007～0.010，钙长石0.012～0.013)[2]，与之相应的后刻面棱“重影线”现象在长石中也较为罕见。此外，样品的密度值(2.33±0.01 g/cm3)低于普通透长石(2.57～2.58g/cm3)及其他长石品种(均在2.55～2.75g/cm3之间)[2]，推测是由于原子序数小、质量较轻的Li+经类质同像替代作用在阳离子(Li+、K+、Ca2+)中占较高的数量百分比所致。

4 结 论

基于样品的系统测试研究，总结如下：

(1)该透锂长石样品为无色、透明、玻璃光泽，密度为2.33±0.01g∕cm3，折射率在1.505～1.523之间，双折射率高于0.015，内含少量晶体包体，呈中等紫红色紫外荧光。区别于其他长石品种的特征是较低的密度值，较高的双折射率值，以及放大可见的后刻面棱“重影线”。

(2)化学成分分析表明样品中Al、Si、O元素含量高，K、Ca、Cl元素含量低，无致色离子；红外光谱显示样品在1137、1082、1033 cm-1处吸收峰归为[SiO4]4-四面体中Si-O伸缩振动，754、731、704 cm-1处吸收峰归为[AlO4]5-四面体Al-O-Al及[SiO4]4-四面体Si-O-Si的弯曲振动所致，543、524、494、417 cm-1处吸收峰为为Si-O-Si及Li-O-Li的弯曲振动所致；拉曼光谱显示在283、318、358、382、467、490 cm-1显示一组拉曼位移峰，与[SiO4]4-及[AlO4]5-配位体振动模式相关。红外光谱及拉曼光谱显示的基团振动模式及特征频率峰的组合为透锂长石的诊断性鉴定特征。