宝石的电子探针分析研究①

戴 利

(枣庄科技职业学院,山东 枣庄 277500)

0 引 言

在我国漫长的岁月中,宝石被赋予了文化的内涵,寄托了人民的美好向往和吉祥的寓意。宝石,泛指色彩瑰丽或晶莹剔透、坚硬耐久、数量稀少,并可加工制作成首饰和工艺品的矿物或岩石,有时也包含一些有机材料,如琥珀、珍珠等。狭义概念上有宝石,如单晶或多晶的钻石、红宝石、碧玺、祖母绿等,及玉石如翡翠、软玉等之分[1]。

原石是指未经过加工的天然矿石。

电子探针EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)是将聚焦电子束照射到样品,通过激发样品发出的电子信号进行细微结构的观察,通过检测指定区域内发出的元素特征X射线进行定性、定量及面分析等多种测试分析[2]。

现代的电子探针微区分析技术已大量应用于矿物成分解析及鉴定、类质同像成分的确定、矿物环带结构的研究、矿物交代和蚀变、矿物包裹体、宝石矿物、宇宙矿物以及矿物和矿产勘探、矿区评价、油气矿藏综合开发与利用等各个方面,是矿物学研究领域中不可或缺的重要手段。

对宝石原石分析测试所使用的仪器为岛津电子探针EPMA-1720.

1 实验部分

1.1 翡翠(硬玉)

玉石,这一类别是专门针对中国人划分的,指翡翠和白玉等多隐晶质集合体矿物。早期翡翠并不名贵,我国也不出产翡翠。被赋予文化概念后,特别是被上层社会追捧之下,身价陡增。市场上商业品级的翡翠玉石95%以上来自缅甸,因而翡翠又称为缅甸玉。

翡翠属辉石类,单斜晶系,是在地质作用下形成的达到玉石级的、无数细微矿物微晶纵横交织而形成的致密块状集合体。主要组成物为钠铝硅酸盐,即硬玉NaAl9(Si2O6)(原石中含有超过50%以上的硬玉才被视为翡翠),出产于低温高压下生成的变质岩层中[1,3],在形成之后还发生了不同类型的后期改造。

表1 翡翠表面不同特征位置处的定量测试(Wt%)

可以看出此翡翠主要由硬玉及钠铬辉石、绿辉石组成,钠铬辉石是形成翠绿颜色的主要矿物。

图1 翡翠主要元素分布形态(图中数字表示定量测试位置,下同)

1.2 石榴石

石榴石,来源于拉丁文granatum(石榴)。石榴石是较早被利用的一种宝石,我国古时称之为紫牙乌(紫红色石榴石宝石)。石榴石中,橙色和红色的锰铝榴石比较稀有,商用价值高,绿色的钙铝榴石则是珍品,价值优高。

石榴石属于硅酸盐矿物中的鸟状结构,化学式可写成A3B2(SiO4)3,其中A代表二价金属如钙、铁、镁或锰;B代表三价金属元素如铝、铬、铁或锰,在稀有的石榴石中,可能是钒、钛、锌或硅。如果A的位置上含钙,称为钙榴石系列,B的位置上为铝,则称为铝榴石系列。

表2 石榴石1#环带的定量测试(Wt%)

表3 石榴石2#环带的定量测试(Wt%)

铝榴石系列中镁铝榴石、铁铝榴石和锰铝榴石这三个品种直径可以产生完全的类质同象,即这三个品种直径可以任意比例;混合钙榴石系列中,钙铁榴石和钙铬榴石之间也具有类质同象现象;两个系列之间也发生一定的类质同象现象。

上面测试的结果表明,此石榴石试样为镁铝榴石、铁铝榴石混有锰铝榴石,并和钙铁榴石及钙铝榴石发生类质同象混合。

脉体的形成机制中,深熔作用形成的脉体会形成石榴石。在深熔作用下,原变质岩中石榴石残余在成分上具有正环带特征,而长英质组分结晶生成的石榴石具有反环带现象[4-7]。

此石榴石试样具有反环带特征。在岩浆冷却结晶过程中,Mn/(Fe+Mg)的比值逐渐升高,结果导致晚期结晶的石榴石的Mn元素相对Fe和Mg元素富集,最后生长的石榴石边部Mn元素最为富集。

1.3 青金石

青金石,又称天青石(英文:Lapis lazuli,来源于拉丁语,意为“宝石”和“蓝色”)也是古老的玉石之一,在中国古代称为璆琳、瑾瑜、青黛等。

青金石一般呈蓝色,其颜色是由所含青金石矿物含量决定的,所含青金石矿物含量多,则颜色好。青金石颜色深蓝纯正、无裂纹、无杂质、质地细腻者为上乘。阿富汗为最著名的青金石生产国。

青金石玉石矿床的成因类型为接触交代矽卡岩化作用的产物。根据交代岩石的成分,青金石矿床可划分为镁质矽卡岩性和钙质矽卡岩性[8-9]。

图3 青金石各主要元素分布特征

表4 青金石不同矿物的定量测试(Wt%)

此青金石矿物试样,主要矿物为青金石,伴生透辉石、方解石、黄铁矿及方钠石族的方钠石和蓝方石。含有杂质矿物较多,有交织白线,宝石质量低下。

1.4 碧玺(电气石、托玛琳石)

碧玺(托玛琳石)是电气石族里能够达到珠宝级的一个种类,电气石是一种含硼硅铝酸盐矿物,一般为柱状结晶体状态,并且可含有铁、镁、钠、锂、钾等元素。正是由于含有多种致色元素,碧玺可呈现各式各样的颜色,一般颜色越浓艳,商业价值越高。英语名称 Tourmaline 意为“混合宝石”。

电气石也用于地质研究。电气石的地质成因相当复杂,常以副矿物的形式广泛分布于岩浆岩、沉积岩、变质岩和热液矿床中,它的化学性质稳定,耐磨、耐蚀,并且各种电气石的成因各不相同,其化学成分与地质环境密切相关,是岩石成因的一种指示矿物[10-12]。

图4 电气石各主要元素的分布特征

表5 电气石不同位置的定量测试(Wt%)

电气石富含B和H2O,它的成因多与气成作用有关,多产于花岗伟晶岩及气成热液矿床中。此次测试的原石为黑色电气石,富含铁,以短柱状形态为主,与热液石英共生,此电气石形成于较高温度,并有晚期形成特征。

2 结果与讨论

实验表明,翡翠是主要由硬玉及钠铬辉石、绿辉石组成,钠铬辉石是形成翠绿颜色的主要矿物。另外也测出含有少量角闪石、长石等伴生矿物。铝榴石系列中镁铝榴石、铁铝榴石和锰铝榴石这三个品种直径可以产生完全的类质同象,即这三个品种直径可以任意比例;混合钙榴石系列中,钙铝榴石和钙铁榴石,钙铁榴石和钙铬榴石之间也具有类质同象现象;两个系列之间也发生一定的类质同象现象。表3的测试结果表明:石榴石试样为镁铝榴石、铁铝榴石混有锰铝榴石,并和钙铁榴石及钙铝榴石发生类质同象混合。青金石矿物试样,主要矿物为青金石,伴生透辉石、方解石、黄铁矿及方钠石族的方钠石和蓝方石。含有杂质矿物较多,有交织白线,宝石质量低下。

3 结 论

宝石鉴定,除了以往按照颜色、光泽和色散等依靠鉴定人员长久积累经验的方法外,借助微区分析仪器EPMA可以很快的帮助确定宝石的品种,评价宝石的质量,特别是针对人造合成、后期作假,EPMA测试数据可以提供更为可靠的判断依据。

宝石作为一种性质稳定的矿物,对其的解析还可以还原当时的地质环境。比如对石榴石环带的研究表明,Mg元素与温度呈正相关,Mn与温度是负相关,而Ca与压力呈正相关,石榴石成分研究可以作为参照估算岩石结晶时的温度和压力条件,推断深熔作用发生的位置。而电气石足够稳定,成分随环境的不同差别较大,甚至可以作为岩石成因的一种指示矿物。