一種深藍(lán)色剛玉的致色成因初探

劉毅川 鄭辰

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）430074；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）研究生 430074）

0 前言

藍(lán)剛玉是一種常見的中高檔寶石，俗稱藍(lán)寶石，其獨特、深邃的顏色，深受廣大消費者的喜愛。藍(lán)剛玉的致色機理是一個人們長期研究的問題。人工合成剛玉的研究表明，摻Fe的剛玉呈淺藍(lán)綠色，只摻Ti的剛玉呈粉色，而同時摻Fe、Ti的剛玉呈鮮艷的藍(lán)色[1]。湯紫薇等[2]采用紫外-可見光分光光度計和電子探針測試對馬達(dá)加斯加藍(lán)色藍(lán)寶石的顏色特征進行了探討，認(rèn)為藍(lán)色藍(lán)寶石的顏色與Fe、Ti有關(guān)。本文利用粉晶衍射、電子探針、吸收光譜對兩塊深藍(lán)色剛玉樣品進行分析，旨在揭示其顏色成因與其礦物學(xué)特征之間的關(guān)系，為寶石優(yōu)化處理提供新的思路。

1 材料及方法

1.1 樣品介紹

本文研究樣品據(jù)稱產(chǎn)自泰國某地。兩者均為剛玉原石，微透明，均呈現(xiàn)明顯的鐵染現(xiàn)象。其中，樣品G-2較G-1顏色更深。

1.2 測試方法

X射線衍射分析測試在中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室的荷蘭帕納科X’Pert Pro型X射線粉晶衍射儀上進行，入射光源為CuKα輻射，Ni片濾波，X光管工作電壓為40 kV，電流為40 mA；光闌系統(tǒng)為DS=SS=1°；RS=0.3 mm。使用連續(xù)掃描方式，掃描速度為8°/min，2θ分辨率為0.02°。掃描范圍為3°～64°，采用超能探測器。

剛玉的化學(xué)成分分析在中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室的JXA-8100型電子探針顯微分析系統(tǒng)上完成，測試電壓15 Kv，電流為2.0×10-8A，分析誤差為±1%，室溫24℃，濕度 54%。

本次測試的吸收光譜于UV-1601型紫外-可見光分光光度計上完成，采用透射法，測試范圍為300～900 nm，分辨率為0.5 nm。

2 結(jié)果分析

2.1 X射線粉晶衍射分析

X射線粉晶衍射分析結(jié)果表明（圖1），深藍(lán)色剛玉樣品G-1和G-2主要礦物成分為剛玉，但其他礦物組分有所差別。G-1中主要含有剛玉、硬水鋁石及勃姆石，G-2中不但含有以上3種礦物，還含有少量三水鋁石和斜長石。剛玉的診斷衍射峰位主要為3.48 ?、2.55 ?、2.38 ?、2.08 ?、1.73 ? 及 1.60 ?，與 PDF/JCPDS卡片71-1123十分吻合；硬水鋁石的特征峰主要有4.71 ?、3.98 ?、3.22 ?、2.55 ?、2.32 ?、2.13 ?、2.08 ?、1.82 ? 、1.71 ?、1.64 ?、1.57 ?、1.51 ?及1.48 ?等，與PDF/JCPDS卡片05-0355匹配性較好；勃姆石的典型衍射峰為6.11 ?/6.08?、2.35 ?、1.96 ?及1.51 ?等，與PDF/JCPDS卡片21-1307十分一致；4.18 ?、3.09 ?兩處衍射峰的出現(xiàn)，揭示標(biāo)本G-2中可能含有三水鋁石；3.27 ?處的出現(xiàn)較弱衍射峰，表明標(biāo)本G-2還含有少量長石。以上分析表明，標(biāo)本G-1中礦物組分較為簡單，G-2中雜質(zhì)含量相對較高，并且勃姆石的結(jié)晶程度有所差異，導(dǎo)致其診斷峰位有所差異。

2.2 紫外-可見光吸收光譜特征

從圖2可以明顯看出，深藍(lán)色剛玉G-1和G-2紫外-可見光吸收峰位大體相似，僅吸收強度略有差異。兩樣品均在376、384及455 nm處出現(xiàn)尖銳的吸收峰，同時在500～600 nm及700～900 nm 間出現(xiàn)兩個寬的吸收帶。研究表明，376、384及455 nm處的吸收峰由Fe3+產(chǎn)生[3,4]，500～600 nm間的寬吸收帶由Fe2+-Ti4+的電子遷移形成，而700～900 nm 間的寬吸收帶由Fe2+-Fe3+間的電子遷移產(chǎn)生[5]。電子探針分析結(jié)果顯示，G-2的全鐵含量應(yīng)稍高于G-1，但Fe2+和Fe3+含量及相對比例的變化在紫外-可見光圖譜中并表現(xiàn)不明顯。然而，可以清楚看出，樣品G-2455 nm處的吸收峰、500～600 nm及700～900 nm 間的吸收帶比G-1更加圓滑，可能與其中Ti4+、Fe2+及Fe3+含量比例不同有關(guān)，從而導(dǎo)致色調(diào)略有差別。樣品G-2處455 nm吸收峰及700～900 nm 吸收帶的面積比樣品G-1對應(yīng)吸收峰及吸收帶略大，但500～600 nm 吸收帶面積較G-1小，揭示樣品G-2中Fe3+/ Fe2+可能高于樣品G-1，直接導(dǎo)致其顏色較樣品G-1深。

圖1 剛玉的X 射線衍射分析圖譜

圖2 藍(lán)剛玉的紫外-可見光吸收光譜特征

2.3 電子探針分析

電子探針分析結(jié)果表明(表1)，深藍(lán)色樣品G-1中主要含有Al、Ti及Fe元素，表明其主要由含鋁的氧化物和氫氧化物組成，與X射線粉晶衍射的礦物組成分析結(jié)果相一致，Ti和Fe主要以類質(zhì)同象的形式賦存在剛玉晶格中。然而，深藍(lán)色樣品G-2中不僅含有Al、Ti及Fe等元素，同時含有一定量的Si、Ca、Mn及Mg元素。Si和Ca可能以長石的形式與剛玉共生，Mg的出現(xiàn)表明樣品中可能含有少量的水鎂石，因其含量太低在X射線分析中未檢測到，Mn可能也以類質(zhì)同象的形式替代Al，賦存在剛玉晶格中。深藍(lán)色剛玉G-1的T(Fe) /Ti值為22.1，G-2的T(Fe)/Ti值為24.6，稍高于樣品G-1，F(xiàn)e含量的增加可能是剛玉顏色變深的誘因之一，藍(lán)色剛玉中Mn的出現(xiàn)也可能對其顏色深淺程度有一定的影響。

表1 深藍(lán)色剛玉的電子探針分析結(jié)果（wt%）

3 結(jié)論

1）X射線粉晶衍射分析結(jié)果表明，深藍(lán)色剛玉G-1礦物組成主要為剛玉、硬水鋁石及勃姆石，而G-2主要由剛玉、硬水鋁石、勃姆石、三水鋁石及少量斜長石組成。

2）深藍(lán)色剛玉G-2及 G-1均含有Al、Ti及Fe等元素，后者還含有一定量的Si、Ca、Mn、Mg，兩樣品的元素構(gòu)成與礦物組成具有較好的一致性。

3）深藍(lán)色剛玉G-1和G-2紫外-可見光吸收峰位大體相似，僅吸收強度有所差異，可能由Ti4+、Fe2+及Fe3+的含量比例不同所致。

4）深藍(lán)色剛玉的顏色跟Ti4+、Fe2+及Fe3+等三種元素密切相關(guān)，Ti4+、Fe2+及Fe3+含量及比例不同導(dǎo)致其藍(lán)色調(diào)的不同，而Fe3+/ Fe2+與其色調(diào)深淺直接相關(guān)。因此，在對深藍(lán)色剛玉進行優(yōu)化時，通過還原Fe3+或者氧化Fe2+便可改善其顏色。

5）深藍(lán)色剛玉雜質(zhì)礦物如硬水鋁石、勃姆石及三水鋁石等會吸附一定量的Ti4+、Fe2+、 Fe3+及Mn2+，也可能會影響剛玉的透明度及顏色深淺程度。

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