四川石棉礦區軟玉的巖石礦物學及掃描電鏡研究

許耀先，盧保奇*，亓利劍

（1. 上海大學材料科學與工程學院，上海 200444；2. 同濟大學海洋與地球科學學院，上海 200092）

四川石棉礦區軟玉的巖石礦物學及掃描電鏡研究

許耀先1，盧保奇1*，亓利劍2

（1. 上海大學材料科學與工程學院，上海 200444；2. 同濟大學海洋與地球科學學院，上海 200092）

對四川石棉礦中的軟玉進行了電子探針分析、X射線粉晶衍射分析、拉曼光譜分析及掃描電鏡分析研究。結果表明其主要由透閃石組成，其中Mg/(Mg+Fe)≥0.88～0.91，并呈現典型的透閃石晶體的拉曼譜圖。計算的晶胞參數為：a0=0.984～0.985nm，b0=1.780～1.782nm，c0=0.527～0.528nm，β=106.13?～106.35?。四川軟玉的貓眼效應由其內部顯微纖維狀的透閃石晶體而產生，透閃石纖維相互穿插絞合是玉石表現出高韌性和較強抗斷裂性能的主要因素。

巖石礦物學；透閃石晶體；軟玉；貓眼效應；顯微結構

近幾年在我國四川省蛇紋石石棉礦中發現的軟玉質地溫潤堅韌[1]，經琢磨后“貓眼”鮮活（圖1）。貓眼軟玉是指具有貓眼效應的軟玉[2]，是軟玉中的珍品。除我國臺灣省花蓮縣所產的“臺灣玉”、加拿大安大略省和緬甸所產的綠色軟玉具有貓眼效應外[3]，尚未見其它報道。本文利用電子探針分析（EPMA）、X射線粉晶衍射分析（XRD）、拉曼光譜分析（Raman）等對四川軟玉進行研究，以確定其成分特征；利用掃描電子顯微鏡（SEM）分析軟玉的顯微形貌特征以及貓眼效應的形成機理，并對玉石的韌性進行討論。

圖1 四川軟玉原石和成品Fig.1 The rough and finished product of nephrite from Sichuan

1 礦區地質背景

四川蛇紋石石棉礦區所處大地構造屬“康滇地軸”北段，出露地層主要有太古界康定雜巖、中元古界峨邊群沉積及巖漿巖組合、震旦系蘇雄組及開建橋組火山巖建造和澄江期花崗巖。礦區構造以南埡河斷裂為主，走向NW320?～330?。軟玉礦體呈透鏡狀、團塊狀賦存于峨邊群超基性巖體—蛇紋石化橄欖巖內，該巖體呈北東向延伸，長約7.5km。由于被南埡河斷裂切割，因此形成相距8km的南北兩個礦區（圖2）。區內次級斷裂構造發育，它們控制了軟玉礦體的形成和分布[4,5]。

2 軟玉巖石礦物學特征

2.1 電子探針成分分析

圖2 四川石棉礦南北礦區橫剖面地質圖（據四川省區測隊,1984）Fig. 2 The geological transverse section of asbestos diggings in Sichuan

選取采自四川蛇紋石石棉礦區的代表性樣品進行EPMA成分測試，結果顯示，四川軟玉的主要成分為SiO2、MgO和CaO。其中，SiO2為56.85%～57.27%，平均57.11%；MgO為21.61%～22.99%，平均22.23%；CaO為12.29%～13.13%，平均12.76%（表1）。Mg/(Mg+Fe)均≥0.88～0.91，屬透閃石系列[6]。

表1 四川軟玉的電子探針分析結果(%)Table 1 Analysis results of EPMA of the nephrite from Sichuan (wt%)

2.2 X射線粉晶衍射分析

儀器型號：日本RIGAKU Dmax/3B。測試條件：Cu靶，Ni濾波片，管壓30V，管流30A，掃描速度4?/min。圖3顯示，室溫下2個樣品的粉晶衍射圖譜非常相似，且與標準透閃石的衍射譜線基本一致[6]，表明四川貓眼軟玉主要由透閃石組成。同時計算出樣品的晶胞參數并與透閃石理論值相對比，結果顯示計算值與理論值較好吻合（表2）。

圖3 四川軟玉的X粉晶衍射圖譜（測試單位:中國地質大學(武漢)分析中心）Fig.3 XRD patterns of nephrite from Sichuan

表2 四川軟玉的晶胞參數Table 2 Lattice parameters of the nephrite from Sichuan

2.3 拉曼光譜分析

儀器型號：傅里葉變換紅外光譜儀（美國，Nicolet-750）。測試條件：KBr壓片法，掃描波數范圍400～4000cm-1，掃描次數為32次。圖4顯示，測試樣品的紅外吸收頻率主要出現在3600～3700、960～1100和400～700cm-1范圍內。室溫下四個樣品的圖譜基本相似，且與透閃石的標準紅外譜非常相似[7,8]，表明樣品由較純的透閃石組成。這與粉晶衍射結果相吻合。

3 軟玉的掃描電鏡和顯微形貌特征

測試儀器型號為日本日立公司的S-3500N型掃描電鏡。加速電壓為25kV，圖像分辨率為15nm，室溫20℃。

圖5(a,b)為樣品St-74平行纖維方向自然敲口斷面的微觀形貌。該樣品在偏光顯微鏡下為顯微纖維變晶結構。可以清楚地看出，透閃石纖維細長，纖維寬度＜1μm，纖維彼此相互穿插交錯，緊密結合，大致沿纖維方向定向排列。這種特殊的穿插交錯結構使透閃石纖維之間產生了一種機械結合力或絞合力[9]。當受外力作用時，互相穿插絞合著的透閃石所組成的軟玉形成斷裂面時需要破壞各種力而拔出，這種纖維間的機械結合力的存在加大了每一個面斷裂所需的能量，也即增強了軟玉的韌度。

圖4 四川軟玉的拉曼光譜Fig.4 Raman patterns of nephrite from Sichuang

圖5(c,d)為樣品St-41垂直于纖維方向自然敲口斷面的微觀形貌。可以看出，透閃石纖維聚集成束狀或捆狀致密結合。斷裂呈階梯狀，斷裂面較尖銳，有較多纖維拔出。這可歸因于透閃石顆粒具有較弱的晶界強度，這種斷裂應屬穿晶斷裂[10]。同時由于拔出作用不可避免地導致無數次級裂紋的產生，斷裂面積的增大，斷裂沿各個方向的延伸，將進一步消耗更多的能量，因此斷裂所需的外加應力應加大，表現在宏觀上則為軟玉貓眼韌性較大，不易斷裂。

4 貓眼效應形成機理及與顯微結構的關系

貓眼效應是一種特殊的光學效應，產生的必備條件之一就是玉石或寶石是由纖維狀或細的長柱狀并且沿一定方向定向排列的礦物組成，或其中含有大量平行排列的包裹體。從上述四川軟玉的礦物組成及其顯微形貌研究可知，其組成礦物絕大部分是平行定向排列的纖維狀透閃石，顯微纖維變晶結構起主導地位。正是由于這些大量定向排列的纖維狀透閃石的存在，從內部結構上決定了貓眼效應產生的必備條件，如果切磨正確，必能表現出良好的貓眼效應。

軟玉的顯微斑狀變晶結構中的片狀透閃石雖然含量較少，但這種結構和形態會影響貓眼效應的產生，降低貓眼的品質。如果片狀透閃石大量存在于平行排列的纖維狀透閃石中，則會使貓眼效應減弱甚至消失。

從透閃石的形態看，短柱狀、片狀的含量很少，總量不超過5%，因此，四川軟玉所表現出的貓眼效應總體上是很強的（圖1）。盡管平行排列的纖維也被后期脈狀透閃石所穿插交代，但這種交代的幾率很小，因此對貓眼效應不會產生較大的影響。

圖5 四川軟玉的顯微結構掃描電鏡照片(測試單位:中國地質大學(武漢)分析中心)(a)∥纖維方向(25kV×5.0K); (b)∥纖維方向(25kV×2.0K); (c)⊥纖維方向(25kV×0.6K); (d)⊥纖維方向(25kV×5.0K) Fig.5 The microstructure SEM photographs of nephrite from Sichuan (a) parallel to fiber (25kV×5.0K); (b) parallel to fiber (25kV×2.0K); (c) vertical to fiber (25kV×0.6K); (d) vertical to fiber (25kV×5.0K)

5 結論

（1）四川軟玉主要組成礦物為透閃石，M g/ (Mg+Fe)≥0.88～0.91。計算的晶胞參數為：a0=0.984～0.985nm，b0=1.780～1.782nm，c0=0.527～0.528nm，β=106.13?～106.35?。

（2）拉曼光譜分析測試表明，四川軟玉具有典型的透閃石晶體的拉曼譜圖，進一步佐證了其礦物組成。

（3）四川軟玉的貓眼效應是由其內部顯微纖維狀的透閃石晶體而產生的。纖維相互穿插絞合增強了玉石的韌性和抗斷裂能力。

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A petromineralogical and SEM microstructural analysis of nephrite in Sichuan Province

XU Yao-Xian1, LU Bao-Qi1, QI Li-Jian2
(1. School of Materials and engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China; 2. School of Ocean and Earth Science, Tongji University, Shanghai 200092, China)

In this study, nephrite with chatoyancy from Sichuan province was studied by electron microprobe analysis (EPMA), X-ray powder diffraction analysis (XRD), Raman spectroscopy, and scanning electron microscopy (SEM). Results indicate that the nephrite cat's eye is composed mainly of fiber-shaped tremolite with Mg/(Mg+Fe)≥0.88–0.91, and unit cell parameters as follows: a0=0.984–0.985 nm, b0=1.780–1.782 nm, c0=0.527–0.528 nm, and β=106.13°–106.35°. The Raman spectra provide further proof of the mineral's composition. The effect of the Sichuan nephrite cat's eye is generated by microscopic fibrous tremolite crystals. The fiber-shaped tremolite crystals are tightly arranged, which is the primary reason for the tenacity and fracture resistance of the nephrite cat's eye.

petromineralogy; tremolite crystal; nephrite; chatoyancy; microstructure

P575

A

2095-1329(2015)03-0087-03

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.03.020

2015-06-30

2015-08-28

許耀先(1988-),男,碩士生,主要從事礦物材料科研.

電子郵箱: 240708275@qq.com

聯系電話: 021-56335357

國家自然科學基金項目(49772096);上海市教育委員會發展基金項目(03AK23)

*通訊作者: 盧保奇(博士/教授): lbqi_1@shu.edu.cn