新疆阿爾泰碧璽(電氣石)的寶石學和光譜學特征研究

張文弢

(新疆職業大學，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

碧璽作為一種中高檔寶石，一直深受人們的喜愛。世界上出產碧璽的國家主要有巴西、斯里蘭卡、澳大利亞、坦桑尼亞、中國等。我國電氣石資源十分豐富，但寶石級電氣石(碧璽)產地和產量則相對較少，主要分布在新疆、內蒙古、云南等地，新疆寶石級電石氣主要產于阿勒泰富蘊的花崗偉晶巖礦床中[1]，屬于花崗偉晶巖型，但也有表生沉積型和熱水沉積型[2-5]。筆者搜集了一些新疆阿爾泰不同顏色的碧璽樣品，旨在通過掃描電子顯微鏡、X射線粉晶衍射儀、傅里葉變換紅外光譜儀、拉曼光譜儀等方法，分析其寶石學和譜學特征，旨在為新疆阿爾泰碧璽(電氣石)鑒定以及晶體化學、礦床成因方面提供依據。

1 樣品與測試方法

本次測試樣品為10顆新疆阿爾泰的不同顏色碧璽(電氣石)樣品(編號為FY-1藍色、FY-2綠藍、FY-3藍綠、FY-4綠色、FY-5深綠、FY-6橄欖綠、FY-7褐綠、FY-8玫瑰紅、FY-9粉紅、FY-10粉-白)(圖1)。

圖1 新疆阿爾泰不同顏色碧璽樣品Fig.1 The different colors tourmaline samples from Altay, Xinjiang

采用國土資源部烏魯木齊礦產資源監督檢測中心JXA-8230探針-掃描電子顯微鏡(XKSY-SB-12)對樣品進行測試，測試溫度21℃，濕度20%，加速電壓為15kV，數斑直徑10μm，電流1×10-8A，初始數據利用ZAF校正法進行處理。

采用德國BRUKER D8 Advance A25型X-射線衍射儀(XKSY-SB-797)Cu靶、陶瓷X光管對樣品進行礦物組成測試分析。測試條件：溫度22℃，濕度24%；電壓40kV，電流40mA，掃描范圍10°～70°，步長0.010°，積分時間1s，測角儀半徑280mm。

采用新疆職業大學寶玉石鑒定中心BRUKER TENSOR27傅立葉變換紅外光譜儀配合反射附件測試，測試條件：反射法，分辨率為8cm-1，背景掃描次數8，樣品掃描次數8，掃描范圍：400～4000cm-1，工作電壓：220～240V，頻率：50～60Hz，功率：250W，溫度25℃，濕度40%。

采用新疆維吾爾自治區產品質量監督檢驗研究院英國雷尼紹inVia激光共焦顯微拉曼光譜儀測試，測試條件：光譜分辨率：1cm-1；光譜重復度：≤±0.1 cm-1；空間分辨率：橫向0.5μm，縱向2μm；光譜范圍：200～1000nm；電壓：220V。

2 結果與討論

2.1 基本特征

常規寶石學測試結果(表1)表明，不同顏色樣品的折射率范圍在1.620～1.648，雙折射率范圍在0.018～0.022，一軸晶負光性；通過實驗數據可以判斷，新疆阿爾泰碧璽的雙折射率變化范圍不大，但也表現出顏色與雙折射率的密切關系, 顏色越深,雙折射率值越大，顏色越淺其雙折射率越小。如藍色、深綠色、褐綠色碧璽較粉紅色、玫瑰紅色、綠色碧璽折射率高，雙折率也大，顏色深的藍色碧璽和深綠色碧璽雙折射率達到0.022，而粉紅色碧璽雙折率則在0.018。

表1 新疆阿爾泰不同顏色碧璽的折射率及密度

同時，測試結果表明不同顏色碧璽樣品的密度變化較大，并呈現出隨顏色變化而變化的特點，顏色深密度大，顏色淺密度小。所測樣品藍色碧璽密度最大，其次是褐綠色、深綠色，粉白、粉紅色碧璽的密度最小。

2.2 電子探針分析

不同顏色的碧璽樣品化學成分定量分析見表2。電子探針結果表明，不同顏色碧璽樣品的主要成分為SiO2(37.62%～39.54%)、Na2O(1.05%～2.88%)、Al2O3(38.13%～42.21%)、K2O(0.00%～0.04%)、TiO2(0.00%～0.11%)、Cr2O3(0.00%～0.03%)、F(0.44%～1.11%)、MgO(0.00%～0.37%)、B2O3(8.15%～11.55%)、CaO(0.01%～0.84%)、MnO(0.16%～1.60%)、FeO(0.06%～6.24%)等。

表2 新疆阿爾泰不同顏色碧璽電子探針成分分析(wB/%)

同時，測試結果顯示深藍色碧璽樣品的顏色是由FeO所致, 其FeO含量達5.698 %，深綠色碧璽的顏色是由FeO及TiO2所致，FeO含量為6.240% 、TiO2含量為0.112%,橄欖綠色碧璽樣品的MnO和FeO含量較高, 它們的含量分別為1.489%、1.030%，粉紅色碧璽樣品MnO含量和Cr2O3較高分別為1.602%、0.032%，其粉色應由MnO所致，粉白色碧璽樣品邊部和內部成分基本一致。不同顏色碧璽樣品中Fe含量變化最大，隨Fe含量增加，顏色變化從深綠到藍再到較淺的橄欖綠；橄欖綠和粉色碧璽Mn含量最高，值得關注的是單比較Mn含量，藍色碧璽的Mn含量比玫瑰紅色碧璽Mn含量要高,由此可以判斷只有當Fe含量很低時Mn才能發揮作用使碧璽呈現紅色。從不同顏色碧璽樣品的化學成分定量分析來看，新疆阿爾泰碧璽屬于鋰電氣石種。

2.3 X射線衍射分析

選擇了6個顏色典型的碧璽樣品進行了X射線衍射分析(見圖2)，結果表明不同顏色碧璽樣品的X射線衍射譜圖與理想電氣石基本一致，具有典型的電氣石衍射峰，d(012)，d(122)均為最強峰，說明他們在種屬上基本一致。

圖2 新疆阿爾泰不同顏色碧璽X射線衍射譜圖Fig.2 The XRD patterns of different color tourmaline from Altay, Xinjiang

根據前人研究成果表明，碧璽強衍射峰值的大小可以確定碧璽的具體種屬，所測新疆阿爾泰六個不同顏色樣品的最強峰d(220)、d(012)、d(122)、d(051)與鋰電氣石理論值，得出其強峰值與理論值最為吻合，因此可以確定所測樣品均為鋰電氣石(見表3)。

表3 新疆阿爾泰不同顏色碧璽X-射線衍射強線譜及對比分析

根據碧璽的X射線衍射譜，計算出新疆不同顏色碧璽的晶胞參數，并與理論晶胞參數進行比較。晶胞參數隨化學成分變化而變化，因此可以反映晶體的化學組成，據此也可以進一步確定待測樣品種屬，見表4和圖3。

表4 新疆阿爾泰不同顏色碧璽的晶胞參數表

注：圖中三角形代表不同電氣石樣品，據Donnay,1963；黑色菱形為本次實驗樣品。圖3 新疆阿爾泰碧璽晶胞參數與種類關系圖[6]Fig.3 Relation of cell dimensions and categories of tourmaline in Altay, Xinjiang

根據6個實驗樣品的化學成分和晶胞參數投圖，可以判斷所測6個不同顏色碧璽樣品的晶胞參數偏小，尤其是c值偏小，結合理論數值可以進一步確定所測不同顏色碧璽樣品均為鋰電氣石。

結合所測新疆阿爾泰碧璽的化學成分和晶胞參數，把化學成分中FeO和MgO含量之和和晶格常數a作一關系曲線(圖4)，由圖可見Fe和Mg對碧璽晶格常數影響很大，基本呈現出晶格常數隨Fe和Mg含量的增大而增大的現象。

圖4 新疆阿爾泰不同顏色碧璽晶格常數與FeO和MgO含量之和的關系曲線Fig.4 Relationship curve between lattice constants of different colours tourmaline and the sum of FeO and MgO contents in Altay, Xinjiang

2.4 紅外光譜分析

傅里葉變換紅外光譜儀配合反射附件測試結果表明(圖5)，不同顏色碧璽樣品的紅外反射光譜圖與碧璽的理論紅外反射光譜耦合較好[7]，且其吸收峰位也基本相同，峰型相似。不同顏色碧璽樣品紅外反射光譜主要吸收頻率見表5。

圖5 新疆阿爾泰不同顏色碧璽的紅外反射光譜圖Fig.5 The infrared reflection spectrum of different color tourmaline from Altay, Xinjiang

表5 新疆阿爾泰不同顏色碧璽紅外反射光譜主要吸收頻率(cm-1)

所測各色碧璽樣品的紅外光譜主要由八面體陽離子 M-O振動、[SiO4]離子團、BO3原子團、羥基和水組成。

其中，Si-O吸收在900～1200cm-1區域較強，BO3的主要吸收峰在1200～1450 cm-1區域振動頻率較高，OH的伸縮振動譜帶在3000～3750cm-1區域表現為雙峰，與前人對碧璽所報道的特征吸收峰一致[8]，所以，所測各色碧璽均屬于鋰電氣石。

2.5 拉曼光譜分析

選擇了6個顏色典型的碧璽樣品進行了拉曼光譜分析(見圖6)，測試結果表明新疆藍色碧璽的特征拉曼光譜在224cm-1、375cm-1、709cm-1、754cm-1、1061cm-1；深綠色碧璽的特征拉曼光譜在222cm-1、375cm-1、726cm-1、837cm-1、1059cm-1；橄欖綠色碧璽的特征拉曼光譜在221cm-1、374cm-1、472cm-1、708cm-1、751cm-1、1059cm-1；玫瑰紅色碧璽的特征拉曼光譜在236 cm-1、379cm-1、730cm-1、1069cm-1；粉紅色碧璽的特征拉曼光譜在378cm-1、733cm-1、1070cm-1；粉-白碧璽的特征拉曼光譜在223cm-1、377cm-1、730cm-1、1068cm-1。

圖6 新疆阿爾泰不同顏色碧璽的拉曼光譜圖Fig.6 Raman spectra of different color tourmaline from Altay, Xinjiang

新疆阿爾泰碧璽化學成分中不同離子影響拉曼特征峰的強度，四強峰主要出現在375cm-1、708cm-1、726cm-1、751cm-1、837cm-1、1061cm-1、1068cm-1的峰位，不同顏色碧璽的四強峰的峰位不同，見表6。碧璽中的不同離子會使特征峰發生一定的紅移或藍移。

表6 不同顏色碧璽拉曼光譜頻率(cm-1)

碧璽拉曼光譜都與硅氧四面體基團有關，Si-O伸縮振動峰位于1000～1200cm-1范圍，對應于[BO3]3-中B-O的伸縮振動峰位于700～900 cm-1范圍，環的反對稱伸縮振動峰位于600～700cm-1范圍，環的兩個對稱伸縮峰位于400～570cm-1范圍，環的畸變伸縮振動峰位于200～380cm-1范圍。在不同偏振方向拉曼數目相同，由于峰的位置移動，峰強則不同。另外，隨著電氣石樣品中鐵含量的升高，譜峰分裂，形狀改變。新疆阿爾泰碧璽的拉曼光譜Si-O伸縮振動峰和B-O的伸縮振動峰的歸屬與Brethous(1981)的研究基本吻合。

3 結論

(1)新疆阿爾泰碧璽(電氣石)的折射率Ne=1.620～1.628,No=1.638～1.648，DR=0.018～0.022，U-，相對密度為3.00～3.15，玻璃光澤；其透明度、密度及折射率等物理性質與其顏色相關，顏色越深透明度越差，密度值越大，雙折率也越大，反之相反。

(2)電子探針成分分析表明新疆阿爾泰不同顏色碧璽化學成分與鋰電氣石理論值接近，同時證明Fe、Mn及相關鋰離子是引起新疆碧璽致色的主要原因,并且只有當鐵含量很低時錳才會發揮作用。

(3)X射線衍射分析證明，新疆阿爾泰不同顏色碧璽大多屬于鋰電氣石，同時把不同顏色碧璽的晶格常數和Fe和Mg含量作關系圖，呈現出晶格常數隨Fe和Mg含量的增大而增大的現象。

(4)紅外光譜測試分析結果顯示，新疆阿爾泰碧璽紅外光譜與理論紅外反射光譜耦合較好，不同顏色的碧璽其吸收峰位也基本相同，峰型相似，微小差異與碧璽的類質同象和化學成分有關。

(5)拉曼光譜分析表明，不同顏色新疆阿爾泰碧璽四強峰的峰位不同，主要出現在375cm-1、708cm-1、726cm-1、751cm-1、837cm-1、1061cm-1、1068cm-1峰位，與碧璽的理論峰值基本吻合。