摩根石寶石學特征及其顏色成因分析

付玉蕾，史 淼，劉 釗，陳姿伊

河北地質大學 寶石與材料工藝學院，河北 石家莊 050031

1 引言

摩根石屬于綠柱石族的寶石，其化學式為Be3Al2（SiO3）6，屬于六方晶系，典型的環狀硅酸鹽。呈玻璃光澤且透明，硬度7.5～8，發育一組{0001}不完全解理，具有明顯的二色性[1]。其主要產在富含揮發性組分（F、B、P、Cl、OH）的殘余巖漿冷凝形成的偉晶巖，沿裂隙的后期高溫熱液脈中以及其圍巖蝕變的云英巖中。摩根石的產地較多，在納米比亞有多個偉晶巖礦區出產摩根石，馬達加斯加的花崗偉晶巖也出產高品質的摩根石。其他商業產地來源是美國，巴西和印度等。在我國的蒙古、新疆、云南、四川等地，也開采了摩根石礦，其質量在新疆和云南是最好的。綠柱石族寶石在國內外市場上一直占有比較重要的位置，但摩根石的地位為與同為綠柱石族的祖母綠和海藍寶石相差甚遠[2]。

前人在摩根石寶石學特征、譜學特征、顏色成因方面都進行過一些研究，但目前國內外針對它的研究文獻也非常少。寶石學特征方面，廖尚宜等（2012）在研究草莓紅綠柱石的過程中，報道了一種產自馬達加斯加的異常高鋰-銫綠柱石的寶石學特征，其顏色不同于常見的摩根石和紅色綠柱石。晶體一般為板狀或板柱狀，折射率也高于一般綠柱石[3]；苗煦等（2018）對產自馬達加斯加和巴西的四塊摩根石樣品進行了寶石學特征的研究，結果表明摩根石的折射率比綠柱石稍高，維持在1.575～1.590之間，雙折射率也均在0.008～0.009之間，并且不同顏色的摩根石折射率和相對密度都會隨顏色的加深而變高，而二色性則隨顏色的飽滿程度而增強[4]。譜學特征方面，尹作為等（2014）對莫桑比克的摩根石進行了譜學特征的研究。三塊摩根石標本的紅外吸收光譜和激光拉曼光譜同綠柱石的光譜基本一致[5]。

顏色成因方面，Kitawaki（2014）研究了具有微量放射性的摩根石，通過使用閃爍檢驗器對兩個樣品發射的伽馬射線進行測定，檢測出了放射同位素134Cs、54Mn、65Zn的存在[6]；那寶成等（2014）對淺粉紅—粉紅色綠柱石進行了X射線熒光能譜研究，分析出粉色綠柱石樣品的致色元素是Rb與Cs，同時存在Mn與Fe[7]；李錦昊等（2020）對巴西摩根石進行了紫外可見光光譜的測試，分析出巴西摩根石是由Mn2+離子致色[8]。

綜上所述，在已有的研究中針對摩根石的研究并不多，尤其是國外文獻更是少之又少，由此可見對摩根石這類礦物的認知還有著很大的提升空間，故本研究對豐富摩根石寶石礦物學特征及規范市場等有很強的參考意義。

2 樣品及樣品實驗測試

2.1 樣品

本次研究共收集了5塊摩根石樣本，根據顏色不同將其分為兩組（如圖1、圖2）。第一組樣品1、樣品2均為3 mm×5 mm，克重為0.031 g的刻面型，樣品3為9 mm×11 mm×6 mm，克重為0.843 g的摩根石原石，顆粒較小且透明，其顏色均為淺粉—無色；第二組樣品B1、樣品B2均為原石，顆粒較大且半透明，顏色均為粉色—橙色。

圖1 第一組樣品（a）和第二組樣品（b）Fig. 1 Sample Group 1 （a） and sample Group 2（b）

2.2 實驗測試

2.2.1 常規測試

采用河北地質大學珠寶中心實驗室的GI-RZ6型折射儀進行折射率測試；利用靜水稱重法檢測樣品的相對密度；采用GI-UVB紫外熒光等對兩組樣品進行熒光觀察；利用二色鏡觀察樣品有無明顯的二色性；利用偏光鏡在正交偏光下旋轉一周觀察其消光；采用寶石顯微鏡對第一組無色透明樣品進行放大檢查，主要觀察樣品的內部特征。

2.2.2 紅外光譜測試

采用河北地質大學珠寶中心實驗室Thermo Nicolet傅里葉紅外光譜儀對研究樣本進行了紅外光譜檢測分析。該儀器主要是利用寶石礦物對紅外光不同光波波長的選擇性吸收且通過數據所測得的光譜。與標準礦物圖譜中的譜帶數目，強度及其形狀進行對比分析。

2.2.3 拉曼光譜測試

采用河北地質大學珠寶中心英國RENISHAW顯微共焦激光拉曼光譜儀采用532 nm的激發波長，在測試的過程中任意選擇三個方向對標本進行打點，以尋找光譜中的不同。但最終結果不存在較大差異，因此選擇每個譜峰較多的譜圖進行定性分析。

2.2.4 紫外可見吸收光光譜測試

實驗地點為河北地質大學珠寶中心實驗室，采用反射法對樣品進行紫外可見光譜檢測，測試范圍200 nm～1 000 nm，光學分辨率為0.03 nm～6.4 nm。由于第一組3個無色—淡粉樣品的吸收光譜顯示大致相同，第二組2個粉色—橙色樣品的光譜大致相同，所以挑選兩個較為典型的樣品光譜進行分析討論。

2.2.5 LA-ICP-MS測試

實驗在河北省戰略性關鍵礦產資源重點實驗室利用LA-ICP-MS進行原位微量元素測試，測試采用澳大利亞科學儀器公司RESOlution-LR型激光剝蝕系統配合美國賽默飛世爾ICAP RQ型電感耦合等離子體質譜儀完成，測試結果可反映出微量元素對摩根石顏色的影響。

3 結果與討論

3.1 寶石學特征

折射率：將樣品1和樣品2分別在轉動一周，兩條明暗分界線一條不動，另一條有所變化且變換刻面再次測量亦是如此，說明寶石為一軸晶，又因為視域中變化的分界線在不變的分界線上方，所以為負光性寶石。與表2其他綠柱石品種作為對比不難看出，摩根石的折射率屬于綠柱石范圍內。但通過祖母綠，海藍寶石以及紅色綠柱石的對比可知摩根石的折射率均偏高。

表1 摩根石樣品的寶石學性質Table 1 Gemmological properties of morganite samples

表2 綠柱石族其他品種的折射率與密度Table 2 Refractive index and density of other beryl species

相對密度：同樣由表2對比可以看出，摩根石的密度屬于綠柱石范圍，但相較于祖母綠和海藍寶石密度也較為偏高。

二色性：由于摩根石屬于一軸晶負光性晶體，所以能觀察到其二色性，一組樣品顏色近于無色，難以觀察；二組B1號樣品可觀察到無色/淡粉色，B2號樣品可觀察到淺粉/淺橙色。

熒光：由于摩根石樣品顏色飽和度相對較低，熒光均呈惰性。

偏光觀察：在偏光鏡下旋轉一周均呈現四名四暗消光。

放大檢查：在寶石顯微鏡下，如圖2所示，樣品1內部較為干凈，可觀測到有氣液包裹體，愈合裂隙上的流體包體以及無色晶體包裹體；如圖3所示，樣品2內部亦有氣液包裹體及裂隙，還能清楚地觀察到表面平行柱體的光暈；如圖4所示，樣品3為原石，可清晰地觀察到貝殼狀斷口和內部裂隙。

圖2 樣品1中的愈合裂隙和無色包體Fig. 2 Healing fissures and achromatic inclusions in sample 1

圖3 樣品2中的干涉色和裂隙Fig. 3 Interference colors and cracks in sample 2

圖4 樣品3中的貝殼狀斷口Fig. 4 The shell-like fracture in sample 3

3.2 摩根石的譜學特征

3.2.1 紅外光譜

5個摩根石樣品的紅外光譜大致相同（圖5-6）。在中紅外光譜區中，摩根石的結構振動區主要在指紋區400～1 200 cm-1, 900～1 200 cm-1存在特征峰，因為綠柱石中不存在C元素，所以不為苯環骨架，而是均歸屬于Si-O-Si環的伸縮振動區。550～900 cm-1為Be-O伸縮振動區, 而450～530 cm-1為Al-O伸縮振動區。除此之外，在官能團區，水分子伸縮振動的譜帶集中分布在3 800～3 000 cm-1波數范圍內，樣品1和樣品2在3 000 cm-1中出現弱峰，這與紅色綠柱石不同，紅色綠柱石中含水量較少，因此沒有水分子的振動吸收，而摩根石內部含有II型水較多，所以應為水分子的伸縮振動。

圖5 第一組樣品的紅外光譜Fig. 5 Infrared spectra of sample Group 1

綠柱石為六方環狀結構，[AlO6]八面體和[BeO4]四面體分布在環的外側將上下左右的[Si6O18]連在一起，形成空間框架。最常見的取代陽離子有八面體中的Fe2+、Mn2+、Mg2+、Fe3+、Cr3+、V3+和Ti4+取代Al3+和四面體中的Li+取代Be2+[9]。對照綠柱石的標準吸收峰可發現，這三個樣品中有些吸收峰變化位移較大，推測是由于綠柱石的類質同象代替所導致。其中兩個與Be-O振動有關的吸收根據四面體[LiO4]代替[BeO4]程度的增加而向高頻處位移，也就是749 cm-1和865 cm-1這兩處特征峰。另外顏色較深一些的樣品B1、B2特征峰相較于淺色樣品整體向低頻處偏移，推測是含Cs元素較高的原因，Cs的原子序數較高，綠柱石結構隧道中Cs離子與六方環相連接，便可能使Si-O-Si環的振動區特征峰譜向低頻處移動。

圖6 第二組樣品的紅外光譜圖Fig. 6 Infrared spectra of sample Group 2

3.2.2 拉曼光譜測試

圖7-8為樣品1和樣品2的激光拉曼光譜檢測結果，通過文獻搜索綠柱石拉曼光譜進行對比，發現綠柱石的譜峰主要為317 cm-1、393 cm-1、681 cm-1、1 063 cm-1、1 189 cm-1、1 233 cm-1。觀察發現兩個標本均在687 cm-1有強峰，該峰譜為Si-O-Si的變形面內振動；在400 cm-1左右處也均存在強峰，該峰譜為O-Be-O的面外彎曲振動；兩個樣品分別在328cm-1和326 cm-1處有特征峰譜，此峰譜應為Al-O非橋氧伸縮面內振動；樣品1位于1 067 cm-1和樣品2位于1 069 cm-1的特征峰譜應為Si-O非橋氧伸縮面內振動。這兩個樣品在127 cm-1和250 cm-1處也顯示出弱峰。由于在綠柱石拉曼光譜中未發現該特征峰，因此可以認為它僅在摩根石中出現。樣品1中出現的250 cm-1和1 005 cm-1等多個吸收峰還需要進一步研究。

圖7 樣品1的拉曼光譜Fig. 7 Raman spectra of sample 1

圖8 樣品2的拉曼光譜Fig. 8 Raman spectra of sample 2

3.2.3 紫外可見光吸收光譜

如圖9所示，樣品1的顏色飽和度很低，接近無色，所以吸收峰不太明顯。樣品在476 nm，541 nm處有弱吸收峰，因含有Mn2+可以在波長550 nm處引起綠區的吸收，而Cs+在450～500 nm左右處引起吸收，故在476 nm處的吸收峰推測是由于樣品含有Cs+。結合色品圖可以看出該樣品的主波長位于粉區，此區域的波長難以測到，所以顏色飽和度低，呈無色—淡粉色。

圖9 樣品1的紫外可見吸收光光譜Fig. 9 UV-Vis absorption spectra of sample 1

B2號樣品在441 nm和660 nm處有較為明顯的吸收峰谷，Cs+在605～720 nm處同樣會引起可見波波長的吸收，所以推斷這兩處吸收都是因為含有Cs+所引起的（圖10）。531 nm處的弱峰同樣是Mn2+的吸收。樣品在955 nm左右均出現吸收，應為摩根石的特征吸收。結合色品圖可以看出樣品主波長位于橙區，顏色較淺。

圖10 樣品B2的紫外可見吸收光光譜Fig. 10 UV-Vis absorption spectra of sample B2

對比前人H?nni and Krzemnicki[10]所研究的馬達加斯的佩索達石樣品MC-1和美國尤他州的紅色綠柱石樣品R-1（圖11）可知，MC-1樣品在571 nm有較強的吸收峰，R-1樣品在426 nm和562 nm處有較強的吸收峰。綠柱石中的粉色和紅色是因為Mn離子對光的吸收而產生的，Mn離子在綠柱石結構中代替了Al3+的位置，而綠柱石呈何種顏色取決于Mn離子的價態。在紅色綠柱石中，Mn3+作為致色離子直接代替了Al3+在結構孔道中的位置。

圖11 紅色綠柱石紫外可見吸收光光譜[10]Fig. 11 UV-Vis absorption spectra of red beryl

3.3 微量成分分析

3.3.1 LA-ICP-MS測試

利用LA-ICP-MS對樣品B1和B2進行了微量元素測試，其中B1樣品測試結果如表3，B2樣品測試結果如表4。由表可以看出，兩個樣品均除了主要元素Be、Al、Si之外，可以看到Li、Cs、Rb的含量異常之高。在B2樣品中出現了Fe的含量也較高，而樣品B1中并無Fe元素的存在，而兩個摩根石樣品的顏色差異并無很大，可能是因為礦物成因的圍巖不同而導致，由此可以排除Fe離子致色的可能性。結合紫外可見光吸收光譜所測試出的數據可以推斷出摩根石的顏色成因為Mn2+與堿金屬離子Cs+和Rb+結合共同代替了結構孔道中的Al3+的位置。所以其致色元素為Mn2+。

表3 樣品B1的測試數據Table 3 Test data for sample B1

表4 樣品B2的測試數據Table 4 Test data for sample B2

4 結論

摩根石屬綠柱石族，大多數產于花崗偉晶巖，折射率相比其他綠柱石礦物偏高，為1.580～1.590，相對密度偏重，大約在2.75～2.90之間。二色性隨其顏色深淺而增強，偏光鏡下觀察為四明四暗非均質體，無熒光。放大檢查可看到應力裂隙，無色晶體包體以及貝殼狀斷口等特征。

摩根石紅外光譜結構振動區主要為400～1 200 cm-1、550～900 cm-1為Be-O伸縮振動區，450～530 cm-1為Al-O伸縮振動區。在官能團區域，摩根石內部含有II型水較多，為水分子的伸縮振動。且因Cs元素較高，綠柱石結構隧道中Cs離子與六方環相連接，Si-O-Si環振動區特征峰譜可能向低頻處移動。拉曼光譜特征峰與綠柱石特征峰大致相符，2個摩根石樣品均在681 cm-1有強峰，該峰譜為為Si-O-Si的變形面內振動；在400 cm-1左右處也均存在強峰，該峰譜為O-Be-O的面外彎曲振動。樣品在127 cm-1和250 cm-1處顯示出弱峰，且在綠柱石拉曼光譜中未發現該特征峰，認為該峰僅在摩根石中出現。

結合紫外—可見吸收光光譜與LA-ICP-MS結果可知，摩根石特征性粉色成因為Mn2+與堿金屬離子Cs+和Rb+結合共同代替了結構孔道中的Al3+位置所致。