阿富汗浅绿色电气石宝石学及谱学特征
李明1, 洪汉烈2
1.广州番禺职业技术学院珠宝学院, 广东 广州 511483
2.中国地质大学(武汉)地球科学学院, 湖北 武汉 430074

作者简介: 李 明, 1981年生,广州番禺职业技术学院珠宝学院讲师 e-mail: lm2020121002@126.com

摘要

为揭示绿色电气石的致色机理, 对阿富汗浅绿色电气石开展了宝石学常规测试、 X射线衍射、 红外光谱、 紫外-可见光谱、 X射线光电子能谱和电子探针等一系列研究。 结果表明, 该电气石相对密度为3.04, No=1.639, Ne=1.620, 多色性弱; 衍射分析表明其为锂电气石; 红外光谱在456, 500, 605, 645, 715, 780, 980, 1 030, 1 110, 1 290, 1 350, 3 460, 3 580和3 640 cm-1等处出现吸收峰, 其中605, 645, 715, 780和1 110 cm-1吸收峰由Si—O—Si对称及非对称伸缩振动引起, 980和1 030 cm-1吸收峰由O—Si—O对称及非对称伸缩振动引起, 500 cm-1吸收峰由Si—O弯曲振动引起, 1 290 cm-1吸收峰由[BO3]伸缩振动引起, 1 350 cm-1吸收峰由OH弯曲振动引起, 3 460和3 580 cm-1处吸收峰由O3H振动引起, 3 640 cm-1处吸收峰由O1H振动引起, 456 cm-1吸收峰强度大, 源自[AlO6]振动。 红外光谱中605和645 cm-1吸收峰与标准谱图的差异可能反映出致色离子的混入对[Si6O18]振动产生一定影响。 衍射分析和红外光谱分析的结果揭示出浅绿色产生的晶体结构基础。 在可见光范围内该电气石在E∥c和E⊥c方向的吸收位置基本相同, 仅吸收强度略有差异, 从而导致其多色性弱, 在红区718 nm和蓝紫区420 nm处均形成吸收, 而在黄绿区则透射良好, 因此呈现其特有的明亮的浅绿色。 紫外-可见光谱分析揭示出浅绿色的颜色结构。 X射线光电子能谱表明该电气石主要含有Li, Na, Al, Si, O, F和B等元素, 微量元素为过渡金属离子Fe2+, Fe3+, Mn2+和Ni2+等, 并且Fe2+, Fe3+和Ni2+占据Y位, 而Mn2+占据Z位。 XPS分析揭示出产生浅绿色的过渡金属离子种类、 价态、 占位等化学状态。 结合电子探针分析, 样品的晶体化学式为: X(Na0.612Ca0.063K0.008) Y(Li0.989Fe0.0702+Fe0.1173+Al1.824) Z(Mn0.0352+Al5.762Si0.203)[Si6.000O18][BO3]3 V(OH2.134O0.866)W(OH0.542F0.458)。 电子探针分析揭示出浅绿色产生的晶体化学组成。 样品紫外-可见吸收谱峰和其化学组分及过渡金属离子化学状态的特征综合表明, 718 nm处吸收可能系由Fe2+-Fe3+的电荷转移引起, 而420 nm处吸收则可能由Ni2+ d d电子跃迁引起。 上述研究结果能为以致色离子化学状态为基础的改色优化、 以晶体化学及谱学特征为基础的产地鉴定等提供可靠依据。

关键词: 电气石; 阿富汗; 晶体化学; 过渡金属; 颜色成因
中图分类号:P742,P571 文献标志码:A
Gemological and Spectrographic Characteristics of Light-Green Tourmaline of Afghanistan
LI Ming1, HONG Han-lie2
1. Jewelry Institute, Guangzhou Panyu Polytechnic, Guangzhou 511483, China
2. School of Earth Sciences, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China
Abstract

In this paper, the coloration mechanism of green tourmaline was determined by conducting a series of tests on the light green tourmaline mined from Afghanistan, including routine gemological tests, XRD analysis, FTIR Analysis, UV-Vis spectral analysis, XPS analysis, and electron probe microanalysis. The results showed that the tourmaline has a relative density of 3.04, an ordinary refractive index (No) of 1.639, an extraordinary refractive index (Ne) of 1.620, and weak pleochroism. XRD analysis indicated that it is lithium tourmaline. FTIR spectra showed absorption peaks at 456, 500, 605, 645, 715, 780, 980, 1 030, 1 110, 1 290, 1 350, 3 460, 3 580 and 3 640 cm-1, etc. Among them, the peaks at 605, 645, 715, 780, and 1 110 cm-1 were caused by the symmetric and asymmetric stretching vibrations of Si—O—Si; the peaks at 980 and 1 030 cm-1 were caused by the symmetric and asymmetric stretching vibrations of O—Si—O; the peak at 500 cm-1 was caused by the bending vibrations of Si—O; the peak at 1 290 cm-1 was caused by the stretching vibrations of [BO3]; the peak at 1 350 cm-1 was caused by the bending vibrations of OH; the peaks at 3 460 and 3 580 cm-1 were caused by O3H vibrations; O1H vibrations caused the peak at 3 640 cm-1; and the strong peak at 456 cm-1 was caused by [AlO6] vibrations. The differences between the absorption peaks at 605 and 645 cm-1 in the measured FTIR spectrum and those in the standard FTIR spectrum may indicate that the presence of color-producing ions has some impact on [Si6O18] vibrations. XRD and FTIR analyses revealed the underlying crystal structure resulting in the light green color. In the visible light range, the absorption peaks of the tourmaline in E∥c and E⊥c directions are roughly at the same position, and only differ slightly in absorption intensity, which results in weak pleochroism of the tourmaline. Absorption was found at both 718 nm in the red region and 420 nm in the blue-violet region, whereas good transmission was detected in the yellow-green region, which produced the tourmaline's unique color of bright light green. UV-Vis spectral analysis revealed the color structure of the light green. XPS analysis showed that the tourmaline mainly contains Li, Na, Al, Si, O, F, B, and other elements. It also contains traces of transition metal ions such as Fe2+, Fe3+, Mn2+, and Ni2+, of which Fe2+, Fe3+, and Ni2+ occupy the Y site and Mn2+ occupies the Z site. XPS analysis revealed the types, valence states, occupancy, and other chemical states of the transition metal ions that produce the light green color. In combination with the results of electron probe microanalysis, the crystal chemical formula of the sample can be estimated as X(Na0.612Ca0.063K0.008) Y(Li0.989Fe0.0702+Fe0.1173+Al1.824) Z(Mn0.0352+Al5.762Si0.203)[Si6.000O18][BO3]3 V(OH2.134O0.866) W(OH0.542F0.458). Electron probe microanalysis revealed the chemical composition of the crystal responsible for the production of light green. Comprehensive analysis of the UV-Vis spectrum and chemical components of the sample as well as the chemical states of the transition metal ions contained in the sample suggested that the absorption at 718 nm may be caused by charge transfer from Fe2+ to Fe3+, where the absorption at 420 nm may be caused by the d d electron transition of Ni2+. These study results may provide a reliable basis for color change optimization based on the chemical state of color-producing ions and the place of origin identification based on crystal chemistry and spectroscopic characteristics.

Keyword: Tourmaline; Afghanistan; Crystal chemistry; Transition metal; Coloring mechanism
引言

电气石俗称碧玺, 是一种天然产出的珍贵宝石矿物, 因丰富、 独特的颜色, 深受广大消费者喜爱。 世界上许多国家都盛产电气石, 很多国家常常因出产不同颜色的电气石而出名。 比如, 意大利以出产无色碧玺而闻名, 美国以出产优质的粉红碧玺而著称, 俄罗斯以出产有“西伯利亚红宝石”之称的优质红碧玺而闻名, 巴西以出产红色、 绿色碧玺和碧玺猫眼而闻名于世[1]。 电气石是一种化学成分十分复杂的硼硅酸盐, 它的晶体化学通式为: XY3Z6[Si6O18][BO3]3V3W, 其中X=Na, Ca, □, Y=Li, Mg, Fe2+, Mn2+, Al, Cr3+, V3+, Fe3+, Z=Mg, Al, Fe3+, V3+, Cr3+, V=OH, O, W=OH, F, O, 晶体化学式中X, Y, Z, V, W位离子存在广泛的类质同像替代[2]。 根据X位中Na和Ca及空位占据情况, 分别将电气石称为碱电气石、 钙电气石和X空位电气石, 同时考虑W位中OH-, O2-和F-占据情况, 可将电气石进一步区分。 其次考虑Y位和V位离子, 相对于V位仅可能为OH或O, Y位离子替代的情形要复杂许多, 如在碱电气石中, Y位为Li1.5Al1.5则称之为锂电气石, 被Fe2+占据则形成铁电气石, 被Mg2+占据则形成镁电气石等等。 Z位一般由Al3+占据, 但在钙电气石中, 其Y位全部由Mg2+占据, 而Z位则由少部分Mg2+和较多的Al3+共同占据, 形成钙镁电气石, 其化学式为CaMg3(MgAl5)[Si6O18][BO3]3(OH)3F。 类似的还有钙锂电气石, 其化学式为Ca(Li2Al)Al6[Si6O18][BO3]3(OH)3F。 电气石的种类还有很多, 但宝石级电气石常常形成于岩浆伟晶或变质作用环境, 岩浆伟晶环境中形成的电气石通常是锂电气石或钙锂电气石, 而变质作用形成的电气石则常常为镁电气石和钙镁电气石之间的类质同像系列[3]。 电气石的颜色常常由微量过渡金属元素引起[4]。 无色电气石不含或含极少量的过渡金属离子[3], 粉色电气石可能由晶体结构中八面体中Mn3+dd电子跃迁引起[5], 红色电气石可能由Mn2+与Fe3+联合作用引起[6], 蓝色电气石则由于Cu2+和Mn3+离子致色[7]。 然而, 越来越多的研究表明, 一些颜色完全不同的电气石晶体, 却可能含有几乎完全相同的过渡金属离子, 因而除了离子种类的差异导致颜色的不同, 相同离子在晶格中占位及配位环境的差异也可能影响电气石的颜色[8, 9, 10]。 目前关于电气石的颜色成因, 人们已经开展了较多的研究, 研究方法主要集中在谱学方法和化学成分分析方法方面, 但谱学研究主要集中在对过渡金属离子本身的谱线特征[11]、 或离子状态改变前后晶体吸收谱线特征的变化等方面[12], 成分分析研究主要集中在离子种类探查等方面, 而运用综合的谱学方法, 详细探查过渡金属离子的占位及配位环境以深入揭示电气石颜色成因方面的研究则显得较为匮乏。 本文通过对阿富汗浅绿色电气石的宝石学及谱学特征研究, 揭示其颜色成因, 为电气石的颜色改善提供可靠的理论依据, 同时也为电气石宝石的产地鉴定提供有用的信息。

1 实验部分

实验材料为产自阿富汗的天然电气石单晶体, 具典型的浅绿色, 三方柱状晶形, 柱面上纵纹发育, 横断面普遍呈球面三角形, 柱的横截面直径0.5~1 cm不等, 柱长1~3 cm不等(如图1所示)。

图1 电气石晶体样品Fig.1 Tourmaline crystal samples

利用静水称重、 折射仪、 偏光镜、 宝石显微镜对电气石比重、 折射率、 消光现象、 包裹体形态进行常规宝石学测试。 X射线粉晶衍射(XRD)测试在广州番禺职业技术学院珠宝玉石及首饰检测中心Bruker D8 ADVANCE型X射线粉晶衍射仪上完成, 测试前将电气石晶体于玛瑙研钵中研磨成粒度为10 μm左右的粉末, 测试时使用Cu靶, 扫描电压40 kV, 扫描电流40 mA, 扫描速度为2.5°·min-1, 2θ 范围5°~70°, 扫描步长0.05°, 通过数据处理软件XrayRun2020滤掉CuKβ。 红外光谱(IR)测试在Bruker Vertex 80型傅里叶变换红外光谱仪上进行, 该光谱仪使用固态远红外/太赫兹分束器、 宽带中红外-远红外检测器和UltraScanTM干涉仪, 测试采用KBr压片透射模式, KBr压片由1 mg电气石晶体粉末均匀混合150 mg溴化钾粉末在压片机上压制形成, 测试范围: 4 000~400 cm-1, 分辨率: 4 cm-1, 扫描次数: 32次。 紫外-可见光谱(UV-Vis)分析在日本分光株式会社JASCO MSV5200型显微紫外可见近红外光谱仪上完成, 测试前将电气石晶体分别沿平行和垂直光轴方向磨制成两类厚度约0.5 cm的薄片, 并两面抛光, 选择透射模式, 测试范围300~1 000 nm, 分辨率: 1 nm, 扫描速度: 600 nm·min-1。 红外光谱和紫外-可见光谱测试均在湖北省珠宝工程技术研究中心测试完成。 X射线光电子能谱(XPS)测试在武汉理工大学材料研究与测试中心的ESCALAB 250Xi型X射线光电子能谱仪上完成。 测试前将电气石晶体先用锡箔纸包好, 再用钳子将其夹破以形成新鲜断面。 测试条件: X射线辐射源为AlKα(E=1 253.6 eV), X光管监测值取14.2 kV和11.3 mA, 仪器真空度优于10-7 Pa, 扫描步长为0.05 eV, 计数时间为1 000 ms。 电荷位移修正使用Cls的电子结合能数值(284.6 eV)。 全谱扫描的能量范围为0~1 200 eV, 考虑到分析对象主要为微量元素, 对于这些微量元素的光电子能谱线精细扫描并采用32次重复叠加的方式, 以提高其分辨率。 XPS分析元素范围为Li—U, 检测限一般为0.1%(原子百分含量)。 电子探针(EPMA)成分分析在广州拓岩检测技术有限公司的JEOL(日本电子) JXA-iSP100型电子探针显微分析仪上测试完成。 测试前将电气石样品磨制成厚度约为1 mm的探针片, 两面抛光。 实验过程中电压设定为15 kV, 电流为20 nA, 束斑直径为10 μm; 所有数据采用ZAF法进行基体校正; 积分时间: 主量元素(含量大于1%): 峰值积分时间10~20 s, 背景积分时间5~10 s; 微量元素(含量小于1%): 峰值积分时间20~50 s, 背景积分时间10~25 s; 标准样品: 英国MAC矿物/金属标准和中国国家标准样品GSB。

2 结果与讨论
2.1 宝石学特征

阿富汗浅绿色电气石均呈淡绿色, 颜色明亮, 分布均匀。 该电气石呈短柱状, 柱面发育纵纹, 柱长一般1~3 cm, 垂直柱面方向常发育弧面三角形断口, 三角形边长1 cm左右。 晶体相对密度3.04。 电气石为玻璃光泽, 内部洁净, 透明度良好, 宝石显微镜下放大观察仅见少量晶体内部含少许气液包体, 偏光镜下晶体呈现四明四暗的正常消光现象。 折射仪测试显示, 晶体ne为1.620, no为1.639。

2.2 X射线衍射分析

阿富汗浅绿色电气石的X射线粉晶衍射图谱如图2所示。

图2 电气石样品X射线粉晶衍射图Fig.2 XRD pattern of Tourmaline sample

电气石样品的主要衍射峰d值为6.304, 4.933, 4.187, 3.958, 3.437, 2.929, 2.556, 2.025和1.904 Å。 通过与X衍射粉晶衍射标准卡片(PDF71-0716)对比, 表明其为锂电气石; 衍射峰的峰形尖锐对称, 表明该电气石结晶良好。

2.3 红外光谱分析

阿富汗浅绿色电气石的红外光谱图如图3所示。 与锂电气石标准红外光谱谱图十分吻合[13]。 但在456, 605和645 cm-1的吸收峰稍有差别。

图3 电气石红外光谱图Fig.3 FTIR spectrum of Tourmaline sample

样品在400~500 cm-1范围内出现456 cm-1吸收峰, 然而在很多电气石的红外谱图中, 少见在这个范围内出现红外吸收峰或吸收很不明显。 该波数范围内的吸收峰系由金属阳离子与氧之间化学键[MO6]的振动引起, 常见金属阳离子有Fe, Mg和Al, 其中Mg—O的振动吸收为470 cm-1, Fe—O为400 cm-1 [14, 15], 均存在较为明显的差距。 根据Fe, Mg和Al的离子特点及其在电气石晶体结构的占位特征, 样品出现的456 cm-1吸收峰可能源自[AlO6]配位多面体Al—O的振动[16]

在500~1 110 cm-1范围内出现500, 605, 645, 715, 780, 980, 1 030和1 110 cm-1吸收峰。 该范围内的吸收峰数量多、 对称性好, 反映了电气石晶体结构中[Si6O18]基团中的振动。 其中500 cm-1吸收峰由Si—O弯曲振动引起; 605, 645, 715和780 cm-1吸收谱峰由[Si6O18]基团结构中Si—O—Si对称伸缩振动引起[17, 18, 19], 与锂电气石红外标准谱图对比, 阿富汗浅绿色电气石谱图中出现605和645 cm-1吸收峰但标准谱图中620 cm-1的红外吸收却消失。 这可能由于在锂电气石的[Si6O18]基团结构上存在细微的差异所引起, [Si6O18]基团与[YO4VW]八面体紧密相连, 因为[YO4VW]八面体中Y离子存在广泛的类质同像替代, 阳离子种类的不同可以导致结构上化学键的细微差异, 从而引起620 cm-1吸收峰分裂形成605和645 cm-1吸收峰。 此外, 980 cm-1吸收峰由O—Si—O对称伸缩振动引起, 1 030 cm-1吸收峰由O—Si—O非对称伸缩振动引起, 而1 110 cm-1吸收峰则由Si—O—Si非对称伸缩振动引起。

在1 110~1 400 cm-1范围内出现的1 290和1 350 cm-1吸收峰, 前者由[BO3]伸缩振动引起, 而后者则由OH弯曲振动引起[20]。 在3 000~3 800 cm-1的结构水和吸附水的振动吸收谱带范围内, 样品在3 460和3 580 cm-1处出现了锂电气石矿物特有的、 不同于其他电气石种属的双峰。 此外, 在3 640 cm-1处也出现了较弱的吸收谱带, 该谱带明显区别于由O3H振动引起的3 460和3 580 cm-1, 系由O1H振动所引起[21]

2.4 紫外-可见光谱分析

明亮的浅绿色是阿富汗浅绿色电气石的一个显著特征, 该浅绿色的颜色结构及吸收谱带由样品的紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱表征。 测试前, 电气石样品被分别沿着平行光轴方向和垂直光轴方向加工成平行板片状, 厚度0.5 cm左右。 阿富汗浅绿色电气石垂直光轴(E⊥c)方向和平行光轴(E∥c)方向的紫外-可见吸收光谱如图4所示。 在两个不同方向, 晶体的吸收谱图基本一致, 仅谱峰的强弱稍有差异, 该差异可能由晶体样品的厚度差异引起。 两个方向的吸收谱图均显示, 晶体在可见光区(390~780 nm)形成两处典型的吸收峰, 即红区718 nm处形成的对称性良好的宽缓吸收峰、 以及蓝紫区420 nm处的较窄吸收峰。 正是由于光波在红区和蓝紫区形成典型吸收、 在550 nm左右处形成强烈透射, 导致晶体呈现明亮的浅绿色。 关于718和420 nm吸收谱峰的归属, 不同研究者之间仍然存在分歧[22]。 比如, GrumGrzhimailo认为近718 nm的吸收峰系由Mn3+引起, Wilkins等则将其归因于Fe2+, 而Hush, Allen和范建良等则认为该吸收峰可能由Fe2+-Fe3+的电荷转移所引起; 同样地, 关于420 nm吸收峰的归属, 也存在多种不同的解释。 实际上, 由于电气石晶体中存在着广泛的类质同像置换、 以及变价元素对颜色的重要贡献, 关于这些吸收谱峰的归属, 需要结合更多的晶体化学资料, 尤其是X射线光电子能谱(XPS)对晶体中过渡金属离子化学状态的精细表征。

图4 浅绿色电气石紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱图Fig.4 UV-Vis Spectrum of Tourmaline crystal sample

2.5 X射线光电子能谱分析

实验测试样品新鲜断面, 首先对样品实施宽谱扫描, 以确定样品所含元素种类, 然后再对样品进行窄谱精细扫描, 以确定样品中过渡金属元素的化学状态。 X射线光电子能谱的宽谱如图5所示。

图5 浅绿色电气石X射线光电子能谱图Fig.5 X-ray photoelectron spectra of light green tourmaline

分析结果显示, 该浅绿色电气石主要含有Na, Al, Si, O, F和B等元素。 值得注意的是, 尽管XPS分析发现Li元素的特征峰, 但在宽谱扫描中Li元素的特征峰相对强度较弱, 表明样品含有Li元素, 但相对含量较低。 在慢扫谱图中[图6(a)]可以发现明显的Li元素特征峰, 进一步的慢扫证实样品中还含有少量的Mn, Fe和Ni等元素。

图6 Li(1s) (a), Fe(2p) (b), Mn(2p) (c)和Ni(2p) (d)的XPS谱图Fig.6 XPS spectra for Li(1s) (a), Fe(2p) (b), Mn(2p) (c) and Ni(2p) (d)

影响电气石颜色的往往是含量甚微的金属阳离子[24], 这些金属阳离子的化学状态、 与阴离子的配位环境等均影响电气石的颜色[10], 金属阳离子的特征能谱线分析结果如图6(b—d)所示。 图6(b)显示, Fe2p3/2的能谱峰峰形显示出明显的不对称性, 在高结合能一侧出现一个显著的肩峰, 表明样品的Fe2p3/2能谱峰是一个复合峰, 通过分峰拟合发现该峰系709.4和713.4 eV的复合峰, 分别对应于FeO和FeF3化合物结构中Fe2p3/2的电子结合能709.4和713.9 eV, 表明阿富汗浅绿色电气石样品中Fe存在两种价态, 即Fe2+和Fe3+, 其中Fe2+主要与O配位成键, 而Fe3+主要与F配位成键。 根据拟合峰的面积计算, Fe2+和Fe3+的质量百分含量分别为37.6%和62.4%。

图6(c)和(d)分别为Mn(2p)和Ni(2p)的XPS谱图, 与样品Fe2p3/2的峰形完全不同, Mn(2p)和Ni(2p)的峰形呈现高度的对称性, Mn2p3/2的峰位在640.7 eV, Ni2p3/2的峰位在856.6 eV。 电气石中Mn2p3/2的电子结合能与MnO中Mn2p3/2的电子结合能完全吻合, 均为640.7 eV, 表明电气石样品中Mn以二价的Mn2+形式存在, 且主要与O配位成键。 电气石样品中Ni2p3/2的电子结合能(856.6 eV)与Al2NiO4化合物中Ni2p3/2的电子结合能(856.2 eV)相当, 表明电气石晶体中Ni以Ni2+形式存在, 且主要与同时连接Al离子的O配位成键。

在电气石晶体结构中, F离子仅可能占据W晶位, W晶格位置上的离子仅可能和Y位离子, 而不可能和Z位离子配位成键[24]。 样品中Fe3+主要与F配位成键, 可见Fe3+占据晶体结构中的Y位。 Ni2+主要与O配位成键、 且与之配位成键的O同时连接两个Al离子, 该种结构与电气石中共棱连接的Y位八面体和Z位八面体中Y位离子和Z位离子连接的情形非常一致, 而Z位常常主要为Al离子占据, 因此Ni2+应该同样占据晶体结构中的Y位。 过渡金属离子Fe3+和Ni2+占据晶体结构中的Y位, 可能引起[YO4VW]八面体发生一定程度的畸变, 从而使得紧密相连的[Si6O18]基团结构出现细微变化, 这与红外光谱分析中出现由620 cm-1吸收峰分裂而来的605和645 cm-1两个吸收峰的结果十分吻合。 Mn2+全部与O配位成键, 没有出现与F的配位, 应当占据晶体结构中的Z位。 Fe2+全部与O配位成键, 氧化态更高的Fe3+全部与F配位, 结合离子价态、 半径及其他影响占位的情形, Fe2+可能主要占据晶体结构中的Y位。 颜色是矿物对可见光进行选择性吸收的结果, 选择性吸收常常由矿物化学组成中的过渡金属元素引起[23]。 一般认为, 电气石晶体的颜色主要由Y, Z位离子的d电子跃迁引起吸收、 以及共棱的Y, Z位离子所形成离子对Y-Z间的电荷转移吸收有关[23]。 也有研究认为, 电气石的颜色更多地是由Y位离子性质引起[25]。 电气石颜色成因的深入探究, 一方面需要能够体现其颜色结构的紫外-可见谱学信息, 另一方面需要过渡金属离子化学状态的准确信息, 进而通过比对探索二者之间的关联。 根据阿富汗浅绿色电气石谱学特征、 以及晶体中离子种类和占位情况, 该浅绿色电气石的颜色系由于占据Y位的Fe2+, Fe3+和Ni2+共同引起, 其中Fe2+-Fe3+的电荷转移可能引起718 nm的吸收峰, Ni2+dd电子跃迁可能引起420 nm的吸收峰。

2.6 电子探针分析

阿富汗浅绿色电气石样品的电子探针分析结果及各离子数的计算结果如表1所示。

表1 电气石电子探针测试及离子数计算结果 Table 1 Composition and calculation result of the number of ions of tourmaline

由于电子探针测试方法本身的局限, 无法测得Li, B和(OH)的具体含量, 所以测得样品各化学组分总含量为84.37%。 运用氧原子法[26], 对测试数据进行校正, 校正前后取公参数δ分别为10和9.563 5。 本文样品晶体化学式的计算基于电气石理想晶体化学式XY3Z6[Si6O18][BO3]3V3W中的一系列特点和XPS对Fe, Mn等离子价态、 占位及含量比例的分析结果。 其中X位上Na, K, Ca的系数基于校正后的组分含量计算获得; Y位上Li的系数基于Si+Y+Z=15(阳离子数)并在确定Si, Al, Fe, Mn的价态(Fe2+, Fe3+, Mn2+)、 占位(YFe2+, YFe3+, ZMn2+)及比例(Fe2+占37.6%, Fe3+占62.4%)后通过计算间接获得, 本次电子探针测试中没有测试到Ni元素, 可能是由于其含量太低; B的系数基于理想分子式中B=3; W位上OH的系数基于OH+F=1及组分中F的校正数据计算获得; V位上OH和O的系数基于OH+O=3且兼顾整个化学式的电荷平衡计算获得。 最后求得阿富汗浅绿色电气石样品的晶体化学式为: X(Na0.612Ca0.063K0.008)Y(Li0.989Fe0.0702+Fe0.1173+Al1.824)Z(Mn0.0352+Al5.762Si0.203)[Si6.000O18][BO3]3V(OH2.134O0.866)W(OH0.542F0.458)。

3 结论

阿富汗浅绿色电气石是一种锂电气石, 其晶体化学式为: X(Na0.612Ca0.063K0.008)Y(Li0.989Fe0.0702+Fe0.1173+Al1.824)Z(Mn0.0352+Al5.762Si0.203)[Si6.000O18][BO3]3V(OH2.134O0.866)W(OH0.542F0.458)。 这是阿富汗电气石浅绿色产生的化学组分基础。 其红外光谱有由Si—O—Si对称及非对称伸缩振动引起的605, 645, 715, 780和1 110 cm-1吸收峰, 由O—Si—O对称及非对称伸缩振动引起980和1 030 cm-1吸收峰, 由Si—O弯曲振动引起的500 cm-1吸收峰, 由[BO3]伸缩振动引起的1 290 cm-1, 由OH振动引起的1 350, 3 460, 3 580和3 640 cm-1吸收峰及源自[AlO6]振动的456 cm-1吸收峰。 其中605和645 cm-1吸收峰与锂电气石标准谱图的差异可能反映出致色离子的混入对[Si6O18]振动产生一定影响。 这是阿富汗电气石浅绿色产生的晶体结构基础。 晶体的浅绿色是电气石对可见光在红区718 nm处产生对称吸收和蓝紫区420 nm处产生宽缓吸收, 从而在550 nm左右处产生透射而形成。 这是阿富汗电气石浅绿色的颜色结构组成。 718 nm吸收带可能由晶体结构中占据Y位的Fe2+-Fe3+的电荷转移引起, 420 nm的吸收带可能由占据晶体结构中Y位的Ni2+dd电子跃迁引起。 这是阿富汗浅绿色电气石致色离子及其化学状态特征。 晶体中还含有Mn2+, 其占据晶体结构中的Z位, 在可见光范围内没有引起吸收谱线, 占据Y位的过渡金属离子与电气石颜色似有更强的关联。

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