X射線熒光能譜法在特殊祖母綠分析上的應用

戴玨 錢偉吉 吳嵩 / 上海市計量測試技術研究院

0 引言

達碧茲不是一種寶石，而是一種寶石特殊的生長現象，并不是僅見于祖母綠中，應該說凡是三方晶系或者六方晶系的寶石都有可能有達碧茲。達碧茲結構由獨特的六邊形和放射狀旋臂色帶，以及微小云霧狀包裹體構成。在達碧茲這種特殊結構的寶石中，祖母綠有典型的代表性意義，本文研究的寶石主要就是達碧茲祖母綠。

由于祖母綠的價格比較高昂，而達碧茲祖母綠的特殊性使其在市場上變得較為稀有，越來越多的人開始關注這類結構奇特的寶石，這類寶石在市場上也越來越受歡迎。達碧茲祖母綠的“核”和六條綠“臂”也一直是研究的重點。隨著X射線能譜技術的發(fā)展，應用于寶石學方面的測試也越來越普及。本文通過X射線熒光能譜測試技術對達碧茲祖母綠的光譜學特征進行研究，特別對其“核”和“臂”進行研究，對進一步確定達碧茲結構的形成具有重要意義。

1 達碧茲祖母綠光譜學特征

達碧茲祖母綠的結構及X射線熒光光譜。

1.1 實驗儀器

主要儀器為日本島津公司的能量色散型X射線熒光能譜儀EDX-720。

1.2 測試條件

分辨力在150 eV以下；24小時峰漂移不大于5 eV；分析環(huán)境大氣；靶材：銠；管電壓5-50 kV（1 kV/step）；管電流 1-1 000 μA（1 μA/step）；液氮制冷；檢測器有效面積不小于10 mm2。

1.3 方法原理

能量色散型X射線熒光能譜法的基本原理是：當樣品被X射線光子所激發(fā)，它就會發(fā)射出樣品中所含元素的特征X射線，每種元素的特征X射線都具有特定的能量。探測這些特征X射線并識別其能量，也就是識別被測樣品中含有哪些元素，這就是定性分析；而具有某種能量的X射線強度的大小，是與被測樣品中能發(fā)射該能量的熒光X射線的元素濃度多少有直接聯系，測量這些譜線的強度，并進行相應的數據處理，就可以得出被測樣品中各種元素的濃度含量，這就是定量分析。

1.4 測試結果和分析

達碧茲祖母綠的特點是石體橫切面有六角形的黑色條紋從中央向外輻射，中間還可以有六角形透明或呈黑色的芯。因其形狀似以前西班牙人用來壓榨甘蔗的磨輪，故取磨輪一詞的發(fā)音為名。

而達碧茲祖母綠的各種結晶圖形雖然都保留了六邊形的構造，其內部的對角線型結構甚至包括晶體芯的六邊形外緣壁的厚度卻變化萬千。有些祖母綠的半徑壁很薄，偶爾會以方解石晶體結構的形式出現；有些以碳酸鹽或半透明礦物形成的網狀結構出現。在一些情況下，礦物聚集體的校準排列較為強烈，展現出寬廣且形狀各異的徑向結構，這些徑向結構大多是由不透明礦物，如黃鐵礦等構成，這種情況下形成的祖母綠半徑壁很小，呈小平行六面體的形狀。

達碧茲祖母綠的“核”和“臂”的顏色各不相同，其化學成分必定也不相同。采用島津EDX-720型X射線熒光能譜儀對樣品進行測試，得到樣品成分元素主要有 Si、Fe、Ca、V、Cr等元素，見表 1 和表 2。V、Cr是祖母綠呈綠色的主要致色元素。此外通過對Fe元素的觀察，也可以看出“核”區(qū)、“臂”區(qū)與“扇形生長”區(qū)的區(qū)別，分別見圖1、2、3、4和5。

表1 達碧茲祖母綠#1 X射線熒光能譜分析

表2 達碧茲祖母綠#2 X射線熒光能譜分析

2 討論

對達碧茲祖母綠的研究發(fā)現，其為單晶體，且“核”與其他部分形成于不同的生長階段，具有不同的生長速度，其形成與熔體中富集的各種元素有密切的關系。

“核”是達碧茲祖母綠晶體形成的第一步，經過X射線熒光能譜儀對于樣品的分析，表明核區(qū)的Fe元素含量最高，顯微觀察發(fā)現，“核”區(qū)有大量的黑色物質，推測為Fe的氧化物，在高溫熔體降溫時與剛玉晶體共同析出，散布于“核”區(qū)，并且勾畫出六邊形的邊緣?！氨邸迸c“扇形”區(qū)域是達碧茲祖母綠晶體形成的第二步，也是結構形成的關鍵。由于在核的形成過程中有其他礦物共晶沉淀，這種共晶沉淀導致界面粗糙化，從而引發(fā)產生各種晶界、缺陷。這種結構對熔體中的雜質有很強的吸附能力，導致雜質元素在此方向聚集，因此“臂”區(qū)的雜質元素含量高于“核”區(qū)，顏色也與“扇形”區(qū)域不同。同時，熔體中的雜質元素在“臂”區(qū)富集，也為“扇形”區(qū)域的生長提供了相對穩(wěn)定的環(huán)境，所以該區(qū)域顏色較好，質地也較干凈，同時，“扇形”區(qū)域的致色元素V、Cr含量最高，這也同樣印證了該區(qū)域顏色的濃郁與純正。

圖1 達碧茲祖母綠#1“臂”區(qū)X射線熒光能譜譜圖

圖2 達碧茲祖母綠#1“核”區(qū)X射線熒光能譜譜圖

圖3 達碧茲祖母綠#2“臂”區(qū)X射線熒光能譜譜圖

圖4 達碧茲祖母綠#2“核”區(qū)X射線熒光能譜譜圖

圖5 達碧茲祖母綠#2“扇形”區(qū)X射線熒光能譜譜圖

3 結語

用X射線熒光能譜儀來測定達碧茲祖母綠中的主要與痕量元素，可以對其形成機理與顏色分布有一定的輔助解釋作用。同時，應采用更多檢測手段來對比，從而進一步證明此結果。