無色透明斜長(zhǎng)石的基本特征及暈彩成因研究

程仁平，郭穎

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）珠寶學(xué)院，北京 100083

研究背景

長(zhǎng)石是地殼中分布最廣泛的礦物之一，可分為堿性長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石，其中斜長(zhǎng)石常常具有暈彩，也稱為暈彩斜長(zhǎng)石。暈彩斜長(zhǎng)石可分為暈彩鈉長(zhǎng)石和暈彩拉長(zhǎng)石，暈彩拉長(zhǎng)石可進(jìn)一步分為三類：不透明的暈彩拉長(zhǎng)石、有暗色包裹體的透明暈彩拉長(zhǎng)石和無暗色包裹體的透明暈彩拉長(zhǎng)石[1]。其中無色透明拉長(zhǎng)石外觀與月光石相似，且不易與月光石區(qū)別。

暈彩效應(yīng)是一種由晶體內(nèi)部周期性結(jié)構(gòu)對(duì)特定波長(zhǎng)的光產(chǎn)生衍射或薄膜干涉所造成的特殊光學(xué)現(xiàn)象[2]，具有暈彩效應(yīng)的寶石種類有很多：珍珠、鮑魚貝、長(zhǎng)石[3]、石榴石[4,5]、彩虹角閃石[6]等。目前對(duì)于斜長(zhǎng)石的暈彩效應(yīng)成因尚無定論，主要有以下幾個(gè)觀點(diǎn)：①暈彩與內(nèi)部針狀、板狀磁鐵礦包裹體有關(guān)[7,8]；②暈彩與內(nèi)部雙晶薄層對(duì)可見光的干涉有關(guān)[9]；③暈彩效應(yīng)是由晶體內(nèi)部近于平行的出溶層對(duì)可見光的干涉所致[10, 11]。

根據(jù)光的薄膜干涉條件可知，寶石內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元層的折射率需要存在差異，且層間厚度應(yīng)在一定范圍內(nèi)才可以產(chǎn)生干涉色，結(jié)構(gòu)層單元厚度d需滿足公式（1）[12]。斜長(zhǎng)石具有多種層狀結(jié)構(gòu)：解理、雙晶以及富鈉長(zhǎng)石和富鈣長(zhǎng)石的出溶層[13,14]，其中出溶層由于成分不同，折射率具有略微差異，當(dāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元層厚度（d）為128～252nm時(shí)才能產(chǎn)生干涉色[12]。

圖1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元層對(duì)光的薄膜干涉原理圖，a、b表示兩個(gè)不同的周期性重復(fù)排列的平板干涉層，da、db分別表示a、b兩層的厚度Fig.1 Schematic diagram of thin-film interference of internal structural unit layers on light, a and b represent two different periodic and repeated flat interference layers, and da and db represent the thicknesses of a and b respectively

光柵式衍射也可以使寶石產(chǎn)生暈彩效應(yīng)，如“彩虹”赤鐵礦[15]、珍珠[16,17]等，斜長(zhǎng)石中可以產(chǎn)生光柵式衍射的結(jié)構(gòu)主要有：包裹體、表面解理等。當(dāng)寶石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)層排列規(guī)則、邊緣狹窄，能使入射光的位相或振幅或兩者同時(shí)產(chǎn)生周期性空間調(diào)制結(jié)構(gòu)時(shí)才能產(chǎn)生光柵式衍射，且結(jié)構(gòu)層無需達(dá)到可見光波長(zhǎng)的范圍[18]。

本文基于前人研究，分析無色透明斜長(zhǎng)石的礦物成分和結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)根據(jù)光的薄膜干涉以及光柵衍射原理，探討其暈彩效應(yīng)成因，以期對(duì)無色透明斜長(zhǎng)石的鑒別及其暈彩效應(yīng)成因提供理論依據(jù)。

1 測(cè)試方法

X射線粉晶衍射測(cè)試以具藍(lán)色暈彩和具綠色暈彩的斜長(zhǎng)石為測(cè)試對(duì)象，實(shí)驗(yàn)于中國(guó)地震局完成，儀器型號(hào)為德國(guó)BRUKER D8 Advance，測(cè)試條件為：Cu靶，40kV的管電壓，40mA的管電流，測(cè)試角度10°～70°，測(cè)試時(shí)間434s，采用連續(xù)掃描方式。

電子探針測(cè)試以具藍(lán)色暈彩的9號(hào)標(biāo)本為測(cè)試對(duì)象，實(shí)驗(yàn)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）電子探針實(shí)驗(yàn)室完成，測(cè)試設(shè)備為EPMA-1720型電子探針分析儀，測(cè)試條件：電流1×10-8A，加速電壓20kV，束斑直徑5μm，溫度22℃，標(biāo)樣符合多種元素礦物的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

掃描電鏡測(cè)試以垂直暈彩面和平行暈彩面兩個(gè)方向的斜長(zhǎng)石為測(cè)試對(duì)象，測(cè)試于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡實(shí)驗(yàn)室完成，儀器型號(hào)為ZEISS SUPRA 55型掃描儀。實(shí)驗(yàn)條件：加速電壓10kV，室溫18℃，濕度70%。

透射電鏡測(cè)試選取了具有藍(lán)色暈彩和綠色暈彩的兩塊標(biāo)本，垂直暈彩方向的樣品經(jīng)離子減薄后再進(jìn)行噴碳處理，最后置于透射電鏡下觀察，測(cè)試在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）透射電鏡室完成，儀器型號(hào)為H8100，加速電壓 200kV，傾轉(zhuǎn)角 Tilt < ±15°，AZH I< ±10°。

2 結(jié)果與討論

2.1 無色透明斜長(zhǎng)石的基本寶石學(xué)特征

基本寶石學(xué)特征的觀察與測(cè)試在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）寶石鑒定實(shí)驗(yàn)室完成。本次研究標(biāo)本均為無色透明斜長(zhǎng)石，表面玻璃光澤至油脂光澤，其中10顆為素面裸石，3顆為未經(jīng)加工的原石，均具有綠藍(lán)色、藍(lán)色、藍(lán)紫色暈彩，聚片雙晶及解理發(fā)育，內(nèi)部干凈無明顯包裹體，因而可排除針狀、片狀磁鐵礦包裹體對(duì)光的衍射而形成干涉色的可能。標(biāo)本的折射率為1.54～1.55，密度為2.64～2.69g/cm3，與前人所測(cè)的無色透明拉長(zhǎng)石的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)接近[1]，均略低于標(biāo)準(zhǔn)拉長(zhǎng)石的相關(guān)參數(shù)，高于月光石，因此可以根據(jù)折射率和相對(duì)密度與月光石區(qū)分，且無色透明斜長(zhǎng)石的暈彩色較豐富，與月光石的由瑞利散射導(dǎo)致的均勻藍(lán)色月光效應(yīng)有區(qū)別[19]。標(biāo)本在長(zhǎng)波紫外光（LW）下均有不同強(qiáng)度的藍(lán)紫色熒光，短波紫外光（SW）下有弱的熒光或無熒光。

圖2 樣品（1、3、11、13號(hào)）及暈彩顏色Fig.2 Samples (1、3、11、13) and their iridescence

表1 無色透明斜長(zhǎng)石的基本寶石學(xué)特征測(cè)試結(jié)果Table 1 Results of basic gemological characteristics of colorless and transparent plagioclase

續(xù) 表1Continued Table 1

無色透明斜長(zhǎng)石在偏光顯微鏡下的照片見圖3。標(biāo)本在單偏光下呈無色透明，正低突起，可見一組平行解理，其中標(biāo)本12可見葉片狀褐色包裹體，具一組極完全解理，平行消光，正中突起，正交偏光下旋轉(zhuǎn)一周呈四明四暗，推測(cè)其為黑云母包裹體；標(biāo)本9可見細(xì)長(zhǎng)針狀出溶礦物在斜長(zhǎng)石主體中呈定向分布，出溶礦物在單偏光下呈無色透明，負(fù)低突起，在正交偏光下，干涉色為I級(jí)灰白，根據(jù)其光性特征可確定出溶物為長(zhǎng)石。平行暈彩面方向不見雙晶紋，垂直暈彩面方向上雙晶發(fā)育，雙晶厚度約為10～300μm，遠(yuǎn)超出內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元層產(chǎn)生可見光干涉色所需的128～252nm厚度范圍，因而薄片中所見的聚片雙晶并非產(chǎn)生暈彩的原因。

圖3 標(biāo)本的顯微結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.3 Photos of samples under polarizing microscope

2.2 無色透明斜長(zhǎng)石的化學(xué)成分分析

2.2.1 電子探針分析

標(biāo)本的電子探針分析結(jié)果見表2，計(jì)算求得其端元分子式為Ab51.84An46.04Or2.11，對(duì)斜長(zhǎng)石進(jìn)行劃分時(shí)應(yīng)略去鉀長(zhǎng)石Or組分不計(jì)，只計(jì)算鈉長(zhǎng)石Ab與鈣長(zhǎng)石An的比值[21]，因此標(biāo)本的端元分子式可以簡(jiǎn)化為Ab52.96An47.04。根據(jù)An=47.04可知標(biāo)本為接近拉長(zhǎng)石（An50～An60）的中長(zhǎng)石，屬于An45～An62的博吉爾德連生區(qū)域[22]。因?yàn)闃?biāo)本的An分子較標(biāo)準(zhǔn)拉長(zhǎng)石偏低，導(dǎo)致其折射率與相對(duì)密度均低于標(biāo)準(zhǔn)拉長(zhǎng)石。另外，結(jié)果中0.39%的K2O可能與圍巖中存在大量黑云母有關(guān)[23]。

表2 斜長(zhǎng)石電子探針分析結(jié)果（ωB/%）Table 2 Electron microprobe analyses results of plagioclase

2.2.2 X射線粉晶衍射分析

拉長(zhǎng)石的特殊光學(xué)效應(yīng)可能與其晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)[9]，因此，本次研究通過X射線粉晶衍射分析，確定無色透明斜長(zhǎng)石的物相并探討其暈彩效應(yīng)與晶體結(jié)構(gòu)的相關(guān)性。

標(biāo)本的X射線粉晶衍射圖譜見圖4。兩種不同暈彩色的斜長(zhǎng)石的衍射峰位置及d值幾乎一致，標(biāo)本10的d值（主要譜線）是3.1728?、3.1980?、4.0283?、3.6424?；最強(qiáng)峰2θ為28.101°，對(duì)應(yīng)的晶面指數(shù)為（002），最強(qiáng)峰面間距為3.1728?。標(biāo)本13的d值是3.1798?、3.1461?、4.0141?、3.6513?；最強(qiáng)峰2θ為28.038°，對(duì)應(yīng)的晶面指數(shù)為（002），最強(qiáng)峰面間距為3.1798?。通過與標(biāo)準(zhǔn)卡片（ICSD No41-1480，((Na,Ca)Al(Si,Al)3O8)的衍射圖譜比對(duì)，標(biāo)本的d值與標(biāo)準(zhǔn)卡片d值（3.1817?、3.1973?、4.0314?、3.6537?）接近。由此可知，標(biāo)本的物相為鈣長(zhǎng)石及鈉長(zhǎng)石的類質(zhì)同相混晶，與電子探針的結(jié)果一致。

利用jade6.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后得到其晶胞參數(shù)見表3。10號(hào)、13號(hào)標(biāo)本的晶胞參數(shù)相差甚微，且與標(biāo)準(zhǔn)卡片及其他暈彩色樣品的晶胞參數(shù)數(shù)據(jù)[20]十分相近。由此說明無色透明斜長(zhǎng)石的暈彩色與其晶胞參數(shù)無關(guān)。

表3 不同暈彩色的無色透明斜長(zhǎng)石晶胞參數(shù)Table 3 Cell parameters of colorless and transparent plagioclase with different iridescence colors

續(xù) 表3Continued Table 3

圖4 具有不同暈彩色的無色透明斜長(zhǎng)石的X射線粉晶衍射圖譜Fig.4 X-ray diffraction spectra of colorless and transparent plagioclase with different iridescence colors

2.3 無色透明拉長(zhǎng)石的結(jié)構(gòu)特征分析

2.3.1 掃描電鏡分析

由于晶體表面的層狀結(jié)構(gòu)也可以導(dǎo)致暈彩效應(yīng)，如暈彩石榴石[24]、珍珠[16,17]、鮑貝殼，鑒于此，通過掃描電鏡對(duì)標(biāo)本的表面進(jìn)行觀察，并測(cè)量層狀結(jié)構(gòu)厚度以判斷表面結(jié)構(gòu)是否可以產(chǎn)生暈彩，測(cè)試結(jié)果見圖5。在垂直暈彩面上，被切磨的晶體表面可見兩組完全解理和不規(guī)律的層狀結(jié)構(gòu)，且層狀邊緣有毛氈狀的紋理；放大至1800倍，可見兩組近直角相交的完全解理，解理厚度約為1～4μm。在平行暈彩面上，標(biāo)本表面可見一組完全解理，局部出現(xiàn)一些平行紋理，與解理夾角約為64°，厚度約為200nm。由于垂直暈彩方向上的解理厚度約為1～4μm，遠(yuǎn)超過因干涉產(chǎn)生暈彩的薄膜厚度范圍（128～252nm），故排除因光在解理處產(chǎn)生薄膜干涉而形成暈彩的可能。但根據(jù)形成光柵式衍射的要求可知，寶石結(jié)構(gòu)層的厚度無需達(dá)到可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，因而解理可能因光柵式衍射而對(duì)暈彩效應(yīng)產(chǎn)生一定的作用。

圖5 無色透明斜長(zhǎng)石掃描電鏡圖像Fig.5 SEM photos of colorless and transparent plagioclase

2.3.2 透射電鏡分析

前人研究表明，“彩虹”角閃石紫藍(lán)色暈彩與內(nèi)部平均間距為124～133nm的出溶周期片層有關(guān)[5]。斜長(zhǎng)石的內(nèi)部也存在出溶結(jié)構(gòu)層，為探究暈彩的顏色是否與出溶條紋厚度之間存在聯(lián)系，本文選取兩個(gè)分別具有藍(lán)色和綠色暈彩的標(biāo)本進(jìn)行透射電鏡觀察。由圖6可知，具藍(lán)色暈彩的標(biāo)本出溶層結(jié)構(gòu)總體呈明暗相間的平行層狀條紋產(chǎn)出，局部呈顆粒圓球狀，明暗條紋邊界清晰，條紋厚度不均、彎曲變形；而具綠色暈彩色標(biāo)本明暗條紋更均勻，但邊界較為模糊，條紋基本平直且均一發(fā)展，偶有分叉交匯，局部可見細(xì)小針狀包裹體。

圖6 不同暈彩色標(biāo)本的透射電鏡圖片F(xiàn)ig.6 TEM pictures of plagioclase with different iridescence

每個(gè)標(biāo)本選取10個(gè)連續(xù)平直均勻出溶條紋并用MeasurIT對(duì)不同顏色的出溶層厚度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表4，其中a代表明條紋厚度，b代表暗條紋厚度。結(jié)果表明，暈彩色不同，無色透明斜長(zhǎng)石出溶條紋的厚度也不同。具藍(lán)色暈彩的標(biāo)本出溶層平均厚度為164.772nm，暗條紋與明條紋平均厚度之比為2.187；具綠色暈彩的標(biāo)本的出溶層平均厚度為184.773nm，暗條紋與明條紋平均厚度之比為2.045。標(biāo)本的出溶層厚度均介于128～252nm之間，符合可見光產(chǎn)生薄膜干涉的條件范圍。根據(jù)干涉色波長(zhǎng)與出溶條紋厚度的關(guān)系式（2）[25]，計(jì)算出具綠色暈彩標(biāo)本干涉色波長(zhǎng)理論值約為530nm，具藍(lán)色暈彩的干涉色波長(zhǎng)理論值為468nm，理論值均與標(biāo)本暈彩色相符。由此可知，內(nèi)部出溶的層狀結(jié)構(gòu)對(duì)光產(chǎn)生薄膜干涉可導(dǎo)致斜長(zhǎng)石的暈彩。

表4 不同暈彩色斜長(zhǎng)石的出溶層厚度Table 4 Thickness of exsolution layer of different iridescence color plagioclase

3 結(jié)論

（1）研究所用的無色透明斜長(zhǎng)石具有多種暈彩色，聚片雙晶和解理發(fā)育，顯微鏡下觀察無針狀磁鐵礦包裹體，且所測(cè)的聚片雙晶厚度遠(yuǎn)超出內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元層產(chǎn)生可見光干涉色所需的128～252nm厚度范圍，因而包裹體和雙晶結(jié)構(gòu)對(duì)暈彩色的影響較小。

（2）X射線粉晶衍射測(cè)得標(biāo)本為鈣長(zhǎng)石及鈉長(zhǎng)石的類質(zhì)同相混晶。電子探針測(cè)試表明標(biāo)本為中長(zhǎng)石，由于鈣長(zhǎng)石(An)含量較低，因而折射率、相對(duì)密度低于標(biāo)準(zhǔn)拉長(zhǎng)石，高于月光石，可以通過折射率以及內(nèi)部特征區(qū)別于月光石。

（3）斜長(zhǎng)石暈彩色與其晶胞參數(shù)無關(guān)。其解理厚度約為1～4μm，不會(huì)發(fā)生薄膜干涉，但可以發(fā)生光柵式衍射而對(duì)暈彩效應(yīng)產(chǎn)生作用，斜長(zhǎng)石暈彩的顏色與出溶條紋厚度之間存在聯(lián)系，暈彩可由于內(nèi)部出溶的層狀結(jié)構(gòu)對(duì)光形成薄膜干涉而產(chǎn)生。

致謝：

實(shí)驗(yàn)過程中得到了中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）珠寶學(xué)院郭慶豐老師以及中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）透射電鏡實(shí)驗(yàn)室韓勇老師的悉心幫助，在此深表感謝。

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