(一)尖晶石基础宝石学性质
尖晶石(Spinel)在矿物学中属尖晶石族(基础宝石学性质见表6-8)。化学分子式为MgAl2O4,可含有铝、铬、铁、锌、锰等微量元素,这些微量元素可与镁、铝发生完全或不完全类质同象替代。其中Mg2+-Fe2+、Mg2+-Zn2+、Al3+-Cr3+之间可发生完全类质同相替代。等轴晶系,常呈八面体晶形(图6-36),有时八面体与菱形十二面体、立方体成聚形。
表6-8 尖晶石基础宝石学性质表
续表
图6-36 尖晶石的晶体结构图及八面体晶形
(二)尖晶石的主要品种
尖晶石常以颜色及特殊光学效应来划分为各个品种,常见的有下列几种:
(1)红色尖晶石:主要含微量致色元素Cr3+而呈各种色调的红色。其中纯正红色的尖晶石最为珍贵。
(2)橙色尖晶石:橙红色至橙色的尖晶石品种。
(3)蓝色尖晶石:含有Fe2+和Zn2+而呈蓝色。多数蓝色尖晶石是从灰暗蓝到紫蓝,或带绿的蓝色。
(4)绿色尖晶石:一般是含Fe2+所致,颜色发暗,有的基本呈黑色。
(5)无色尖晶石:很稀少,多数无色尖晶石或多或少带有粉色色调。
(6)变色尖晶石:比较稀少,变色种类有:①日光下深蓝色日光灯下呈紫蓝色;②粉紫—紫粉;③紫罗兰色—紫色;④紫棕色—奶粉色。
(7)星光尖晶石:暗棕红色、紫红色、中灰至黑色尖晶石内部可具有多组针状包体,使其具有四射或六射星光,针状包体平行于八面体边棱方向分布时,可使尖晶石的八面体晶面方向形成六射星光,而八面体角顶方向形成四射星光。若加工成球形则能同时观察到8组六射星光及6组四射星光。星光尖晶石主要发现于斯里兰卡和缅甸(图6-37)。
图6-37 星光尖晶石(14.86ct,图片由郑州安得工艺品有限公司提供)
(三)不同颜色尖晶石的宝石学性质差异
图6-38 各种颜色的尖晶石
尖晶石可有红色、橙红色、粉红色、紫红、无色、黄色、橙黄、褐色、蓝色、绿色、紫色等多种颜色(图6-38)。红色含Cr3+,蓝色含Fe2+,绿色含少量Fe2+,含Zn2+时常呈蓝色,褐色含Cr3+、Fe3+、Fe2+。宝石级的尖晶石一般指镁铝尖晶石,最受人们喜爱的尖晶石是粉色、红色尖晶石。不同颜色的尖晶石由于所含微量元素不同而在宝石学性质上存在一些差异。
1.折射率
尖晶石的折射率与所含微量元素有直接关系,富铬的红尖晶石可达1.74,镁尖晶石可达1.77~1.80,锌尖晶石可达1.80,铁尖晶石可达1.83。
2.发光性
红色、橙色、粉红色尖晶石在长波紫外光下,发弱至强的红色、橙色荧光;短波紫外光下,发无至弱的红色、橙色荧光。黄色尖晶石在长波紫外光下,发弱至中的褐黄色荧光;短波紫外光下,发无至褐黄色荧光。绿色尖晶石在长波紫外光下,发无至中的橙—橙红色荧光。无色尖晶石无荧光。
3.吸收光谱
红色、粉色的尖晶石是由铬元素致色的,其吸收光谱在黄绿区有595~490nm强吸收带;红区有685nm、684nm强吸收线及656nm弱吸收带。在荧光光谱中红色尖晶石红区的吸收线为亮荧光线,与红宝石的一组细线不同,尖晶石有10条以上亮荧光线,以686nm、675nm处的吸收线为最强。蓝色、紫色尖晶石的致色元素为Be或少量Co,其主要的吸收线在蓝区,460nm强吸收带,430~435nm、480nm、550nm、565~575nm、590nm、625nm为弱或极弱的吸收线或带。锌尖晶石的吸收光谱与蓝色尖晶石的吸收光谱相似,只是弱些。合成蓝色尖晶石中没有460nm吸收带。
图6-39 尖晶石内部密集平行排列的八面体负晶
图6-40 尖晶石内部刀片状榍石包体
(四)尖晶石内部包体特征
宝石内部包体对进行产地鉴定有着十分重要的意义,如抹谷地区所产尖晶石最主要的包体特征是矿物包体(常见磷灰石和方解石),伴随一些八面体负晶。位错和榍石包体的出现有重要的越南尖晶石指示性作用。来自塔吉克斯坦Kuh-iL-al矿区的玫瑰色尖晶石一般所含包体较少。
1.固态包体
尖晶石内部最普遍存在的包体是一些小的负晶(中空,呈晶体轮廓)或八面体固体包体,可能是尖晶石包体或其他尖晶石族中的其他晶体成员如磁铁矿。这些八面体晶体可能成群地密集平行排列或呈指纹状分布(图6-39),并在主石中沿特定的结晶方向定向排列。其内局部被方解石、白云石充填,其次可见片状石墨、柱状磷灰石、钠长石、硬石膏、钛铁矿、橄榄石、金云母、磁黄铁矿、石英、金红石、矽线石、榍石和锆石等包体。在缅甸产的尖晶石中发现有细小雾状包体,刀片状榍石包体,密集时可形成星光效应(图6-40)。
图6-41 尖晶石内部愈合裂隙(30×)
图6-42 缅甸抹谷尖晶石内的尖晶石包体,周围伴有裂隙(30×)
2.液态包体
开放裂隙中常见液态包体。八面体晶体包体周围可有张力裂隙形成的指纹状包体(图6-41,图6-42)。
斯里兰卡尖晶石内所含的锆石晶体包体外围有褐色斑点,这曾被认为是锆石的辐照斑点,新观点认为是由中间矿物晶体和主晶之间不均匀热膨胀产生的张性裂隙。
3.生长特征
可见沿八面体晶面发育的生长带及双晶纹。
(五)主要尖晶石产地所产尖晶石的宝石学特征
1.缅甸
(1)颜色:缅甸抹谷矿区产出的尖晶石颜色明亮且反光好,加工时可依据灵感切磨而不受限制。颜色色调丰富,饱和度好,有红色、橙红色、粉红色、紫红色、蓝色、绿色等,不具“丝绒状”外观。高档的亮红色缅甸抹谷尖晶石被称做“火焰尖晶石”,可见其明亮与鲜艳的程度。育瓦迪矿区出产尖晶石的颜色以粉色、红色和橙色为主,色带明显。
(2)折射率:1.715~1.719。折射率值的大小随颜色饱和度及色调的不同而有变化,紫色—绿色与橙色—棕色尖晶石的折射率最低,粉红色、艳红色尖晶石折射率可以达到1.719。
(3)相对密度:3.61~3.69。
(4)内部包体特征:大量的方解石和磷灰石矿物包体和八面体负晶是缅甸抹谷尖晶石显著的产地包体特征。透明到乳白色的八面体负晶伴有裂隙,形成光环围绕负晶的外观,这也是抹谷尖晶石的典型包体特征。有时可见附着在晶体的底轴面上、外观呈轻微的浑圆状—球状的磷灰石晶体,且伴随有黑色板状石墨或钛铁矿。除此之外,还可出现孤立的片状石墨晶体。偶尔可见硬石膏、菱镁矿、长石和粒硅镁石。育瓦迪地区尖晶石中最常见的包体为愈合裂隙和黑色云状物,有时还有串珠状排列的小晶体、客晶和伴有应力纹的管状物等(图6-43)。
图6-43 缅甸尖晶石内部包体特征
(5)发光性:不同颜色的尖晶石紫外荧光下差异较大,育瓦迪矿区的尖晶石在紫外长波下呈惰性。
(6)紫外可见吸收光谱及化学成分特征:缅甸尖晶石的吸收光谱可分三种颜色来描述(图6-44)。
图6-44 不同颜色缅甸尖晶石的紫外可见吸收光谱(a-粉色尖晶石;b-红色尖晶石;c-褐色尖晶石;d-蓝色尖晶石;e-浅蓝色尖晶石;f-蓝紫色尖石)
紫色—绿色(不同饱和度的紫色、紫罗兰色、蓝色和蓝绿色)。吸收光谱显示630~650nm、550~565nm、460nm、387nm和373nm处的吸收带或吸收线,300~350nm也有特征吸收峰。
根据颜色的不同,460nm和650nm处的吸收带、387nm和373nm吸收带、550nm吸收带强度也不同。在带绿色调的样品中,以374nm吸收带为主导。随绿色调增加,紫外吸收峰在295~350nm之间变化。化学成分含微量铬、铁及锌。
棕色或橙红(红或粉红色是由橙和/或棕色尖晶石经过人工改善形成)。吸收光谱显示550nm的主要吸收带。化学成分除了含铬之外,钒的浓度也很高。
粉红色—红色。吸收光谱可见以540nm和390nm为中心的主要吸收带,在光谱的红色区域范围也可见吸收线。化学成分特征是占主导的铬和低浓度的铁。除此之外,还发现有轻元素锂和铍的存在。
2.越南
(1)颜色:越南尖晶石的颜色丰富,有粉色—红色、橙色红色、红棕色、紫色、浅到深的蓝色。部分越南尖晶石以变色效应著称(荧光灯下为紫蓝色,白炽灯下为紫色或浅蓝紫色)。
(2)折射率:1.712~1.719。
(3)相对密度:3.58~3.73。
(4)内部包体特征:来自越南陆安地区的尖晶石最典型的包体特征即位错。它以交叉带或彼此定向排列的闪光通道的形式出现,有时,通道显示三维放射网格状。部分尖晶石含有针状包体(很可能为黑铝镁铁矿)。常见的矿物包体有锆石、磷灰石、方解石、白云石、榍石、石墨和长石,其中锆石晶体轻微浑圆状密集分布,愈合裂隙少见。部分样品中包含有指纹状包体和矿物包体如赤铁矿和针铁矿,以及金红石(单晶和针状聚集)等。环状晕围绕负晶的外观被认为是抹谷尖晶石的典型特征,但在越南的尖晶石中也出现过(图6-45)。
图6-45 越南尖晶石内部包体特征
(5)发光性:紫外荧光下,随颜色变化差异较大。粉色到红色的尖晶石在紫外长波或短波下呈红色,浅紫色和蓝色的尖晶石紫外光下呈现惰性。
(6)紫外可见吸收光谱特征:红色—粉尖晶石显示540nm和388nm两个主要吸收带,以及位于694nm、685nm、665nm和640nm的一系列吸收峰,主要归因于铬的吸收。
所有紫色—蓝色的尖晶石显示CO2+和Fe2+的吸收光谱,与CO2+有关的吸收主要位于625nm、585nm和550nm,与Fe2+有关的吸收主要位于555nm、477nm、455nm、385nm和370nm。
3.塔吉克斯坦
(1)颜色:以粉红色、红粉色为主(图6-46)
(2)折射率:1.712~1.713。
(3)相对密度:3.59~3.62。
(4)包体特征:塔吉克斯坦尖晶石内部常见八面体负晶,针状和彗星状(由白色微粒状物质组成)包体。常见包体有:在八面体的顶尖部可见针状包体,或黑色片状石墨伴有拉长状的负晶;自形锆石晶体和扁平状无色矿物包体(很可能是金云母);大量的不规则透明白色细粒矿物,外观像方解石;无色到白色的似云母的晶体;不透明灰白色半金属光泽的石墨或赤铁矿。有时可见发育不完全的愈合裂隙,外观粗糙。云母、碳酸盐和石墨是每个产地的尖晶石中都有可能出现的包体(图6-47)。
图6-46 塔吉克斯坦尖晶石
(5)发光性:塔吉克斯坦尖晶石长波下呈强红色荧光,短波下为弱红色到中等橙色(有时带有白垩绿色调)荧光。短波紫外荧光下,在塔吉克斯坦尖晶石样品中观察到了黄色荧光,这种特殊荧光现象只在紫色—粉红色塔吉克斯坦尖晶石中被观测到。
图6-47 塔吉克斯坦尖晶石内部包体特征
4.坦桑尼亚
(1)颜色:紫色、粉红色、橙粉色、红橙色和橙红色。
(2)折射率:1.710~1.718。马亨盖尖晶石折射率相对较低,为1.710~1.712。在十字偏光镜下所有马亨盖尖晶石都显示微弱的异常双折射现象。其他产区尖晶石折射率在1.713~1.718之间。
(3)相对密度:3.54~3.89。马亨盖尖晶石相对密度为3.60~3.63。
(4)包体特征:常见包体有细小的八面体晶体或负晶,伴有“应力晕”和平行排列的圆盘状裂隙;透明无色浑圆状磷灰石晶体;无色透明多晶面的未知包体或空洞;透明无色到浅棕色板状云母晶体、彗星状包体等。部分尖晶石显示出不规则或笔直的生长结构。灰色、脉状生长带,内部包含一些小的、灰色的针状包体。显微测试表明多数的尖晶石包含有串状颗粒,部分尖晶石内有云状物。其他包体如裂隙、“指纹状包体”则很少见(图6-48)。
图6-84 坦桑尼亚尖晶石内部包体特征
(5)发光性:紫外长波下呈现红色荧光;紫外短波下,橙红到红橙色的尖晶石无荧光,粉色尖晶石有弱橙红色荧光。
(6)紫外可见吸收光谱:紫色和粉色尖晶石可观察到Fe2+吸收,红色尖晶石可观察到Fe2+和Cr2+吸收。
(六)不同产地尖晶石的化学成分特征
另一个重要的尖晶石产地鉴定特征是化学指纹特征。尖晶石可含有铬、铁、锌、锰等微量元素,这些微量元素可与镁、铝发生完全或不完全类质同象替换,使尖晶石呈现各种丰富的颜色。本书主要以缅甸抹谷、越南陆安和塔吉克斯坦Kuh-i-Lal这3个矿区产出的尖晶石为研究对象。
化学成分分析(激光烧蚀—电感耦合等离子体质谱仪LA-ICP-MS和X荧光能谱仪EDXRF)显示尖晶石中的微量元素元素钒、铬、铁和锌的含量普遍较高,钛、镓和锰的含量相对偏低,锂、铍、钴、镍、铜、锆和锡含量也较低,其他微量元素更低于检测范围。
缅甸抹谷尖晶石的颜色变化主要取决于致色元素铬的含量,其次取决于铁和钒的浓度。尖晶石中铬含量存在显著变化,从浅橙色的0.001%到红色的2.6%w(Cr2O3)。铁的含量可从0.002%到1.2%w(Fe2O3)。红—带粉色调的红色尖晶石中铬的含量普遍高于铁;紫色尖晶石中铁含量明显高于铬;橙色尖晶石样品中钒的浓度高于铬。缅甸抹谷尖晶石以含有高浓度的锌元素和较高浓度的钛、钒、铬、镓和锡为特征,由于抹谷地区复杂的地质区域跨度比较广,尖晶石微量元素具有较大的变化。其微量元素浓度变化最为显著,总体不具一致性(图6-49)。
越南陆安地区的尖晶石除了主要成分铝(71%Al2O3)和镁(27%MgO)之外,不同颜色尖晶石的致色元素含量存在一定差异,主要致色元素有铬、铁、钒、锰、钛、钴。铬的含量从浅粉色的0.05%w(Cr2O3)到红色的1.3%w(Cr2O3),铁的浓度变化为0.18%~2.2%w(Fe2O3)。红色尖晶石含有高达1.3%w(Cr2O3)和0.47%w(FeO),在粉红、橙红和其他颜色的尖晶石中铬的含量降低。橙红色尖晶石中钒的含量高达0.61%w(V2O3)。红棕色尖晶石含有1.05%w(FeO)、0.17%w(V2O3)和0.17%w(Cr2O3)。紫色及深蓝色尖晶石中铁含量可达1.84%w(FeO)。紫色尖晶石与深蓝色尖晶石相比,含有更高含量的w(Cr2O3)和w(TiO2)。钴蓝色尖晶石含有0.71%w(FeO)、0.14%w(Cr2O3)和0.09%w(CoO)。越南陆安尖晶石有最高的铁浓度(高达2.2%w(Fe2O3)以及低浓度的钛和锡(<0.5μg/g),尖晶石中致色元素铬和铁的浓度相对抹谷尖晶石存在较小的变化(图6-50)。与缅甸抹谷尖晶石相比,越南陆安尖晶石具有典型的高铁低锡的特征,此外再参考微量元素钒、钛、锆的含量基本可以区分这两个产地的尖晶石(图6-51)。
图6-49 缅甸抹谷尖晶石中铬、铁含量分布相图
塔吉克斯坦尖晶石具中等浓度的钛、钒、铬、铁、锌和镓。在塔吉克斯坦尖晶石中,镍和锆含量接近或低于检测范围;尖晶石中致色元素铬和铁的浓度存在较小的变化,微量元素含量具一致性w(Cr2O3):0.04%~0.13%;w(Fe2O3):0.13%~0.52%(图6-50)。
图6-50 相对于缅甸抹谷的尖晶石
微量元素分析(EDXRF和LA-ICP-MS数据)还可用于区分天然和合成尖晶石。天然尖晶石和合成尖晶石在微量元素浓度上有一些差异。在助溶剂合成尖晶石中,EDXRF数据显示铬和铁为主要的微量元素,而镍、钒、锌和镓为次要的微量元素。相反,所有的天然尖晶石分析结果则不然,锌的浓度明显高于助溶剂合成尖晶石,而钛则为次要的微量元素。LA-ICP-MS分析数据显示在天然尖晶石(超过100块样品)中含有一定浓度的锂、铍、锌和镓。这些元素在合成尖晶石中部分元素缺失或者含量较低。
图6-51 根据Ni(g/g)与Fe/Sn比的相图可区分缅甸抹谷和越南陆安这两个产地的尖晶石
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