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神农架鸡血红梅玉岩石矿物学特征

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摘要

采用常规宝石学测试方法以及偏光显微镜观察、X射线粉末衍射仪、显微激光拉曼光谱、傅里叶红外光谱仪等仪器测试手段对湖北神农架鸡血红梅玉的岩石矿物学特征进行了系统研究。结果表明,该红梅玉的主要矿物成分是方解石,另外还含有少量的石英、赤铁矿、石墨和黄铁矿。方解石既以角砾状结构、细粒状结构赋存,又是其中的胶结物。其“鸡血”部分是由于赤铁矿分布于方解石的纹理中所致,黑色部分则是由于碳质石墨沿裂隙充填所造成。该玉石的硅化程度较高,是一种安全的无毒无害的玉石。

中国具有悠久的玉文化史,玉器制作技艺精湛,品种繁多,为世人公认[1]。神农架鸡血红梅玉出产于湖北省神农架林区,是近期发现的一种珍贵红色玉种,因其玉化程度高,表面鸡血鲜红、呈大朵的团块状,如一丛丛盛开的梅花,故称鸡血红梅玉。神农鸡血红梅玉以红白黑为主色调,图案多似红梅,色泽鲜艳,晶莹温润,得到人们的喜爱,并成为了2016年全国第十三届冬运会的奖牌材质。我们有幸承担了对该玉石的质量鉴定工作,借助现有的研究条件对该玉石进行较为全面的宝石学和岩石化学研究,以期在丰富我国的玉石文化的同时使人们对该玉石有更为深入的了解和认识。


1 地质概况


神农架鸡血红梅玉出产于湖北省神农架林区,位于湖北省西部边缘。它是由大巴山脉东延的余脉组成的中高山地,平均海拔在2000米左右,最高峰海拔3105.4米,成为华中第一峰。神农架鸡血红梅玉大约形成于13亿年前的中元古界富含深红色角砾岩的灰岩中。玉石由杂色碳酸岩质角砾岩组成,色泽绚丽,五颜六色,极为好看,常称“宝石砾岩”。矿层赋存于神农架大高坑组(Pt.dw)底部地层中,地表断续出露产状较稳定。



图1 神农架鸡血梅花玉



 2 宝石学特征


观察发现,神农架鸡血红梅玉(图1所示)呈细粒结构、角砾状结构。粒径有0.3 ~3 cm 不等,大者可达10 cm以上,基底物质为碳酸岩质,硅化程度较高。由于角砾呈形状各异且大小不一的无序排列状,构成了各种美丽的图案,看似一朵朵的梅花,因而被人们赋予了美丽的名字“红梅玉”,加之其中赤铁矿特有的绚丽红色,更显得美丽动人。红色角砾及参杂的白、黑、灰等色彩,形成具有色美、质佳、纹奇、图妙的优质玉石。神农架鸡血红梅玉的摩氏硬度为:3.5±,密度为:2.70 g/cm3,折射率:1.57。

 

3 矿物组成


3.1 粉晶X射线衍射分析


采用所用德国BRUKER公司D8ADVANCE型粉晶X射线衍射仪(Cu靶)对神农鸡血红梅玉的粉末样品进行测试。测试条件为,工作电压:40 KV,工作电流:40 mA,扫描角度范围:2θ = 3° ~ 65°,狭缝:1mm;扫描速度:2°/min。图2所示为测试所得到的样品粉晶X射线衍射图谱,通过与JCPDS标准物相卡片方解石(47-1743)、石英(46-1405)进行对照,发现样品中的主要矿物相为方解石,其次含有少量的石英。


根据XRD半定量计算结果,神农架鸡血红梅玉中的方解石含量可超过86%。在图2的衍射图谱中出现了d = 2.70 Å以及d = 2.71 Å微弱衍射峰,由于未找到其他相应的衍射峰,因此根据粉晶X射线衍射的结果暂时尚不能确定出准确的物相种类。但是,通过结合拉曼光谱和光学显微镜的观察我们可以肯定,上述的d = 2.70 Å以及d = 2.71 Å衍射峰应分别归属于赤铁矿和黄铁矿的最强衍射峰。



图2 神农架鸡血红梅玉X射线粉末衍射图谱

 

3.2 拉曼光谱分析


从图1中可以观察到,神农架鸡血红梅玉的鸡血部分多呈点状、块状,其他还有被黑色条带围绕的呈白色、灰色的部分,整体上是以红、白、茫黑为主要色调。我们分别对其中的白、红和黑色三部分进行显微拉曼光谱原位测试。所用测试仪器为法国HORIBA公司生产的XPLORA型显微拉曼光谱仪,使用532 nm氩离子激光源进行测试,光斑直径为3μm,测量范围为200~4000 cm-1。图3为对样品不同颜色部分测试所得的三个显微激光拉曼谱图。


其中,白色谱图中方解石的四个特征谱峰(1084~1087cm-1的最强峰,280~282cm-1的次强峰和710cm-1与1436~1438cm-1的两个弱峰)均很清晰。1084cm-1、1438cm-1、710cm-1和282cm-1四个谱峰应分别归属于方解石中[CO32-]基团的4种拉曼活性振动峰,即碳氧面外弯曲振动(νob,最强峰)、面内弯曲振动(νib,次强峰)、对称伸缩振动(νs)和反对称伸缩振动(νas)。而将274cm-1、705cm-1、1080cm-1和1438cm-1产生的拉曼位移作为方解石族矿物的特征拉曼位移。我们还注意到,图3白色谱图中还有一个明显的拉曼谱峰(467cm-1),它归属于石英的Si-O-Si键作用,且在石英所具有的拉曼谱峰中强度最大。图3中白色样品谱图表明,样品的白色部分主要矿物是方解石,另有少量的石英存在。


对图3中样品红色部分的拉曼谱图分析发现,相比白色谱图的方解石与石英谱峰,该谱图中明显的多出了228cm-1、249cm-1、410cm-1、609cm-1和1314cm-1等拉曼谱峰,经分析得知,它们是属于赤铁矿的特征谱峰。其中,1314cm-1处的拉曼峰强度最强,属赤铁矿的二磁振子散射特征峰。由于相对含量较少,因而赤铁矿的部分拉曼谱峰未能出现。由此可以证明,神农架鸡血红梅玉中的红色部分是由于赤铁矿或者是三价铁离子产生的。


图3中所示黑色部分的拉曼谱图中,由于矿物种类较多,各矿物的相对含量变少,谱峰强度变低,但方解石、石英以及赤铁矿的拉曼特征谱峰在图中都有出现。其最大的特点是在1590cm-1处出现一个较强的峰,属于石墨的强特征峰。此外,石墨在1350cm-1的附近还应该有一个较弱的特征峰,虽然受到赤铁矿1314cm-1处强特征峰的影响,但仍能看出它的存在。由此,我们可以证明在神农架鸡血红梅玉中出现的黑色部分是因为有石墨的存在。



图3 样品不同颜色区域的显微拉曼光谱图

 

鸡血梅花玉摆件


3.3 红外光谱分析


采用红外光谱仪对神农架鸡血红梅玉石样品的三种颜色区域分布进行红外光谱测试。研究所用的设备为德国Bruker公司的VECTOR-33型红外光谱仪。测试所得结果绘于图3中,图谱显示神农架鸡血红梅玉样品的红色及白色区域基本是方解石的单一谱线,1429cm-1是[CO32-]的反对称伸缩信号峰,878cm-1是[CO32-]的面外弯曲振动信号峰,713cm-1则是[CO32-]的面内弯曲振动信号峰,1797cm-1是713cm-1和1084cm-1(碳酸根的对称伸缩,谱图中未出现)的合频,未发现其他矿物组分的特征峰。而样品黑色区域的红外谱图中除了方解石的特征红外信号峰之外,还出现了石英的红外特征谱峰,但在拉曼光谱中测试中所观察到的石墨、赤铁矿等都未在此检出,这也说明了各种测试方法间互为补充的关系。


图4 样品不同颜色区域的红外光谱谱图

注:Cal…方解石      Qtz…石英


4 显微结构


利用德国Leica公司的DM-RX型偏反两用岩石光学显微镜,对神农架鸡血红梅玉样品的光学薄片进行观察,观察所得照片如图5所示。


从神农架鸡血红梅玉样品的透射显微镜下照片(图5a)中可以看到,有个别立方体状黑色不透明矿物存在,其在反射显微镜下照片中呈黄亮色,是典型的黄铁矿颗粒,粒径大小在200~300μm。黄铁矿的存在使得部分玉石的表面在亮光下出现闪闪的金星,这增加了玉石的美感。


从偏光反射显微照片(图5b)中可以看到,红梅玉玉石的角砾成分及胶结物成分均为方解石。其中的红色角砾则是赤铁矿沿矿物的纹理分布所致。呈现黑色的为碳质,多沿裂隙分布,且裂隙中夹有微粒石英,以细粒结构多呈条带分布。


图5 神农架鸡血红梅玉偏反显微照片

 

5 岩石化学


我们还对的红白、灰黑两部分区域分别做了化学元素全分析,结果见表1。表1中数据显示,样品的红白部分中CaO的含量达到53.67%,烧失量为43.25%,表明方解石的含量应在96%以上。而灰黑部分区域中SiO2的含量明显高于红白区域中的含量,对应表1中CaO的量,烧失量也高于其形成方解石所需的量。这再次说明了样品中石英、碳质石墨等少量杂质大都赋存于样品的灰黑色部分区域中。


从表1中可看到,神农架鸡血红梅玉样品中只有PbO是有害物质,但其的含量低于100μg,即Pb的含量小于90μg,它低于GB18584-2001国家标准(Pb≤90μg)的要求。因此,从化学组成上看,鸡血红梅玉是一种安全无毒无害的玉石。





6 讨论与结论


(1)粉晶X射线衍射分析结果显示,神农架鸡血红梅玉样品的主要矿物成分为方解石,含量在86%以上,其次是石英。通过显微激光拉曼光谱的检测和偏光显微镜下的观测,证明了样品之所以显红色的原因是赤铁矿或者Fe3+的作用,而其中的黑色部分则是由于石墨的存在。此外,少量的黄铁矿增加了红梅玉的美感。


(2)对样品上三种颜色不同部位的拉曼光谱测试所得谱图都显示出石英的主谱峰存在,这就表明神农架鸡血红梅玉中的碳酸岩硅化程度较高。


(3)从化学组成上看,鸡血梅花玉所含的有害元素只有PbO,且其含量低于相关国家标准中的规定值,由此说明该红梅玉是一种安全无毒无害的玉石。

致谢:

1.感谢北京紫金鹏成文化传播有限公司提供所研究用的样品。

2.。

 

参考文献

[1] 邹天人,郭立鹤,於晓晋. 中国主要玉石类型及产地[J]. 矿床地质,1996, 15(增刊): 79-92.

[2]杜广鹏,范建良. 方解石族矿物的拉曼光谱特征[J]. 矿物岩石,2010,30(4): 32-35.

[3] 谢先德,孙振亚,王辅亚,劳沛良,谢楠柱. 泗斌砭石的岩石矿物学研究,II: 矿物组成征与红外发射功能的关系[J]. 矿物岩石地球化学通报,2008,27(1): 6-12.

[4] 文长春. 桂林鸡血玉的激光拉曼光谱研究[J].超硬材料工程,2015,27(2):57-59.

[5] 王辅亚, 魏景明,闵育顺,谢先德,谭道永. 广东肇庆端砚石中石眼的矿物组成和成因研究[J].地球化学,2015,44(1):102-106.


作者:刘丽媛1,王辅亚2,王利群1,文科2,3

(1.广州中工珠宝检测中心;2.中国科学院广州地球化学化学研究所;3.中国科学院大学北京)










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