藍紫色堇青石的寶石學特征及顏色成因

成思恩，楊 揚，牟若愚

(1．長春工程學院 勘查與測繪工程學院，吉林 長春 130022；2．山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266500)

堇青石，寶石級品種英文名是lolite，屬斜方晶系，是一種環狀結構硅酸鹽礦物。化學成分為Mg2Al4Si5O18，可含有Na、Ca、K、Fe、Mn等元素及CO2、H2O，其中Mg和Fe可完全替換，形成完全類質同象[1]。大部分自然界中的堇青石是富鎂的。堇青石由富含鎂、鋁的巖石經高級變質作用而形成，是高級變質作用的產物，晶體中常見的包裹體有赤鐵礦、針鐵礦等，當這些礦物包體定向排列時，可能會產生砂金效應[2]。堇青石顏色很豐富，但是只有藍色和藍紫色為寶石級品種。

1 樣品常規測試

本次實驗所用的堇青石樣品于江蘇東海水晶城及網絡渠道采購，為6顆顏色由淺至深的藍紫色的堇青石，未經任何優化處理，均為橢圓刻面型寶石，半透明至透明，玻璃光澤；寶石大小一致，為6×4 毫米,平均重量約為0.40克拉，將其編為1～6號。

圖1 堇青石樣品1Fig.1 The picture of the iolite samples

通過對這6件樣品進行常規寶石學測試，發現6顆樣品的折射率、密度有一定程度的變化，樣品6的折射率和密度最高，顏色飽和度也最高。通過放大觀察包裹體，可見氣液兩相包體、天然礦物包體和裂隙，可排除合成堇青石的可能。樣品多色性很明顯，為明顯的藍紫/藍/淡黃，觀察結果整理如表1所示。

表1 堇青石的常規寶石學特征Table 1 The gemological characteristics of lolites

通過比對6個樣品的常規寶石學特征，發現隨著堇青石顏色由淺到深，密度和折射率都隨顏色加深而不斷增加，三者之間存在著一定的關系，而雙折率的變化不突出。這可能與樣品中鐵離子濃度有關，鐵離子通過類質同象取代了其它元素，當光線照射進入堇青石晶體內部時，鐵離子與之發生相互作用，延長光線通過時間，使得折射率值偏高。雙折率值與顏色深淺無關。

2 紅外光譜測試

紅外測試在蘇州中工珠寶檢測中心完成，儀器型號為TENSOR 27，用反射法對指紋區進行測試，掃描范圍為1600～400 cm-1，分辨率 4cm-1，掃描16次。測試結果如圖2?？梢娊Y構基本一致，主要吸收峰為1198cm-1、1146cm-1、964cm-1、906cm-1、770cm-1、748cm-1、676cm-1、617cm-1、580cm-1、485cm-1、446cm-1。其中676cm-1、617cm-1、580cm-1堇青石特征吸收譜帶[3]；1198cm-1、1146cm-1與堇青石中的Si-O-Si非對稱伸縮振動有關；964cm-1、906cm-1和[AlO4]四面體的伸縮振動有關；770cm-1、748cm-1與堇青石六元環結構的振動有關；485cm-1、446cm-1是由[SiO4]四面體的彎曲振動產生的。不同譜帶吸收峰有輕微差異，這與類質同象有關。

圖2 樣品的紅外光譜圖Fig.2 The infrared spectrum of samples

3 紫外-可見分光光度計測試

測試在蘇州中工珠寶檢測中心完成,儀器型號為GEM-3000，對顏色飽和度依次增加的三顆寶石1、3、6進行紫外可見光譜測試。

對樣品1、3、6的紫外吸收圖譜進行觀察，發現三顆樣品在350～450nm之間有多條弱的吸收帶，在500～650nm之間有寬的吸收帶。350～450nm之間的吸收與氧元素和鐵元素之間的電荷轉移有關，而500～650nm之間的吸收與Fe2+→Fe3+的價間電荷轉移有關[4]。而且不論是350～450nm之間的弱吸收帶，還是500～650nm之間的寬吸收帶，都是隨著樣品顏色的加深而變強的，這與Fe元素含量增加有密切的聯系。其中，變化更明顯的是500～650nm之間的寬吸收帶，推測樣品6因為在綠-紅區的強吸收，使得其藍紫色比樣品1、3更明顯。

圖3 樣品1、3、5的紫外吸收譜圖Fig.3 The UV absorption spectra of sample 1，3 and 5

4 X射線熒光能譜儀測試

為了定性和定量得到樣品所含元素，分析堇青石的顏色成因[33]，選取顏色由淺到深的1、3、6號樣品，送到南京曉莊學院做X射線熒光光譜儀測試，測試結果見表2。

該儀器定性可以做到F，定量可以做到Na。另外，由于測試條件有限，X射線熒光光譜儀無法區分同一元素的不同價態，如Fe元素含量用Fe2O3表示，但是不代表Fe元素不存在其他價態。

表2 樣品的元素組成(%)Table 2 The elements of samples(%)

經成分測試，可知堇青石的組成元素主要為O、Mg、AI、Si，同時還有Fe、Ca、K等微量元素，其中Mn、Fe是常見的致色元素，堇青石的顏色成因可能與其有關[5]。

但是經數據分析，Mn元素的含量與顏色深淺無明顯聯系，3號樣品Mn元素含量最高但是顏色并不是最明顯的，顏色飽和度最高的6號Mn元素含量只比顏色最淺的1號含量高，由此認為，Mn元素并不是影響堇青石顏色的主要原因。而隨著堇青石樣品的顏色不斷加深，可以看見Fe元素含量的不斷增加，從一號樣中的0.758%到6號樣品的2.033%，我們可以得出結論，藍紫色堇青石的顏色成因主要和Fe元素含量有關，Fe元素含量越高，堇青石顏色越深，反之亦然。

5 結論

(1)藍紫色堇青石的顏色、密度、折射率，三者呈正相關性，隨著Fe元素含量的提高，堇青石的顏色會越來越深，密度和折射率值也會越來越高。

(2)紅外光譜測試表明，樣品的紅外光譜與標準光譜吸收峰一致，676cm-1、617cm-1、580cm-1是堇青石特征吸收譜帶。紫外—可見分光光度計測試表明，藍紫色堇青石350～450nm之間有多條弱吸收帶，在500～650nm之間有寬吸收帶，且顏色較深的堇青石相比于顏色較淺的堇青石，其在500～650nm之間吸收更明顯；

(3)X射線熒光能譜儀測試表示，堇青石的主要組成元素為O、Mg、AI、Si，主要致色元素為Fe，同時還可能含有Ca、K等元素。Fe元素含量的高低決定堇青石顏色的深淺，Fe元素含量越高，堇青石顏色越深。