綠色之星橄欖石

張 超

2018年美國夏威夷基拉韋厄火山噴發，伴隨著火山噴發出來的還有一種綠色的寶石——火山噴發結束后，在街道和海灘邊都出現了大量的橄欖石，人們驚呼火山下起了綠色“寶石雨”。同樣在夏威夷的帕帕柯勒海灘，整個海灘因為覆蓋大量的綠色橄欖石，而被譽為“綠寶石”沙灘。這些綠色的寶石都是從哪里來的呢？讓我們一起來了解一下綠色寶石——橄欖石。

橄欖石是八月的誕生石，有著悠久的歷史。3500年前，在著名的埃及扎巴賈德島（現名圣·約翰島），首次發現了這種綠色的寶石并一直開采至今。古希臘人稱它為“太陽寶石”，認為其具有太陽一樣的神奇力量，可以驅除黑暗和邪惡，能夠給人類帶來光明和希望。

橄欖石因顏色與橄欖十分相似而得名。它屬于一類數量龐大的礦物家族——硅酸鹽。而橄欖石本身也是一類礦物的合稱，橄欖石類礦物包括錳橄欖石、鎂橄欖石、鐵橄欖石、鎳橄欖石，等等，這些都是理想的含有單一金屬離子的純粹端員，但是大部分礦物都含有兩種或兩種以上的金屬元素，比如鈣鐵橄欖石、鈣錳橄欖石、鐵錳橄欖石、鎂鐵橄欖石，等等。

其中的鎂鐵橄欖石是最常見的一類橄欖石。鎂鐵橄欖石（(Mg,Fe)2[SiO4]）是鎂橄欖石（Mg2SiO4）、鐵橄欖石（Fe2SiO4）的中間過渡品種。其中的金屬元素鎂和鐵，含量可以相互替換，從鎂0%、鐵100%到鎂100%、鐵0%。這種現象稱為類質同像，這種部分元素可以完全相互替換的現象也稱為固溶體系列，就好比一種固態“溶液”可以溶解其他的固態“溶質”一樣，只不過這里液體換成了固體。

橄欖（上圖）與橄欖石（下圖）

橄欖石理想聚形晶形（據《珠寶玉石學》）

這兩種端員的橄欖石由于組分的不同，有很多不同的物理性質。鎂橄欖石的熔點有近1900°C，鐵橄欖石的熔點約1200°C，前者比后者要高出700°C左右。鎂橄欖石的密度要低于鐵橄欖石。顏色上來說鐵橄欖石為深棕色，鎂橄欖石為無色。

作為二者的中間過渡型，鎂鐵橄欖石的物理性質隨兩個端員之間鐵鎂含量的變化而逐漸過渡。當然除了鎂和鐵之外，橄欖石中還會含有一些微量金屬元素如錳、鎳、鈷、鉻、鈦等，這些也會對橄欖石的性質有一定的影響。

一般能形成寶石的橄欖石大多為含鐵較少的鎂系橄欖石，包括鎂橄欖石和貴橄欖石（Fe2SiO4含量10%-30%之間）。這主要是因為橄欖石中鐵含量在12%-15%時，表現出的顏色會是漂亮的橄欖綠色，而如果鐵含量較高顏色會變深，接近深棕色。

不同于很多其他寶石雜質離子的顏色成因（它色），橄欖石的顏色是因為其自身結構中的鐵元素致色，屬于自色礦物，所以形成的顏色十分穩定。如果含有二價鐵離子較多呈現綠色，三價鐵離子占主要時則可能為黃色。橄欖石中如果含有微量鉻元素并不會引起色調的變化，但會使呈現的綠色調更加明亮。

這里“科普”一下——自色是礦物本身固有的顏色；它色是礦物成分之外的混入元素造成的顏色；假色是由于某種物理光學效應所呈現的顏色。

橄欖石除了普通常見的黃綠色，還會有特殊的品種，如貓眼橄欖石和星光橄欖石，但它們都非常罕見。貓眼石是指橄欖石切割成蛋面時，在光照下會表現出一條明亮光帶的寶石品種。星光橄欖石是指在橄欖石弧面寶石中，內部包體對光反射，使得寶石產生十字或四射星光效果。

再來看看橄欖石的內部結構，橄欖石屬于島狀硅酸鹽結構。島狀硅酸鹽是根據硅氧四面體的連接方式命名的，每個硅氧四面體都通過金屬陽離子連接起來，就好比一座座小島被航線連接一樣。

具體到橄欖石來說，其特點為孤立的硅氧四面體中氧離子成近似六方最緊密堆積，硅離子填充部分空隙，剩下的空隙由二價的鎂離子和鐵離子填充。內部結構決定了它的物理性質。橄欖石為斜方晶系，晶體形態有斜方柱、斜方雙錐等，但一般完好的晶體形態很少見，大多數表現為顆粒狀。橄欖石存在一組中等解理和一組不完全解理，脆性比較大，莫氏硬度6.5-7，略小于石英（7），隨鐵含量的增加而變高。

橄欖石是主要造巖礦物之一，主要存在于橄欖巖中。橄欖巖是地球上地幔的主要組成成分，是一種主要由橄欖石和輝石組成的巖石。地幔的橄欖巖通過與地殼的物質交換來到地表，主要途徑為巖漿噴出作用和侵入作用。

寶石級橄欖石大多是巖漿作用形成的，其內部存在很多包裹體。這些包裹體有礦物類包裹體、氣體包裹體、液體包裹體，等等。礦物包裹體有鉻鐵礦、鉻尖晶石、黑云母、鉻透輝石、石墨，等等。典型的包裹體形態有氣泡狀、圓形、扁圓形、荷葉形、睡蓮葉狀、海百合狀包裹體。其中睡蓮葉包裹體是橄欖石最常見的包裹體類型。它的形成過程是這樣的：橄欖石形成過程中有礦物包裹體顆粒存在，在寶石形成之后，由于后期環境溫度發生變化時，包裹體和橄欖石二者的熱膨脹系數不同，包裹體膨脹速度快時會將周圍的寶石撐裂，從而形成類似荷葉的形態。

看到這里，你可能已經知道了夏威夷的橄欖石是從哪里來的。開篇提到的寶石雨來自火山噴發，沙灘上的橄欖石可能為溢流巖漿帶到地表的，它們都來自地球深部。那么橄欖石在什么條件下才會噴出地表呢？它主要分布在哪些地方呢？

第一類，玄武巖中的橄欖巖包體。當玄武巖從上地幔噴出或侵入到地表時，會攜帶大量幔源的橄欖巖包體，其中就有許多大粒橄欖石晶體。有人認為這些橄欖石是巖漿在地球深部冷卻結晶后帶到近地表的，也有人認為這些寶石是在巖漿到達近地表之后，隨著流體和氣體的揮發而迅速結晶的結果。

第二類，巖漿熱液變質作用。巖漿熱液是在巖漿結晶過程中，從巖漿中釋放出來的熱水溶液。它最初是巖漿體系的重要組成部分。巖漿熱液中除了水還有大量的揮發組分，它們能夠與金屬形成絡合物并很容易將其遷移并在某些地方富集，是重要的成礦類型。這些熱液與含有鎂鐵的圍巖接觸，經過復雜的化學反應，就會形成橄欖石脈體，可以形成很大的規模。著名的扎巴賈德島橄欖石就屬于熱液成因類型，其整個島嶼幾乎都是由橄欖巖組成的。

玄武巖中的橄欖巖包體

具體來說，世界上橄欖石的主要產地有紅海的扎巴賈德島、緬甸的抹谷地區、美國、巴西，等等。我國河北張家口、吉林大石河、山西天鎮等地也發現過橄欖石。其中除埃及扎巴賈德島為熱液成因外，其余大多為玄武巖包體類型。目前世界上發現的最大的寶石級橄欖石產于紅海的扎巴賈德島。我國河北省張家口市大麻坪漢諾壩玄武巖中，曾發現一顆重約230克拉的橄欖石，是我國橄欖石之最，被稱為“華北之星”。

橄欖隕鐵切片（左圖山西地質博物館藏、右圖朱豪藏品）

其實橄欖石不僅在地球上有分布，還可以來自外太空的其他天體。橄欖石是目前唯一一種來自地球以外的珍貴寶石。在隕落地球的天外來客中，有一部分屬于石鐵隕石，其中的橄欖隕鐵類型有大量綠色橄欖石。當切開橄欖隕鐵時，可以看到與金屬礦物界限清晰的寶石級橄欖石。橄欖隕鐵是非常珍貴的隕石，極具科學研究意義。

如果橄欖石具有清澈透明的顏色和光澤，而且內含物較少，大多被用作珠寶首飾，比如胸針、戒指、耳墜等，屬于珠寶市場的中檔寶石。人們認為這種寶石代表了和平和幸福，有美好的寓意。

在科研方面，由于其主要來源于地球深部，所以橄欖石和其內部包體的研究對于探究巖漿起源和形成過程、地幔組成和演化等問題可以提供重要的信息。

除了以上兩個方面，橄欖石在鑄造業、煉鋼業、耐火材料等方面也有廣泛的用途。

鎂橄欖石的耐火性可以用來制作耐火材料，在橄欖石耐火磚的制作過程中，原料可以不預先煅燒，能夠有效簡化生產流程，降低生產成本。

在鑄造鋼材中，使用的新型橄欖石的堿性材料，具有較高的熱導率、熱容量、耐火度和緩慢的熱膨脹性能，被廣泛用于鋼材冶煉特別是高錳鋼件及精密合金鑄件等材料。

橄欖石可以溶于硫酸，在化工產業中可以制備很多工業化合物，比如制取硫酸鎂、冶煉金屬鎂、生產鈣鎂磷肥，等等。