程仁平，郭穎

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

研究背景

長石是地殼中分布最廣泛的礦物之一，可分為堿性長石和斜長石，其中斜長石常常具有暈彩，也稱為暈彩斜長石。暈彩斜長石可分為暈彩鈉長石和暈彩拉長石，暈彩拉長石可進(jìn)一步分為三類：不透明的暈彩拉長石、有暗色包裹體的透明暈彩拉長石和無暗色包裹體的透明暈彩拉長石[1]。其中無色透明拉長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)對特定波長的光產(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、長石[3]、石榴石[4,5]、彩虹角閃石[6]等。目前對于斜長石的暈彩效應(yīng)成因尚無定論，主要有以下幾個觀點(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]。斜長石具有多種層狀結(jié)構(gòu)：解理、雙晶以及富鈉長石和富鈣長石的出溶層[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時才能產(chǎn)生干涉色[12]。

圖1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元層對光的薄膜干涉原理圖，a、b表示兩個不同的周期性重復(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產(chǎn)生周期性空間調(diào)制結(jié)構(gòu)時才能產(chǎn)生光柵式衍射，且結(jié)構(gòu)層無需達(dá)到可見光波長的范圍[18]。

本文基于前人研究，分析無色透明斜長石的礦物成分和結(jié)構(gòu)特征，同時根據(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，以期對無色透明斜長石的鑒別及其暈彩效應(yīng)成因提供理論依據(jù)。

1 測試方法

X射線粉晶衍射測試以具藍(lán)色暈彩和具綠色暈彩的斜長石為測試對象，實驗于中國地震局完成，儀器型號為德國BRUKER D8 Advance，測試條件為：Cu靶，40kV的管電壓，40mA的管電流，測試角度10°～70°，測試時間434s，采用連續(xù)掃描方式。

電子探針測試以具藍(lán)色暈彩的9號標(biāo)本為測試對象，實驗于中國地質(zhì)大學(xué)（北京）電子探針實驗室完成，測試設(shè)備為EPMA-1720型電子探針分析儀，測試條件：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家標(biāo)準(zhǔn)。

掃描電鏡測試以垂直暈彩面和平行暈彩面兩個方向的斜長石為測試對象，測試于中國地質(zhì)大學(xué)（北京）場發(fā)射掃描電鏡實驗室完成，儀器型號為ZEISS SUPRA 55型掃描儀。實驗條件：加速電壓10kV，室溫18℃，濕度70%。

透射電鏡測試選取了具有藍(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，測試在中國地質(zhì)大學(xué)（北京）透射電鏡室完成，儀器型號為H8100，加速電壓 200kV，傾轉(zhuǎn)角 Tilt < ±15°，AZH I< ±10°。

2 結(jié)果與討論

2.1 無色透明斜長石的基本寶石學(xué)特征

基本寶石學(xué)特征的觀察與測試在中國地質(zhì)大學(xué)（北京）寶石鑒定實驗室完成。本次研究標(biāo)本均為無色透明斜長石，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，與前人所測的無色透明拉長石的實驗數(shù)據(jù)接近[1]，均略低于標(biāo)準(zhǔn)拉長石的相關(guān)參數(shù)，高于月光石，因此可以根據(jù)折射率和相對密度與月光石區(qū)分，且無色透明斜長石的暈彩色較豐富，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）及暈彩顏色Fig.2 Samples (1、3、11、13) and their iridescence

表1 無色透明斜長石的基本寶石學(xué)特征測試結(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，推測其為黑云母包裹體；標(biāo)本9可見細(xì)長針狀出溶礦物在斜長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級灰白，根據(jù)其光性特征可確定出溶物為長石。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，計算求得其端元分子式為Ab51.84An46.04Or2.11，對斜長石進(jìn)行劃分時應(yīng)略去鉀長石Or組分不計，只計算鈉長石Ab與鈣長石An的比值[21]，因此標(biāo)本的端元分子式可以簡化為Ab52.96An47.04。根據(jù)An=47.04可知標(biāo)本為接近拉長石（An50～An60）的中長石，屬于An45～An62的博吉爾德連生區(qū)域[22]。因為標(biāo)本的An分子較標(biāo)準(zhǔn)拉長石偏低，導(dǎo)致其折射率與相對密度均低于標(biāo)準(zhǔn)拉長石。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，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)本的物相為鈣長石及鈉長石的類質(zhì)同相混晶，與電子探針的結(jié)果一致。

利用jade6.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算后得到其晶胞參數(shù)見表3。10號、13號標(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，通過掃描電鏡對標(biāo)本的表面進(jìn)行觀察，并測量層狀結(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)到可見光波長范圍內(nèi)，因而解理可能因光柵式衍射而對暈彩效應(yīng)產(chǎn)生一定的作用。

圖5 無色透明斜長石掃描電鏡圖像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

每個標(biāo)本選取10個連續(xù)平直均勻出溶條紋并用MeasurIT對不同顏色的出溶層厚度進(jìn)行測量，測量結(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)干涉色波長與出溶條紋厚度的關(guān)系式（2）[25]，計算出具綠色暈彩標(biāo)本干涉色波長理論值約為530nm，具藍(lán)色暈彩的干涉色波長理論值為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)對光產(chǎn)生薄膜干涉可導(dǎo)致斜長石的暈彩。

表4 不同暈彩色斜長石的出溶層厚度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)對暈彩色的影響較小。

（2）X射線粉晶衍射測得標(biāo)本為鈣長石及鈉長石的類質(zhì)同相混晶。電子探針測試表明標(biāo)本為中長石，由于鈣長石(An)含量較低，因而折射率、相對密度低于標(biāo)準(zhǔn)拉長石，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，不會發(fā)生薄膜干涉，但可以發(fā)生光柵式衍射而對暈彩效應(yīng)產(chǎn)生作用，斜長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)對光形成薄膜干涉而產(chǎn)生。

致謝：

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

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