一种深蓝色刚玉的致色成因初探

2013-06-13刘毅川郑辰

电子测试 2013年6期

刘毅川郑辰

（1.中国地质大学（武汉）430074；2.中国地质大学（武汉）研究生 430074）

0 前言

蓝刚玉是一种常见的中高档宝石，俗称蓝宝石，其独特、深邃的颜色，深受广大消费者的喜爱。蓝刚玉的致色机理是一个人们长期研究的问题。人工合成刚玉的研究表明，掺Fe的刚玉呈浅蓝绿色，只掺Ti的刚玉呈粉色，而同时掺Fe、Ti的刚玉呈鲜艳的蓝色[1]。汤紫薇等[2]采用紫外-可见光分光光度计和电子探针测试对马达加斯加蓝色蓝宝石的颜色特征进行了探讨，认为蓝色蓝宝石的颜色与Fe、Ti有关。本文利用粉晶衍射、电子探针、吸收光谱对两块深蓝色刚玉样品进行分析，旨在揭示其颜色成因与其矿物学特征之间的关系，为宝石优化处理提供新的思路。

1 材料及方法

1.1 样品介绍

本文研究样品据称产自泰国某地。两者均为刚玉原石，微透明，均呈现明显的铁染现象。其中，样品G-2较G-1颜色更深。

1.2 测试方法

X射线衍射分析测试在中国地质大学（武汉）地质与矿产资源国家重点实验室的荷兰帕纳科X’Pert Pro型X射线粉晶衍射仪上进行，入射光源为CuKα辐射，Ni片滤波，X光管工作电压为40 kV，电流为40 mA；光阑系统为DS=SS=1°；RS=0.3 mm。使用连续扫描方式，扫描速度为8°/min，2θ分辨率为0.02°。扫描范围为3°～64°，采用超能探测器。

刚玉的化学成分分析在中国地质大学（武汉）地质与矿产资源国家重点实验室的JXA-8100型电子探针显微分析系统上完成，测试电压15 Kv，电流为2.0×10-8A，分析误差为±1%，室温24℃，湿度 54%。

本次测试的吸收光谱于UV-1601型紫外-可见光分光光度计上完成，采用透射法，测试范围为300～900 nm，分辨率为0.5 nm。

2 结果分析

2.1 X射线粉晶衍射分析

X射线粉晶衍射分析结果表明（图1），深蓝色刚玉样品G-1和G-2主要矿物成分为刚玉，但其他矿物组分有所差别。G-1中主要含有刚玉、硬水铝石及勃姆石，G-2中不但含有以上3种矿物，还含有少量三水铝石和斜长石。刚玉的诊断衍射峰位主要为3.48 Å、2.55 Å、2.38 Å、2.08 Å、1.73 Å 及 1.60 Å，与 PDF/JCPDS卡片71-1123十分吻合；硬水铝石的特征峰主要有4.71 Å、3.98 Å、3.22 Å、2.55 Å、2.32 Å、2.13 Å、2.08 Å、1.82 Å 、1.71 Å、1.64 Å、1.57 Å、1.51 Å及1.48 Å等，与PDF/JCPDS卡片05-0355匹配性较好；勃姆石的典型衍射峰为6.11 Å/6.08Å、2.35 Å、1.96 Å及1.51 Å等，与PDF/JCPDS卡片21-1307十分一致；4.18 Å、3.09 Å两处衍射峰的出现，揭示标本G-2中可能含有三水铝石；3.27 Å处的出现较弱衍射峰，表明标本G-2还含有少量长石。以上分析表明，标本G-1中矿物组分较为简单，G-2中杂质含量相对较高，并且勃姆石的结晶程度有所差异，导致其诊断峰位有所差异。

2.2 紫外-可见光吸收光谱特征

从图2可以明显看出，深蓝色刚玉G-1和G-2紫外-可见光吸收峰位大体相似，仅吸收强度略有差异。两样品均在376、384及455 nm处出现尖锐的吸收峰，同时在500～600 nm及700～900 nm 间出现两个宽的吸收带。研究表明，376、384及455 nm处的吸收峰由Fe3+产生[3,4]，500～600 nm间的宽吸收带由Fe2+-Ti4+的电子迁移形成，而700～900 nm 间的宽吸收带由Fe2+-Fe3+间的电子迁移产生[5]。电子探针分析结果显示，G-2的全铁含量应稍高于G-1，但Fe2+和Fe3+含量及相对比例的变化在紫外-可见光图谱中并表现不明显。然而，可以清楚看出，样品G-2455 nm处的吸收峰、500～600 nm及700～900 nm 间的吸收带比G-1更加圆滑，可能与其中Ti4+、Fe2+及Fe3+含量比例不同有关，从而导致色调略有差别。样品G-2处455 nm吸收峰及700～900 nm 吸收带的面积比样品G-1对应吸收峰及吸收带略大，但500～600 nm 吸收带面积较G-1小，揭示样品G-2中Fe3+/ Fe2+可能高于样品G-1，直接导致其颜色较样品G-1深。

图1 刚玉的X 射线衍射分析图谱

图2 蓝刚玉的紫外-可见光吸收光谱特征

2.3 电子探针分析

电子探针分析结果表明(表1)，深蓝色样品G-1中主要含有Al、Ti及Fe元素，表明其主要由含铝的氧化物和氢氧化物组成，与X射线粉晶衍射的矿物组成分析结果相一致，Ti和Fe主要以类质同象的形式赋存在刚玉晶格中。然而，深蓝色样品G-2中不仅含有Al、Ti及Fe等元素，同时含有一定量的Si、Ca、Mn及Mg元素。Si和Ca可能以长石的形式与刚玉共生，Mg的出现表明样品中可能含有少量的水镁石，因其含量太低在X射线分析中未检测到，Mn可能也以类质同象的形式替代Al，赋存在刚玉晶格中。深蓝色刚玉G-1的T(Fe) /Ti值为22.1，G-2的T(Fe)/Ti值为24.6，稍高于样品G-1，Fe含量的增加可能是刚玉颜色变深的诱因之一，蓝色刚玉中Mn的出现也可能对其颜色深浅程度有一定的影响。