无色透明斜长石的基本特征及晕彩成因研究

程仁平，郭颖

中国地质大学（北京）珠宝学院，北京 100083

研究背景

长石是地壳中分布最广泛的矿物之一，可分为碱性长石和斜长石，其中斜长石常常具有晕彩，也称为晕彩斜长石。晕彩斜长石可分为晕彩钠长石和晕彩拉长石，晕彩拉长石可进一步分为三类：不透明的晕彩拉长石、有暗色包裹体的透明晕彩拉长石和无暗色包裹体的透明晕彩拉长石[1]。其中无色透明拉长石外观与月光石相似，且不易与月光石区别。

晕彩效应是一种由晶体内部周期性结构对特定波长的光产生衍射或薄膜干涉所造成的特殊光学现象[2]，具有晕彩效应的宝石种类有很多：珍珠、鲍鱼贝、长石[3]、石榴石[4,5]、彩虹角闪石[6]等。目前对于斜长石的晕彩效应成因尚无定论，主要有以下几个观点：①晕彩与内部针状、板状磁铁矿包裹体有关[7,8]；②晕彩与内部双晶薄层对可见光的干涉有关[9]；③晕彩效应是由晶体内部近于平行的出溶层对可见光的干涉所致[10, 11]。

根据光的薄膜干涉条件可知，宝石内部结构单元层的折射率需要存在差异，且层间厚度应在一定范围内才可以产生干涉色，结构层单元厚度d需满足公式（1）[12]。斜长石具有多种层状结构：解理、双晶以及富钠长石和富钙长石的出溶层[13,14]，其中出溶层由于成分不同，折射率具有略微差异，当内部结构单元层厚度（d）为128～252nm时才能产生干涉色[12]。

图1 内部结构单元层对光的薄膜干涉原理图，a、b表示两个不同的周期性重复排列的平板干涉层，da、db分别表示a、b两层的厚度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

光栅式衍射也可以使宝石产生晕彩效应，如“彩虹”赤铁矿[15]、珍珠[16,17]等，斜长石中可以产生光栅式衍射的结构主要有：包裹体、表面解理等。当宝石内部的结构层排列规则、边缘狭窄，能使入射光的位相或振幅或两者同时产生周期性空间调制结构时才能产生光栅式衍射，且结构层无需达到可见光波长的范围[18]。

本文基于前人研究，分析无色透明斜长石的矿物成分和结构特征，同时根据光的薄膜干涉以及光栅衍射原理，探讨其晕彩效应成因，以期对无色透明斜长石的鉴别及其晕彩效应成因提供理论依据。

1 测试方法

X射线粉晶衍射测试以具蓝色晕彩和具绿色晕彩的斜长石为测试对象，实验于中国地震局完成，仪器型号为德国BRUKER D8 Advance，测试条件为：Cu靶，40kV的管电压，40mA的管电流，测试角度10°～70°，测试时间434s，采用连续扫描方式。

电子探针测试以具蓝色晕彩的9号标本为测试对象，实验于中国地质大学（北京）电子探针实验室完成，测试设备为EPMA-1720型电子探针分析仪，测试条件：电流1×10-8A，加速电压20kV，束斑直径5μm，温度22℃，标样符合多种元素矿物的国家标准。

扫描电镜测试以垂直晕彩面和平行晕彩面两个方向的斜长石为测试对象，测试于中国地质大学（北京）场发射扫描电镜实验室完成，仪器型号为ZEISS SUPRA 55型扫描仪。实验条件：加速电压10kV，室温18℃，湿度70%。

透射电镜测试选取了具有蓝色晕彩和绿色晕彩的两块标本，垂直晕彩方向的样品经离子减薄后再进行喷碳处理，最后置于透射电镜下观察，测试在中国地质大学（北京）透射电镜室完成，仪器型号为H8100，加速电压 200kV，倾转角 Tilt < ±15°，AZH I< ±10°。

2 结果与讨论

2.1 无色透明斜长石的基本宝石学特征

基本宝石学特征的观察与测试在中国地质大学（北京）宝石鉴定实验室完成。本次研究标本均为无色透明斜长石，表面玻璃光泽至油脂光泽，其中10颗为素面裸石，3颗为未经加工的原石，均具有绿蓝色、蓝色、蓝紫色晕彩，聚片双晶及解理发育，内部干净无明显包裹体，因而可排除针状、片状磁铁矿包裹体对光的衍射而形成干涉色的可能。标本的折射率为1.54～1.55，密度为2.64～2.69g/cm3，与前人所测的无色透明拉长石的实验数据接近[1]，均略低于标准拉长石的相关参数，高于月光石，因此可以根据折射率和相对密度与月光石区分，且无色透明斜长石的晕彩色较丰富，与月光石的由瑞利散射导致的均匀蓝色月光效应有区别[19]。标本在长波紫外光（LW）下均有不同强度的蓝紫色荧光，短波紫外光（SW）下有弱的荧光或无荧光。

图2 样品（1、3、11、13号）及晕彩颜色Fig.2 Samples (1、3、11、13) and their iridescence

表1 无色透明斜长石的基本宝石学特征测试结果Table 1 Results of basic gemological characteristics of colorless and transparent plagioclase

续 表1Continued Table 1

无色透明斜长石在偏光显微镜下的照片见图3。标本在单偏光下呈无色透明，正低突起，可见一组平行解理，其中标本12可见叶片状褐色包裹体，具一组极完全解理，平行消光，正中突起，正交偏光下旋转一周呈四明四暗，推测其为黑云母包裹体；标本9可见细长针状出溶矿物在斜长石主体中呈定向分布，出溶矿物在单偏光下呈无色透明，负低突起，在正交偏光下，干涉色为I级灰白，根据其光性特征可确定出溶物为长石。平行晕彩面方向不见双晶纹，垂直晕彩面方向上双晶发育，双晶厚度约为10～300μm，远超出内部结构单元层产生可见光干涉色所需的128～252nm厚度范围，因而薄片中所见的聚片双晶并非产生晕彩的原因。

图3 标本的显微结构照片Fig.3 Photos of samples under polarizing microscope

2.2 无色透明斜长石的化学成分分析

2.2.1 电子探针分析

标本的电子探针分析结果见表2，计算求得其端元分子式为Ab51.84An46.04Or2.11，对斜长石进行划分时应略去钾长石Or组分不计，只计算钠长石Ab与钙长石An的比值[21]，因此标本的端元分子式可以简化为Ab52.96An47.04。根据An=47.04可知标本为接近拉长石（An50～An60）的中长石，属于An45～An62的博吉尔德连生区域[22]。因为标本的An分子较标准拉长石偏低，导致其折射率与相对密度均低于标准拉长石。另外，结果中0.39%的K2O可能与围岩中存在大量黑云母有关[23]。

表2 斜长石电子探针分析结果（ωB/%）Table 2 Electron microprobe analyses results of plagioclase

2.2.2 X射线粉晶衍射分析

拉长石的特殊光学效应可能与其晶体结构有关[9]，因此，本次研究通过X射线粉晶衍射分析，确定无色透明斜长石的物相并探讨其晕彩效应与晶体结构的相关性。

标本的X射线粉晶衍射图谱见图4。两种不同晕彩色的斜长石的衍射峰位置及d值几乎一致，标本10的d值（主要谱线）是3.1728Å、3.1980Å、4.0283Å、3.6424Å；最强峰2θ为28.101°，对应的晶面指数为（002），最强峰面间距为3.1728Å。标本13的d值是3.1798Å、3.1461Å、4.0141Å、3.6513Å；最强峰2θ为28.038°，对应的晶面指数为（002），最强峰面间距为3.1798Å。通过与标准卡片（ICSD No41-1480，((Na,Ca)Al(Si,Al)3O8)的衍射图谱比对，标本的d值与标准卡片d值（3.1817Å、3.1973Å、4.0314Å、3.6537Å）接近。由此可知，标本的物相为钙长石及钠长石的类质同相混晶，与电子探针的结果一致。

利用jade6.0软件对实验数据进行计算后得到其晶胞参数见表3。10号、13号标本的晶胞参数相差甚微，且与标准卡片及其他晕彩色样品的晶胞参数数据[20]十分相近。由此说明无色透明斜长石的晕彩色与其晶胞参数无关。

表3 不同晕彩色的无色透明斜长石晶胞参数Table 3 Cell parameters of colorless and transparent plagioclase with different iridescence colors

续 表3Continued Table 3

图4 具有不同晕彩色的无色透明斜长石的X射线粉晶衍射图谱Fig.4 X-ray diffraction spectra of colorless and transparent plagioclase with different iridescence colors

2.3 无色透明拉长石的结构特征分析

2.3.1 扫描电镜分析

由于晶体表面的层状结构也可以导致晕彩效应，如晕彩石榴石[24]、珍珠[16,17]、鲍贝壳，鉴于此，通过扫描电镜对标本的表面进行观察，并测量层状结构厚度以判断表面结构是否可以产生晕彩，测试结果见图5。在垂直晕彩面上，被切磨的晶体表面可见两组完全解理和不规律的层状结构，且层状边缘有毛毡状的纹理；放大至1800倍，可见两组近直角相交的完全解理，解理厚度约为1～4μm。在平行晕彩面上，标本表面可见一组完全解理，局部出现一些平行纹理，与解理夹角约为64°，厚度约为200nm。由于垂直晕彩方向上的解理厚度约为1～4μm，远超过因干涉产生晕彩的薄膜厚度范围（128～252nm），故排除因光在解理处产生薄膜干涉而形成晕彩的可能。但根据形成光栅式衍射的要求可知，宝石结构层的厚度无需达到可见光波长范围内，因而解理可能因光栅式衍射而对晕彩效应产生一定的作用。

图5 无色透明斜长石扫描电镜图像Fig.5 SEM photos of colorless and transparent plagioclase

2.3.2 透射电镜分析

前人研究表明，“彩虹”角闪石紫蓝色晕彩与内部平均间距为124～133nm的出溶周期片层有关[5]。斜长石的内部也存在出溶结构层，为探究晕彩的颜色是否与出溶条纹厚度之间存在联系，本文选取两个分别具有蓝色和绿色晕彩的标本进行透射电镜观察。由图6可知，具蓝色晕彩的标本出溶层结构总体呈明暗相间的平行层状条纹产出，局部呈颗粒圆球状，明暗条纹边界清晰，条纹厚度不均、弯曲变形；而具绿色晕彩色标本明暗条纹更均匀，但边界较为模糊，条纹基本平直且均一发展，偶有分叉交汇，局部可见细小针状包裹体。

图6 不同晕彩色标本的透射电镜图片Fig.6 TEM pictures of plagioclase with different iridescence

每个标本选取10个连续平直均匀出溶条纹并用MeasurIT对不同颜色的出溶层厚度进行测量，测量结果见表4，其中a代表明条纹厚度，b代表暗条纹厚度。结果表明，晕彩色不同，无色透明斜长石出溶条纹的厚度也不同。具蓝色晕彩的标本出溶层平均厚度为164.772nm，暗条纹与明条纹平均厚度之比为2.187；具绿色晕彩的标本的出溶层平均厚度为184.773nm，暗条纹与明条纹平均厚度之比为2.045。标本的出溶层厚度均介于128～252nm之间，符合可见光产生薄膜干涉的条件范围。根据干涉色波长与出溶条纹厚度的关系式（2）[25]，计算出具绿色晕彩标本干涉色波长理论值约为530nm，具蓝色晕彩的干涉色波长理论值为468nm，理论值均与标本晕彩色相符。由此可知，内部出溶的层状结构对光产生薄膜干涉可导致斜长石的晕彩。

表4 不同晕彩色斜长石的出溶层厚度Table 4 Thickness of exsolution layer of different iridescence color plagioclase

3 结论

（1）研究所用的无色透明斜长石具有多种晕彩色，聚片双晶和解理发育，显微镜下观察无针状磁铁矿包裹体，且所测的聚片双晶厚度远超出内部结构单元层产生可见光干涉色所需的128～252nm厚度范围，因而包裹体和双晶结构对晕彩色的影响较小。

（2）X射线粉晶衍射测得标本为钙长石及钠长石的类质同相混晶。电子探针测试表明标本为中长石，由于钙长石(An)含量较低，因而折射率、相对密度低于标准拉长石，高于月光石，可以通过折射率以及内部特征区别于月光石。

（3）斜长石晕彩色与其晶胞参数无关。其解理厚度约为1～4μm，不会发生薄膜干涉，但可以发生光栅式衍射而对晕彩效应产生作用，斜长石晕彩的颜色与出溶条纹厚度之间存在联系，晕彩可由于内部出溶的层状结构对光形成薄膜干涉而产生。

致谢：

实验过程中得到了中国地质大学（北京）珠宝学院郭庆丰老师以及中国地质大学（北京）透射电镜实验室韩勇老师的悉心帮助，在此深表感谢。

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