阿富汗潘杰希尔祖母绿的宝石学特征及颜色成因

游云，余晓艳，郭鸿舒

中国地质大学（北京）珠宝学院，北京 100083

1 引言

目前已知的祖母绿产地有49 个，遍布全球五大洲[1]，常见产地包括哥伦比亚、巴西、赞比亚、俄罗斯、巴基斯坦、中国、阿富汗等。产地特征不仅是影响祖母绿价值的重要因素，也为相关地质演变过程的研究及祖母绿的找矿提供线索，因此祖母绿产地特征的研究具有重要意义。随着祖母绿在国内市场的兴起，阿富汗祖母绿成为继哥伦比亚、赞比亚、巴西祖母绿之后，越来越受到国人青睐的又一高性价比祖母绿。本文通过对阿富汗潘杰希尔祖母绿的常规宝石学特征、光谱学特征和化学成分特征的研究，旨在为阿富汗祖母绿的产地鉴别提供参考依据。

1.1 阿富汗潘杰希尔祖母绿的地质背景

阿富汗潘杰希尔祖母绿矿区位于喀布尔(Kabul)东北方向约110km 处，海拔3～4km，开采条件恶劣，经营者多为阿富汗本土企业或个人，已开采的单晶体可重达190.5ct[2-4]。阿富汗祖母绿的形成与大陆缝合带有关，其矿床产出于潘杰希尔断层，该断层是西北部的古亚洲板块和东南部的辛梅利亚大陆的微型大陆板块间的一个主要断裂带[3]。阿富汗、巴基斯坦、印度、尼泊尔和缅甸被喜马拉雅山脉贯穿，Rossovskiy 和Konovalenko 认为这些区域为南亚“宝石伟晶岩带”的一部分，该带的形成可能与喜马拉雅山脉的造山事件有关[5]。阿富汗祖母绿常伴生黄铁矿，母岩由志留纪—泥盆纪的变质灰岩、钙质板岩、千枚岩和云母片岩组成，岩脉由石英和钠长岩组成。阿富汗祖母绿生长在置换或充填裂隙的矿脉中，脉的厚度可达15cm，矿脉常切割母岩[4]。阿富汗祖母绿内部典型的流体包裹体呈小锯齿状、拉长针状，内部常排列三个以上小子晶和气泡，小子晶为石盐或其他矿物。典型的晶质包裹体有黄铁矿、褐铁矿、绿柱石、碳酸盐矿物和长石等[6]。

潘杰希尔山谷是一条全长100 公里，宽10 余公里的东北—西南走向的山谷，位于兴都库什山南麓，谷底流淌着潘杰希尔河。潘杰希尔祖母绿矿区包括多个祖母绿矿床，其中Tawach 矿床（位于潘杰希尔山谷的西北方）与含电气石的白色花岗岩侵入蛇纹岩体有关，产生了发育较弱的含祖母绿的金云母反应带。估计形成温度在550℃左右[3]。而Khendj 矿床（位于潘杰希尔山谷的东南方）祖母绿产出于受强烈热液蚀变作用的变质片岩，区域分布呈裂隙网状不规则状，常与钠长石、白云母、黑云母、电气石及黄铁矿相伴。该矿区祖母绿流体包裹体含盐量很高，一定程度上与哥伦比亚祖母绿较相似，但是变质程度要更高。结晶温度约为400℃[3]。

1.2 样品测试和实验方法

本文选取10 粒（编号为36-1 至36-10）阿富汗潘杰希尔祖母绿为研究对象。样品颜色为鲜绿色、绿色到深绿色。在GI-MP22 宝石显微镜下拍摄的样品外观如图1 所示。本文所有实验均于中国地质大学（北京）珠宝学院宝石学实验教学中心完成。

图1 阿富汗潘杰希尔祖母绿的外观Fig.1 Appearance of Panjshir emerald in Afghanistan

通过日本岛津UV-3600 紫外—可见分光光度计，获得波长范围300～850nm 的紫外—可见光吸收光谱。工作电压220V，光源转换波长：310nm，检测单元：外置(双检测器)，检测器转换波长：830nm，光栅转换波长：720nm，扫描速度：中速，采样间隔：0.5s。

运用日本的EDX-7000 能量色散X 射线荧光光谱仪（EDXRF）进行无损测试，属于半定量分析，测试元素的范围在11Na-92U，工作电压220V，准直器1～3mm，使用厚为0.35μm 的Mylar 膜，测试环境为真空氛围。

2 结果与讨论

2.1 宝石学特征

潘杰希尔祖母绿样品的颜色非常浓郁，呈鲜绿色、绿色到深绿色，透明到半透明，多数样品透明度较高，晶体形状为短柱状到长柱状，长度在3～14mm，多数是单晶体，仅样品36-3 是平行连生的双晶体。通过GI-MP22 宝石显微镜拍摄祖母绿内外部特征如图2，并对样品进行常规宝石学测试，测试结果如下：查尔斯滤色镜下为鲜艳的红色，二色镜下二色性较明显，呈蓝绿色/绿色或黄绿色/绿色，通常颜色越深二色性越明显。10 个样品的折射率范围No=1.580～1.591，Ne=1.569～1.585，双折射率0.006～0.011；静水力学法测相对密度，每个样品测试6 次，相对密度范围在2.65～2.70，平均相对密度2.68。折射率和相对密度均在祖母绿的正常范围内。

潘杰希尔祖母绿晶体表面平行c 轴发育纵纹，垂直c 轴横截面呈六边形，部分样品横截面可见六边形色带，色带从内至外分为三层，第二层（中间层）为深绿色，另两层为浅绿色，横截面可见蚀坑和断口，断口泛油脂光泽（图2-a）。潘杰希尔祖母绿{001}方向发育一组解理，部分样品垂直c 轴方向可见平行分布的解理纹。样品的外部可见带有金属光泽的黑褐色和银灰色的围岩（图2-b）、褐黄色浸染物；内部有黑色片状和带金属光泽的银灰色固态包裹体（图2-d）、平行c 轴方向贯穿的褐黄色柱状固态包裹体；管状包裹体常见，形态多样，如平行排列短管状包裹体（图2-e）；还有透明柱状晶质包裹体、透明拉长的锯齿状流体包裹体和六方柱状负晶（图2-c、2-f）。

图2 阿富汗潘杰希尔祖母绿的包裹体特征Fig.2 The internal characteristics of Panjshir emerald in Afghanistan

通过Diamond ViewTM观察潘杰希尔祖母绿样品的紫外荧光特征，均发强红色荧光，部分样品在紫外荧光下可观察到特殊的生长结构和包裹体分布特征，如图3 所示，图3-a、3-c 为可见光下的图像，图3-b、3-d 为紫外荧光下的图像。样品36-2 在可见光下色带分布不清晰（图3-a），紫外荧光下可明显观察到从内到外的三层六边形生长环带（图3-b）；结合镜下观察，样品36-4 在可见光下内部可见褐黄色柱状包裹体（图3-c），紫外荧光下祖母绿发强红色荧光，透明柱状晶质包裹体发强黄色荧光，褐黄色柱状固态包裹体无荧光，均平行c 轴分布（图3-d）。

图3 Diamond ViewTM 下可见光（a, c）和紫外荧光特征（b, d）Fig.3 Visible light (a, c) and ultraviolet fluorescence characteristics (b, d) in Diamond ViewTM

2.2 紫外—可见光吸收光谱特征

祖母绿是由Cr 和/或V 致色的绿色绿柱石[8]。本文对所有样品进行测试，对阿富汗潘杰希尔祖母绿的颜色成因进行分析。各个样品在300～850nm 内的紫外—可见光吸收光谱的峰位及归属见表1，选择颜色深浅不同的样品的典型光谱，将测试结果按颜色鲜绿色、绿色、深绿色由上往下依次加深的顺序绘成图4，便于对比分析其颜色特征与离子特征吸收间的关系。

由表1 可知，阿富汗潘杰希尔祖母绿样品的紫外—可见光吸收光谱的主要吸收峰位于371nm、428nm、606nm、635nm、681nm 和813nm， 其 中371nm 吸收峰只出现在深绿色祖母绿（图4 的36-2）的谱图中，其他吸收峰在所有样品的谱图中均出现。据Wood &Nassau[9]研究显示，紫区（约为320nm）和长波紫外（约为370nm）处的吸收窄带，是Fe3+吸收的结果；700～900nm 内的吸收带是由Fe2+占据不同的晶格位置导致。因此371nm 附近的吸收窄带与Fe3+有关，其吸收强度较低；813nm 附近弱的宽吸收带是Fe2+作用的结果。如图4 所示，Fe2+吸收峰在鲜绿色、绿色祖母绿（图4 中36-8、36-1）的谱图中均较弱，而在深绿色祖母绿（图4 中36-2）的谱图中较强。说明铁元素明显影响着绿色的深浅程度，颜色越深，铁的特征吸收越明显。

表1 阿富汗潘杰希尔祖母绿的紫外—可见光吸收光谱峰位及归属Table 1 Peaks location and attribution of UV-Vis absorption spectra of Panjshir emerald in Afghanistan

据Wood &Nassau 和梁婷[9,10]，Cr3+和V3+两者的吸收峰均出现在紫区附近（420nm 左右）和橙红区附近（620nm 左右），Cr3+的吸收峰位较V3+偏向短波方向约10～15nm。此外，Cr3+在橙红区的吸收强度略大，而V3+在紫区的吸收强度略大。如图4所示，36-1、36-2 和36-8 的橙红区和紫区附近的吸收带强度均接近，故428nm 和606nm 处是Cr3+和V3+共同作用产生的吸收峰，635nm、681nm 处的肩峰为Cr3+的特征吸收峰。谱图中最主要的吸收峰为Cr3+和V3+共同作用的428nm、606nm 吸收峰，因此Cr3+和V3+是潘杰希尔祖母绿的主要致色离子。

据梁婷[10]，Cr3+和V3+均使祖母绿呈现绿色，但二者含量的差异会影响两者吸收峰的强度和频率，当V3+含量与Cr3+含量相近或略低于Cr3+含量时（Cr3+颜色吸收系数较大），蓝紫区的吸收与橙红区的吸收相当，祖母绿的颜色表现为绿色或深绿色，结合图4，可认为阿富汗祖母绿颜色以绿色为主色调。

图4 阿富汗潘杰希尔祖母绿紫外—可见光吸收光谱Fig.4 UV-Vis absorption spectra of Panjshir emeralds in Afghanistan

将阿富汗祖母绿的紫外—可见光吸收光谱与赞比亚、巴基斯坦和云南祖母绿进行对比，四个产地均为Cr3+和V3+共同致色，前三个产地以Cr3+为主，而云南祖母绿V3+特征吸收明显强于其他产地，是富钒祖母绿。可见紫外—可见光吸收光谱可以作为区别富铬和富钒祖母绿的重要依据[12-14]。

2.3 X射线荧光光谱特征

EDXRF 测试结果列于表2，测试结果均为元素含量但是以元素氧化物的形式呈现，由于仪器不能区分铁元素价态，故以FeO 表示全铁含量。阿富汗潘杰希尔祖母绿中Cr2O3、V2O3、FeO 含量范围分别为0.17～1.36wt.%，0.14～0.47wt.%，0.19～2.60wt.%。结合前面光谱学分析和表2 中的测试结果，Cr、V、Fe 是影响阿富汗祖母绿颜色的主要致色元素。以15粒尼日利亚、坦桑尼亚、哥伦比亚三个产地的祖母绿EDXRF 测试数据作对比绘制图5，分析不同产地三种元素的占比特点。

表2 阿富汗潘杰希尔祖母绿的EDXRF测试数据表（wt.%）Table 2 EDXRF test data table of Panjshir emerald in Afghanistan (wt.%)

如图5 所示，阿富汗祖母绿多分布于三角图的中部和中上部，与尼日利亚、坦桑尼亚祖母绿相比铁元素占比明显偏低，与部分哥伦比亚祖母绿较为接近。尼日利亚和坦桑尼亚祖母绿集中分布在三角图的上顶角，其铁含量占比较高，其次为Cr，而V占比较低。哥伦比亚祖母绿部分点分布在三角投图的上顶角，大多数分布在中上部，与阿富汗祖母绿在致色元素组成占比上较为接近，二者颜色特征有一定共性。综上，较尼日利亚、坦桑尼亚、哥伦比亚祖母绿，阿富汗祖母绿Fe 含量较低。

图5 各产地祖母绿FeO-Cr2O3-V2O3（wt.%）三角图（数据: [11- 14])Fig.5 Triangle diagram of emerald FeO-Cr2O3-V2O3（wt.%）from different producing areas（data: [11-14]）

根据测试数据计算Cr/V 的具体数值制作表3，除样品36-4、36-5 和36-7 的Cr/V 小于1 外，其他样品的Cr/V数值均大于1，铬钒比率范围在0.68～6.90（均值为2.09，中值为1.36）。结合颜色特点，Cr/V 小于1 的样品36-4、36-5 均为较鲜艳的绿色，且透明度高，样品36-7 由于受杂质浸染颜色加深，但是本身透明度较高。而多数Cr/V 大于1 的样品呈深绿色，祖母绿的铁含量是相对较高的，且随着铁含量增加颜色明显变暗，如样品36-2 和样品36-6。因此阿富汗祖母绿中Cr/V 大于1 占多数，且Fe 含量越高，颜色越暗，当Cr/V 小于1 时颜色则较为鲜艳。

表3 阿富汗潘杰希尔祖母绿的铬钒比率、FeO含量及颜色Table 3 Cr/V ratio, FeO content and color of Panjshir emerald in Afghanistan

3 结论

阿富汗潘杰希尔祖母绿的颜色主要呈鲜绿色、绿色到深绿色，相对密度为2.65～2.70（平均值为2.68），内部可见黑色片状和银灰色固态包裹体，透明柱状晶质包裹体，管状包裹体丰富，常见透明拉长的锯齿状流体包裹体和六方柱状负晶。

阿富汗潘杰希尔祖母绿的紫外—可见光吸收光谱的主要吸收峰有只出现在深绿色祖母绿谱图中的371nm 吸收峰（Fe3+特征吸收）、所有祖母绿谱图中均出现的813nm 吸收峰（Fe2+特征吸收），Cr3+和V3+共同作用的428nm、606nm 吸收峰，以及与Cr3+相关的635nm、681nm 吸收峰。致色离子为Cr3+和V3+，铁元素明显影响着绿色的深浅程度，颜色越深，与铁元素相关的特征吸收越明显。

阿富汗潘杰希尔祖母绿中Cr2O3、V2O3、FeO含量范围分别为0.17～1.36wt.%，0.14～0.47wt.%，0.19～2.60wt.%。Cr/V 比值大于1 占多数，且Fe 含量越高，颜色越暗，当Cr/V 小于1 时颜色则较为鲜艳。较尼日利亚、坦桑尼亚和哥伦比亚的祖母绿，阿富汗祖母绿属于Fe 含量较低型祖母绿，其紫外—可见光吸收光谱中铁的特征吸收较弱。

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