张家口及蛟河天然橄榄石的振动光谱研究

2022-04-24陶隆凤苏慧慧郝楠楠金翠玲

河北地质大学学报 2022年2期

陶隆凤,苏慧慧,郝楠楠,金翠玲

1.河北地质大学宝石与材料学院,河北石家庄 050031; 2.华北理工大学矿业工程学院,河北唐山 063210

0 引言

橄榄石属于典型的岛状硅酸盐矿物,特征的橄榄绿色。世界上产出橄榄石的国家很多,主要有缅甸、美国夏威夷、澳大利亚等国,中国也是重要产地之一[1,2]。学者们主要围绕橄榄石宝石学及地质成因[3,4]等方面进行研究,而对于两地橄榄石的振动光谱特征缺少系统的对比研究。如阮维迪[5]、秦晴[6]、古谷[7]等人从宝石学、矿物学和化学成分等方面进行了研究,认为不同产地橄榄石的外观特征和常规宝石学参数基本相似,其中巴基斯坦橄榄石的双折射率(DR) 及相对密度(SG) 略大于吉林和缅甸橄榄石;内部特征存在差异,吉林橄榄石常见睡莲叶状、云雾状以及暗色矿物包裹体,缅甸橄榄石主要以暗色矿物、纱幔状包裹体为主,而巴基斯坦橄榄石内部通常比较干净,偶尔可见愈合裂隙以及独特的针状矿物包裹体[8-12]。目前,未见张家口和蛟河两地橄榄石的振动光谱研究,这不仅对两地橄榄石的产地鉴别产生了一定的影响,也限制了其商业价值的评估。因此,本文选择了红外光谱(FTIR)、拉曼光谱和紫外—可见光谱(UV-Vis) 对其振动谱峰进行了详细的而研究,以期为两地的橄榄石鉴别提供科学的数据。

1 实验部分

1.1 实验样品

样品总共8 件原石(图1),其中4 件产自张家口大麻坪矿区,编号为Z-1、Z-2、Z-3、Z-4,4 件产自吉林蛟河敦化矿区,编号为J-1、J-2、J-3、J-4。8 粒样品均为粒状,颜色均呈深浅不一的黄绿色,其中张家口大麻坪样品的颜色偏绿,而吉林蛟河样品颜色偏黄,玻璃光泽,断口处为油脂光泽,透明,内部较干净,具有中等强度的三色性。其中,样品J-1 可见暗黄色矿物包体,Z-3 内部可见黑色矿物包裹体。蛟河橄榄石的折射率为1.661～1.685,双折射率为0.018～0.024,相对密度为3.45;张家口的折射率为1.652～1.685,双折射率为0.019～0.026,相对密度为3.32。

图1 橄榄石的样品图Fig.1 Peridot samples examined in this study

1.2 测试仪器

吉林蛟河敦化与张家口大麻平两地橄榄石的振动光谱主要采用Nicolet iS5 红外光谱仪、DM 2700 M Ren RL/TL 拉曼光谱仪和GEM-3000-B0037 型紫外—可见光光谱仪来完成。其中,红外光谱实验的测试条件为:采用反射法测试,分辨率为16 cm-1,扫描次数为32 次,测试范围为4 000～400 cm-1,拉曼光谱选择波长785 nm,测试范围为100～2 000 cm-1,曝光时间10 s,叠加2 次,紫外—可见光谱的测试波段为200～1 000 nm。

2 结果与讨论

2.1 两地橄榄石的红外振动光谱特征

橄榄石为岛状硅酸盐矿物,其硅氧骨干为孤立的硅氧四面体[SiO4],氧离子以近似六方最紧密堆积方式堆积,硅离子填充四面体空隙,阳离子(Fe2+、Mg2+) 则填充八面体空隙,连接硅氧四面体[13]。橄榄石的标准红外光谱主要集中在1 100 cm-1～400 cm-1之间,在1 060 cm-1、980 cm-1、906 cm-1、630 cm-1、525 cm-1、424 cm-1附近出现吸收峰。选取样品J-1、J-2、Z-1 和Z-2 进行红外光谱测试,具体吸收位置见图2。结果显示,两地橄榄石的红外光谱与标准图谱基本一致,均在1 060 cm-1、980 cm-1、912 cm-1、633 cm-1、543 cm-1、426 cm-1附近有明显吸收。其中,吉林蛟河的橄榄石样品在980 cm-1处的吸收较弱,张家口的橄榄石样品在426 cm-1处的吸收峰强于吉林。两地橄榄石的红外振动光谱在1 060 cm-1、980 cm-1、912 cm-1三处的吸收强吸收主要是由Si-O-Si 对称伸缩内振动引起;633 cm-1、543 cm-1附近的中强吸收归属于Si-O 伸缩内振动;426 cm-1附近的弱吸收是由内振动和外振动耦合共同作用导致[13]。

图2 橄榄石的红外光谱图Fig.2 FTIR spectra of peridot samples

2.2 两地橄榄石的拉曼光谱特征

两地橄榄石的拉曼光谱主要集中在100～400 cm-1、400～700 cm-1和700～1 050 cm-1三个范围内。图谱显示两地橄榄石主要在303 cm-1、430 cm-1、603 cm-1、824 cm-1、857 cm-1和960 cm-1附近有吸收峰。其中824 cm-1和857 cm-1为强吸收,603 cm-1和960 cm-1为弱吸收,两个产地的橄榄石主峰位置基本一致,但河北张家口的吸收峰能量更高。两地橄榄石的主要特征拉曼位移归因于其硅氧四面体为单位的旋转、平移运动和晶格中八面体阳离子的平移运动造成的。其中430 cm-1和603 cm-1附近的吸收归属于Si-O弯曲振动;824 cm-1和857 cm-1附近的吸收主要是由Si-O 对称伸缩振动和反向伸缩振动共同作用所致,960 cm-1归属于Si-O 反向伸缩振动[14-18]。

图3 橄榄石样品的拉曼光谱图Fig.3 Raman spectroscopy of peridot samples

2.3 两地橄榄石的紫外吸收光谱

4 粒橄榄石的紫外吸收光谱基本一致(图4),主要显示4 个强吸收带,具体吸收带在蓝区450 nm、470 nm 和490 nm 附近,样品均显示635 nm 处的强吸,张家口大麻平的橄榄石在450 nm 的吸收弱于吉林蛟河,这4 个吸收带都与橄榄石的致色元素Fe有关[15]。

样品在490 nm 处,主要吸收绿蓝光,而绿蓝色光吸收的补色则正好为橙色[15];635 nm 处吸收的位置是由Fe2+—Ti4+的电荷转移产生[16],635 nm 处主要吸收橙色光,而橙色光吸收的补色为绿蓝色。张家口大麻平的橄榄石在635 nm 的吸收强于吉林蛟河橄榄石,前人研究认为635 nm 的吸收强度与橄榄石的主色调蓝绿色呈正相关,这与手编本中前者色调偏绿色,后者色调偏黄色相吻合[15-18]。