四川石棉礦區(qū)軟玉的巖石礦物學(xué)及掃描電鏡研究

許耀先，盧保奇*，亓利劍

（1. 上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444；2. 同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092）

四川石棉礦區(qū)軟玉的巖石礦物學(xué)及掃描電鏡研究

許耀先1，盧保奇1*，亓利劍2

（1. 上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444；2. 同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092）

對(duì)四川石棉礦中的軟玉進(jìn)行了電子探針?lè)治?、X射線粉晶衍射分析、拉曼光譜分析及掃描電鏡分析研究。結(jié)果表明其主要由透閃石組成，其中Mg/(Mg+Fe)≥0.88～0.91，并呈現(xiàn)典型的透閃石晶體的拉曼譜圖。計(jì)算的晶胞參數(shù)為：a0=0.984～0.985nm，b0=1.780～1.782nm，c0=0.527～0.528nm，β=106.13?～106.35?。四川軟玉的貓眼效應(yīng)由其內(nèi)部顯微纖維狀的透閃石晶體而產(chǎn)生，透閃石纖維相互穿插絞合是玉石表現(xiàn)出高韌性和較強(qiáng)抗斷裂性能的主要因素。

巖石礦物學(xué)；透閃石晶體；軟玉；貓眼效應(yīng)；顯微結(jié)構(gòu)

近幾年在我國(guó)四川省蛇紋石石棉礦中發(fā)現(xiàn)的軟玉質(zhì)地溫潤(rùn)堅(jiān)韌[1]，經(jīng)琢磨后“貓眼”鮮活（圖1）。貓眼軟玉是指具有貓眼效應(yīng)的軟玉[2]，是軟玉中的珍品。除我國(guó)臺(tái)灣省花蓮縣所產(chǎn)的“臺(tái)灣玉”、加拿大安大略省和緬甸所產(chǎn)的綠色軟玉具有貓眼效應(yīng)外[3]，尚未見(jiàn)其它報(bào)道。本文利用電子探針?lè)治觯‥PMA）、X射線粉晶衍射分析（XRD）、拉曼光譜分析（Raman）等對(duì)四川軟玉進(jìn)行研究，以確定其成分特征；利用掃描電子顯微鏡（SEM）分析軟玉的顯微形貌特征以及貓眼效應(yīng)的形成機(jī)理，并對(duì)玉石的韌性進(jìn)行討論。

圖1 四川軟玉原石和成品Fig.1 The rough and finished product of nephrite from Sichuan

1 礦區(qū)地質(zhì)背景

四川蛇紋石石棉礦區(qū)所處大地構(gòu)造屬“康滇地軸”北段，出露地層主要有太古界康定雜巖、中元古界峨邊群沉積及巖漿巖組合、震旦系蘇雄組及開(kāi)建橋組火山巖建造和澄江期花崗巖。礦區(qū)構(gòu)造以南埡河斷裂為主，走向NW320?～330?。軟玉礦體呈透鏡狀、團(tuán)塊狀賦存于峨邊群超基性巖體—蛇紋石化橄欖巖內(nèi)，該巖體呈北東向延伸，長(zhǎng)約7.5km。由于被南埡河斷裂切割，因此形成相距8km的南北兩個(gè)礦區(qū)（圖2）。區(qū)內(nèi)次級(jí)斷裂構(gòu)造發(fā)育，它們控制了軟玉礦體的形成和分布[4,5]。

2 軟玉巖石礦物學(xué)特征

2.1 電子探針成分分析

圖2 四川石棉礦南北礦區(qū)橫剖面地質(zhì)圖（據(jù)四川省區(qū)測(cè)隊(duì),1984）Fig. 2 The geological transverse section of asbestos diggings in Sichuan

選取采自四川蛇紋石石棉礦區(qū)的代表性樣品進(jìn)行EPMA成分測(cè)試，結(jié)果顯示，四川軟玉的主要成分為SiO2、MgO和CaO。其中，SiO2為56.85%～57.27%，平均57.11%；MgO為21.61%～22.99%，平均22.23%；CaO為12.29%～13.13%，平均12.76%（表1）。Mg/(Mg+Fe)均≥0.88～0.91，屬透閃石系列[6]。

表1 四川軟玉的電子探針?lè)治鼋Y(jié)果(%)Table 1 Analysis results of EPMA of the nephrite from Sichuan (wt%)

2.2 X射線粉晶衍射分析

儀器型號(hào)：日本RIGAKU Dmax/3B。測(cè)試條件：Cu靶，Ni濾波片，管壓30V，管流30A，掃描速度4?/min。圖3顯示，室溫下2個(gè)樣品的粉晶衍射圖譜非常相似，且與標(biāo)準(zhǔn)透閃石的衍射譜線基本一致[6]，表明四川貓眼軟玉主要由透閃石組成。同時(shí)計(jì)算出樣品的晶胞參數(shù)并與透閃石理論值相對(duì)比，結(jié)果顯示計(jì)算值與理論值較好吻合（表2）。

圖3 四川軟玉的X粉晶衍射圖譜（測(cè)試單位:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)分析中心）Fig.3 XRD patterns of nephrite from Sichuan

表2 四川軟玉的晶胞參數(shù)Table 2 Lattice parameters of the nephrite from Sichuan

2.3 拉曼光譜分析

儀器型號(hào)：傅里葉變換紅外光譜儀（美國(guó)，Nicolet-750）。測(cè)試條件：KBr壓片法，掃描波數(shù)范圍400～4000cm-1，掃描次數(shù)為32次。圖4顯示，測(cè)試樣品的紅外吸收頻率主要出現(xiàn)在3600～3700、960～1100和400～700cm-1范圍內(nèi)。室溫下四個(gè)樣品的圖譜基本相似，且與透閃石的標(biāo)準(zhǔn)紅外譜非常相似[7,8]，表明樣品由較純的透閃石組成。這與粉晶衍射結(jié)果相吻合。

3 軟玉的掃描電鏡和顯微形貌特征

測(cè)試儀器型號(hào)為日本日立公司的S-3500N型掃描電鏡。加速電壓為25kV，圖像分辨率為15nm，室溫20℃。

圖5(a,b)為樣品St-74平行纖維方向自然敲口斷面的微觀形貌。該樣品在偏光顯微鏡下為顯微纖維變晶結(jié)構(gòu)?？梢郧宄乜闯?，透閃石纖維細(xì)長(zhǎng)，纖維寬度＜1μm，纖維彼此相互穿插交錯(cuò)，緊密結(jié)合，大致沿纖維方向定向排列。這種特殊的穿插交錯(cuò)結(jié)構(gòu)使透閃石纖維之間產(chǎn)生了一種機(jī)械結(jié)合力或絞合力[9]。當(dāng)受外力作用時(shí)，互相穿插絞合著的透閃石所組成的軟玉形成斷裂面時(shí)需要破壞各種力而拔出，這種纖維間的機(jī)械結(jié)合力的存在加大了每一個(gè)面斷裂所需的能量，也即增強(qiáng)了軟玉的韌度。

圖4 四川軟玉的拉曼光譜Fig.4 Raman patterns of nephrite from Sichuang

圖5(c,d)為樣品St-41垂直于纖維方向自然敲口斷面的微觀形貌。可以看出，透閃石纖維聚集成束狀或捆狀致密結(jié)合。斷裂呈階梯狀，斷裂面較尖銳，有較多纖維拔出。這可歸因于透閃石顆粒具有較弱的晶界強(qiáng)度，這種斷裂應(yīng)屬穿晶斷裂[10]。同時(shí)由于拔出作用不可避免地導(dǎo)致無(wú)數(shù)次級(jí)裂紋的產(chǎn)生，斷裂面積的增大，斷裂沿各個(gè)方向的延伸，將進(jìn)一步消耗更多的能量，因此斷裂所需的外加應(yīng)力應(yīng)加大，表現(xiàn)在宏觀上則為軟玉貓眼韌性較大，不易斷裂。

4 貓眼效應(yīng)形成機(jī)理及與顯微結(jié)構(gòu)的關(guān)系

貓眼效應(yīng)是一種特殊的光學(xué)效應(yīng)，產(chǎn)生的必備條件之一就是玉石或?qū)毷怯衫w維狀或細(xì)的長(zhǎng)柱狀并且沿一定方向定向排列的礦物組成，或其中含有大量平行排列的包裹體。從上述四川軟玉的礦物組成及其顯微形貌研究可知，其組成礦物絕大部分是平行定向排列的纖維狀透閃石，顯微纖維變晶結(jié)構(gòu)起主導(dǎo)地位。正是由于這些大量定向排列的纖維狀透閃石的存在，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上決定了貓眼效應(yīng)產(chǎn)生的必備條件，如果切磨正確，必能表現(xiàn)出良好的貓眼效應(yīng)。

軟玉的顯微斑狀變晶結(jié)構(gòu)中的片狀透閃石雖然含量較少，但這種結(jié)構(gòu)和形態(tài)會(huì)影響貓眼效應(yīng)的產(chǎn)生，降低貓眼的品質(zhì)。如果片狀透閃石大量存在于平行排列的纖維狀透閃石中，則會(huì)使貓眼效應(yīng)減弱甚至消失。

從透閃石的形態(tài)看，短柱狀、片狀的含量很少，總量不超過(guò)5%，因此，四川軟玉所表現(xiàn)出的貓眼效應(yīng)總體上是很強(qiáng)的（圖1）。盡管平行排列的纖維也被后期脈狀透閃石所穿插交代，但這種交代的幾率很小，因此對(duì)貓眼效應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

圖5 四川軟玉的顯微結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片(測(cè)試單位:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)分析中心)(a)∥纖維方向(25kV×5.0K); (b)∥纖維方向(25kV×2.0K); (c)⊥纖維方向(25kV×0.6K); (d)⊥纖維方向(25kV×5.0K) Fig.5 The microstructure SEM photographs of nephrite from Sichuan (a) parallel to fiber (25kV×5.0K); (b) parallel to fiber (25kV×2.0K); (c) vertical to fiber (25kV×0.6K); (d) vertical to fiber (25kV×5.0K)

5 結(jié)論

（1）四川軟玉主要組成礦物為透閃石，M g/ (Mg+Fe)≥0.88～0.91。計(jì)算的晶胞參數(shù)為：a0=0.984～0.985nm，b0=1.780～1.782nm，c0=0.527～0.528nm，β=106.13?～106.35?。

（2）拉曼光譜分析測(cè)試表明，四川軟玉具有典型的透閃石晶體的拉曼譜圖，進(jìn)一步佐證了其礦物組成。

（3）四川軟玉的貓眼效應(yīng)是由其內(nèi)部顯微纖維狀的透閃石晶體而產(chǎn)生的。纖維相互穿插絞合增強(qiáng)了玉石的韌性和抗斷裂能力。

References)

[1] 翁臻培,張慶麟. 軟玉貓眼的新發(fā)現(xiàn)[J]. 上海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,7(2):137-141.

Weng Z P, Zhang Q L. Recent discovery of nephrite cat's eye[J]. Journal of Shanghai University (Natural Science Edition), 2001,7(2):137-141.

[2] 盧保奇,馮建森. 玉石學(xué)基礎(chǔ)(第2版)[M]. 上海:上海大學(xué)出版社, 2012.

Lu B Q, Feng J S. The petromineralogy of jadestone (2nd Edition) [M]. Shanghai: Shanghai University Press, 2012.

[3] 陶正章. 臺(tái)灣的軟玉[J]. 礦物巖石,1992,12(4):21-27.

Tao Z Z. The nephrite of Taiwan[J]. Journal of Mineralogy and Petrology, 1992,12(4):21-27.

[4] 盧保奇,亓利劍,夏義本. 四川軟玉貓眼賦存的圍巖顯微結(jié)構(gòu)研究[J]. 上海地質(zhì),2005,26(2):58-62.

Lu B Q, Qi L J, Xia Y B. Study on the microstructures of surrounding rock hosting nephrite cat′s eye from Sichuan province[J]. Shanghai Geology, 2005,26(2):58-62.

[5] 季江華,盧保奇,亓利劍. 四川蛇紋石貓眼的地質(zhì)特征及顯微結(jié)構(gòu)分析[J]. 上海國(guó)土資源,2015,36(1):105-108.

Ji J H, Lu B Q, Qi L J. Geological and micro-texture analysis of serpentine cat's eye from Sichuan province[J]. Shanghai Land & Resources, 2015,36(1):105-108.

[6] 中國(guó)科學(xué)院貴陽(yáng)地球化學(xué)研究所. X射線粉晶衍射手冊(cè)[M]. 北京:科學(xué)出版社,1978:139-143.

Institute of Geochemistry (Guiyang) at Chinese Academy of Science. Handbook of mineral XRD poweridentity[M]. Beijing: Science Publishing House, 1978:139-143.

[7] 徐培蒼,李如璧,王永強(qiáng). 地學(xué)中的拉曼光譜[M]. 西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1998:20-36.

Xu P C, Li R B, Wang Y Q. Raman spectroscopy in geosciences[M]. Xi'an: Shaanxi Science and Technology Publishing House, 1998: 20-36.

[8] 盧保奇,亓利劍,夏義本. 四川石棉縣蛇紋石貓眼的紅外吸收光譜研究[J]. 上海地質(zhì),2006,27(2):63-66.

Lu B Q, Qi L J, Xia Y B. Study on infrared spectra of serpentine cats eye from Shimian country, Sichuan province, southwest of China[J]. Shanghai Geology, 2006,27(2):63-66.

[9] 吳瑞華,李雯雯,白峰. 新疆和田玉巖石學(xué)特征及掃描電鏡研究[J]. 巖石學(xué)報(bào),1999,15(4):638-644.

Wu R H, Li W W, Bai F. Study on petrological feature and SEM of Xinjiang Hetian jade[J]. Acta Petrologica Sinica, 1999,15(4):638-644.

[10] 趙連澤. 新型材料學(xué)導(dǎo)論[M]. 南京:南京大學(xué)出版社,2000:166-169.

Zhao L Z. Introduction to new materials science[M]. Nanjing: Nanjing University Press, 2000:166-169.

A petromineralogical and SEM microstructural analysis of nephrite in Sichuan Province

XU Yao-Xian1, LU Bao-Qi1, QI Li-Jian2
(1. School of Materials and engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China; 2. School of Ocean and Earth Science, Tongji University, Shanghai 200092, China)

In this study, nephrite with chatoyancy from Sichuan province was studied by electron microprobe analysis (EPMA), X-ray powder diffraction analysis (XRD), Raman spectroscopy, and scanning electron microscopy (SEM). Results indicate that the nephrite cat's eye is composed mainly of fiber-shaped tremolite with Mg/(Mg+Fe)≥0.88–0.91, and unit cell parameters as follows: a0=0.984–0.985 nm, b0=1.780–1.782 nm, c0=0.527–0.528 nm, and β=106.13°–106.35°. The Raman spectra provide further proof of the mineral's composition. The effect of the Sichuan nephrite cat's eye is generated by microscopic fibrous tremolite crystals. The fiber-shaped tremolite crystals are tightly arranged, which is the primary reason for the tenacity and fracture resistance of the nephrite cat's eye.

petromineralogy; tremolite crystal; nephrite; chatoyancy; microstructure

P575

A

2095-1329(2015)03-0087-03

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.03.020

2015-06-30

2015-08-28

許耀先(1988-),男,碩士生,主要從事礦物材料科研.

電子郵箱: 240708275@qq.com

聯(lián)系電話: 021-56335357

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(49772096);上海市教育委員會(huì)發(fā)展基金項(xiàng)目(03AK23)

*通訊作者: 盧保奇(博士/教授): lbqi_1@shu.edu.cn