漫反射光譜在“老撾石”顏色成因上的應用

韓 文， 柯 捷， 陳 華， 陸太進， 殷 科

1. 國土資源部珠寶玉石首飾管理中心北京珠寶研究所， 北京 100013

2. 中國地質大學地球科學學院， 武漢 湖北 430074

漫反射光譜在“老撾石”顏色成因上的應用

韓 文1， 柯 捷1， 陳 華1， 陸太進1， 殷 科2*

1. 國土資源部珠寶玉石首飾管理中心北京珠寶研究所， 北京 100013

2. 中國地質大學地球科學學院， 武漢 湖北 430074

近來， 一種產自老撾的新型印章石(俗稱“老撾石”)涌進國內市場， 對我國印章石市場造成一定影響， “老撾石”的研究尚處于起步階段， 對其顏色成因的研究更為缺乏。 采用漫反射光譜(DRS)結合X射線粉晶衍射(XRD)、 紅外光譜(FTIR)、 X射線熒光光譜(EDXRF)等測試對紅色“老撾石”的礦物成分和致色機理進行深入研究。 結果顯示， “老撾石”的主要礦物成分為地開石， 并含有少量高嶺石， 化學成分中的Fe含量和“老撾石”紅色色調呈正相關關系， 即顏色越深Fe的含量越高。 鐵質礦物呈微晶集合體浸染分布于地開石的顆粒間， 由于其含量低、 粒度細小， 常規(guī)的微區(qū)測試方法無法確認其種屬。 相比之下， 漫反射光譜對微晶鐵礦物的鑒定十分有效， 對可見光波段漫反射光譜處理得到導數(shù)等， 在土壤沉積物中已經被用來定量測定針鐵礦和赤鐵礦。 該研究中“老撾石”基體與土壤沉積物均為粘土礦物， 可以用漫反射光譜來判定“老撾石”中鐵礦物種屬。 漫反射光譜一階導數(shù)法顯示， 其譜峰位于565～570 nm， 由此確認鐵礦物的種屬為赤鐵礦。 微晶赤鐵礦分布于“老撾石”礦物顆粒間， 使樣品產生紅色， 赤鐵礦含量越高， 紅色調越深。

漫反射光譜； “老撾石”； 地開石； 赤鐵礦； 顏色成因

引 言

近年來， 在我國印章石市場上涌現(xiàn)出了大量的“老撾石”。 一開始由于石商保護產地信息， “老撾石”的消息并不明確， 甚至被誤傳為“越南石”。 現(xiàn)已證實， “老撾石”是產在老撾阿速坡省的一種以粘土礦物為主的玉石， 主要呈脈狀產出， 礦脈較寬， 產量較大[1]。 自古以來， 印章在中國為權利的象征， 具有幾千年的悠久的歷史文化。 國內最著名的四大印章石為福建壽山石、 浙江青田石、 浙江昌化石和內蒙巴林石， 基于中國人對印章文化的鐘愛， “老撾石”被發(fā)現(xiàn)后， 被大量的銷往到中國出售， 給市場帶來一定影響。 目前， 對“老撾石”的研究尚處于起步階段， 關于其顏色成因的研究更為匱乏。 “老撾石”的顏色主要有紅色、 黃色和白色等， 紅色 “老撾石”為其最貴重的品種。 關于紅-黃色玉石的成因， 前期報道認為主要為紅-黃色礦物顆粒充填于玉石顆粒間致色， 如殷科等認為紅色砭石的顏色與赤鐵礦和正長石微晶在砭石中的均勻分布有關[2]， 韓文等采用透射電鏡等， 判斷分布于褐紅色的糖玉(和田玉的一種)透閃石顆粒間、 微裂隙間致色的礦物為納米級針鐵礦[3]， 劉云貴等采用電子順磁共振等技術， 確認田黃的顏色是由于鐵(氫)氧化物吸附于組成田黃的層狀硅酸鹽礦物顆粒表面而呈黃色。 與紅-黃色玉石的顏色成因類似， 在土壤沉積物中， 針鐵礦和赤鐵礦分別被認為是產生黃色調和紅色調的致色礦物[4]。 漫反射光譜對鐵氧化物礦物敏感， 眾多學者利用紫外-可見光漫反射光譜法， 對紅-黃色土壤中的納米級的鐵礦物進行了有效的鑒定和定量分析[5-7]。 本文采用X射線衍射、 紅外光譜、 X射線熒光光譜和紫外可見漫反射光譜等， 對紅色“老撾石”的礦物組成及顏色成因等進行深入研究。

1 實驗部分

1.1 樣品

選取采自老撾的紅色原石進行研究。 “老撾石”樣品及其偏光顯微鏡照片如圖1所示， “老撾石”呈致密塊狀， 紅色， 紅色色調深淺不一， 邊緣變淺， 質地細膩， 半透明。 偏光顯微鏡顯示“老撾石”呈顯微微晶結構， 由細小的片狀礦物顆粒構成， 礦物顆粒大小20～50 μm(圖1)。 樣品的紅色部位照片顯示， 紅色礦物呈集合體狀浸染分布， 含量不足1%， 紅色礦物顆粒細小， 形態(tài)無法辨認， 初步推斷為鐵的氧化物。 紅色或黃色的鐵質礦物充填于礦物顆粒間隙或微裂隙中， ?？墒箤氂袷律?“老撾石”的紅色即為此種成因。

圖1 “老撾石”樣品及偏光顯微鏡下照片

1.2 方法

1.2.1 X射線粉晶衍射

采用瑪瑙研缽將“老撾石”塊狀樣品研磨后進行X射線粉晶衍射測試。 X射線衍射分析測試在中國地質大學(武漢)地質與礦產資源國家重點實驗室的荷蘭帕納科X’Pert Pro型X射線粉晶衍射儀上進行， 入射光源為CuKα輻射， Ni片濾波， X光管工作電壓為40 kV， 電流為40 mA； 光闌系統(tǒng)為DS=SS=1°； RS=0.3 mm。 使用連續(xù)掃描方式， 掃描速度為8°min-1， 2θ分辨率為0.02°。 掃描范圍為3°～64°， 采用超能探測器。

1.2.2 紅外光譜

紅外光譜測試在國家珠寶玉石質量監(jiān)督檢驗中心的Nicolet 6700紅外光譜儀上進行。 從樣品刮取少量粉末， 采用儀器所配的ATR附件進行測試， 采集范圍400～4 000 cm-1， 分辨率4 cm-1， 采集次數(shù)128次。

1.2.3 X射線熒光光譜

樣品的化學元素分析在國家珠寶玉石質量監(jiān)督檢驗中心的島津EDX7000型熒光光譜儀上進行， 采用不使用標準樣品的塊狀FP法定量分析。 測試元素范圍為Na8～U92， 準直器直徑1 mm， 選取樣品上紅色由深到淺的三個點依次打點比對其Fe元素等含量。

1.2.4 漫反射光譜

樣品的漫反射光譜在國家珠寶玉石質量監(jiān)督檢驗中心的Lambda 950型紫外-可見-近紅外光譜儀上進行。 選取樣品上紅色由深到淺的三個點依次磨成粉末， 夾在透明玻璃板之間進行漫反射光譜測試。 配備積分球附件， 掃描范圍400～800 nm， 狹縫寬度2 nm， 分辨率1 nm。

2 結果與討論

2.1 “老撾石”的XRD特征分析

“老撾石”XRD圖譜如圖2所示， 結果顯示樣品的主要成分為地開石， 并含有少量高嶺石。 地開石為高嶺石族礦物的一種， 高嶺石族礦物在熱液型和沉積型礦床中分布廣泛， 其多型主要包括高嶺石、 地開石、 珍珠陶石等[8]。 三種多型XRD主要區(qū)別為， 地開石具有0.395， 0.375和0.343 nm特征衍射峰， 而高嶺石和珍珠陶石不具有這三個衍射峰。 在35°～40°(2θ)之間。 高嶺石有六個峰， 分別以兩個“山”字型出現(xiàn)， 地開石只有四個峰， 分別以兩個“指”形出現(xiàn)； 珍珠陶石(311)， (022)和(313)在36°～38°(2θ)三個衍射峰合在一起， 只在峰頂分開， 兩側只有弱小的峰存在。

樣品的XRD圖譜及地開石、 高嶺石的標準圖譜如圖2所示。 樣品的圖譜具有0.395， 0.375和0.343 nm衍射峰， 而且在其衍射圖譜可見35°～40°之間的四個衍射峰呈明顯“指”形衍射峰， 說明其以地開石為主要礦物成分， 而在0.253和0.229 nm出現(xiàn)小的肩峰， 其為高嶺石特征峰， 說明樣品中含有少量高嶺石。 理想情況下， 當混合物中鐵礦物含量大于～1 wt.%時， 赤鐵礦、 針鐵礦等鐵礦物成分可在XRD中被檢測出來[9]。 然而， 本研究樣品中的鐵礦物含量小， 因此樣品中可能含有的赤鐵礦(0.270 nm)等鐵礦物成分的含量低于檢測限， XRD無法確定鐵礦物的存在。

圖2 “老撾石”的X射線衍射圖譜

2.2 “老撾石”的紅外光譜分析

“老撾石”的紅外光譜圖如圖3所示， 其主要顯示地開石的譜峰。 高嶺石族紅外光譜較為相似， 三種多型在400～1 300 cm-1范圍內的吸收峰基本相同， 主要區(qū)別在于3 600～3 700 cm-1范圍內羥基三個吸收峰的不同。 高嶺石族礦物多型即可借助3 600～3 700 cm-1范圍內的峰位和峰形進行判斷， 高嶺石在此范圍內有四個吸收峰， 3 698， 3 669， 3 652和3 620 cm-1， 其譜峰的強弱有所不同， 反應高嶺石結構的有序程度的差異， 3 698 cm-1吸收最強； 地開石在此范圍內有3個吸收峰， 分裂明顯， 吸收強度從高頻區(qū)到低頻區(qū)依次增強； 珍珠陶石在此范圍內也有3個吸收峰， 其中后兩個峰吸收強度相近， 3 700 cm-1左右的吸收峰比其他兩個峰的吸收強度要弱。

圖3 “老撾石”的紅外光譜圖

實驗數(shù)據顯示， 樣品的紅外光譜在3 600～3 700 cm-1范圍內有3個譜峰： 3 690， 3 648和3 620 cm-1， 其強度依次增強， 為地開石結構中OH伸縮振動譜峰。 地開石為TO型層狀硅酸鹽， 即其結構單元層由一個鋁氧八面體(T層)和一個硅氧四面體(O層)構成。 在T層， OH與Al配位， 可分為層

外OH與層內OH[10]。 3 690和3 648 cm-1為層外OH引起， 3 620 cm-1由層內OH引起； 400～1 300 cm-1為指紋區(qū)吸收峰， 其中1 116 cm-1為地開石中Si—O振動， 1 027 cm-1為地開石結構中Si—O—Si 伸縮振動譜峰， 996 cm-1為Si—O—Al振動， 909 cm-1為Al—OH彎曲振動引起， 792， 749和669 cm-1為Si—O—Si或Si—O—Al振動引起。 由于紅外光譜采用刮粉進行ATR測試， 主要顯示地開石的圖譜， XRD測試中樣品中少量高嶺石的譜峰并未在紅外光譜中得到表現(xiàn)。

2.3 “老撾石”的X射線熒光光譜分析

將“老撾石”樣品選取三個點進行EDXRF測試， 三個點的紅色色調依次減弱， 點1紅色調最深， 點3紅色調最淺。 三個點的化學分析結果如表1所示。 測試結果顯示， 樣品主要成分為SiO2， Al2O3， 各測試點化學元素含量相對穩(wěn)定， 與高嶺石族礦物Al4[Si4O10](OH)8的理論化學成分基本一致， 說明“老撾石”的礦物成分主要為高嶺石族礦物， 但不并能區(qū)分地開石和高嶺石。 化學成分中次要成分為FeO等， 可以發(fā)現(xiàn)， Fe含量隨著“老撾石”紅色色調的逐步減弱呈現(xiàn)明顯的減少趨勢， 進一步推斷“老撾石”的顏色為Fe致色， 而Fe元素在“老撾石”中的存在形式仍有待于確認。

表1 “老撾石”的化學成分

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2.4 “老撾石”的漫反射光譜分析

選取樣品上紅色由深到淺的三個點依次進行漫反射光譜測試， 其中1號點紅色最深， 2號點逐步變淺， 到3號點為淺紅色-無色。 “老撾石”的漫反射光譜如圖4所示， 可見樣品在藍紫區(qū)有吸收， 導致樣品呈現(xiàn)紅色， 而從點1到點3， 藍紫區(qū)的吸收明顯減弱， 因此樣品的紅色調也逐步減弱。 前文推測， 樣品的紅色可能與鐵礦物有關。 一般來說， 在土壤沉積物中和玉石中， 紅色是由于赤鐵礦致色、 黃色是由于針鐵礦致色[11]。 但由于針鐵礦和赤鐵礦等鐵氧化物礦物的含量低、 顆粒非常細小， 結晶度差， 常規(guī)的技術手段還較難檢測和識別它們。 筆者對樣品和薄片進行了顯微紅外、 拉曼光譜等一系列微區(qū)測試， 由于光譜的光斑大于鐵礦物的粒徑， 獲取的均為地開石的譜峰， 鐵礦物的種屬無法確定。 相比之下， 漫反射光譜(DRS)對鐵礦物的鑒定十分有效， 理想狀態(tài)下其檢測限為0.01%[5]。 根據晶體場理論， 過渡族元素Fe的d軌道電子在不同的晶體場中會發(fā)生不同的能級分裂， 吸收特定

圖4 “老撾石”的漫反射光譜及一階導數(shù)

波長的光， 從而產生紅-黃等不同的顏色。 可見光波段對鐵礦物的種屬和含量的變化敏感， 對可見光波段漫反射光譜處理得到導數(shù)光譜， 在土壤沉積物中已經被用來定量測定針鐵礦和赤鐵礦。 “老撾石”基體與土壤沉積物均為粘土礦物， 因此可借鑒土壤學中鐵礦物判定方法來判定“老撾石”中鐵礦物種屬。

對漫反射光譜求一階導數(shù)， 赤鐵礦只有一個顯著的DRS峰， 位于565～575 nm， 當赤鐵礦含量增加時， 峰高增加并且最大峰高向高波長移動； 針鐵礦有兩個DRS峰， 主峰在535 nm， 次級峰在435 nm[7, 12]。 “老撾石”DRS一階導數(shù)圖譜顯示， 樣品具有明顯的565～570 nm峰， 該峰主要由赤鐵礦引起。 因此判斷， “老撾石”中的鐵礦物為赤鐵礦。 而從點1到點3， 峰的強度明顯減弱， 并且向低波長方向移動， 說明赤鐵礦的含量逐步減少， 造成紅色色調的減弱。 因此認為， 由于赤鐵礦呈浸染狀分布于地開石顆粒間， 使樣品產生紅色， 紅色調和赤鐵礦的含量呈正相關關系， 赤鐵礦含量越高， 紅色調越深。

3 結 論

紅色“老撾石”的礦物組成主要為地開石， 并含有少量高嶺石， 其呈顯微微晶結構， 紅色礦物呈集合體狀浸染分布， 充填于地開石顆粒間使“老撾石”呈現(xiàn)紅色。 由于紅色礦物含量低、 顆粒細小， 常規(guī)微區(qū)分析方法無法確認鐵礦物的種屬。 化學分析表明， 樣品的紅色越深， 其Fe元素含量越高。 可見光波段漫反射光譜對赤鐵礦、 針鐵礦等礦物的種屬及含量十分敏感， 樣品漫反射光譜的一階導數(shù)具565～570 nm譜峰， 由此判斷紅色礦物為赤鐵礦。 細粒的赤鐵礦分布于“老撾石”礦物顆粒間， 使“老撾石”產生紅色， 赤鐵礦含量越高， 紅色調越深。

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[12] Barranco F T, Balsam W L, Deaton B C. Marine Geology, 1989, 89(3): 299.

*Corresponding author

Diffuse Reflectance Spectroscopy of Red Colored “Laowo Stone”

HAN Wen1, KE Jie1, CHEN Hua1, LU Tai-jin1, YIN Ke2*

1. National Gems & Jewelry Technology Administrative Center, Beijing 100013, China

2. Faculty of Earth Sciences, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China

In recent years, a kind of new seal stone called “Laowo Stone” from Laos has entered the Chinese seal stone market and it has great impact on the market. However the coloration mechanism is unclear. In order to study the coloration mechanism of “Laowo Stone”, red samples were investigated with VIS DRS techniques together with XRD, FTIR and EDXRF. It was found that: the main mineral composition of “Laowo Stone” is dickite, together with small amounts of kaolinite. EDXRF data show that the concentration of the red color has a good relationship with Fe element; the spot with deeper color has higher Fe content. Fe occurs as iron mineral distributed in the dickite particles. The grain size of the muddy iron minerals is extremely small and the content is low, regular micro area study cannot identify the iron mineral. Then we study the samples with diffuse reflectance spectroscopy (DRS) which is sensitive to iron minerals. The derivative curves of DRS are potentially useful for quantitatively determining hematite and goethite concentration in soils. The main mineral composition of “Laowo Stone” is clay mineral, which is the same as soils. So DRS is used to identify the iron minerals. The first order derivative spectrum has the 565～570 nm peak and the iron mineral was identified to be hematite. Our results confirmed that the red coloration of “Laowo Stone” is caused by tiny hematite crystals distributed within the grain boundaries of dickite particles.

Diffuse reflectance spectroscopy; “Laowo Stone”; Dickite; Hematite; Coloration

Jul. 14, 2015; accepted Nov. 29, 2015)

2015-07-14，

2015-11-29

國家自然科學基金項目(41402036)， 中國博士后基金項目(2014M562084)資助

韓 文， 1987年生， 國土資源部珠寶玉石首飾管理中心北京珠寶研究所珠寶質檢師 e-mail: 181177297@qq.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: yinke1984@qq.com

P57

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)08-2634-05