張家口及蛟河天然橄欖石的振動(dòng)光譜研究

陶隆鳳,蘇慧慧,郝楠楠,金翠玲

1.河北地質(zhì)大學(xué)寶石與材料學(xué)院,河北 石家莊 050031; 2.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063210

0 引言

橄欖石屬于典型的島狀硅酸鹽礦物,特征的橄欖綠色。世界上產(chǎn)出橄欖石的國家很多,主要有緬甸、美國夏威夷、澳大利亞等國,中國也是重要產(chǎn)地之一[1,2]。學(xué)者們主要圍繞橄欖石寶石學(xué)及地質(zhì)成因[3,4]等方面進(jìn)行研究,而對(duì)于兩地橄欖石的振動(dòng)光譜特征缺少系統(tǒng)的對(duì)比研究。如阮維迪[5]、秦晴[6]、古谷[7]等人從寶石學(xué)、礦物學(xué)和化學(xué)成分等方面進(jìn)行了研究,認(rèn)為不同產(chǎn)地橄欖石的外觀特征和常規(guī)寶石學(xué)參數(shù)基本相似,其中巴基斯坦橄欖石的雙折射率(DR) 及相對(duì)密度(SG) 略大于吉林和緬甸橄欖石;內(nèi)部特征存在差異,吉林橄欖石常見睡蓮葉狀、云霧狀以及暗色礦物包裹體,緬甸橄欖石主要以暗色礦物、紗幔狀包裹體為主,而巴基斯坦橄欖石內(nèi)部通常比較干凈,偶爾可見愈合裂隙以及獨(dú)特的針狀礦物包裹體[8-12]。目前,未見張家口和蛟河兩地橄欖石的振動(dòng)光譜研究,這不僅對(duì)兩地橄欖石的產(chǎn)地鑒別產(chǎn)生了一定的影響,也限制了其商業(yè)價(jià)值的評(píng)估。因此,本文選擇了紅外光譜(FTIR)、拉曼光譜和紫外—可見光譜(UV-Vis) 對(duì)其振動(dòng)譜峰進(jìn)行了詳細(xì)的而研究,以期為兩地的橄欖石鑒別提供科學(xué)的數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

樣品總共8 件原石(圖1),其中4 件產(chǎn)自張家口大麻坪礦區(qū),編號(hào)為Z-1、Z-2、Z-3、Z-4,4 件產(chǎn)自吉林蛟河敦化礦區(qū),編號(hào)為J-1、J-2、J-3、J-4。8 粒樣品均為粒狀,顏色均呈深淺不一的黃綠色,其中張家口大麻坪樣品的顏色偏綠,而吉林蛟河樣品顏色偏黃,玻璃光澤,斷口處為油脂光澤,透明,內(nèi)部較干凈,具有中等強(qiáng)度的三色性。其中,樣品J-1 可見暗黃色礦物包體,Z-3 內(nèi)部可見黑色礦物包裹體。蛟河橄欖石的折射率為1.661～1.685,雙折射率為0.018～0.024,相對(duì)密度為3.45;張家口的折射率為1.652～1.685,雙折射率為0.019～0.026,相對(duì)密度為3.32。

圖1 橄欖石的樣品圖Fig.1 Peridot samples examined in this study

1.2 測(cè)試儀器

吉林蛟河敦化與張家口大麻平兩地橄欖石的振動(dòng)光譜主要采用Nicolet iS5 紅外光譜儀、DM 2700 M Ren RL/TL 拉曼光譜儀和GEM-3000-B0037 型紫外—可見光光譜儀來完成。其中,紅外光譜實(shí)驗(yàn)的測(cè)試條件為:采用反射法測(cè)試,分辨率為16 cm-1,掃描次數(shù)為32 次,測(cè)試范圍為4 000～400 cm-1,拉曼光譜選擇波長(zhǎng)785 nm,測(cè)試范圍為100～2 000 cm-1,曝光時(shí)間10 s,疊加2 次,紫外—可見光譜的測(cè)試波段為200～1 000 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 兩地橄欖石的紅外振動(dòng)光譜特征

橄欖石為島狀硅酸鹽礦物,其硅氧骨干為孤立的硅氧四面體[SiO4],氧離子以近似六方最緊密堆積方式堆積,硅離子填充四面體空隙,陽離子(Fe2+、Mg2+) 則填充八面體空隙,連接硅氧四面體[13]。橄欖石的標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜主要集中在1 100 cm-1～400 cm-1之間,在1 060 cm-1、980 cm-1、906 cm-1、630 cm-1、525 cm-1、424 cm-1附近出現(xiàn)吸收峰。選取樣品J-1、J-2、Z-1 和Z-2 進(jìn)行紅外光譜測(cè)試,具體吸收位置見圖2。結(jié)果顯示,兩地橄欖石的紅外光譜與標(biāo)準(zhǔn)圖譜基本一致,均在1 060 cm-1、980 cm-1、912 cm-1、633 cm-1、543 cm-1、426 cm-1附近有明顯吸收。其中,吉林蛟河的橄欖石樣品在980 cm-1處的吸收較弱,張家口的橄欖石樣品在426 cm-1處的吸收峰強(qiáng)于吉林。兩地橄欖石的紅外振動(dòng)光譜在1 060 cm-1、980 cm-1、912 cm-1三處的吸收強(qiáng)吸收主要是由Si-O-Si 對(duì)稱伸縮內(nèi)振動(dòng)引起;633 cm-1、543 cm-1附近的中強(qiáng)吸收歸屬于Si-O 伸縮內(nèi)振動(dòng);426 cm-1附近的弱吸收是由內(nèi)振動(dòng)和外振動(dòng)耦合共同作用導(dǎo)致[13]。

圖2 橄欖石的紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectra of peridot samples

2.2 兩地橄欖石的拉曼光譜特征

兩地橄欖石的拉曼光譜主要集中在100～400 cm-1、400～700 cm-1和700～1 050 cm-1三個(gè)范圍內(nèi)。圖譜顯示兩地橄欖石主要在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為強(qiáng)吸收,603 cm-1和960 cm-1為弱吸收,兩個(gè)產(chǎn)地的橄欖石主峰位置基本一致,但河北張家口的吸收峰能量更高。兩地橄欖石的主要特征拉曼位移歸因于其硅氧四面體為單位的旋轉(zhuǎn)、平移運(yùn)動(dòng)和晶格中八面體陽離子的平移運(yùn)動(dòng)造成的。其中430 cm-1和603 cm-1附近的吸收歸屬于Si-O彎曲振動(dòng);824 cm-1和857 cm-1附近的吸收主要是由Si-O 對(duì)稱伸縮振動(dòng)和反向伸縮振動(dòng)共同作用所致,960 cm-1歸屬于Si-O 反向伸縮振動(dòng)[14-18]。

圖3 橄欖石樣品的拉曼光譜圖Fig.3 Raman spectroscopy of peridot samples

2.3 兩地橄欖石的紫外吸收光譜

4 粒橄欖石的紫外吸收光譜基本一致(圖4),主要顯示4 個(gè)強(qiáng)吸收帶,具體吸收帶在藍(lán)區(qū)450 nm、470 nm 和490 nm 附近,樣品均顯示635 nm 處的強(qiáng)吸,張家口大麻平的橄欖石在450 nm 的吸收弱于吉林蛟河,這4 個(gè)吸收帶都與橄欖石的致色元素Fe有關(guān)[15]。

樣品在490 nm 處,主要吸收綠藍(lán)光,而綠藍(lán)色光吸收的補(bǔ)色則正好為橙色[15];635 nm 處吸收的位置是由Fe2+—Ti4+的電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生[16],635 nm 處主要吸收橙色光,而橙色光吸收的補(bǔ)色為綠藍(lán)色。張家口大麻平的橄欖石在635 nm 的吸收強(qiáng)于吉林蛟河橄欖石,前人研究認(rèn)為635 nm 的吸收強(qiáng)度與橄欖石的主色調(diào)藍(lán)綠色呈正相關(guān),這與手編本中前者色調(diào)偏綠色,后者色調(diào)偏黃色相吻合[15-18]。

圖4 橄欖石的紫外可見光譜Fig.4 UV-Vis spectra of peridot

3 結(jié)論

通過對(duì)蛟河與張家口橄欖石的振動(dòng)光譜的研究,得出了以下的結(jié)論:

(1) 吉林蛟河橄欖石色調(diào)偏黃色,張家口橄欖石色調(diào)偏綠色;前者透明度高于后者;吉林蛟河橄欖石的密度略大于河北張家口的橄欖石。

(2) 兩個(gè)產(chǎn)地橄欖石的紅外特征峰均在1 060 cm-1、980 cm-1、912 cm-1、542 cm-1及425 cm-1處有明顯的與Si-O 或Si-O-Si 振動(dòng)引起的吸收峰。

(3) 在603 cm-1、824 cm-1、857 cm-1和960 cm-1處的拉曼位移正好反映了橄欖石中的硅氧四面體及Si-O 鍵振動(dòng)和陽離子振動(dòng)種類。

(4) 兩地橄欖石在紫外可見光譜中主要顯示450 nm、470 nm、490 nm 以及635 nm 處的吸收峰,這些峰都與Fe 元素相關(guān)。張家口大麻平的橄欖石在635 nm 的吸收強(qiáng)于吉林蛟河的橄欖石。