Identification Characteristic of Turquoise Associated Mineral Crandallite-Goyazite
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摘要: 近来，市场上出现一种绿松石的伴生矿物，其外观特征与绿松石颇为相似。通过常规宝石学测试、薄片观察、电子探针、X射线粉末衍射分析、红外光谱、拉曼光谱和紫外-可见光谱分析等测试方法对一个相关样品进行了鉴定研究。结果表明，该样品的矿物组成以纤磷钙铝石-磷锶铝石为主，含有一定量的绿松石等矿物。该样品外观呈蓝色，局部蓝绿色，蓝色分布不均匀，主要呈点状、团块状富集，隐晶质结构，密度为2.52 g/cm3，折射率(点测)为1.62。纤磷钙铝石-磷铝锶石的红外光谱主要具有3 585、3 420、3 140、1 320、1 116、1 039、604 cm-1处的吸收峰，拉曼光谱主要具有1 104、1 034、987、612、518、257、185 cm-1处的拉曼峰。而绿松石在红外光谱与拉曼光谱上与其有明显不同。由于该种绿松石伴生矿物鉴定难度较大，除了常规检测的检测手段，还需结合红外光谱、拉曼光谱、X射线粉末衍射分析、电子探针等测试方法综合分析。Abstract: Recently, a kind of turquoise associated mineral has appeared on the market, which is very similar to turquoise in appearance. The authors studied a relevant sample by means of conventional gemmological tests and the other methods including thin-section observation, electron probe analysis, X-ray powder diffraction, infrared spectroscopy, Raman spectroscopy and ultraviolet-visible analysis, etc.The results showed that the main mineral component of the sample is crandallite and goyazite, as well as a certain amount of turquoise, etc. The main colour of the sample is blue, partially bluish green, and the blue colour is uneven, mainly enriched as dots or lumps. It has cryptocrystalline texture with the density of 2.52 g/cm3, and its refractive index is about 1.62 (point measurement). The infrared spectra of crandallite-goyazite show the main absorption peaks at 3 585, 3 420, 3 140, 1 320, 1 116, 1 039 cm-1 and 604 cm-1, and the Raman spectra of crandallite-goyazite show the main peaks at 1 104, 1 034, 987, 612, 518, 257 cm-1 and 185 cm-1, which are different from those of turquoise. Since it is difficult to identify this kind of turquoise associated mineral, conventional gemmological tests, Fourier infrared spectrometer, Raman spectrometer, X-ray powder diffraction analysis and electron probe analysis should be ultilized comprehensively.
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Keywords:
- crandallite /
- goyazite /
- turquoise /
- phosphate
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绿松石由于“色相如天”，常被联系成与佛教有关的玉石，深受市场欢迎，其价格呈现不断上涨的趋势。我国市场上除了传统产地(湖北、安徽)的绿松石外，也出现了一些其他产地(如新疆、云南)的绿松石。从矿物组成来看，绿松石是一种含水的铜铝磷酸盐，化学式为CuAl6(PO4)4(OH)8·4H2O，其常见的伴生矿物有磷铝石[1]、磷钙铝钒[CaAl3(OH)6 (SO4)(PO4)]-纤磷钙铝石[CaAl3(PO4)2(OH)5·H2O][2-3]等。近期，实验室多次收到一种俗称“俄罗斯绿松石”或“蒙古绿松石”的样品(图 1)，这种样品与其他产地绿松石的外观上有所不同，前者常见不均匀的点状和团块状蓝色分布，红外光谱也与其他产地绿松石有较大的差异, 故认为，这类样品是含有纤磷钙铝石-磷锶铝石[SrAl3(PO4)2(OH)5·H2O]的伴生矿物，故已有绿松石的相关研究中尚未报道具有该特征的伴生矿物，故针对这类伴生矿物进行了测试研究，以便为其鉴定提供准确的依据。
1. 样品及测试方法
1.1 基本特征
样品为随形，结构致密，局部分布有褐色脉状“铁线”; 主体呈蓝色，蓝色分布不均匀，局部蓝绿色(图 2和图 3)。放大检查可见该样品的蓝色部分主要呈点状、团块状富集(图 4);静水称重法测得其密度为2.52 g/cm3，折射率约为1.62(点测)，摩氏硬度约为5。
1.2 测试方法
选取样品的蓝色部位并磨制成薄片，在偏光显微镜下观察。
X射线粉末衍射测试采用仪器型号D/Max-rA X射线粉末衍射仪进行样品的物相分析，并在北京北达燕园微构分析测试中心完成。测试条件：样品的蓝色部位粉碎成200目粉末，CuKα靶，靶电压为40 kV，管电流为100 mA，发散缝1°，接受狭缝0.3 mm，防散射狭缝1°，连续扫描模式，扫描速度8°/min。
化学成分分析采用JXA8230电子探针仪对样品进行测试，并在中国地质科学院矿产资源研究所完成，测试条件：电压15 kV，电流20 nA，束斑5 μm。
红外光谱采用德国布鲁克光谱仪器公司生产的Tensor27型傅里叶变换红外光谱仪，测试条件：分辨率8 cm-1，扫描范围4 000~400 cm-1。KBr压片法透射测试。
拉曼光谱分析采用HORIBA JY公司生产的LabRAM HR Evolution拉曼光谱仪对样品进行测试，测试条件：波长532 nm，分辨率0.7 cm-1，测试范围4 000~100 cm-1。
紫外-可见吸收光谱采用紫外-可见分光光度计GEM-3000对样品进行测试，测试条件：积分时间70 ms，平均次数20，平滑度2，测试范围220~1 000 nm。
2. 结果与讨论
2.1 薄片观察
样品在单偏光下呈无色，局部呈黄褐色，结合电子探针的背散射图像数据分析，其黄褐色部分含锶量相对较高; 样品晶体颗粒细小，主要呈隐晶质结构，高倍镜下可见大量分布的球形颗粒，部分颗粒呈同心圆状，颗粒大小约为20~50 μm，颗粒之间存在孔隙，颗粒边界清晰(图 5)。
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图 5 样品在偏光显微镜下的特征(单偏光)Figure 5. Characteristics of the sample under polarizing microscope (plane polarized light)2.2 X射线粉末衍射分析
由X射线粉末衍射图谱(图 6)和衍射数据(表 1)可知，样品蓝色部分的主要矿物组成为纤磷钙铝石族矿物纤磷钙铝石[CaAl3(PO4)2(OH)5·H2O)]和磷铝锶石[SrAl3(PO4)2(OH)5·H2O]，质量分数为82%，同时也含有一定量的绿松石，含量为18%。其中，纤磷钙铝石-磷铝锶石的主要特征衍射峰为0.573、0.351、0.295、0.219、0.189、0.175 nm等; 绿松石的主要特征衍射峰为0.676、0.369、0.345、0.328、0.291 nm等，这与JCPDS标准数据资料中所显示的数值基本吻合。此外，样品中还出现石英的衍射峰，位于0.335 nm。
表 1 样品的X射线粉末衍射数据Table 1. XRD data of the sample样品的衍射数据 纤磷钙铝(PDF 33-0257) 绿松石(PDF 06-0214) 磷铝锶石(PDF 85-1349) 石英(PDF 86-1630) d/nm I/I0 d/nm I/I0 d/nm I/I0 d/nm I/I0 d/nm I/I0 0.676 8.7 0.673 25 0.611 24.3 0.617 38 0.573 48.1 0.569 7 0.577 12 0.570 33 0.482 10.4 0.486 12 0.480 42 0.369 31.8 0.368 91 0.351 63.6 0.350 21 0.351 10 0.351 35 0.345 17.4 0.344 69 0.335 8.4 0.334 100 0.328 14.9 0.328 72 0.311 7.5 0.310 43 0.299 37.1 0.298 39 0.300 22 0.298 9 0.295 100.0 0.293 100 0.295 100 0.291 61.0 0.291 93 0.244 12.6 0.244 14 0.244 11 0.235 4.5 0.235 57 0.221 17.6 0.221 11 0.221 21 0.219 23.3 0.220 24 0.219 31 0.219 43 0.211 4.8 0.212 64 0.206 5.0 0.207 81 0.202 8.3 0.202 100 0.202 2 0.193 5.2 0.193 35 0.189 34.9 0.189 70 0.190 71 0.190 48 0.175 42.4 0.175 59 0.175 36 2.3 电子探针分析
由电子探针的测试数据(表 2)可知，样品的主要化学成分为Al2O3(33.51%~37.79%)，P2O5(24.01%~31.80%)，CaO(5.63%~7.90%)，SrO(3.49%~9.45%)，CuO(6.20%~9.95%)，其中CaO和SrO的化学成分与纤磷钙铝石和磷锶铝石有关，CuO的化学成分与绿松石有关。样品的化学成分与纤磷钙铝石、磷锶铝石及绿松石理论值相比，均有一定的差异。这可能与样品晶体颗粒细小又为混合物相有关。电子探针的背散射相结果(图 7)表明，样品中灰白色部位(对应薄片单偏光下黄褐色部分)含锶量较高，而灰黑色部位(对应薄片单偏光下无色部分)含锶量较低。此外，样品中还含有一定量的SiO2和SO3，由于X射线粉末衍射结果中出现石英衍射峰，故SiO2与样品中含有一定量的石英矿物有关，而SO3的存在可能与样品中含SO42-矿物有关。
表 2 样品的电子探针数据分析Table 2. EPMA analysis of the samplewB/% 化学成分 灰白色部位 灰黑色部位 纤磷钙铝石理论值 磷铝锶石理论值 绿松石理论值 W-1 W-2 W-3 W-4 B-1 B-2 B-3 B-4 F 0.31 0.36 0.34 0.37 0.44 0.38 0.42 0.48 Na2O 0.02 0.04 0.08 0.05 0.10 0.07 0.14 0.15 MgO 0.03 0.04 0.06 0.07 0.02 0.03 0.03 0.07 Al2O3 34.33 33.51 34.73 34.86 35.88 35.64 36.64 37.79 36.93 33.12 37.6 K2O 0.03 - 0.02 0.01 0.04 0.03 0.04 0.08 SiO2 6.16 5.88 4.70 5.83 4.87 3.74 2.15 3.54 CaO 7.90 7.88 6.94 7.19 6.89 6.03 5.63 6.36 13.55 MnO 0.01 0.01 - 0.01 0.05 - - - FeO 0.20 0.16 0.24 0.17 0.19 0.27 0.16 0.19 TiO2 0.09 0.01 0.08 0.11 - - - - SO3 1.28 1.26 1.30 1.67 0.94 0.78 0.94 0.76 P2O5 24.04 24.01 24.71 23.62 26.40 28.72 31.80 27.86 34.29 30.77 34.90 SrO 9.45 8.48 9.04 9.94 6.52 4.52 3.49 5.37 22.45 Cl 0.01 0.01 - - 0.01 0.02 - 0.01 V2O3 0.04 - 0.01 - - - - - Cr2O3 0.02 0.01 0.01 0.02 - 0.01 0.03 0.02 NiO - - - - 0.02 0.01 0.03 - CuO 6.55 6.20 8.14 7.29 8.46 9.95 9.59 8.97 9.78 H2O - - - - - - - - 15.23 13.66 17.72 Total 90.46 87.86 90.41 91.18 90.83 90.18 91.08 91.63 注：-表示低于仪器检出限 2.4 红外光谱分析
样品中的蓝色部分为纤磷钙铝石-磷铝锶石矿物的特征红外吸收光谱(图 8a)，蓝绿色部分为绿松石的特征红外吸收光谱(图 8b)。
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图 8 样品中蓝色部分(a)和蓝绿色部分(b)的红外光谱a.纤磷钙铝石-磷铝锶石; b.绿松石Figure 8. Infrared spectra of the blue part(a) and blue-green part(b) of the sample样品中蓝色部分的红外光谱(图 8a)在高频区3 585、3 420、3 140 cm-1处的吸收峰与H2O及羟基OH的伸缩振动有关。对比已知的红外光谱资料[4]，其中3 585 cm-1处的吸收峰与纤磷钙铝石的吸收峰较吻合，而缺少其3 480，3 320 cm-1处的吸收峰; 因磷铝锶石在3 435 cm-1处往往具有尖锐的OH伸缩振动致吸收峰[5]，故样品中3 420 cm-1处的吸收峰应与OH伸缩振动有关; 而3 140 cm-1附近与H2O伸缩振动有关吸收带则在两种矿物中均可出现; 1 662 cm-1处吸收峰归属于水的弯曲振动所致; 1 484、1 426 cm-1处吸收峰分别归属于CO2- 3的ν1对称和ν3分裂反对称伸缩振动所致，可能与样品中含有碳酸盐矿物有关。纤磷钙铝石和磷铝锶石在1 400~400 cm-1范围的红外光谱十分相似，在1 320、1 116、1 039、858、752、604、511、465 cm-1处具有强弱不一的吸收峰，其中1 320 cm-1弱峰归属于P-OH的变形振动所致，1 116、1 039 cm-1强吸收带与ν3(PO4)的对称伸缩振动有关，858 cm-1归属于OH面外弯曲振动，604 cm-1强吸收峰与ν4(PO4)的弯曲振动模式有关[6]。
样品蓝绿色部分绿松石的红外光谱中，由结构水M-OH(M为Al3+)伸缩振动致红外吸收谱带位于3 511 cm-1和3 461 cm-1附近，峰形较为尖锐; 由结晶水伸缩振动致红外吸收谱带位于3 289，3 082 cm-1附近，峰形较舒缓; 由磷酸根伸缩振动致一组特征的红外吸收谱带位于1 000~1 200 cm-1，其中，1 162、1 112 cm-1和1 062 cm-1附近的红外吸收谱带相对较强; 由磷酸根弯曲振动致红外吸收谱带主要出现在589，489 cm-1附近; 结构水与结晶水的弯曲振动致红外吸收谱带位于833，790 cm-1等处。
2.5 拉曼光谱分析
样品蓝色部分的拉曼光谱(图 9)与磷铝锶石和纤磷钙铝石的拉曼光谱均较相像。其中，强拉曼峰1 636 cm-1归属于H2O的弯曲振动所致，1 104 cm-1和1 034 cm-1归属于ν3(PO4)的反对称伸缩振动所致，987 cm-1拉曼峰归属于ν1(PO4)的对称伸缩振动所致，612 cm-1归属于ν4(PO4)的弯曲振动模式所致，518，468 cm-1归属于ν2(PO4)的面内弯曲振动模式所致，377 cm-1归属于Al-O的伸缩振动模式所致，257 cm-1和185 cm-1拉曼峰与晶格吸收有关[7]。
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图 9 样品中蓝色部分(纤磷钙铝石-磷铝锶石)的拉曼光谱a.测试范围4 000~1 500 cm-1; b.测试范围1 500~100 cm-1Figure 9. Raman spectra of the blue part of the sample样品中蓝绿色部分的拉曼光谱如图 10所示，3 471 cm-1附近强而尖锐的拉曼谱峰及3 496，3 451 cm-1处的肩峰，归属于绿松石中OH的伸缩振动所致; 3 279，3 084 cm-1附近的宽缓谱峰归属于绿松石中H2O的伸缩振动所致; 1 200~900 cm-1内的谱峰为ν3(PO4)的伸缩振动所致; 814 cm-1拉曼谱峰归属于H2O的振动; 700~500 cm-1之间的591 cm-1和549 cm-1拉曼谱峰归属为ν4(PO4)的弯曲振动所致[8]，518、466、418 cm-1处的拉曼谱峰归属为ν2(PO4)的弯曲振动所致，335 cm-1可能归属于Cu-(O, OH, H2O) 和Al-(O, OH, H2O)的伸缩和弯曲振动所致，300~100 cm-1可能归属于Cu-O、Al-O的弯曲振动和晶格振动所致[9]。
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图 10 样品中蓝绿色部分(绿松石)的拉曼光谱a.测试范围4 000~1 500 cm-1; b.测试范围1 500~100 cm-1Figure 10. Raman spectra of the blue-green part of the sample2.6 紫外-可见吸收光谱分析
样品中蓝色部分和蓝绿色部分的紫外-可见吸收光谱如图 11所示。两个部分的吸收光谱比较相似，位于260 nm处的强吸收与O2-－Fe3+电荷转移有关，位于430 nm处的微弱的宽吸收峰与Fe3+d-d电子跃迁有关[10]; 蓝色部分在630 nm和740 nm处具有强而宽的吸收，蓝绿色部分在700 nm处具有宽而强的吸收带，这均与Cu2+的吸收有关。
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图 11 样品不同部位的紫外-可见吸收光谱Figure 11. UV-Vis absorption spectra of the different part of the sample3. 结论
(1) 该样品外观呈蓝色，局部蓝绿色，蓝色分布不均匀，主要呈点状、团块状富集，隐晶质结构，密度为2.52 g/cm3，折射率为1.62左右(点测)，主要组成矿物以纤磷钙铝石-磷锶铝石为主，含有一定量的绿松石等矿物。其致色成因与绿松石相似，主要与Cu2+和Fe3+的电子跃迁有关。
(2) 红外光谱、拉曼光谱的测试结果可为鉴定纤磷钙铝石-磷铝锶石矿物提供依据。纤磷钙铝石-磷铝锶石矿物的红外光谱具有3 585、3 420、3 140 cm-1与H2O及OH伸缩振动有关的吸收峰，以及1 320、1 116、1 039、858、752、604、511 cm-1和465 cm-1处的吸收峰，其中3 585 cm-1和3 420 cm-1吸收峰对于区分纤磷钙铝石和磷铝锶石具有指示意义; 纤磷钙铝石-磷铝锶石矿物的拉曼光谱具有1 104、1 034、987、612、518、468、377、257 cm-1和185 cm-1的拉曼吸收峰。
(3) 该样品晶体颗粒细小，为多种矿物的混合物相，准确鉴定其矿物组成需要结合X射线粉末衍射分析、电子探针、红外光谱、拉曼光谱等多种测试方法。
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图 5 样品在偏光显微镜下的特征(单偏光)
Figure 5. Characteristics of the sample under polarizing microscope (plane polarized light)
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图 8 样品中蓝色部分(a)和蓝绿色部分(b)的红外光谱
a.纤磷钙铝石-磷铝锶石; b.绿松石
Figure 8. Infrared spectra of the blue part(a) and blue-green part(b) of the sample
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图 9 样品中蓝色部分(纤磷钙铝石-磷铝锶石)的拉曼光谱
a.测试范围4 000~1 500 cm-1; b.测试范围1 500~100 cm-1
Figure 9. Raman spectra of the blue part of the sample
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图 10 样品中蓝绿色部分(绿松石)的拉曼光谱
a.测试范围4 000~1 500 cm-1; b.测试范围1 500~100 cm-1
Figure 10. Raman spectra of the blue-green part of the sample
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图 11 样品不同部位的紫外-可见吸收光谱
Figure 11. UV-Vis absorption spectra of the different part of the sample
表 1 样品的X射线粉末衍射数据
Table 1 XRD data of the sample
样品的衍射数据 纤磷钙铝(PDF 33-0257) 绿松石(PDF 06-0214) 磷铝锶石(PDF 85-1349) 石英(PDF 86-1630) d/nm I/I0 d/nm I/I0 d/nm I/I0 d/nm I/I0 d/nm I/I0 0.676 8.7 0.673 25 0.611 24.3 0.617 38 0.573 48.1 0.569 7 0.577 12 0.570 33 0.482 10.4 0.486 12 0.480 42 0.369 31.8 0.368 91 0.351 63.6 0.350 21 0.351 10 0.351 35 0.345 17.4 0.344 69 0.335 8.4 0.334 100 0.328 14.9 0.328 72 0.311 7.5 0.310 43 0.299 37.1 0.298 39 0.300 22 0.298 9 0.295 100.0 0.293 100 0.295 100 0.291 61.0 0.291 93 0.244 12.6 0.244 14 0.244 11 0.235 4.5 0.235 57 0.221 17.6 0.221 11 0.221 21 0.219 23.3 0.220 24 0.219 31 0.219 43 0.211 4.8 0.212 64 0.206 5.0 0.207 81 0.202 8.3 0.202 100 0.202 2 0.193 5.2 0.193 35 0.189 34.9 0.189 70 0.190 71 0.190 48 0.175 42.4 0.175 59 0.175 36 
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表 2 样品的电子探针数据分析
Table 2 EPMA analysis of the sample
wB/% 化学成分 灰白色部位 灰黑色部位 纤磷钙铝石理论值 磷铝锶石理论值 绿松石理论值 W-1 W-2 W-3 W-4 B-1 B-2 B-3 B-4 F 0.31 0.36 0.34 0.37 0.44 0.38 0.42 0.48 Na2O 0.02 0.04 0.08 0.05 0.10 0.07 0.14 0.15 MgO 0.03 0.04 0.06 0.07 0.02 0.03 0.03 0.07 Al2O3 34.33 33.51 34.73 34.86 35.88 35.64 36.64 37.79 36.93 33.12 37.6 K2O 0.03 - 0.02 0.01 0.04 0.03 0.04 0.08 SiO2 6.16 5.88 4.70 5.83 4.87 3.74 2.15 3.54 CaO 7.90 7.88 6.94 7.19 6.89 6.03 5.63 6.36 13.55 MnO 0.01 0.01 - 0.01 0.05 - - - FeO 0.20 0.16 0.24 0.17 0.19 0.27 0.16 0.19 TiO2 0.09 0.01 0.08 0.11 - - - - SO3 1.28 1.26 1.30 1.67 0.94 0.78 0.94 0.76 P2O5 24.04 24.01 24.71 23.62 26.40 28.72 31.80 27.86 34.29 30.77 34.90 SrO 9.45 8.48 9.04 9.94 6.52 4.52 3.49 5.37 22.45 Cl 0.01 0.01 - - 0.01 0.02 - 0.01 V2O3 0.04 - 0.01 - - - - - Cr2O3 0.02 0.01 0.01 0.02 - 0.01 0.03 0.02 NiO - - - - 0.02 0.01 0.03 - CuO 6.55 6.20 8.14 7.29 8.46 9.95 9.59 8.97 9.78 H2O - - - - - - - - 15.23 13.66 17.72 Total 90.46 87.86 90.41 91.18 90.83 90.18 91.08 91.63 注：-表示低于仪器检出限
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期刊类型引用(1)
1. 温慧琳，杨明星，刘玲. 陕西白河小东沟绿松石矿明矾石的矿物学及谱学特征. 光谱学与光谱分析. 2023(04): 1088-1094 . 
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