Gemmological Characteristic of Pink Spinel from Yên Bái, Vietnam
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摘要: 越南北部的安沛省是粉红色尖晶石的新产地，目前缺乏关于该产地尖晶石的研究。以越南安沛粉红色尖晶石为研究对象，采用宝石学常规仪器，激光剥蚀等离子质谱仪和紫外-可见光吸收光度计, 荧光光谱仪等测试仪器进行系统性研究。结果表明，越南安沛粉红色尖晶石样品磨圆度较差，部分样品保留了原始晶形，为透明至半透明，荧光较强，表面有蚀痕等。显微镜下可见丰富的固体包裹体和液体包裹体，固体包裹体有八面体包裹体、管状包裹体等；液体包裹体大量分布在愈合裂隙中。紫外-可见吸收光谱基本一致，品红色样品由于其低V高Fe的特征，可与其他组样品区分开来。该批样品大部分显示强的粉红色荧光，强度略有差异，二维荧光光谱大致相同，显示Cr3+的特征谱线。成分测试显示该批尖晶石为镁铝尖晶石，主要化学成分为MgO和Al2O3，SiO2质量分数在0.70%~1.06%之间，CaO含量均低于0.1%，为典型的白云质大理岩型矿床尖晶石的化学特征。与其他产地大理岩型粉红色尖晶石成分特征进行对比分析，发现使用Fe/Sn、Ni、Zn等元素可将该产地尖晶石与塔吉克斯坦、坦桑尼亚的尖晶石区分，但是与缅甸尖晶石有部分重合。Abstract: Yên Bái in northern Vietnam is a new source of pink spinel, and there is a lack of research on spinel from this area.In this paper, the pink spinel samples from Yên Bái, Vietnam were systematically tested and studied by conventional gemmological instruments, laser denudation plasma mass spectrometer, ultraviolet-visible absorption spectrophotometer, fluorescence spectrometer and other testing instruments.The results showed that the spinel from Yên Bái have poor roundness, and some of the samples retained the original crystal shape, which are transparent to translucent, with strong fluorescence and etches on the surface.Rich solid inclusions and liquid inclusions can be seen under the microscope, such as octahedral inclusions, tubular inclusions, and a large number of liquid inclusions are distributed in healing fissures.The UV-Vis absorption spectra of the samples were basically the same and the magenta samples can be distinguished from other groups of samples due to its low V and high Fe characteristics.Most of the samples showed strong pink fluorescence with slightly different intensities, and the two-dimensional fluorescence spectra were approximately the same, showing characteristic lines of Cr3+. The results also showed that the main chemical compositions of the tested samples are MgO and Al2O3, the mass fraction of SiO2 is between 0.70% - 1.06%, and the content of CaO is less than 0.1%, which is a typical chemical characteristic of dolomitic-marble type deposit spinel.Compared with marble type pink spinels from other areas, it is found that the marble type pink spinel from this area can be distinguished from the spinels from Tajikistan and Tanzania by using Fe/Sn, Ni, Zn and other elements, but there is a partial overlap with the spinel from Myanmar.
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Keywords:
- spinel /
- gemmological characteristic /
- UV-Vis spectrum /
- chemical composition /
- Yên Bái, Vietnam
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砾背蛋白石又称“巨石欧泊(Boulder Opal)”，是一种比较特殊的品种，主要指形成于巨石缝隙中的沉积型蛋白石，产于澳大利亚昆士兰州，该州中部有许多小型砾背蛋白石矿点，如科罗伊特(Koroit)、约瓦(Yowah)和奎尔皮(Quilpie)等。昆士兰州被白垩纪上层含硅质沙漠砂岩地层所覆盖，砾背蛋白石赋存于此类地层底部粉色的软砂岩和黏土层中，常呈层状、脉状、管状出现在不同尺寸铁质矿石的缝隙间或内核中，通常与围岩作为一个整体进行加工[1]。
蛋白石是富含水的非晶态或结晶度较差的二氧化硅相，化学成分为SiO2·nH2O，其中SiO2质量分数可达85%~90%[2-3]。不显示变彩的普通纯相蛋白石是无色或白色的，当存在微量的致色元素或矿物包裹体时，蛋白石会出现与之对应的体色。由于蛋白石具有纳米级的特殊结构，能够对入射光产生干涉或衍射作用而产生特殊光学效应，这种叠加于蛋白石体色之上的物理光学致色被称为“变彩”，故研究蛋白石的颜色成因往往从体色和变彩两方面展开。
国内外学者采用傅里叶变换红外光谱、X射线粉末衍射、透射电子显微镜、电子探针、紫外-可见分光光谱等测试方法[3-7]对不同产地蛋白石的矿物组成、微观结构以及变彩效应进行了测试分析，主要研究对象为蓝色、绿色、黄色、粉色体色的蛋白石，少见对紫色蛋白石的研究。范春丽等[8]曾研究了一种外观微透明至不透明的紫色欧泊的宝石学特征，结果显示此类紫色欧泊的主要化学成分为SiO2，含少量的CaF2，认为含有萤石可能是样品呈现紫色的原因; 戴稚旋[9]探究了澳大利亚蓝色调欧泊的变彩效应与二氧化硅球粒间隙的关系，结果显示蓝紫色欧泊样品中二氧化硅球粒的平均直径约为219.69 nm，球粒间隙为155.32 nm，认为这是导致欧泊产生蓝紫色变彩的原因，此外未见其他有关的研究报道。目前紫色蛋白石的矿物组成、化学成分以及体色与变彩的形成机制缺少较为系统的论述，笔者使用傅里叶红外光谱、激光剥蚀等离子质谱仪、场发射扫描电子显微镜、X射线粉末衍射仪、紫外-可见分光光度计等测试仪器，对澳大利亚伴有紫色变彩的紫色砾背蛋白石的化学成分、谱学特征、体色与变彩的形成机制等问题进行了较全面的测试分析。
1. 样品及测试方法
1.1 基本特征
选取3块产于澳大利亚的紫色砾背蛋白石样品进行测试分析，编号为OP-A、OP-B、OP-C，蛋白石样品的基质为明显的紫色调，质地纯净、透明，肉眼可见背后所覆围岩，随着光源或观察角度的改变，紫色砾背欧泊样品上可见丝缕状、鳞片状的紫色单色变彩(图 1a-图 1c); 围岩部分呈红褐色调(图 1d)，硬度较低，褐红色条痕。
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图 1 紫色砾样蛋白石样品的基本特征a.样品OP-A蛋白石基质; b.样品OP-B蛋白石基质; c.样品OP-C蛋白石基质; d.样品OP-C围岩部分Figure 1. Basic characteristics of the purple boulder opal samples采用D65标准光源对紫色砾背欧泊样品进行图像采集，并用取色软件进行取色，样品紫色体色由浅至深分别为：样品OP-A(图 1a点①处)、样品OP-C、样品OP-A(图 1a点②处)、样品OP-B，与肉眼观察的结果一致。
1.2 测试方法
X射线粉末衍射测试仪器型号为D8 Advance型X射线粉末衍射仪(德国Bruker公司)，测试条件：电压40 kV，电流40 mA，扫描速度0.5 °/s，测量范围2θ=15°~70°。
利用德国Bruker公司傅里叶变换红外光谱仪测试样品的中红外反射光谱，仪器型号为Vertex80型，测试条件：扫描范围400~4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，扫描次数32次，反射法。
X射线荧光光谱仪器型号为QUANT’X(美国Thermo公司)，测试条件：工作电压16 kV，工作电流1.98 mA，测试环境为真空。
激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪型号为Agilent7700x，激光剥蚀系统为193 nm ArF准分子激光，激光剥蚀过程中采用He作为载气，激光束斑直径32~60 μm。
场发射扫描电子显微镜仪器型号为Hitach SU8010型，在中国地质大学生物地质与环境地质国家重点实验室完成，测试条件：电压15 kV，工作距离15 mm，电流10 nA，喷金厚度2 nm，扫描采用二次电子模式。
差热分析仪器型号为STA 449F3(德国耐驰公司)，测试条件：温度范围30~1 000 ℃，升温速率10 ℃/min，实验所用气体为氮气，气体流量30 mL/min，参照物为Al2O3。
紫外-可见分光光谱测试仪器型号为Perkin Elmer Lambda 650S，测试条件：测试范围350~800 nm，数据间隔1 nm，扫描速度267 nm/min，反射法。
2. 结果与讨论
2.1 矿物组成
2.1.1 X射线粉末衍射分析
室温条件下，紫色砾背蛋白石的X射线粉末衍射测试结果(图 2)显示，衍射峰整体呈现以22°(2θ)为中心的宽而弥散的散射晕，证明样品的主要矿物组成为非晶态蛋白石。因此，笔者推断，紫色砾背蛋白石主要为非晶态SiO2球粒，处于由非晶态向结晶态过渡的阶段[10]。
2.1.2 红外光谱分析
将紫色砾背蛋白石样品待测一面打磨平整并抛光，在室温条件下收集400~4 000 cm-1波数范围的光谱，重点观察指纹区(400~1 400 cm-1)的光谱特征，其中包含着与样品矿物组成、结晶程度有关的信息。结果(图 3)表明，在1 400~400 cm-1范围内，蛋白石样品最强吸收区出现在1 250~1 100 cm-1，归属Si-O反对称伸缩振动，由一强带(1 110 cm-1附近)及一弱带(1 160~1 250 cm-1)组成，吸收带呈现出明显的拐点，显示弱分裂，这指征了样品处于从单峰谱带(非晶态) 向分裂双峰谱带(结晶态)过渡的阶段[11]。其中，强、弱带的吸收中心分别位于1 110, 1 200 cm-1附近，更多地体现出α-方石英的振动特点[12]。785 cm-1附近有一个中等强度的吸收带，为单吸收峰，归属Si-O-Si对称伸缩振动所致。478 cm-1附近为吸收谱的第二个强吸收带，为单吸收峰，归属Si-O弯曲振动所致。
2.2 化学成分分析
2.2.1 X射线荧光光谱分析
对紫色砾背蛋白石样品的基质和围岩部分进行X射线荧光光谱分析。结果(表 1)显示，砾背蛋白石基质的主要化学成分为SiO2，含量达96%以上，含有少量的MgO、Al2O3、K2O、CaO以及FeO、MnO等次要成分。其中, Fe含量的变化与样品的体色深浅呈现相关性，紫色调最深的样品OP-B中Fe含量高于色调稍浅的样品，初步推测，Fe元素可能与紫色砾背蛋白石的体色成因有关; 围岩部分的主要成分为FeO、SiO2、MgO等，为铁质岩石。
表 1 紫色砾背蛋白石样品的化学成分测试结果Table 1. Chemical compositions of the purple boulder opal sampleswB/% 样品号 SiO2 MgO Al2O3 K2O CaO FeO MnO OP-A 97.85 1.242 0.416 0.121 0.122 0.076 0.001 OP-B 96.19 1.027 0.402 0.155 0.154 1.910 0.020 OP-C 98.31 0.880 0.391 0.135 0.168 0.012 0.002 OP-B(围岩) 39.09 1.550 0.795 0.379 0.252 57.093 0.502 2.2.2 LA-ICP-MS测试
由于X射线荧光光谱的光斑较大，采集的信息可能是样品某一区域的化学成分的平均值，因此不适用于样品微区化学成分分析，故笔者采用LA-ICP-MS对样品中的微量元素进行测试分析。测试点为样品OP-A点①和点②处、样品OP-B、样品OP-C及其围岩(测试点位如图 1)，结果(表 2)显示，蛋白石样品基质中Fe元素含量变化范围为39.687×10-6~69.146×10-6，平均含量达53.518×10-6; 其次为Ti和Mn元素，平均含量分别为6.475×10-6和6.161 ×10-6; 其余致色元素的含量均低于1×10-6。其中，紫色调最浅的样品OP-A点①处Fe含量最低，紫色调较深的样品OP-B和样品OP-C处Fe含量较高。样品围岩中Fe含量远高于其他致色元素，说明紫色砾背蛋白石凝结于铁质岩石的环境中，其蛋白石基质的紫色调与Fe含量存在一定的正相关，根据前人致色模型可知致色能力和Fe元素占位关系很大[13]。
表 2 紫色砾背蛋白石样品的微量元素含量特征Table 2. Content characteristics of trace elements in purple boulder opal samples/10-6 样品号 Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Rb Sr Zr Ba Pb OP-A 6.194 4.359 0.162 0.266 4.913 39.687 0.109 0.042 1.179 9.026 15.522 1.670 37.734 0.284 OP-B 5.926 4.656 0.042 0.167 4.952 51.870 0.111 0.953 2.039 11.389 11.014 7.336 42.303 2.901 OP-C 6.504 7.422 0.013 - 7.070 50.379 0.200 1.168 1.735 9.993 23.758 12.520 84.035 0.213 OP-C 5.551 7.549 - 1.185 6.338 56.507 0.263 0.335 1.247 11.273 23.422 11.483 87.770 0.179 OP-C(变彩) 7.275 8.390 0.243 3.933 7.533 69.146 0.091 0.281 2.178 11.322 30.552 17.031 107.887 0.083 OP-B(围岩) 7.046 460.334 57.052 16.220 5 962.683 368 448.060 13.713 37.186 63.058 4.588 36.215 10.534 17.961 6.798 2.2.3 差热测试
对紫色砾背蛋白石样品OP-C进行差热分析，测试结果(图 4)显示，样品在加热至71 ℃时出现吸热谷，此时样品中以逸出吸附水为主，在吸附水逸出的过程中，虽然质量会略有减少，但是样品的结构不会被破坏; 当加热至241 ℃时，差热分析的结果又出现了一个较弱的吸热谷，这一现象可能与紫色砾背蛋白石矿物中水合离子被破坏有关，即此时样品中以逸出结晶水为主; 在温度为525 ℃时，样品中的吸附水与结晶水完全消失，其质量分数大概在4.54%;在525~984 ℃左右，主要为结构水的释放，质量分数约为0.55%。
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图 4 紫色砾背蛋白石样品OP-C的差热分析曲线Figure 4. Differential thermal analysis curve of the purple boulder opal sample OP-C3. 体色及变彩现象分析
3.1 紫色砾背蛋白石的体色
对3个紫色砾背蛋白石样品进行紫外-可见吸收光谱测试，测试结果(图 5)显示，其吸收光谱基本一致，在可见光范围内，样品在522 nm后全吸收，仅允许400~500 nm以内的部分色光通过，在407，480 nm附近存在吸收峰，吸收后残余能量组合形成了砾背蛋白石的紫色体色。结合LA-ICP-MS和差热分析的测试结果，紫色砾背蛋白石中Fe元素可能对紫色体色的形成起到了重要的作用。
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图 5 紫色砾背蛋白石样品的紫外-可见吸收光谱Figure 5. UV-Vis absorption spectra of the purple boulder opal samples3.2 紫色变彩与微结构
使用场发射扫描电子显微镜观察样品OP-A、OP-C变彩区域的形貌特征，结果显示，样品OP-A和OP-C的变彩区域由许多近似圆球体的SiO2球粒聚集而成，这些球粒大小接近、排列规则，球粒直径范围为182~240 nm，在三维空间内呈简单立方堆积。同时，成层排列的SiO2球粒周围有规律的形成了许多间隙，在三维空间内呈八面体空隙(图 6和图 7)。实际测得在八面体空隙下这些SiO2球粒间距离的大小约在63~150 nm范围内，符合前人关于八面体空隙下SiO2球粒间距离介于0.414~1倍球粒直径之间的结论[14]。
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图 6 样品OP-A紫色变彩区域的扫描电子显微镜图像Figure 6. SEM images of purple play-of-colour area of sample OP-A![]()
图 7 样品OP-C紫色变彩区域的扫描电子显微镜图像Figure 7. SEM images of purple play-of-colour area of sample OP-C在蛋白石中大小近似的球体紧密排列，其间留有空隙。由于这些空隙大小接近于可见光波长，因此，形成了一个可以使光发生衍射的三维衍射光栅。当一组光线入射蛋白石时，一部分光线射到SiO2球粒表面，产生折射; 而另一部分光线则通过由空隙组成的三维衍射光栅，当入射光的光程差等于波长的整数倍时，光就发生了衍射[14]。根据蛋白石的折射率可以计算出在衍射过程中，SiO2球粒间距离(d)与光的波长(λ)的关系满足λ=2.9 d[9]。当八面体空隙宽度在138~155 nm范围内时，只允许波长为400~450 nm的紫色光通过，形成单彩的紫色蛋白石。
4. 结论
本研究首次对澳大利亚紫色砾背蛋白石进行了矿物学及谱学特征研究，测试结果如下。
(1) 紫色砾背蛋白石的XRD谱峰为2θ=22°的宽衍射峰，表明其在矿物组成上为非晶质的二氧化硅球粒与弱结晶态的石英族矿物雏晶的集合体。另外，在红外光谱中发现位于1 110 cm-1和1 200 cm-1附近归属Si-O反对称伸缩振动的分裂双峰，表明紫色砾背蛋白石中还含有少量的α-方石英。
(2) 紫色砾背蛋白石的主要化学成分为SiO2，除此之外还含有少量的MgO、Al2O3、K2O、FeO等次要成分以及以吸附水、结晶水和结构水等多种形式存在的水。在不同颜色浓度的紫色砾背蛋白石中，FeO的含量与蛋白石的颜色深浅呈现出正比关系。另外，在围岩中化学成分则以FeO为主。
(3) 微量元素分析表明，紫色砾背蛋白石中含量在1×10-6以上的致色元素仅为Fe、Ti、Mn这三种元素，其中元素含量与颜色深浅存在正比关系的仅为Fe元素，说明蛋白石基质的紫色调与Fe含量存在一定的正相关关系。
(4) 紫外-可见吸收光谱分析表明，紫色砾背蛋白石在522 nm之后全吸收，仅允许400~500 nm以内的部分色光通过，在407 nm和480 nm附近存在吸收峰，吸收后残余能量组合形成了砾背蛋白石的紫色体色。蛋白石变彩区域的SiO2球粒直径范围为182~240 nm，球粒周围八面体空隙的大小约在63~150 nm范围，根据布拉格方程计算，只允许波长为400~450 nm的紫色光通过，此时形成的为仅具有紫色变彩的单彩蛋白石。
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图 2 越南安沛粉红色尖晶石样品的表面特征
(a)尖晶石的八面体晶形; (b)贯穿整个样品的裂隙以及颜色不均匀现象; (c)尖晶石的表面蚀痕; (d)阶梯状外凸三角形; (e)嵌入表面的黑色板状包裹体及黄褐色铁质浸染物; (f)表面的黄色和黑色杂质
Figure 2. Surface features of the pink spinel samples from Yên Bái, Vietnam
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图 1 越南安沛粉红色尖晶石样品
(a)粉红色尖晶石(自然光下); (b)不同颜色组别
Figure 1. Pink spinel samples from Yên Bái, Vietnam
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图 3 越南安沛粉红色尖晶石样品的包裹体特征
(a, b)八面体包裹体; (c)分布在同一个三角形平面的八面体包裹体; (d)贯穿于其他固态包裹体的管状包裹体; (e)存在于近表面的黑色板状包裹体; (f)内部的粒状黑色包裹体; (g)椭球形黄色包裹体; (h)四方柱状黄色包裹体; (i)粒状固体包裹体; (j)四方柱状包裹体; (k)串珠状包裹体(内部被黑色物质充填); (l)液态包裹体
Figure 3. Characteristic inclusions in pink spinel samples from Yên Bái, Vietman
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图 4 越南安沛粉红色尖晶石样品的UV-Vis分峰拟合结果
(a)样品PP-4的吸收光谱；(b)样品OP-3的分峰拟合结果；(c) 样品RP-1的分峰拟合结果；(d)样品PP-3的分峰拟合结果
Figure 4. UV-Vis peak fitting results of the pink spinel samples from Yên Bái, Vietnam
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图 5 越南安沛尖晶石样品在长波紫外荧光灯下的特征与二维荧光图
Figure 5. Fluorescence characteristics of spinel samples from Yên Bái, Vietnam under long wave ultraviolet and their two-dimensional fluorescence spectrograms
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图 6 越南安沛粉红色尖晶石样品的Fe、V、Cr含量柱状图
(a)样品FeO/V2O3+Cr2O3柱状图；(b)样品V2O3、Cr2O3含量对比柱状图
Figure 6. Fe, V and Cr content histograms of spinel samples from Vietnam
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表 1 越南安沛粉红色尖晶石样品的常规宝石学特征
Table 1 Conventional gemmological characteristics of pink spinel samples from Yên Bái, Vietnam
样品号 颜色 透明度 光泽 折射率 相对密度 紫外荧光LW 紫外荧光SW OP-1 浅橙色 透明 玻璃光泽 1.717 3.56 强粉红色 无 OP-2 橙红色 透明 玻璃光泽 1.718 3.57 中红色 无 OP-3 橙红色 透明 玻璃光泽 1.718 3.57 中粉红色 无 PP-1 品红色 透明 玻璃光泽 1.714 3.51 强粉红色 无 PP-2 品红色 透明 玻璃光泽 1.714 3.56 中粉红色 无 PP-3 品红色 半透明 玻璃光泽 1.717 3.52 强粉红色 无 PP-4 品红色 半透明 玻璃光泽 1.718 3.47 强粉红色 无 RP-1 浅红色 透明 玻璃光泽 1.718 3.57 强粉红色 无 RP-2 红色 半透明 玻璃光泽 1.729 3.53 无 无 RP-3 红色 半透明 玻璃光泽 1.718 3.56 中粉红色 无 
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表 2 越南安沛粉红色尖晶石样品的紫外-可见光谱分峰拟合结果
Table 2 UV-Vis spectra peak fitting results of the pink spinel samples from Yên Bái, Vietnam
/nm 样品号 吸收带 350~450 450~620 620~700 a b c d e f g i j PP-3 373 391 419 516 545 573/592 638 687 RP-1 367 385 417 505 523 549 580 OP-1 376 393 411 506 522 545 573
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表 3 越南安沛粉红色尖晶石样品的化学成分
Table 3 Chemical composition analysis of pink spinel samples from Yên Bái, Vietnam by LA-ICP-MS
样品号 MgO/% Al2O3/% SiO2/% TiO2/ppm V/ppm Cr/ppm FeOtol/ppm Co/ppm Zn/ppm Ni/ppm Cu/ppm CaO/ppm Sn/ppm OP-1 29.57 68.31 1.04 180.37 2 359.31 1 871.81 1 079.26 0.79 1 260.81 4.50 0.81 134.39 0.36 OP-2 29.59 68.01 0.96 217.67 3 866.05 2 121.01 1 949.33 2.20 761.34 35.82 0.55 110.07 1.90 OP-3 29.57 68.34 1.06 152.79 4 269.71 2 076.00 2 549.76 3.14 658.72 112.61 - 60.35 1.37 PP-1 29.97 68.29 0.92 134.93 987.70 1 897.56 2 135.68 1.47 634.03 39.97 0.176 - 0.39 PP-2 30.08 67.50 0.78 238.30 1 839.62 5 386.92 3 590.30 1.63 727.18 32.04 0.41 - 1.485 PP-3 30.65 67.20 0.92 121.19 371.72 3 791.10 3 019.04 4.71 812.99 55.81 - 75.11 0.95 PP-4 30.61 66.86 0.84 97.87 532.57 6 424.59 3 382.83 4.63 712.63 66.03 0.17 87.75 0.53 RP-1 30.28 67.69 0.97 239.63 2 061.04 2 162.41 1 398.18 1.01 981.56 12.75 0.54 156.89 0.501 RP-2 29.48 64.80 1.03 96.63 416.73 25 841.26 4 371.97 6.34 1 010 92.58 0.56 52.43 0.81 RP-3 29.46 68.35 0.70 254.30 2 005.46 5 120.38 1 385.09 1.28 935.14 9.45 - 221.94 - 注：-代表元素含量在仪器检出限以下。
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