Gemmological and Mineralogical Characteristics of Multicolour Laminated Marble Jade
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摘要: 近年来云南珠宝市场兴起了一类造型奇特、富有情趣的观赏石, 俗称“猪肉石”，因其颜色及纹理特征特殊而得名。利用常规宝石学方法、显微岩相学及多种现代测试技术对该类观赏石样品的矿物组成及谱学特征进行测试分析。结果显示，该类观赏石样品呈油脂-蜡状光泽、半透明-微透明，由白色、黄色、褐色、红色等多色纹层构成，整体结构定向特征明显；显微岩相学及X射线粉末衍射分析表明其主要矿物组成为碳酸盐，包括方解石和极少量的菱镁矿，约占90%以上，其次为含氧化铁泥灰质，约占5%~10%，以及微量的泥质残留物；偏光显微镜下可见明显的方解石变质重结晶及聚片双晶特征；红外光谱在712、875、1 420 cm-1处具有特征吸收峰，分别归属[CO3]2-的面内弯曲振动ν4、面外弯曲振动ν2、以及反对称伸缩振动ν3，其中ν4指示主要成分为方解石；拉曼光谱在1 086、713、281 cm-1处的拉曼峰由[CO3]2-的面外弯曲振动、面内弯曲振动以及晶格振动所致；化学成分分析显示样品除有CaCO3外，还含有Al、Fe、Mn、Ti等多种微量元素，并结合其紫外-可见光光谱特征可知Fe和Mn元素是其产生红色、黄色、褐色的主要原因，Fe和Mn的含量越高颜色越深。综上，该类观赏石样品是含少量铁泥灰质的钙镁碳酸盐类矿物，依据国家标准《珠宝玉石 名称》 GB/T 16552-2017，应定名为大理岩玉或碳酸盐质玉。Abstract: A new kind of ornamental stone in the domestic jewelry market is becoming popular in recent years, because of its similar appearance to the pork. In this paper, the mineral components and spectral characteristics of the ornamental stone samples were analyzed by conventional gemmological tests, micro-petrography and a variety of modern testing techniques. The results show that the ornamental stone is composed of white, yellow, brown, red and various other coloured bands, it has oil waxy luster, translucent to slightly transparent.The overall structure has a remarkable orientation. Micro-petrography and X-ray powder diffraction analysis show that the main mineral component is carbonate, accounting for more than 90%, including calcite and a small amount of magnesite. The secondary minerals are iron bearing marl such as iron oxide, accounting for about 5%-10%. In addition, there are argillaceous residues formed by recrystallization of very small amounts of calcite, with medium coarse-grained crystalloblastic structure as a whole. Under polarizing microscope, the characteristics of calcite metamorphism and recrystallization are obvious and the characteristics of lamellar bicrystal can be seen.The infrared spectra show characteristic infrared absorption peaks at 712, 875, 1 420 cm-1, which are respectively attributed to the in-plane bending vibration ν4, out-of-plane bending vibration ν2, anti-symmetric stretching vibration ν3 of [CO3]2-, and the vibration mode ν4 indicates that the main component is calcite. Raman spectra have characteristic Raman shift peaks at 1 086, 713 cm-1 and 281 cm-1, which are attributed to the out-of-plane bending vibration, in-plane bending vibration and lattice vibration of [CO3]2-. Both infrared spectra and Raman spectra indicate the vibration mode of carbonate groups.The chemical composition analysis show that in addition to CaCO3, the ornamental stone samples also contain a variety of trace metal elements such as Al, Fe, Mn and Ti. Fe and Mn is the colour origin of the yellow, brown and red bands. The higher the content of Fe and Mn, the darker the body colour of the stone. Based on its UV-Vis spectral characteristics, it can be seen that Fe and Mn should be the main cause of the colour red, yellow and brown, and Mn and Ti have certain effect on the change of colour tone.In conclusion, the ornamental stone samples are calcium magnesium carbonate minerals containing a small amount of iron argillaceous matter.According to Gems-Nomenclature GB/T 16552-2017, it should be named as marble jade or carbonate jade.
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Keywords:
- marble jade /
- mineral component /
- spectral characteristic /
- formation mechanism
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近年来，滇西瑞丽及龙陵珠宝市场上盛行一类造型奇特、富有情趣的纹理石类观赏石，因其类似“肉类”肌理和颜色层次纹带，俗称“猪肉石”，且被商家赋予了招财、喜庆、富贵等吉祥寓意，受到众多消费者的喜爱。天然品相佳者价值不菲，市价可达到万元。虽然该类观赏石已面市数年，但人们对其认识仅停留在鉴赏及收藏文化方面，对其宝石矿物学特征及种属定名缺乏了解，未见相关报道。因此，笔者从瑞丽珠宝市场搜集了颜色和纹理具代表的4块样品，运用常规宝石学测试、岩矿薄片及多种大型测试仪器等方法对其矿物组成和谱学特征进行了较全面的测试分析，旨在为此类观赏石的鉴定、评价、市场推广及后续研究提供科学依据。
1. 样品及测试方法
1.1 测试样品
本文实验样品为4块颜色、纹理具代表性的挂件(图 1，编号ZRS-1~ZRS-4)，均采购自瑞丽珠宝市场。样品外观结构完整、纹层清晰，呈半透明-微透明，油脂-蜡状光泽。
1.2 测试方法
红外光谱采用Nicolet IS10型红外光谱仪，测试条件：压片透射法，扫描范围400~4 000 cm-1，背景扫描32次，扫描次数32次，分辨率4 cm-1；拉曼光谱采用BWS415-785H-GR型珠宝拉曼光谱仪，测试条件：激光波长785 nm，积分时间30 s，叠加次数2次，狭缝宽度10 μm，激光功率365 mw(衰减率80%)，测试范围150~2 700 cm-1；化学成分采用Quant’X型X射线荧光光谱仪，测试条件：硅漂移探头(SDD)，准直器2.0 mm，真空气氛，测试时间100 s，室温；紫外-可见光光谱采用飞博尔公司UV5000型紫外-可见光纤光谱仪，测试条件：分辨率1 nm，积分时间300 ms，平均次数90次，波长范围210~1 060 nm。以上测试均在德宏师专珠宝实验室完成。
矿物组成在云南大学现代分析测试中心完成，采用布鲁克D8 VENTURE X射线衍射仪，样品被研磨成200目的细小颗粒，测试条件：Cu靶，Pa滤波，管电压40 kV、管电流200 mA，扫描步长0.02°。
2. 测试结果与分析
2.1 基本特征
本文研究样品由白色、浅褐色、黄褐色、红褐色、红色等多种颜色纹层构成，相邻纹层厚度不均，其中黄白色和浅褐色纹层呈半透明，黄褐色、红褐色和红色纹层呈微透明-不透明。对样品ZRS-4放大观察不同颜色纹层间过渡模糊，黄褐色、红褐色及红色呈浸染状分布，白色及浅褐色部分晶粒粗大，透明度高(图 2a和图 2b)，白色部分结构致密且透明度较低(图 2b和图 2c)。在长波紫外光下，样品中白色及浅褐色部分呈弱黄白色荧光，其余部分为惰性；样品表面凹凸不平，抛光痕较多，雕刻及抛光工艺较粗糙。用摩氏硬度笔刻划测得硬度为3~4，滴加稀盐酸剧烈冒泡。
2.2 偏光显微镜特征
将样品ZRS-1和ZRS-2制成矿物光薄片，在偏光显微镜下观察其矿物组成及结构特征(图 3)。结果显示其主要矿物组成为方解石，同时还有含少量氧化铁的泥灰质以及微量的泥质残留物。其中，方解石呈无色、细-粗晶粒状，以1~7 mm的自形-半自形三角面体的中-粗晶粒为主，闪突起显著，两组极完全菱形解理及聚片双晶特征发育，双晶纹平行于菱形的长对角线，薄片染色试验中遇茜素红呈紫红色(区别于白云石[1]的特征是后者双晶纹平行于菱形短对角线方向，遇茜素红不染色)，高级白干涉色，一轴晶负光性，含量在90%以上，受变质作用影响方解石重结晶特征显著；含铁泥灰质沿方解石的解理间隙充填，氧化铁具黄色、褐色、红色等多种颜色，呈板片状、鳞片状晶形或致密粒状集合体，正突起极高，含量约占5%~10%，与方解石彼此镶嵌形成中-粗粒变晶结构、条带构造；此外还可见少量深灰色、半透明的尘点，反光下为白色，系方解石重结晶后的泥质残留物，含量占约1%。
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图 3 样品ZRS-1和ZRS-2在正交偏光显微镜下显示中-粗粒变晶结构和条带构造Cal-方解石；Fe-氧化铁；Fst-方解石重结晶残留物Figure 3. The orthogonal polarizing light microscopic observation of samples ZRS-1 and ZRS-2 showing the medium-coarse-grained crystallized structure and banded structure2.3 X射线粉末衍射分析
取样品ZRS-2不同颜色部位制混合粉末样，对其进行X射线粉末衍射测试，结果(表 1和图 4)显示，在d=3.853 8、3.033 4、2.282 8、1.910 3、1.873 2 Å等处出现一组强的特征衍射峰，指示其主要组分为方解石(CaCO3)[1]；在d=2.492 7、2.092 4 Å处中等强度衍射峰指示含有微量菱镁矿(MgCO3)[2]，其主要衍射峰强而尖锐，表明碳酸盐矿物结晶程度高。该方法未能检测其中微细含铁杂质矿物。
表 1 样品ZRS-2的X射线衍射数据Table 1. X-ray powder diffraction data of sample ZRS-2点位 2θ/(°) d/Å I/Io 物相ID 1 23.060 3.853 8 1.7 方解石 2 29.420 3.033 4 100.0 方解石 3 31.459 2.841 4 0.7 方解石 4 36.000 2.492 7 1.9 菱镁矿 5 39.441 2.282 8 3.3 方解石 6 43.202 2.092 4 3.0 菱镁矿 7 47.161 1.925 5 1.2 方解石 8 47.559 1.910 3 5.5 方解石 9 48.651 1.873 2 6.3 方解石 10 56.660 1.623 2 0.5 方解石 11 57.480 1.602 0 1.1 方解石 12 58.142 1.585 3 0.4 方解石 13 60.761 1.523 1 1.0 方解石 14 61.118 1.515 0 1.7 方解石 15 64.779 1.438 0 0.8 方解石 16 65.719 1.419 7 1.8 方解石 17 73.039 1.294 4 0.4 方解石 18 77.340 1.232 8 0.6 方解石 19 81.661 1.178 1 0.6 方解石 2.4 红外光谱分析
取样品ZRS-1红褐色部位研磨成粉末及压片制样，其红外光谱测试结果(图 5)表明，在712、847、875、1 029、1 420 cm-1处显示一组碳酸盐矿物的特征吸收峰[3]，其中712 cm-1归为[CO3]2-的面内弯曲振动ν4所致，875 cm-1处的强锐吸收峰及847 cm-1处小而尖锐的肩峰归为[CO3]2-的面外弯曲振动ν2所致，1 029 cm-1处的弱峰为[CO3]2-对称伸缩振动所致，以1 420 cm-1为中心的最强而宽的吸收峰为[CO3]2-的反对称伸缩振动ν3所致。ν4的频率与阳离子半径变化有明显相关性，据其频率位置可以区分方解石族矿物，712 cm-1处指示矿物相主要为方解石[3]，未显示菱镁矿特征峰(对应ν4频率为747 cm-1)[4]，推测与菱镁矿的含量及结晶度较低有关；2 982 cm-1和2 875 cm-1处为[CO3]2-反对称伸缩振动的一级倍频峰，2 513 cm-1处为[CO3]2-的反对称和对称伸缩振动的合频峰，1 799 cm-1处为[CO3]2-的对称伸缩振动和面内弯曲振动的合频峰；3 156、3 417、3 474 cm-1处的吸收峰由吸附水所产生，分别归属于为水分子弯曲振动δ(M-H2O)、对称伸缩振动νs(M-H2O)及反对称伸缩振动νas(M-H2O)所致[4]。同理，样品中白色、浅褐色、黄褐色、红色部位的红外光谱与上述一致。
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图 5 样品ZRS-1红褐色部分的红外透射光谱Figure 5. Infrared transmission spectrum of the bronzing part of sample ZRS-12.5 拉曼光谱分析
样品的白色、浅褐色、黄褐色、红色、红褐色等不同颜色部分的拉曼光谱测试结果(图 6)一致，均显示方解石的拉曼光谱特征[5]，1 086 cm-1处的最强拉曼峰为[CO3]2-面外弯曲振动所致，713 cm-1处的中等强度拉曼峰为[CO3]2-面内弯曲振动所致，283 cm-1处的次强拉曼峰为[CO3]2-晶格振动所致。除此外未检测到其他杂质矿物，与红外光谱结果一致。
2.6 X射线荧光光谱分析
分别对样品ZRS-4中微黄白色、浅褐色、黄褐色、红褐色及红色区域(图 7)进行了EDXRF定量分析，准直器选用2.0 mm。结果(表 2)显示，样品中除主要成分CaCO3外，还含微量元素Al、Fe、Mn、Ti等，其中Mg含量低于检测限因而未显示，表明菱镁矿含量极少。样品微黄白色部分中的Fe和Ti含量最低且未测出Mn，其余4个测试部位(浅褐色、黄褐色、红褐色、红色)随着色调加深，Fe和Mn含量逐渐增加，Ti含量无明显增减趋势，且样品红色部分未显示Ti，Fe2O3的平均质量分数(0.152 3%)约为MnO(0.044 6%)的3.4倍，约为TiO2的(0.028 3%)的5.4倍。笔者推测，该类观赏石样品的颜色特征主要由Fe和Mn元素引起，以Fe为主，Mn为辅，Ti对其颜色变化无明显影响。
表 2 样品ZRS-4的EDXRF化学成分测试结果Table 2. EDXRF test results of the chemical compositions of sample ZRS-4wB/% 样品测试部位 Al2O3 CaO CO2 TiO2 MnO Fe2O3 总计 ZRS-4(微黄白色) 0.799 6 55.520 8 43.623 5 0.016 5 - 0.039 6 100.00 ZRS-4(浅褐色) 0.977 0 55.358 2 43.495 8 0.017 9 0.008 6 0.142 5 100.00 ZRS-4(黄褐色) 0.829 6 55.465 9 43.580 3 0.035 8 0.028 1 0.060 3 100.00 ZRS-4(红褐色) 0.669 4 55.330 2 43.743 7 0.031 3 0.055 3 0.170 1 100.00 ZRS-4(红色) 1.224 2 55.182 2 43.357 4 - 0.086 3 0.236 2 100.00 2.7 紫外-可见光光谱分析
为进一步了解颜色的成因机理，选样品ZRS-4的浅褐色、黄褐色、红色、红褐色4种颜色区域(图 7)分别对其进行紫外-可见光谱测试。结果(图 8)显示，不同颜色区域的紫外-可见光吸收光谱特征相似，因颜色深浅不同吸收强度有所差异。结合上述化学成分结果，其紫外-可见光吸收特征与Fe和Mn的综合作用有关，400 nm处的弱吸收峰由Mn2+的d-d轨道3d5电子的6A1g→4Eg跃迁所致[6-7]；525 nm和545 nm处的弱吸收由Fe2+的3d6电子d-d轨道的5T1g→5Eg跃迁所致[7-8]。此外，黄褐色区域在340 nm处有较强吸收峰，落在紫外光区，与颜色的形成无关。
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图 8 样品ZRS-4不同颜色部位的紫外-可见光光谱Figure 8. UV-Vis spectra of the different colour parts of sample ZRS-43. 讨论
据了解，这类观赏石主要产自广西省柳州市、河北省康保县境内，其外观上具变余层理构造，属于接触变质大理岩[9]。本研究样品的主要矿物组成为方解石(及微量菱镁矿)，次要为含铁泥灰质以及微量的泥质残留物，据矿物组成应属于一种钙镁碳酸盐质玉[10]。从外观看，方解石集合体呈纤维状、柱粒状紧密镶嵌，长轴方向垂直色带或层理分布，整体形态及结构具明显的定向特征。这种定向特征与地壳构造运动引起的构造应力及方解石重结晶作用相关。初期形成的不规则纤维状和柱粒状方解石在构造应力作用下沿主应力方向转动而变得规则排列，单颗粒的长轴方向逐渐趋于平行挤压面，形成一定的优先方位，同时方解石在巨大挤压力作用下发生了变质重结晶作用[11-12]，这从偏光镜下的重结晶特征可以看出。该类观赏石亦表现为黄白色、浅褐色、黄褐色、红褐色、红色等多色纹带相间的特征，这是由于形成过程中地壳发生垂直构造运动产生张性断裂带，而后被高温岩浆侵入，以及受含铁锰的成矿溶液长期浸润及沉淀作用而形成。相间纹层的透明度及晶粒大小亦有不同，与各纹层中混入的铁泥质及其中Fe和Mn等致色元素含量的差异有关，也反映其生长环境的温度、压力及成矿溶液介质发生突变，以及形成过程具多期性和间歇性。Fe和Mn含量越高其纹层的红色、褐色调越深，反之，Fe和Mn含量较低的纹层呈较浅的黄白、浅褐色。与此同时，当某一阶段成矿溶液中Fe和Mn含量较高时，其微细铁、锰粉状杂质会阻碍及干扰方解石重结晶，使其结晶粒度变细，并与Fe和Mn质杂质颗粒聚集成透明度极低的混合层，表现为方解石中的结晶突变层[11, 13]。而另一阶段成矿溶液中Fe和Mn含量很低时，方解石结晶缓慢稳定，形成粒径较大的中粗粒-纤维状生长层。
4. 结论
(1) 本文多颜色纹层观赏石样品呈油脂-蜡状光泽、半透明-微透明，由白色、黄色、褐色、红色等多色相间纹带组成，具中-粗粒变晶结构，整体结构及形态具明显的定向特征。
(2) 本文多颜色纹层观赏石样品的主要矿物组成为方解石及微量菱镁矿，约共占90%以上，其次为铁泥质充填物，约占5%~10%，以及微量的泥质残留物，属于钙镁碳酸盐质玉，国标规范定名为大理岩玉或碳酸盐质玉；黄色、褐色、红色等颜色特征由方解石晶粒及解理间的次生含铁泥灰质充填物引起，致色元素以Fe为主，Mn为辅。
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图 3 样品ZRS-1和ZRS-2在正交偏光显微镜下显示中-粗粒变晶结构和条带构造
Cal-方解石；Fe-氧化铁；Fst-方解石重结晶残留物
Figure 3. The orthogonal polarizing light microscopic observation of samples ZRS-1 and ZRS-2 showing the medium-coarse-grained crystallized structure and banded structure
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图 5 样品ZRS-1红褐色部分的红外透射光谱
Figure 5. Infrared transmission spectrum of the bronzing part of sample ZRS-1
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图 8 样品ZRS-4不同颜色部位的紫外-可见光光谱
Figure 8. UV-Vis spectra of the different colour parts of sample ZRS-4
表 1 样品ZRS-2的X射线衍射数据
Table 1 X-ray powder diffraction data of sample ZRS-2
点位 2θ/(°) d/Å I/Io 物相ID 1 23.060 3.853 8 1.7 方解石 2 29.420 3.033 4 100.0 方解石 3 31.459 2.841 4 0.7 方解石 4 36.000 2.492 7 1.9 菱镁矿 5 39.441 2.282 8 3.3 方解石 6 43.202 2.092 4 3.0 菱镁矿 7 47.161 1.925 5 1.2 方解石 8 47.559 1.910 3 5.5 方解石 9 48.651 1.873 2 6.3 方解石 10 56.660 1.623 2 0.5 方解石 11 57.480 1.602 0 1.1 方解石 12 58.142 1.585 3 0.4 方解石 13 60.761 1.523 1 1.0 方解石 14 61.118 1.515 0 1.7 方解石 15 64.779 1.438 0 0.8 方解石 16 65.719 1.419 7 1.8 方解石 17 73.039 1.294 4 0.4 方解石 18 77.340 1.232 8 0.6 方解石 19 81.661 1.178 1 0.6 方解石 
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表 2 样品ZRS-4的EDXRF化学成分测试结果
Table 2 EDXRF test results of the chemical compositions of sample ZRS-4
wB/% 样品测试部位 Al2O3 CaO CO2 TiO2 MnO Fe2O3 总计 ZRS-4(微黄白色) 0.799 6 55.520 8 43.623 5 0.016 5 - 0.039 6 100.00 ZRS-4(浅褐色) 0.977 0 55.358 2 43.495 8 0.017 9 0.008 6 0.142 5 100.00 ZRS-4(黄褐色) 0.829 6 55.465 9 43.580 3 0.035 8 0.028 1 0.060 3 100.00 ZRS-4(红褐色) 0.669 4 55.330 2 43.743 7 0.031 3 0.055 3 0.170 1 100.00 ZRS-4(红色) 1.224 2 55.182 2 43.357 4 - 0.086 3 0.236 2 100.00
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