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链状、环状硅酸盐类宝玉石材质反射率光谱特征分析

随着社会的发展和人们生活水平的提高,对美的追求也随之提高。宝玉石以其具有独特的美学价值越来越受到人们的青睐。宝玉石文物不仅仅有着浓厚的艺术色彩,更有着无法估量的历史价值。一些出土的文物中,会出现难以准确区分类别的宝玉石材质,快速准确地进行类型识别显得尤为重要。

表1 研究中宝玉石样本

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表1为无机盐类的宝石类别,莱森光学知识会在后续的更新中为您逐一科普。本文主要先分析硅酸盐宝石的三类成分宝石——链状硅酸盐、环状硅酸盐、岛状硅酸盐。

何为硅酸盐宝石?硅酸盐宝石矿物是硅氧四面体以各种形式结合生成的,在无机盐类宝石矿物中种类和数量最多,约占其中80%。

 

1、链状硅酸盐

链状硅酸盐主要以单链和双链为主,通常含有Fe3+、Mn3+、Cr3+、Ti3+等过渡金属阳离子,双链矿物还常见某些阴离子,如OH-。双链矿物只有角闪石族含有水,其余均无水。硅氧主干主要以离子键为主。透闪石是含水的钙、铁、镁质链状硅酸盐矿物,理论化学成分为SiO2 59.169%,MgO 24.808%,CaO 13.805%。

透闪石分析光谱如图2所示,能看到948nm处有一小而尖锐吸收应为的吸收峰。1274 nm有两个连续吸收峰,为Mg的吸收峰。1400nm处有显著的-OH吸收峰,1909 nm处有吸附水特征峰。2105 nm处极小吸收峰为Si-O一级倍频。2294 nm附近有小吸收带,为Fe-OH的吸收带。由此,透闪石有独特的吸附水特征峰,且有-OH基团的吸收峰,含金属离子的吸收峰,分辨容易。

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2、环状硅酸盐

状硅酸盐矿物结构中包含由3个,4个或者6个[SiO4]4-成的封闭的环(分别叫三方、四方和六方环),阴离子间主要以阳离子,比如Al3+,矿物中的空隙连成通道,可以容纳各种离子。我们这里主要以堇青石和碧玺为例。

堇青石:主要成分为(Mg,Fe)2Al3[AiSi5O18],其六方环中的一个[SiO4]四面体被AlO4代替,结构孔道中常含H2O。

如图3堇青石光谱所示:三组堇青石光谱大致相同,893~1062nm有离子吸收带。1410 nm处有O-H键的一级倍频吸收峰。1898 nm处有特殊的吸附水特征峰。2012 nm,2089 nm 有两个Si-O吸收峰(2089 nm也可能是Fe-OH前移)。

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碧玺的化学分子式为:Na(Mg,Fe,Mn,Li,Al)3Al6[Si6O18][BO3]3(OH,H)4。从化学式就能看出碧玺含有多种金属离子,这些金属离子的种类与含量决定了碧玺的颜色。由于碧玺阳离子的多变,其颜色是各类宝石中最为丰富的。

我们测定了两种不同颜色的碧玺(图4)以及一个含有不同碧玺的珠宝饰品(图5)。不同碧玺在400~1100 nm波段均有差异,切合碧玺化学式中阳离子的多样性。另外,光谱中全部具有-OH与吸附水吸收峰。

样品碧玺组在2212 nm与2242 nm出现肩峰,为Al-OH吸收峰。碧玺样品 0.563 g在730 nm处有Fe和Mn 组合频,2298nm也有Fe-OH吸收峰。碧玺样品 0.49 g没有Fe特征峰,2361 nm处为Mg-OH吸收峰。

首饰碧玺组在2049 nm处均有Si-O一级倍频,在2175 nm与2198 nm出现肩峰为Al-OH。2249 nm处有吸收峰,为Si-OH的特征峰。2305nm处有吸收峰,是Fe-OH的吸收峰。

首饰碧玺经过加工,含有众多阳离子,所以2000~2400 nm处有多个吸收峰,由于这些阳离子与羟基结合的特征峰有先后关系,因此,该波段是判断阳离子数目和区别种类众多的玉石的一个重要手段。

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岛状硅酸盐的硅氧骨干主要是孤立的硅氧四面体或者每两个四面体以一个公共角相连组成双四面体在结构中独立存在,其骨架上的硅很少被Al3+替代。而其中所含金属阳离子也远比其余类复杂,主要含有Ca,Mg,Fe,Mn,Al,Zn,Cu和一些稀土元素。但很少出现K与Na。其结构较紧密,化学键主要以共价键与离子键为主。

石榴石的化学通式为A3B2(SiO4)3,其中A代表二价阳离子,如Mg2+,Fe2+,Mn2+,Ca2+等离子,B代表三价阳离子,如Al3+,Cr3+,Fe3+,Ti3+,V3+等离子。

我们观测了两个石榴石样本(图8)发现在500 nm处有吸收峰,可能是Fe3+的吸收峰,无吸附水特征峰。1700nm处有吸收带。组石榴石在2242 nm处有Al-OH吸收峰,2357 nm处有Mg-OH吸收峰。在1230 nm处有O-H健的吸收峰,相对前移。石榴石以及岛状硅酸盐宝石都出现了这种特征峰前移的现象。

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