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碳酸盐、磷酸盐类及氧化物宝玉石材质反射率光谱特征分析

利用光谱仪所需能量低,分析时间只需要几秒钟,无需任何化学试剂,不会对人体造成伤害。高光谱波段能准确揭示宝玉石中基团分子振动的倍频与合频吸收信息,分析出关于化学键结合的振动特性等复杂结构信息,对于宝玉石分析有非常大的潜力。目前,便携式光谱仪已经被用于不同年代青花料光谱特征分析、中国画颜料成分分析等研究中,但关于不同种类宝玉石材质的光谱特征分析还很不充分。

 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。本文主要先分析碳酸盐、磷酸盐类及氧化物类宝石。

碳酸盐宝石矿物是碳酸盐类玉石产量大、产地多,是最常见的玉石品种之一。碳酸盐类玉石耐久性较差,多以集合体出现,常作为玉雕原料或其他宝石的仿制品。常见的品种有:方解石、白云石、菱锌矿、菱锰矿、菱镁矿等。

氧化物类宝石矿物相对氢氧化物硬度较高,并且发育的晶形较为完整,自形程度较高,比如水晶 、红蓝宝石、尖晶石、金红石等,在宝石中占有较为重要的地位,在传统的四大贵重彩色宝石中,占有三席,分别是红宝石、蓝宝石和金绿宝石。

 

1、碳酸盐宝石

碳酸盐矿物由碳酸根离子[CO3]2-与Ca,Mg,Fe,Mn,Sr,Ba,Zn,Pb,Cu,Tr,Na等金属阳离子化合而成。[CO3]2-内部,C-O共价键连接成一稳固的基团。在结构中,[CO3]2-彼此由阳离子以离子键连接。方解石,主要化学成分为CaCO3。根据阳离子的不同有多个变种。

分析方解石光谱图(图9),在1420nm处有吸收带,为结晶水的吸收带。1876nm与1993nm含有吸附水特征峰。2336nm处有较明显的碳酸根吸收峰,很好分辨。

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2、磷酸盐宝石

磷灰石是一类含钙的磷酸盐矿物的总称。其化学成分为Ca5(PO4)3(F,Cl,OH),三种阴离子互相替代。分析磷灰石光谱图(图10),1200~1600nm有很小的的结构水与吸附水的特征吸收峰。


2000nm处含有磷酸根较强吸收峰,同样很好分辨。其它无机盐类宝石主要光谱特征总结如下表3:

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3、氧化物宝石

①简单氧化物

红宝石(ruby)的化学成分为Al2O3,Cr2O3含量0.1%~3.0%(含Cr因而具有很强的荧光),原子之间作用复杂。红宝石的红色来自铬(Cr3+),蓝宝石的颜色根据Fe3+,Ti3+的含量不同有所变化。

分析红宝石光谱图(图11),光谱特征主要集中于400~1100nm处,主要体现在过渡阳离子的部分。693nm处的高反射峰是两种阳离子叠加跃迁形成的,这和硅酸盐宝石区别明显。另外,红宝石拥有Cr3+典型的吸收光谱,由于,Ti3+的吸收峰也在450nm与550nm,640nm左右,所以这样的特征光谱可能是两种阳离子共同作用得出的结果。

蓝宝石光谱(图12)在580~720nm之间有吸收宽带,也存在三价铁离子特征。不含Cr3+吸收特征,与红宝石光谱差异巨大。

 

 

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镁铝氧化物

尖晶石:主要由镁铝氧化物组成,并且含有不同的阳离子成分,如镁、锌、铁、锰等。因此,根据所含阳离子的不同,可以将其分成铝尖晶石、锌尖晶石、铁尖晶石与铬尖晶石等。由尖晶石光谱图(图13)能看出:480~1100nm区间有Fe3+吸收峰的典型特征。1500nm后吸收度显著上升。

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氧化物类宝石主要特征如表4所示。

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