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鏈狀、環狀硅酸鹽類寶玉石材質反射率光譜特征分析

隨著社會的發展和人們生活水平的提高，對美的追求也隨之提高。寶玉石以其具有獨特的美學價值越來越受到人們的青睞。寶玉石文物不僅僅有著濃厚的藝術色彩，更有著無法估量的歷史價值。一些出土的文物中，會出現難以準確區分類別的寶玉石材質，快速準確地進行類型識別顯得尤為重要。

表1 研究中寶玉石樣本

表1為無機鹽類的寶石類別，萊森光學知識會在后續的更新中為您逐一科普。本文主要先分析硅酸鹽寶石的三類成分寶石——鏈狀硅酸鹽、環狀硅酸鹽、島狀硅酸鹽。

何為硅酸鹽寶石？硅酸鹽寶石礦物是硅氧四面體以各種形式結合生成的，在無機鹽類寶石礦物中種類和數量最多，約占其中80%。

1、鏈狀硅酸鹽

鏈狀硅酸鹽主要以單鏈和雙鏈為主，通常含有Fe³⁺、Mn³⁺、Cr³⁺、Ti³⁺等過渡金屬陽離子，雙鏈礦物還常見某些陰離子，如OH^-。雙鏈礦物只有角閃石族含有水，其余均無水。硅氧主干主要以離子鍵為主。透閃石是含水的鈣、鐵、鎂質鏈狀硅酸鹽礦物，理論化學成分為SiO₂ 59.169%，MgO 24.808%，CaO 13.805%。

透閃石分析光譜如圖2所示，能看到948nm處有一小而尖銳吸收應為的吸收峰。1274 nm有兩個連續吸收峰，為Mg的吸收峰。1400nm處有顯著的-OH吸收峰，1909 nm處有吸附水特征峰。2105 nm處極小吸收峰為Si-O一級倍頻。2294 nm附近有小吸收帶，為Fe-OH的吸收帶。由此，透閃石有獨特的吸附水特征峰，且有-OH基團的吸收峰，含金屬離子的吸收峰，分辨容易。

2、環狀硅酸鹽

狀硅酸鹽礦物結構中包含由3個，4個或者6個[SiO₄]^4-成的封閉的環（分別叫三方、四方和六方環），陰離子間主要以陽離子，比如Al³⁺，礦物中的空隙連成通道，可以容納各種離子。我們這里主要以堇青石和碧璽為例。

堇青石：主要成分為（Mg,Fe）₂Al₃[AiSi₅O₁₈]，其六方環中的一個[SiO₄]四面體被AlO₄代替，結構孔道中常含H₂O。

如圖3堇青石光譜所示：三組堇青石光譜大致相同，893~1062nm有離子吸收帶。1410 nm處有O-H鍵的一級倍頻吸收峰。1898 nm處有特殊的吸附水特征峰。2012 nm，2089 nm 有兩個Si-O吸收峰（2089 nm也可能是Fe-OH前移）。

碧璽的化學分子式為：Na(Mg,Fe,Mn,Li,Al)₃Al₆[Si₆O₁₈][BO3]₃(OH,H）₄。從化學式就能看出碧璽含有多種金屬離子，這些金屬離子的種類與含量決定了碧璽的顏色。由于碧璽陽離子的多變，其顏色是各類寶石中最為豐富的。

我們測定了兩種不同顏色的碧璽（圖4）以及一個含有不同碧璽的珠寶飾品（圖5）。不同碧璽在400~1100 nm波段均有差異，切合碧璽化學式中陽離子的多樣性。另外，光譜中全部具有-OH與吸附水吸收峰。

樣品碧璽組在2212 nm與2242 nm出現肩峰，為Al-OH吸收峰。碧璽樣品 0.563 g在730 nm處有Fe和Mn 組合頻，2298nm也有Fe-OH吸收峰。碧璽樣品 0.49 g沒有Fe特征峰，2361 nm處為Mg-OH吸收峰。

首飾碧璽組在2049 nm處均有Si-O一級倍頻，在2175 nm與2198 nm出現肩峰為Al-OH。2249 nm處有吸收峰，為Si-OH的特征峰。2305nm處有吸收峰，是Fe-OH的吸收峰。

首飾碧璽經過加工，含有眾多陽離子，所以2000~2400 nm處有多個吸收峰，由于這些陽離子與羥基結合的特征峰有先后關系，因此，該波段是判斷陽離子數目和區別種類眾多的玉石的一個重要手段。

島狀硅酸鹽的硅氧骨干主要是孤立的硅氧四面體或者每兩個四面體以一個公共角相連組成雙四面體在結構中獨立存在，其骨架上的硅很少被Al³⁺替代。而其中所含金屬陽離子也遠比其余類復雜，主要含有Ca，Mg，Fe，Mn，Al，Zn，Cu和一些稀土元素。但很少出現K與Na。其結構較緊密，化學鍵主要以共價鍵與離子鍵為主。

石榴石的化學通式為A₃B₂(SiO₄)₃，其中A代表二價陽離子，如Mg²⁺，Fe²⁺，Mn²⁺，Ca²⁺等離子，B代表三價陽離子，如Al³⁺，Cr³⁺，Fe³⁺，Ti³⁺，V³⁺等離子。

我們觀測了兩個石榴石樣本(圖8)發現在500 nm處有吸收峰，可能是Fe₃₊的吸收峰，無吸附水特征峰。1700nm處有吸收帶。第一組石榴石在2242 nm處有Al-OH吸收峰，2357 nm處有Mg-OH吸收峰。在1230 nm處有O-H健的吸收峰，相對前移。石榴石以及島狀硅酸鹽寶石都出現了這種特征峰前移的現象。