壽山石透明度的研究

壽山石透明度的研究

壽山石雕位于福建省福州市東郊的壽山村。它的石頭光滑細膩，形狀和顏色多種多樣。這是中國著名的四大石材之一。這是中國傳統(tǒng)文化特別是石雕藝術的重要組成部分。隨著人們認識的逐漸深入以及研究測試手段的不斷進步,證明了壽山石的主要礦物成分有高嶺石族的3種多型(高嶺石、地開石和珍珠陶石)以及葉蠟石和伊利石。不同品種和不同采礦區(qū)域的壽山石其透明度不同,即使是同一塊壽山石其不同部位的透明度也有不同,這就形成了某些壽山石品種的典型結構特征,如善伯石中的“花生糕”、大山石中的似豹斑紋和田黃石中的“蘿卜絲”紋等。前人曾對壽山石的透明度與礦物組成及其有序度的關系有過一些論述,但還缺乏較深入的研究,尤其對一些典型結構中透明與不透明部分的微觀特征的專題研究較少。筆者試圖將掃描電鏡、X射線粉末衍射和紅外吸收光譜分析結果相結合,尋找出不同透明度的壽山石在礦物組成、有序度和微觀形貌上的規(guī)律特點,以便進一步研究分析其礦物學和寶石學特征。1樣品特征和礦物組成研究選用8塊壽山石樣品,主要分為兩類,一類為整體透明度不相同的,另一類為同一塊樣品中透明度具有明顯差異的、具有特殊結構紋理的。其品種名稱和外觀特征見表1。由于壽山石中葉蠟石和伊利石的透明度差別不大,多呈微透明—不透明,因此,本次研究主要以高嶺石類的3種多型(高嶺石、地開石和珍珠陶石)為主。樣品DCK-4和GS-2分別為高透明度的地開石類和珍珠陶石類壽山石;樣品QJ-6為較典型的以高嶺石為主礦物的壽山石,微透明;樣品SB-3,SB-4,DS-1,DS-6和HK-1為紋理間透明度變化較大的壽山石品種,基體多為微透明—不透明,但其紋理的透明度較基體的明顯高或低。2礦物組成和有序度X射線衍射譜圖是分析礦物有序度的重要手段。本次研究采用日本島津的XD-5A型X射線衍射儀由福州大學材料科學與工程學院對樣品進行了測試;測試條件:Cu靶(Kα,λ=0.15406nm),Ni濾波,加速電壓為35kV,管電流為20mA,掃描速度為4°/min,掃描范圍為5°～65°;分別對高嶺石類和地開石類壽山石計算HI和DHI值,可得到有序度的數(shù)值表示形式,HI(DHI)值越大,則有序度越高,結晶度越好。高嶺石類壽山石的有序度計算公式:HI=[h1(110)+h2(111)]/h(110)地開石類壽山石的有序度計算公式:DHI=[h1(110)+h2(112)]/h(110)DHI值與HI值具有相當程度的可比性,主要礦物組成為地開石以及高嶺石—地開石過渡物的樣品采用DHI值表征有序度。珍珠陶石類樣品的X射線粉末衍射譜分裂和尖銳程度高,有序度也高(圖1),一般不作有序度計算。XRD結果(表1,圖1)表明,樣品GS-2和DCK-4的一系列特征峰分裂和尖銳清晰,有序度高,DCK-4的DHI值高達1.49;樣品QJ-6的譜峰分裂和尖銳程度差,有序度低,HI值為0.51;樣品SB-3,SB-4,DS-1和DS-6中基體的有序度介于0.4～0.6之間,在34°～40°內(nèi)其峰位與相對峰強介于地開石的兩組雙峰和高嶺石的兩組三連峰之間。圖1中樣品SB-3的(132)峰右側出現(xiàn)側峰,類似高嶺石的(131)峰,較難區(qū)分是無序地開石還是無序高嶺石。楊雅秀等將這種礦物稱為高嶺石—地開石的過渡物。樣品HK-1的主要組成礦物為高嶺石,有序度為0.50。將樣品SB-3,SB-4,DS-1,DS-6和HK-1中的典型特征“紋理”從基體中分離進行XRD譜對比分析發(fā)現(xiàn),這些“紋理”的礦物成分與基體的相同,為高嶺石—地開石的過渡物,但其有序度不同。善伯石的“花生糕”、大山石的“棉紗”和白絲的有序度低于基體的,而大山石的透明斑塊與花坑石的透明片層的有序度則高于基體的。前人在研究壽山石中發(fā)現(xiàn),高嶺石族礦物的X射線衍射峰的分裂和尖銳程度(即有序度)與透明度密切相關。武新逢等總結出,隨著地開石的有序度由高到低,其透明度逐漸變小,變化趨勢為透明→半透明→微透明→不透明。湯德平等的研究得出,地開石的有序度與礦脈、質地、產(chǎn)地和海拔高度有一定的內(nèi)在聯(lián)系,海拔標高較低的坑頭及附近硐采樣品的有序度較高,采自標高較高的高山和都城坑硐的樣品的有序度較低,屬無序高嶺石;此外,質地越溫潤、越透明的壽山石其有序度越高?？梢?壽山石中各部分透明度的差異與其礦物種類無關,而與礦物的有序度有關。可以認為,礦物的有序度相對較高,則透明度就相對較好。3礦物的有序度本次研究采用美國PE公司的傅里葉變換紅外光譜系統(tǒng)由福州大學化學化工學院對樣品進行了測試與分析。高嶺石的紅外吸收光譜在高頻區(qū)3700～3600cm-1處的分裂程度反映其有序度的高低。其中3695,3620cm-1兩峰的分異越顯著,則相對值差異越大,有序度越高。因此,將3695,3620cm-1兩峰的強度比I3695cm-1/I3620cm-1用于反映高嶺石有序度的高低,比值越大,則有序度越高。從高嶺石到地開石、珍珠陶石,高頻區(qū)高波數(shù)峰的強度依次減弱,而低波數(shù)峰的則逐步加強(圖2)。地開石與珍珠陶石的高波數(shù)(3700cm-1)愈弱,低波數(shù)(3622cm-1)則愈強,且3個峰的分裂愈明顯,則有序度愈高,反之則有序度愈低。因此,I3695cm-1/I3620cm-1值也可作為地開石有序度的衡量尺度,但與高嶺石相反,其比值越小,則有序度越高。樣品GS-2和DCK-4的紅外吸收光譜分別顯示珍珠陶石與地開石的典型特征——有序度高;樣品QJ-6的紅外吸收光譜顯示無序高嶺石的特征——有序度低(表1,圖2)。圖3為樣品SB-3,SB-4,DS-1,DS-6基體與特征紋理的紅外吸收光譜,除了樣品DS-1基體具有較高的I3695cm-1/I3620cm-1值外,其余的I3695cm-1/I3620cm-1值介于0.90～1之間(表1),即介于高嶺石與地開石之間,說明此類礦物組成的過渡性。將I3695cm-1/I3620cm-1值小于1的樣品歸入地開石類礦物,比值越趨近于1,則高嶺石化越明顯,有序度越差;比值越小,則礦物越趨向于地開石,有序度越好。樣品SB-3和SB-4的“花生糕”、樣品DS-1和DS-6的“棉紗”、白絲的I3695cm-1/I3620cm-1值皆大于基體的,說明這些不透明紋理的有序度更低,高嶺石化更強烈,偏向于呈現(xiàn)無序高嶺石的性質;樣品DS-1,DS-6,HK-1的透明斑塊和片層的I3695cm-1/I3620cm-1值小于基體的,特別是DS-1-TM的值為0.757。因此,透明部分的有序度大于基體的,更地開石化。以上結果與X射線粉末衍射分析結果吻合較好,進一步證明了透明度與有序度之間的緊密聯(lián)系。4材料的結晶情況采用福州大學測試中心的荷蘭Philips-FEI公司產(chǎn)XL30ESEM-TMP環(huán)境掃描電鏡觀察了樣品的特征。結晶完好的高嶺石族礦物自形晶粒的典型形態(tài)為假六方片狀,對邊平行,對角相等,接近120°,在c軸方向堆疊,呈書本狀、蠕蟲狀或手風琴狀等集合體。高嶺石族礦物受產(chǎn)出環(huán)境及各種地質作用如溶解、重結晶等的影響,其結晶程度有所差異,主要表現(xiàn)在晶體沿(001)基面的發(fā)育程度、晶角和晶棱的完整程度以及片的厚薄等方面。掃描電鏡結果顯示,不同透明度的壽山石中高嶺石族礦物晶體的結晶程度差別大。透明度和有序度高的壽山石結晶完好,呈自形-半自形,晶粒較大。樣品DCK-4結晶完好,呈假六方片狀緊密平行堆疊,晶粒為3～10μm,厚度為0.3～1μm(圖4a);樣品GS-2以半自形疊層狀產(chǎn)出,堆疊緊密,晶粒為1～10μm,厚度為0.1～0.5μm(圖4b);樣品QJ-6,SB-3,SB-4,DS-1,DS-6和HK-1的結晶程度不佳,晶體呈半自形—他形產(chǎn)出,晶粒間堆砌不致密,無規(guī)律,晶粒為0.2～5μm(圖4c～圖8)。其中,樣品SB-3和SB-4的基體為1～3μm,“花生糕”的晶粒為0.2～1μm,“花生糕”的晶粒小于基體的(圖5)。樣品DS-1和DS-6中的“棉紗”、白絲以及透明斑塊的晶粒大小與基體的接近,約為0.5～2μm?！懊藜啞薄捉z與基體的晶粒呈薄片狀,透明斑塊處的晶粒略厚,呈塊狀(圖6,7)。樣品HK-1的基體不透明,晶粒很小,為0.5～1μm;透明部分的晶粒不同于基體的,為1～2μm,但厚度不大;表面褐紅色裂痕的填充物呈半徑為3～6μm的球狀(圖8)。通過EDS分析,樣品含F(xiàn)e量高達60.75%,可能是花坑石長期埋于泥石中Fe離子滲入表面裂痕的結果。菱鐵礦多以球粒形態(tài)出現(xiàn),顆粒表面被氧化后呈淺褐色,因此,根據(jù)鏡下球狀形貌、樣品顏色以及EDS分析推斷Fe礦物為菱鐵礦。根據(jù)EDS分析,樣品均顯示純凈的化學成分特征,但紋理間的微量元素組成及其質量分數(shù)有所差異。樣品SB-3的基體含F(xiàn)e為1.02%,“花生糕”含F(xiàn)e為0.43%,含Ti為0.32%;樣品SB-4的基體含微量的Ca,K和S離子,含F(xiàn)e量為1.27%,“花生糕”亦含微量的Ca和K,但不含S,含F(xiàn)e量為1.26%;樣品DS1的基體為純地開石,“棉紗”含少量的P,S和Ca;樣品DS-6的透明斑塊的化學成分與基體的相似,“白絲”含Ti比基體多。5透明平等特征1.X射線粉末衍射和紅外吸收光譜分析證實,研究選用的壽山石樣品中透明度高的地開石和珍珠陶石類的有序度高,透明度較差的高嶺石和高嶺石-地開石過渡物的有序度低;同一塊壽山石其較透明部分的有序度高。2.掃描電鏡研究結果顯示,高嶺石族樣品從較透明到完全不透明,其晶粒發(fā)育程度相差很大,分別呈自形、半自形和他形產(chǎn)出。透明度好、有序度高的地開石和珍珠陶石呈自形和半自形產(chǎn)出,顆粒大且堆疊緊密。透明度差甚至完全不透明的無序高嶺石、地開石以及其過渡物呈半自形—他形,顆粒小而薄,堆積混亂無序。3.壽山石品種各有