【《不同地区红宝石化学成分分析》4100字】

不同地区红宝石化学成分分析目录TOC\o"1-3"\h\u1948不同地区红宝石化学成分分析 173671.1X射线荧光光谱分析 121521.1.1测试条件与研究方法 1174851.2电子探针 2214281.2.1测试条件与研究方法 2240481.2.2结果分析 2206921.3等离子质谱仪测试 4211301.3.1测试条件与研究方法 4206601.3.2结果分析 51.1X射线荧光光谱分析1.1.1测试条件与研究方法X射线荧光光谱仪（XRF）是利用激发源产生的X射线（一次射线）激发宝石中的原子使之产生二次射线（X射线荧光）。不同元素放出的二次射线具有特定的波长、能量特征，测定这些二次射线的波长和能量就能获得元素种类、含量的信息，从而达到物质成分和化学元素分析的目的。XRF实验于中国地质大学（北京）宝石学实验教学中心完成，实验仪器为岛津EDX-7000能量色散X射线荧光光谱仪，实验条件为真空，测试通道Na-Sc，Al-U，时间Live-100，FP定量分析法。1.1.2结果分析表4-1不同产地红宝石样品XRF结果分析氧化物Al2O3/%SiO2/%SO3/%Fe2O3/%Cr2O3/%TiO2/%K2O/%CaO/%Ga2O3/%样品TS-286.6965.1821.9281.5900.7680.0290.3510.1690.055MD-287.5471.9815.1700.7121.2110.0800.1610.0620.017MS-293.0033.8870.8431.4500.2790.0580.2500.2120.212NR-288.7381.5591.4820.8310.2590.545——0.2440.066由表4-1可知，红宝石的主要化学成分为Al2O3，其次Si，以及Fe、Cr、Ti、Ca等微量致色元素。MD-2的Fe2O3含量比TS-2、MS-2、NR-2低，Cr2O3含量则比后三者高，而马达加斯加红宝石颜色相比其他3个产地红宝石红色调更加饱和。另外莫桑比克与坦桑尼亚的红宝石Fe含量可达到1.5%左右，尼日利亚产地的红宝石样品Ti元素含量可达到0.545%，为四个地区中Ti含量最高的产地。因此，莫桑比克与坦桑尼亚的红宝石蓝紫色调相比马达加斯加的红宝石更深，而尼日利亚产地的红宝石样品颜色为四个产地中紫色调最深的样品。1.2电子探针1.2.1测试条件与研究方法电子探针则是能更精确分析宝石矿物化学成分的测试方法。其原理是用高能量的电子束轰击待测宝石表面并产生特征X射线，再测定特征X射线的波长及强度的信息就能定量分析宝石的化学组成。需要指出的是电子探针对特征X射线的分析是通过与标准样品的特征X射线强度对比实现的，因此在测试中需要选取合适的标样。电子探针实验于自然资源部第二海洋研究所海底科学重点实验室完成，仪器为日本电子JXA-8100，加速电压15kV，束流20nA，束斑直径10μm，采用ZAF定量分析法及天然矿物国家标准样品。其中4个产地，热处理前后，各打一个点。1.2.2结果分析表4-2不同产地天然红宝石电子探针数据结果（wt）%MD-1(wr)MD-2(wr)MD-3(wr)MSBK-1(wr)NR-1(wr)NR-2(wr)TS-1(wr)TS-2（wr）Al2O399.99999.42498.80998.92598.96998.50997.95597.955Na2O0.0100.0330.0790.0260.0430.0210.0390.064Cr2O30.0030.0740.3760.1170.1380.1380.5190.246SiO2-0.0320.015-0.0740.0110.0050.116TiO2--0.0350.0500.032-0.0400.020MgO0.0070.011--0.0200.0020.0070.005FeO0.6640.0670.1510.5640.1210.0880.2520.243K2O0.0170.0190.039-0.0320.0140.0230.013MnO--0.021-0.033--0.013NiO-0.010-0.0170.003--0.075CaO0.0130.0030.0160.0150.0160.013-0.057ZnO-0.030-0.0740.0750.0370.0990.016Total.100.71299.70199.54199.78999.55798.83298.93998.818化学通式是用来表达矿物化学成分的分子式，而晶体化学式是能够反映矿物中各元素结构位置的化学分子式，能够反映出晶体的化学特征。因此，能通过电子探针测试的数据来计算不同产地红宝石样品的晶体化学式。由于红宝石矿物单位晶胞中所含的氧原子数是固定不变的，不以阳离子的类质同象替代而改变，因此本文使用氧原子法来计算4个产地样品的晶体化学式。已知红宝石化学通式为Al2O3，求阳离子在单位晶胞中的数量，计算公式为：Z=Y’×X（Z为单位晶胞中的阳离子数；Y’为阳离子系数；X为氧原子系数）根据红宝石成分通式Al2O3，以MD-1为例，进行后续计算：表4-3氧原子计算法MD-1重量百分比（%）氧化物分子量分子数阳离子系数Y'氧原子系数阳离子系数ZAl2O398.81102.0000.96871.93742.90611.9909Na2O0.0862.0000.00130.00250.00130.0026Cr2O30.38151.9900.00250.00490.00740.0051FeO0.1572.0000.00210.00210.00210.0022SiO20.0260.0000.00030.00030.00050.0003TiO20.0479.9000.00040.00040.00090.0005K2O0.0491.2000.00040.00080.00040.0009MnO0.0270.9400.00030.00030.00030.0003CaO0.0256.0770.00030.00030.00030.0003Total99.542.9193X=3/2.9193=1.0276Z=Y'*X由此可得MD-1晶体化学式：（Al1.9909Na0.0026Cr0.0051Fe0.0022Si0.0003Ti0.0005K0.0009Mn0.0003Ca0.0003)O3对其他样品进行计算，结果如表所示：表4-4红宝石样品晶体化学式（wt%）样品晶体化学式MD-1（Al1.9909Na0.0026Cr0.0051Fe0.0022Si0.0003Ti0.0005K0.0009Mn0.0003Ca0.0003)O3MS-1（Al1.9909Na0.0009Cr0.0016Fe0.0008Ti0.0006Ni0.0080Ca0.0006Zn0.0002)O3TS-1（Al1.9925Na0.0014Cr0.0019Fe0.0017Si0.0013Ti0.0004K0.0007Mn0.0005Ca0.0003Zn0.0009)O3NR-1（Al1.9881Na0.0013Cr0.0071Fe0.0036Si0.0001Ti0.0005K0.0005Mg0.0002Zn0.0013)O3根据前人文献可知，Fe、Ti、Cr作为红宝石重要的致色元素，其含量与产地和颜色都有着密切的关系，本文计算4个产地的红宝石样品的Fe、Cr质量分数及其平均值（表4-5），来进一步分析红宝石颜色与Fe、Ti、Cr元素含量的关系，同时试图确定4个产地的矿床类型。表4-5不同产地红宝石中Fe和Cr的质量分数产地Cr质量分数/%Cr质量分数平均值/%Fe质量分数/%Fe质量分数平均值/%Ti质量分数平均值/%Cr/Fe平均值Fe/Ti平均值莫桑比克0.055~0.080.070.427~0.4390.430.0180.1623.9马达加斯加0.002~0.2570.100.052~0.5160.230.0141.3816.4尼日利亚0.092~0.0960.090.368~0.3940.380.2190.241.7坦桑尼亚0.168~0.3550.260.189~0.1960.190.0181.2510.6（1）结合电子探针数据与样品的颜色进行分析可发现，马达加斯加产地的红宝石Cr/Fe平均值最高，样品呈现饱和度较高的红色。莫桑比克产地的红宝石样品紫色调较深，并且该产地红宝石中央出现蓝色色带，这都与该样品Fe、Ti质量分数高有关。坦桑尼亚地区红宝石Cr、Fe的含量均较高，Cr/Fe平均值与马达加斯加产地相近，其样品颜色也与马达加斯加产地相近。尼日利亚产地红宝石Ti含量最高，可达到0.219%，Fe含量也较高，体现在颜色上样品呈现深紫色。（2）另外，根据Chulapakorn提出可通过Ti、Fe微量元素质量分数比值来划分红宝石矿床类型，Fe/Ti>10为玄武岩矿床，Fe/Ti<10为变质岩矿床[13]。但通过对比4组产地红宝石的Fe/Ti，仅有尼日利亚产地的样品Fe/Ti<10，属于变质岩。其他3组产地的样品均大于10，属于玄武岩。（3）查阅文献可知，以上结论与Pardieu等的研究矛盾。莫桑比克地区的红宝石矿床属于一种非经典的变质型矿床，该类矿床的特点是Fe含量比玄武岩低，比大理岩高[14]。而马达加斯加地区的矿床类型复杂，有归属于碱性玄武岩矿床的可能，但结合前文可知，目前难以仅依靠Fe/Ti的比值来确定成因复杂的非洲红宝石矿床类型，需进一步探究。1.3等离子质谱仪测试1.3.1测试条件与研究方法激光剥蚀电感耦合等离子体-质谱仪（LA-ICP-MS）是将激光、ICP和质谱技术结合使用的分析仪器，其可测试的元素范围比电子探针更大，对于宝石中含量很低的微量元素测试也更加准确。其原理是先在仪器中生成高温等离子体，在高温等离子体中待测样品发生分解、电离。样品中的元素因为电离出了电子而形成了离子，这些离子被传输到质谱仪中按不同的质荷比分离，进而分析计算出各个元素的强度。微量元素测试在中国地质大学（北京）科学研究院实验中心矿物激光微区分析实验室完成，仪器型号Angilent7900。激光重复频率10Hz，激光束斑44μm，激光波长193nm，能量密度6.0J/cm2。使用610、BCR-2G、BHVO-2和BIR-1G为标样，每测试7个点就用2个标样、2个检测标校正，使用单一内标法进行测试。4个样品共测试8个点，除去数据异常的点，选取数据正常的点进行后续分析，测试结果如表4-7所示。1.3.2结果分析本文对4颗样品，2个产地红宝石中10个点位的LA-ICP-MS微量元素结果如表4-7所示，本文将通过LA-ICP-MS测试进行准确的微量元素分析，以进一步确定莫桑比克与马达加斯加产地红宝石的矿床类型。结果表明，马达加斯加与莫桑比克红宝石属于典型的高Fe型红宝石，其他致色元素还有Cr、Fe、Ga、Ti、V、Mg等。其中莫桑比克红宝石中Mg的含量在25.4~41.1ppm之间浮动，马达加斯加样品中的Mg含量在23.5~43.1ppm之间较为稳定。证明该两产地的红宝石在铁镁质环境中形成。同时，马达加斯加产地的样品Cr含量较高，可达到1083ppm，具有高Cr高Fe的的特征，与玄武岩红宝石性质相近。据李昕等人对玄武岩红宝石矿床成因的研究，表明玄武岩浆在上地幔-下地壳过渡带内经过高压变质作用会形成与刚玉相关的铁镁质麻粒岩捕虏体[15]。本文马达加斯加红宝石化学成分含量与玄武岩红宝石矿床中化学成分含量密切相关，造成高Cr、高Fe以及Mg含量较高的特征。相比马达加斯加，莫桑比克红宝石的Cr含量相对较低，在600~700ppm之间浮动，Fe含量可达到1768ppm，与马达加斯加红宝石成因有差异，需后续工作进一步探究。另外由于莫桑比克红宝石选的点位是从蓝色色带过渡到红色区域，我们发现随着蓝紫色调减少，Fe、Ti的含量也降低，证明了Fe、Ti离子是红宝石产生紫色调的原因。红宝石形成的地质条件相当多样。三种主要的宝石质量红宝石矿床类型存在:大理石矿床(缅甸，阿富汗，越南)，玄武岩矿床(泰国，柬埔寨)和交代型(肯尼亚，斯里兰卡，印度)。红宝石的矿床类型是原生矿床，更常见的是从原生矿床风化形成的次生矿床[16]。根据T.Calligaro总结的世界主要产地红宝石的微量元素与本文的马达加斯加与莫桑比克样品的微量元素进行对比统计，如表4-6。表4-6世界不同产地红宝石产地样本数/nTi/ppmV/ppmCr/ppmFe/ppmGa/ppm阿富汗（A）14200（110）63（40）3100（1800）710（380）43（9）缅甸（B）29150（240）210（120）2060（1500）130（120）82（52）柬埔寨（C）370（11）15（8）3420（150）2590（240）31（2）印度（I）12290（240）100（76）2590（990）2280（430）130（63）肯尼亚（K）6420（550）61（33）2260（570）1290（650）42（13）马达加斯加（M）23270（95）15（10）4190（2270）4130（620）39（9）斯里兰卡（S）66190（110）53（27）610（330）710（340）57（18）泰国（T）18110（45）13（8）2340（810）2770（480）28（8）越南（V）24176（131）96（114）2560（2279）241（365）36（12）莫桑比克（X）340（6）7（1）664（20）3717（86）37（2）马达加斯加（W）269（10）16（2）1066（35）3240（135）90（5）图4-1世界不同产地红宝石Cr-Fe含量（据Calligaro改）根据T.Calligaro总结可知，可以将红宝石矿床类型根据Cr-Fe的配比分为三个区域，即groupI、groupII、groupIII，分别与大理岩型、交代岩型、玄武岩型矿床相联系[17]。归属于大理石矿床的缅甸、越南主要分布在groupI；与交代变质岩有关的斯里兰卡、肯尼亚主要分布在groupII；典型的玄武岩型红宝石泰国、印度和柬埔寨则主要分布在groupIII。除此之外，T.Calligaro总结的马达加斯加红宝石主要分布在groupIII，即玄武岩型。本文将实验所得的数据进行投点后发现，天然的莫桑比克红宝石投点均在groupII区，与前人总结的莫桑比克红宝石属于角闪石变质岩结论相一致。同时马达加斯加红宝石投点均在groupIII区，与前文总结的马达加斯加红宝石成因结论一致，说明这批马达加斯加红宝石的Fe-Cr配比完全符合交代碱性玄武岩型矿床的地球化学特征，并将化学成分与矿床类型联系在了一起。表4-7莫桑比克与马达加斯加产地红宝石的化学成分样品号MSBK2-1MSBK2-2MSBK2-3MSBK1-1MSBK1-2MSBK1-3MD2-1MD2-2MD1-1MD1-2Al203（wt%）99.99998.30899.27599.42498.80998.63298.92599.94098.96998.509Ti（ppm）31.230.540.442.135.940.9363871.866.1V（ppm）2.532.372.482.372.372.5511.0311.715.416.9Cr（ppm）68470376764065070384283810831049Fe（ppm）1455150017401702176816802894308032303250Mg（ppm）31