碧玺的颜色成因

碧玺颜色成因初探

概述

碧玺是宝石级电气石的总称，其矿物名称电气石来源于该矿物受热带电的特性。18世纪，荷兰人发现碧玺在阳光照射下具有吸附灰尘、碎纸屑的功能。故取名“吸灰石”。英文名称是从古僧伽罗语“Turmali”衍生而来，意思是“呈混合色的矿物”。碧玺颜色最为丰富，有的晶体的两端或晶体的内外颜色表现各异，也称双色碧玺，三色碧玺、西瓜碧玺等。以下便是我们经过课堂学习、课后资料查阅后，对碧玺颜色成因的认识。

一、碧玺的颜色特点

在众多的宝石品种中，碧玺是颜色最为丰富的宝石。其颜色的复杂性体现在：

（1）各种颜色都有：可呈无色、粉红色、玫瑰红色、红色、绿色、深绿色、浅蓝色、蓝色、深蓝色、蓝灰色、紫色、黄色、绿黄色、褐色、黄褐色、浅褐橙、黑色等。如图1所示：

图1 各种颜色的碧玺宝石

（2）同一晶体沿C轴不同位置颜色不同，可形成双色、三色碧玺（见图2）；同一晶体自中心至边缘颜色不同，如西瓜碧玺即为内部为红色，外部为绿色。如图3所示：

图2 双色碧玺晶体

图3 西瓜碧玺

二、碧玺的晶体结构

碧玺为极为复杂的硼硅酸盐，其化学式可表示为：(Na、K、Ca）(Mg、Fe、Mn、Li、Al)3Al6[Si6O18][BO3]3（OH，F）4R位置，使颜色变化

碧玺的晶体结构如图4所示。T晶格位置主要由Si占据，并含有少量Al和可能存在的B；V晶格位置主要由阴离子OH–

占据，并含有O2–，它们分别与2个M Y和1个M Z离子相连接，OH–以OH(3)表示；W晶格位置由O2–，OH–和F–占据，其中O2–占主导，它们与3个M Y离子相连接，OH–以OH(1)表示。在电气石晶体中，元素B和Si在含量上存在着对应关系，它们之间摩尔比可表示为n(B)/n(Si)≈1/2。在晶体结构中，X位置主要由离子半径较大的碱金属离子(主要为Na+，Ca2+和少量的K+)和空位占据，以M X表示；Y处于正八面体中，并被多种离子所占据，如Li+，Mg2+，Fe2+，Mn2+，Al3+，Cr3+，V3+，Fe3+和Ti4+等，以M Y表示；Z处于扭曲的八面体中，该八面体相对于Y 八面体的空间小，其晶格位置由离子半径较小的3价阳离子所优先占据，如Al3+，Fe3+，Cr3+和V3+，同样也可由少量的2价离子所占据，如Mg2+，Fe2+，以M Z表示。电气石晶体中的硅氧四面体[SiO4]以六圆环连接形式存在，环与环之间以Y，Z八面体相连接，其中Y和Z八面体间以共棱形式存在，因而M Y和M Z离子易形成耦合离子对。基团[BO3]以三角形状存在，其组成平面平行于(0001)晶面。

（a）平行于C轴方向（b）垂直于C轴方向

图4 电气石的晶体结构示意图

依据R位置不同分为四个单元：镁电气石（Mg＝R），黑电气石（Fe＝R），锂电气石（Li＋Al＝R），锰电气石（Mn＝R）。即：

镁电气石（Dravite）：(Na、K、Ca）Mg3Al6[Si6O18][BO3]3（OH，F）4

黑电气石（Schorl）：(Na、K、Ca）Fe3Al6[Si6O18][BO3]3（OH，F）4

锂电气石（Elbaite）：(Na、K、Ca）（Li，Al）3Al6[Si6O18][BO3]3（OH，F）4

锰电气石（Tsilaisit）：(Na、K、Ca）Mn3Al6[Si6O18][BO3]3（OH，F）4

其中，镁电气石与黑电气石之间（Mg2＋→Fe2＋），以及黑电气石与锂电气石之间（2Fe2＋→Al3＋＋Li＋）可形成两个完全类质

同象系列，而镁电气石与锂电气石之间、镁电气石与锰电气石之间为不完全的类质同象。电气石的四个端员组分的类质同象替换关系的四面体图解见图5所示。

图5 镁电气石­黑电气石­锂电气石­锰电气石类质同象关系的四面体图解三、碧玺的颜色成因解释

碧玺当纯净时为无色的，它可见极为丰富的颜色品种，且颜色分带现象普遍，除了与不同矿区及不同成矿阶段介质组分的变化有关，与温度、压力的变化有关，还由于其晶体内部存在广泛的类质同象替代，即颜色成因为它色。根据其化学式中R位置的不同，可呈现出不同的颜色：

R 为Li，Mn或

Cs

粉红色、浅蓝色

以Fe为主暗绿色、深蓝色、暗褐色、黑

色

以Mg为主黄色、褐色

以Cr为主绿色、深绿色

1．粉红色碧玺

图6中的1为粉红色碧玺在200～1400nm波段内的吸收光谱，这种颜色碧玺的呈色与Mn3＋的d电子跃迁有关，并在可见光范围内形成390nm、450nm、517nm三个吸收带，主要吸收带在517nm处，吸收了可见光中的蓝绿光，从而使电气石呈现粉红色。

由于Mn离子在晶体中最稳定的价态是Mn2＋和Mn4＋，而Mn3＋并不稳定，在高温下容易被氧化，相应的吸收带会消失。因此，粉红色碧玺加热后颜色会褪色。

图6 玫瑰红色、绿色、褐绿色电气石在200～1400nm波段内的吸收光

谱

2．绿色、褐绿色、蓝色碧玺

图6中2为绿色碧玺的在200～1400nm波段内的吸收光谱，在可见光区域内，主要存在420nm、718nm处的吸收。其中，420nm吸收带主要与交换耦合Fe3＋—Fe3＋离子对间的电荷

转移吸收有关，718nm吸收带主要与Fe2＋—Fe3＋离子对间的电荷转移跃迁有关，但同时，不能忽略由Cu2＋，Co3＋或Cr3＋的d 电子跃迁引起的吸收。例如，巴西的“帕拉巴”蓝至绿色碧玺的颜色主要与Cu2＋有关；俄罗斯乌拉尔产出一种由Cr3＋致色的翠绿色电气石。420nm、718nm吸收带的存在使碧玺呈现绿色。

图6中的3为褐绿色碧玺在200～1400nm波段内的吸收光谱，在可见光区域内，除了存在420nm、718nm处的吸收，还存在540nm吸收带，该带与Fe2＋—Ti4＋间的电荷转移吸收有关。420nm、540nmn、718nm吸收带的存在，使得碧玺呈褐绿色。

蓝色——蓝绿色的碧玺，晶体结构中已有较多的Fe2＋离子被（Li＋Al3＋）取代，但仍由少量的Fe2＋离子起主要作用致色。3．黄色、褐色碧玺

镁电气石中常存在微量的Ti，TiO2的含量为0.13％～1.57％，Ti3＋—Ti4＋之间的电荷转移使碧玺呈现出黄色、褐色。4．黑色碧玺

当碧玺中铁的含量过高时呈现黑色。当Fe2＋离子含量高，可同时含有Mn2＋离子时，称为“黑色电气石”或“铁电气石”。当Fe3＋离子占优势时，叫“布格电气石”。

四.碧玺的优化处理

（1）热处理

热处理可使深色碧玺的颜色变浅，原理主要是在不同的环境