关键词 新疆；和田玉；透闪石
中图法分类号 P588.3
Study on petrological feature and SEM of Xinjiang Hetian Jade.
Wu Ruihua， Li Wenwen and Baifeng.
Abstract This article mainly discusses petrological feature of Hetian Jade. It shows that Hetian Jade is characterized by rich SiO2, MgO and CaO, and its Mg2+/(Mg2++Fe2+) are all higher than 0.9. So the main mineral formation of Hetian Jade is tremolite series. By X-ray study, its lattice parameters are as follows: a0=0.985～0.987nm, b0=1.800～1.805nm, c0=0.531～0.532nm, β=105.03°～105.10°. The study of crytal morphological details by SEM, it is clearly showing that the main factor of Hetian Jade's high toughness is its typical texture.
Key words Xinjiang, Hetian Jade,Tremolite
1 引言
和田玉色泽美丽，温润光洁，质地坚韧，玉质优于其他玉石，因产于新疆于阗(今和田)而得名。和田玉以其卓而不群的玉性深受世人的喜爱。最近已被中国宝玉石协会推荐为"国石"品种，但对和田玉名称的界定在玉石界一直存有争议。从地质学观点看，和田玉有明确的科学含义，包括了以白玉为代表的多品种软玉系列，产于中国昆仑山中，由镁质大理岩与中酸性岩浆岩接触交代而形成的软玉矿床(唐延龄等，1994； 杨伯达，1996)。由此可看出和田玉的特点：(1)它属软玉，有白玉、黄玉、青玉、墨玉等一系列品种，尤以白玉为代表；(2)该软玉矿床属于接触交代成因类型；(3)地区分布以昆仑山为典型代表。其特点与世界上其他软玉矿不同，在世界软玉中占独特地位，具有典型意义。目前，世界其它各地发现的软玉品种单一，且多为碧玉，而唯和田玉品种多样，尤以白玉属世界罕见，且玉质居世界软玉之冠。和田玉通常专指和田地区所产的软玉，由和田玉所创造的中华民族七千年光辉的玉文化在世界上也是独一无二的，本文正是对代表中国玉文化的和田玉从科学角度进行研究。
表1 和田玉(透闪石)电子探针数据(%)
Table 1 Electron microprobe analyses data of Hetian Jade
| 样品号 | XW3(白玉) | XQB1(青白玉) | XQ1(青玉) | XM1(墨玉) |
| SiO2 | 59.02 | 57.39 | 58.61 | 58.91 |
| TiO2 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| Al2O3 | 0.00 | 0.00 | 0.22 | 0.13 |
| Cr2O3 | 0.15 | 0.08 | 0.00 | 0.07 |
| FeO | 0.02 | 0.47 | 1.84 | 0.16 |
| MnO | 0.00 | 0.09 | 0.36 | 0.02 |
| MgO | 25.43 | 23.36 | 23.82 | 24.73 |
| CaO | 12.02 | 11.41 | 11.21 | 11.66 |
| CoO | 0.00 | 0.10 | 0.00 | 0.12 |
| NiO | 0.11 | 0.03 | 0.00 | 0.15 |
| K2O | 0.07 | 0.01 | 0.02 | 0.08 |
| Na2O | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| P2O5 | 0.27 | 0.14 | 0.10 | 0.16 |
| Total | 97.09 | 92.08 | 96.22 | 96.19 |
(测试单位：中国地质大学(北京)电子探针室) 表2 和田玉(透闪石)化学结构离子数 Table 2 Chemical composition of Hetian Jade |
| 样品号 | XW3 | XQB1 | XQ1 | XM1 |
| Si | 7.86 | 7.79 | 7.71 | 7.84 |
| Ti | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| Al | 0.00 | 0.00 | 0.03 | 0.02 |
| Cr | 0.02 | 0.01 | 0.00 | 0.00 |
| Fe2+ | 0.00 | 0.02 | 0.08 | 0.02 |
| Fe3+ | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| Mn | 0.00 | 0.01 | 0.05 | 0.00 |
| Mg | 5.15 | 4.78 | 4.92 | 5.10 |
| Ca | 1.75 | 1.78 | 1.67 | 1.73 |
| Co | 0.00 | 0.01 | 0.00 | 0.09 |
| K | 0.02 | 0.01 | 0.01 | 0.02 |
从表1和表2分析结果可以看出，和田玉高含量组分是Si、Mg和Ca的氧化物，其中SiO2为57.39%～59.52%，平均为58.6%； MgO为23.36%～25.43%，平均为24.34%； CaO为11.21%～12.02%，平均为11.57%。这些组分和透闪石的理论组分很接近，但均略偏低。其中样品XW3(白玉)三个高组分含量均高于XQB1(青白玉)、XQ1(青玉)和XM1(墨玉)，说明白玉最接近理论透闪石成分，其次为墨玉。和田玉的低含量组分主要是铁氧化物、钾氧化物、铬氧化物和锰氧化物等。其中FeO的含量与主要成分相反，在白玉中含量最低仅0.02%，在青玉中含量较高为1.84%，青白玉则介于两者之间。 透闪石-铁阳起石的化学成分通式为：Ca2(Mg,Fe)5［Si8O22］(OH)2其中镁铁间呈完全类质同象代替，置换程序不同，矿物也不同。透闪石分子式为Ca2Mg5［Si8O22］(OH)2，当Mg2+被Fe2+置换时，即Mg2+/(Mg2++Fe2+)≥0.9，称为透闪石，当0.5≤Mg2+/(Mg2++Fe2+)≤0.9称为阳起石，当Mg2+/(Mg2++Fe2+)≤0.5，称为铁阳起石。按照表2计算结果看，和田玉的Mg2+/(Mg2++Fe2+)比值均大于0.9，属于透闪石系列。 化学组分差异还引起和田玉硬度、密度和折射率的不一致，从而导致不同种类和田玉物理化学特征的不同，表3为不同种类的和田玉样品的物理与光学性质测试结果。其中折射率是样品经过严格抛光后测得的平均值，密度是利用静水力学法测得，硬度的测试仪器使用了德国Leitz II POL-BK，观测条件为反光，经维氏显微硬度换算后所得的摩氏硬度，其硬度值为该样品三个测点的平均值。 表3 和田玉样品的物理与光学性质测试结果 Table 3 Physical and optical data of Hetian Jade |
| 样品号 | XW3 | XQB1 | XQ1 | XM1 |
| 折射率 | 1.605 | 1.610 | 1.618 | 1.612 |
| 密度g/cm3 | 2.980 | 2.982 | 2.985 | 2.963 |
| 硬度 | 6.82 | 6.72 | 6.46 | 6.50 |
从所测得的数值可以看出，随着和田玉颜色的加深，折射率也逐渐增大，表现为青玉＞青白玉＞白玉。和田玉的比重大致范围在2.96～3.00之间，一般白玉比重小于青白玉或青玉，墨玉因含较轻的石墨而略显小。经测定，和田玉的摩氏硬度大致在6.5～6.9之间，随品种以及各品种的质地的不同而发生变化。 3 X光射线衍射分析 |
图1 和田玉样品XW2(上)和样品XQ2(下)的X粉晶谱线图 表4 和田玉样品晶胞参数与透闪石理论值对比表 Table 4 Lattice parameters of Hetian and tremolite |
| 样 品 | a0(nm) | b0(nm) | c0(nm) | β(°) |
| XW2(白玉) | 0.985±0.001 | 1.800±0.002 | 0.5320±0.001 | 105.02±0.07 |
| XQ2(青玉) | 0.987±0.001 | 1.805±0.001 | 0.5317±0.006 | 105.10±0.06 |
| 透闪石* | 0.984～0.987 | 1.800～1.805 | 0.527～0.530 | 104.07 |
*引自中国科学院贵阳地球化学研究所(1978)。4 矿物组成及其结构特征 |
图2 和田玉结构的显微照片 1.显微纤维变晶结构，10×4(+)；2.显微片状变晶结构，10×4(+)；3.放射状(帚状)结构，10×4(+)；4.残缕结构，10×4(+)；5.交代冠状结构，10×4(+)；6.和田玉敲口断面大致形貌；7.和田玉矿物颗粒解理及断裂面形貌；8.和田玉断裂台阶；9.和田玉断裂裂纹。 5 扫描电镜研究 W=2πc2σ2/E 其中σ为外加应力；E为杨氏模量；c为裂纹长度。断裂韧度(Kc)定义为材料抵抗裂纹失稳扩展能力的参量，与材料有关，与材料尺寸及所受外加应力无关。K为应力强度因子，K=σ(πc)1/2。当应力强度因子达到断裂临界值Kc时，裂纹就会失稳而扩展， 最终导致物体的断裂， 这就是Griffith理论。由上述可以得出，和田玉的韧性评价是与裂纹有着密切的关系。就多晶集合体的玉石来说，其裂隙并不仅仅限于Griffith所考虑的裂隙，应包括玉石中所存在的任何薄弱点以至于任何缺陷都应称为裂隙。断裂即沿缺陷造成的软弱面进行，这些软弱面在多晶集合体的和田玉中可以包括为晶粒界面、解理面、微裂纹和孔隙。因此，研究和田玉的韧度可以从其多晶集合体晶粒之间的结合方式、解理面及裂纹的微观形貌特征来定性地评价。 扫描电子显微镜(SEM)具有分辨率高、放大倍数大、立体感强等特点(陈丽华等，1986)，可以对和田玉组成矿物的微观形貌作综合分析。测试的1号和2号样品均为新疆和田玉的白玉，3号样品为青白玉。工作条件：仪器型号5450，加速电压为15kV，图象分辨率为15nm,室温为20℃。 照片6为1号样品自然敲口断面的大致形貌，放大倍数1.0K，该样品在光学显微镜下结构为毛毡状显微交织结构，可以看出：和田玉的组成矿物透闪石颗粒呈长短不一、大小不等的针状、放射状形式存在，矿物颗粒宽度＜1μm，矿物延伸方向杂乱无章，相互交织，且镶嵌紧密。由于这种特殊的交织结构的存在，在矿物颗粒之间产生了一种机械结合力，我们可以称之为粒间绞合力。当受外力作用时，互相穿插、啮合着的针状透闪石构成的和田玉形成断裂面时需要破坏各种力拔出，其中这种粒间绞合力的存在大大增强了每一个断裂表面所需要的能量。其次，这种拔出作用又几乎不可避免地导致无数次级裂纹的产生，断裂面积的加大，断裂沿各个方向延伸，将会进一步消耗更多的能量，这些综合因素即形成了和田玉的高韧度，所以形成和田玉高韧度的主导因素为玉石的结构。 照片7为2号样品矿物颗粒解理、断裂面的形貌特征，放大倍数1.0K。可以看到其中断裂面主要沿矿物解理方向扩展，由于透闪石具有｛110｝和｛110｝两组解理，解理夹角为56°和124°，单个矿物解理的夹角以及多晶颗粒取向杂乱，造成解理方向不一致且多变。当裂纹从一个颗粒的解理面扩展到另一个解理面时，裂纹必然要不断改变方向，从而形成无数次级断裂带与断裂面。从照片8中可以清楚的看到这种沿解理面的断面以及改变方向的断裂台阶。 照片9是3号样品的自然敲口断面的微观形貌，该样品在光学显微镜下结构为显微纤维隐晶质变晶结构。放大倍数5.0K。从照片9中可以清楚的看到透闪石矿物颗粒典型的断口显微形貌特征，同时看到透闪石颗粒延伸方向接近互相垂直，彼此穿插且致密结合，当裂纹在其中扩展时，微裂纹虽然形成，但它的扩展途径不大，由于颗粒之间镶嵌得很紧密，也不能利用晶间扩展裂纹，这种沿解理面的扩展，由于需要破坏硅氧链之间的结合力，估计所需的断裂表面能应该是很大的。根据Griffith定理，矿物的受外加应力σ=(EW/2π)1/2/c与裂纹长度成反比，所以断裂所需外加应力加大，表现在宏现上则为和田玉韧性较大，不易断裂。 6 结论 * 本文研究由国家教委科研项目资助. 作者简介：吴瑞华，女，1947年出生，副教授，岩石学专业. 作者单位： 吴瑞华 白峰 中国地质大学材料科学与工程学院，北京 100083 References Chen Lihua et al. 1986. Aplication of SEM in geology. Beijing: Science Press. 139～143(in Chinese) 附中文参考文献 陈丽华等. 1986. 扫描电镜在地质上的应用.北京：科学出版社.139～143 |
本文研究选定了具有代表性的样品XW3(白玉)、XQB1(青白玉)、XQ1(青玉)和XM1(墨玉)进行了电子探针成分分析，其分析结果见表1。由电子探针数据而计算的矿物化学结构式，以23个氧原子数为基础的离子数表示，见表2。
