雷 芳 芳

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350007)

0 引 言

硅化木是一種硅質(zhì)巖，是億萬年前樹木埋藏地下木質(zhì)纖維被硅質(zhì)交代形成的，主要化學(xué)組成為SiO2。硅化木顏色豐富多彩，其中質(zhì)地細(xì)膩、顏色艷麗的紅、黃色硅化木深受人們喜愛，主要被加工制作成擺件進(jìn)行出售(圖1)，具有良好的市場前景。

圖1 紅色硅化木擺件

前人已從古生態(tài)環(huán)境[1]、地球化學(xué)特征[2]、寶石學(xué)特征[3]、成因機(jī)制[4]等方面對硅化木展開研究，然而鮮少分析其顏色成因。已有研究發(fā)現(xiàn)，黃、紅色玉石的顏色成因與鐵質(zhì)礦物密切相關(guān)，如新疆塔縣黃色石英巖由針鐵礦充填于玉石顆粒間致色[5]；云南保山和四川涼山南紅瑪瑙的紅色主要與赤鐵礦有關(guān)[6-7]；陜西紅色秦紫玉主要由赤鐵礦和針鐵礦以細(xì)微包裹體的形式致色[8]；細(xì)塵狀赤鐵礦是引起桂林雞血玉呈紅色的根本原因，且當(dāng)赤鐵礦越密集，紅色越深[9]。

鑒于此，本次研究選取黃色和紅色硅化木樣品為研究對象，借助偏光顯微鏡、X射線熒光光譜儀、激光拉曼光譜儀、紫外-可見-近紅外分光光度計等現(xiàn)代儀器設(shè)備詳細(xì)分析了樣品的顯微結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分及譜學(xué)特征，探究顏色成因，旨在為完善硅化木的研究體系提供有益參考。

1 樣品及實驗測試

1.1 樣品及基本特征

本文研究的樣品共3件，采自云南省瑞麗市硅化木批發(fā)市場，樣品編號AH-01至AH-03，均為粒狀結(jié)構(gòu)(圖2)。肉眼觀察樣品AH-01結(jié)構(gòu)致密；樣品AH-02結(jié)構(gòu)疏松，可見少量細(xì)小孔洞分布其間；樣品AH-03可見明顯暗色包體。硅化木樣品的基本特征見表1。

表1 硅化木樣品基本特征

圖2 硅化木研究樣品照片

1.2 測試儀器及工作條件

顯微結(jié)構(gòu)觀察：采用萊卡DM4P型偏光顯微鏡；樣品制備：將樣品磨制成巖石薄片。

化學(xué)成分分析：采用EDX-7000能量色散型X射線熒光光譜儀；測試條件：電壓50kV，電流1.00 mA，測試范圍2 mm。

譜學(xué)分析：采用HR Evolution型激光拉曼光譜儀對樣品進(jìn)行拉曼光譜分析，測試條件：激發(fā)光源波長532 nm，激光功率30～40 mW，儀器分辨率1 cm-1，單次積分時間10 s，掃描3次；紫外-可見光吸收光譜分析所用儀器為UV3600紫外-可見-近紅外分光光度計，測試條件：以硫酸鋇為基底，分辨率0.1 nm，范圍250～1 000 nm，時間間隔1 s，為準(zhǔn)確分析紫外-可見光吸收光譜數(shù)據(jù)，采用origin對光譜進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)求導(dǎo)處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 偏光顯微鏡觀察

偏光顯微鏡觀察結(jié)果顯示(圖3)，研究樣品具顯晶質(zhì)粒狀結(jié)構(gòu)，主要礦物組成為α-石英，含量大于90%，且石英分布較均勻，呈他形粒狀，邊界呈鋸齒狀，具正低突起，一軸晶，正光性，干涉色為Ⅰ級黃白，具有平行消光。此外，在石英顆粒間賦存有呈點狀(圖3a)、浸染狀(圖3b)的黃色礦物及呈浸染狀(圖3c)的紅色礦物，其中浸染狀礦物顆粒形態(tài)、尺寸均無法辨認(rèn)，可能是因為這些礦物粒度極小，尺寸為納米級；點狀分布的礦物顆粒邊界清晰，大小約為5 μm，無固定晶形。前人研究指出[5-9]，玉石的黃色多與針鐵礦有關(guān)，紅色多由赤鐵礦致色，其中針鐵礦大多呈黃色～黃褐色，偏光顯微鏡下通常半透明，隱晶質(zhì)赤鐵礦大多呈紅色，偏光顯微鏡下常具不透明狀，據(jù)此初步推斷樣品的黃、紅色致色礦物分別為針鐵礦和赤鐵礦，其致色方式有兩種：一是納米級針鐵礦、赤鐵礦隱晶質(zhì)集合體呈浸染狀充填于石英粒間致色，二是針鐵礦微晶顆粒呈點狀富集于石英粒間致色。

圖3 硅化木研究樣品的顯微特征

2.2 化學(xué)成分分析

為準(zhǔn)確分析黃色和紅色硅化木的化學(xué)成分，采用X射線熒光光譜儀對3件樣品進(jìn)行主量元素定量測試，見表2。結(jié)果顯示，黃色和紅色硅化木的主要化學(xué)成分均為SiO2，含量在98%wt以上，次要化學(xué)成分包括P2O5(0.01～0.02%wt)、Fe2O3(0.12～0.17%wt)、CaO(0.04～0.08%wt)、NiO(0.01%wt)、Al2O3(0.20～0.22%wt)、MgO(0.02～0.03%wt)等，其他元素如Ti、K、Na、Mn含量則低于檢出限。值得注意的是致色元素Fe的含量較高，推測其存在是導(dǎo)致硅化木呈現(xiàn)黃色、紅色的主要原因。

表2 硅化木研究樣品的主量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%wt

2.3 拉曼光譜分析

選取AH-01樣品點狀分布的黃色顆粒、AH-02樣品浸染狀分布的黃色區(qū)域及AH-03樣品浸染狀分布的紅色區(qū)域采用點測法進(jìn)行拉曼測試(圖4)，測試點位于圖3標(biāo)記的紅框內(nèi)。從圖4a可以看出，AH-01樣品點狀分布的黃色顆粒與AH-02樣品浸染狀分布的黃色區(qū)域的拉曼光譜基本一致，表現(xiàn)為300、385、550、995及1 299 cm-1處的拉曼峰，且與RRUFF拉曼數(shù)據(jù)庫中針鐵礦的標(biāo)準(zhǔn)峰位基本吻合，據(jù)此推斷黃色硅化木的致色礦物主要為針鐵礦；圖4b中樣品AH-03主要表現(xiàn)為242、293、410、610、810和1 318 cm-1處強(qiáng)弱不一的拉曼峰，與RRUFF拉曼數(shù)據(jù)庫中赤鐵礦的標(biāo)準(zhǔn)譜峰基本一致，由此說明紅色硅化木主要由赤鐵礦致色；3件樣品中465 cm-1處吸收峰是α-石英的特征拉曼峰(圖4a～4b)，是由Si-O鍵的彎曲伸縮振動所致，且128 cm-1附近譜峰與[SiO4]的旋轉(zhuǎn)或平移振動有關(guān)[10-11]。

圖4 硅化木研究樣品的拉曼光譜

2.4 紫外-可見光吸收光譜分析

選取AH-01樣品的黃色區(qū)域、AH-02樣品的黃色和紅色區(qū)域以及AH-03樣品的紅色區(qū)域進(jìn)行紫外-可見光吸收光譜分析，結(jié)果顯示(圖5)主要吸收分別位于363、365、468、475、542及544 nm處，其一階導(dǎo)數(shù)圖譜(圖6)主要峰位為388、390、435、535、536、592、594、698、699 nm。前人研究發(fā)現(xiàn)[12]，針鐵礦的紫外-可見光吸收光譜一階導(dǎo)數(shù)光譜的特征峰是位于535～545 nm的主峰并伴有435 nm次級峰，赤鐵礦的特征峰主要集中在555～595 nm。圖6顯示AH-01和AH-02樣品的黃色區(qū)域的特征峰比較一致，在435、535和536nm處均出現(xiàn)了明顯峰位，據(jù)此判斷黃色主要為針鐵礦致色；AH-02和AH-03樣品的紅色區(qū)域均出現(xiàn)了典型的赤鐵礦特征峰，前者在592 nm處有較強(qiáng)峰位，后者的主要特征峰出現(xiàn)在594 nm處，表明紅色致色礦物主要為赤鐵礦。

圖5 硅化木研究樣品的紫外-可見吸收光譜 圖6硅化木研究樣品的紫外-可見光吸收光譜一階導(dǎo)數(shù)圖譜

2.5 顏色成因探討

通過對黃色和紅色硅化木樣品的綜合測試分析，本文最終確定黃色硅化木主要為針鐵礦致色，紅色是由赤鐵礦引起，主要有以下幾點依據(jù)：

(1)薄片觀察時黃色硅化木樣品點狀及浸染狀分布的區(qū)域均為黃色～黃褐色，半透明，與針鐵礦的顯微特征相同；紅色硅化木樣品浸染狀分布的區(qū)域為紅色，不透明，與赤鐵礦的顯微特征相同；(2)X射線熒光光譜測試中黃色和紅色樣品中均檢測出含量較高的Fe元素；(3)拉曼光譜測試中樣品的黃色顆粒及黃色區(qū)域均檢測到了針鐵礦，紅色區(qū)域檢測到了赤鐵礦；(4)紫外-可見光吸收光譜分析中樣品的黃色區(qū)域出現(xiàn)了針鐵礦典型一階導(dǎo)數(shù)圖譜，紅色區(qū)域的一階導(dǎo)數(shù)圖譜具有赤鐵礦特征峰。綜上表明硅化木的黃色和紅色分別與針鐵礦、赤鐵礦物相的存在有關(guān)。

3 結(jié) 論

黃色和紅色硅化木的的主要礦物組成均為α-石英(SiO2：98.38%～98.64%)，呈顯晶質(zhì)粒狀結(jié)構(gòu)，分布較均勻，次要礦物組成為針鐵礦和赤鐵礦。

鐵質(zhì)礦物是硅化木呈現(xiàn)黃色和紅色的主要原因，黃色主要與針鐵礦有關(guān)，紅色是由赤鐵礦所引起。針鐵礦和赤鐵礦在硅化木中主要有兩種不同的存在形式：浸染狀和點狀，其中浸染狀分布的針鐵礦、赤鐵礦尺寸為納米級，點狀分布的針鐵礦尺寸為微米級。

拉曼光譜中，硅化木黃色及紅色區(qū)域的拉曼峰與RRUFF拉曼數(shù)據(jù)庫中針鐵礦及赤鐵礦的標(biāo)準(zhǔn)峰位基本一致，且樣品中均出現(xiàn)了α-石英的特征拉曼峰。

紫外-可見光吸收光譜的一階導(dǎo)數(shù)圖譜中，黃色硅化木在435、535和536 nm處呈現(xiàn)出了針鐵礦特征峰，紅色硅化木的赤鐵礦特征峰主要位于592和594 nm處。