钆镓石榴石

导 语在中国历史悠久的文化传统中，玉文化备受推崇，宝石类较少使用，目前还没有发现汉代及之前有开采和使用绿柱石的证据，绿柱石类的珠饰品主要经过陆上或者海上丝绸之路由海外传入。南临北部湾的广西合浦，在1988年发掘的汉代古墓中，出土了一批宝石珠饰类文物，以前缺乏检测仪器，该批宝石珠饰一直被认为是水晶。直到20多年后，使用拉曼光谱、X射线荧光光谱仪等现代科学仪器，无损检测该批文物69颗宝石珠饰，鉴定其中28颗为水晶、36颗为绿柱石（海蓝宝石、透绿宝石等）、其余为铁铝石榴石、钾硅酸盐玻璃等。合浦古墓出土文物由“水晶”正名为“绿柱石”，赋予了文物特定的历史意义，证实在2200多年之前，作为古代海上丝绸之路沿途的合浦，与海外有着繁荣的贸易往来。 图1 合浦汉代古墓出土珠饰类文物（图片来自于网络） 宝石外观的绚丽多彩性宝石种类繁多，以其绚丽多彩的外观获得人们的喜爱，如四大宝石之一的祖母绿属于绿柱石种类。绿柱石是一个色彩丰富的宝石品种，有浅蓝色的海蓝宝、绿色的祖母绿、粉色的摩根石、无色的透绿柱石等。水晶也多具有绚丽的外观和多变的色彩，包含有无色、粉色、紫色、黄色，茶色等，外观色彩与绿柱石极为相似，为绿柱石的相似宝石。其他种类和绿柱石相似的宝石还有石榴石、碧玺、尖晶石、沙弗莱、玻璃、合成宝石等。 图2 海蓝宝石珠饰 （汉代） 图3 祖母绿表 （斯图亚特王朝） 图4 摩根石（1911年马达加斯加首次发现） 图5 水晶石蝉（战汉时期） 图6 石榴石发簪（维多利亚时期） 图7 合成海蓝宝石（现代） EDX-7000揭开宝石成分的秘密宝石都具有绚丽的外观，不同宝石的组成元素等却各不相同，宝石外观色彩与其含有的微量元素有关。岛津EDX-7000能量色散型X射线荧光分析仪，可以快速无损分析宝石成分。本文以绿柱石及其相似宝石等6种样品的成分检测，重现文物珠饰等宝石的成分分析鉴定过程，揭开宝石的组成成分秘密。 图8 EDX-7000能量色散型X射线荧光分析仪 l 新型硅漂移检测器（SDD)，更高灵敏度、更高分辨率、更快分析速度；l 高清晰度COMS摄像系统，多种准直器的选择，适用于样品选择指定区域定位分析；l 完善的FP法分析软件，应用于样品的成分分析，可以对宝石成分进行无损分析；l 元素分析范围：13Al-92U（大气）、11Na-92U（真空）。 EDX分析绿柱石成分宝石中的组成元素多以氧化物存在，EDX分析结果中以氧化物形式表征组成元素。绿柱石为铍铝硅酸盐矿物，基本化学式为Be3Al2(Si2O6)3，组成物质理论含量为SiO267.07%、Al2O318.97%、BeO 13.96%。自然界出产的宝石成分可能与理论值略存在差异。天然纯净的绿柱石是无色透明的，绿柱石中的Be、Al可被不同元素所替代，替代元素的存在产生了多种不同颜色绿柱石，常见有无色、绿色、黄色、浅橙色、粉色、红色、蓝色、棕色、黑色等。绿柱石类宝石的颜色及其致色离子是宝石研究及鉴定的重要项目指标。如透绿柱石不含致色元素；祖母绿由Cr3+或者是Cr3+、V3+共同致色形成，祖母绿中含有Fe3+对颜色起到微调作用；海蓝宝主要由Fe2+和Fe3+之间价态的转换造成的；摩根石的粉色调是由于存在的Mn2+和Cs、Rb所导致。 图9 海蓝宝石 图10 祖母绿 图11 摩根石 图12 合成祖母绿 表1 EDX分析绿柱石成分 绿柱石分析结果显示主要组成元素为SiO2、Al2O3及其微量元素组成，Be不在EDX的元素检测范围内，Be元素的量依据理论值固定。天然绿柱石中多见含有Rb、Ga元素，除主要组成元素外，海蓝宝石中检出Fe等微量致色元素。天然祖母绿中含有Rb、Ga，同时检出微量Cr、V等主要致色元素。摩根石（粉色绿柱石）含有Rb、Ga，同时检出微量Cs、Mn等致色元素。合成祖母绿中缺失Rb、Ga元素，含有致色元素Cr、V，同时可见含有元素Cl、Cl在天然绿柱石中没有检出，Cl元素为水热法合成绿柱石的特征。 EDX分析铁铝榴石成分铁铝榴石通常呈暗红色至棕红色的半透明状晶体，基本化学式为Fe3Al2(SiO4)3，组成物质的理论含量为Fe2O3 43.30%、Al2O3 20.49%、SiO2 36.21%。常见的颜色以红色色调为主，包括褐红色、粉红、橙红等，其色彩与所含的Fe、Mn、Cr等金属元素有关系。铁铝榴石中Fe2O3、Al2O3、SiO2含量接近理论值（表2），铁铝榴石成分明显区别于绿柱石。 图13 石榴石 表2 EDX分析铁铝石榴石成分 EDX分析水晶石成分水晶的主要化学成份是SiO2，纯净时形成无色透明的晶体，当含微量元素Al、Fe等金属元素时可呈现粉色、紫色、黄色，茶色等。水晶石主要由SiO2元素组成（表3），水晶石成分明显区别于绿柱石。 图14 水晶石 表3 EDX分析水晶石成分 总结文物宝石纵使穿越千年，现代仪器仍能识别真身。利用岛津EDX-7000能量色散型X射线荧光光谱仪分析宝石成分，可以快速得到样品的组成结果，依据成分信息从相似宝石、合成宝石中进行筛选区分。依据组成的微量元素，宝石色彩外观，判定致色元素，初步筛选区分宝石种类。可结合宝石其他项目的检查结果，对宝石进行综合判定，适用于绿柱石等宝石分析鉴定的辅助分析。

p 　　中国科学院院士、著名物理学家、中国科学院物理研究所研究员章综，因病医治无效，于8月27日在京逝世，享年90岁。章综是我国第一代从事中子散射技术和应用研究的旗帜人物, 80年代主要从事科研管理工作，同时担任中法合作在我国建造三台中子散射谱仪的中方负责人，近几年仍在关注着我国散裂中子源的建造和有关中子散射方面的研究工作。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 300px height: 412px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/e5a67efd-7db8-4b97-99ef-a35570a2efcc.jpg" title=" 1.jpg" alt=" 1.jpg" width=" 300" height=" 412" border=" 0" vspace=" 0" / /p p 　　章综是我国中子散射科学研究领域的主要奠基人之一，长期从事磁学与磁性材料和中子散射方法学等交叉前沿领域的研究，领导和推动了我国散裂中子源的建设，为我国中子科学和中子技术的发展做出了卓越的贡献，于1978年获得中国科学院重大科技成果奖和全国科学大会奖。科研之外，章综也十分关心科普，并主编了两本科普图书《我们生活在磁的世界里——物质的磁性和应用》《触摸无形的物质之网》。 /p p 　　1929年5月16日，章综出生在江苏宜兴。1948年7月，他从重庆南开中学毕业后，考入国立中央大学(1949年更名为南京大学)理学院物理系。4年后，章综从南京大学物理系毕业，进入中国科学院物理研究所并一直在该所工作。 /p p 　　入所后，章综在陆学善等的指导下做科研。 1957年左右，他用以X射线粉末衍射为主的方法对Al-Cu-Ni三元合金系的部分相图进行研究，解决了长期遗留下来的τ相晶体结构变迁问题，首次发现了单相区内晶体结构可按一定规律变化的现象，修正了“一个单相区只能有一种晶体结构”的传统观念，并于1957年将研究成果《铝-铜-镍三元合金系中τ相的晶体结构变迁》一文发表在《物理学报》和《中国科学》(英文版)上，该成果后来多次被晶体化学和物理学方面的研究者引用。 此外，他还研究了单晶和多晶体石榴石型铁氧体的软磁特性及其机理，成功研制了当时具有最高起始磁导率的多晶石榴石型铁氧体，阐明了变价铁离子间的电子扩散过程对石榴石型铁氧体射频磁谱的影响。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/e3a57fb9-9ff8-41e1-9553-295a340ccbba.jpg" title=" 2.jpg" alt=" 2.jpg" / /p p style=" text-align: center " 1957年章综（左二）与陆学善等在工作 /p p 　　1959年，章综前往苏联科学院半导体研究所铁氧体、铁电体实验室进修，学习苏联在软磁铁氧体领域的先进经验。3年后，他学成归来，回到中科院物理所，进入磁学室工作并担任软磁铁氧体组组长，继续软磁铁氧体的研究，主要研究方向为软磁铁氧体材料和变价离子对镍锌铁氧体的磁导率及磁后效的影响。 /p p 　　70年代，章综先后完成了几项具有特殊用途的小型接收天线的任务。1978年，他担任中国科学院物理研究所负责人、副所长，并于同年晋升为研究员。两年后，章综当选为中国科学院数学物理学部学部委员，年仅51岁的他成为中科院院士。 /p p 　　80年代起，由于现实需要，章综的工作发生了变化，开始从科学研究转到科研管理方面。1982年，章综出任中国科学院数学物理学部副主任，两年后担任主任。这时候，章综不仅要负责中科院数学物理学部的行政工作以及其他科研管理工作，同时还是中法合作在中国建造三台中子散射谱仪的中方负责人，并担任中子散射组组长。身兼数职的章综，尽管科研管理工作十分繁忙，但他的目光始终注视着中国散裂中子科学的发展方向，时刻关注着我国散裂中子源的建造和有关中子散射的研究进展。 /p p 　　这一期间，作为中法合作项目的主要负责人，章综还在原子能院研制建成了中子三轴谱仪、中子四圆衍射仪和中子小角散射谱仪，填补了我国在这方面的空白。该成果获1985年中国科学院科技进步二等奖。 /p p 　　进入21世纪后，章综开始积极倡导并推动中国散裂中子源的立项和建设，领导物理所中子科学团队开展散裂中子源靶站和谱仪的设计研究。 2001年，他参加了香山科学会议和数理学部“散裂中子源”院士咨询会议 2004年，又参加了中国散裂中子源(CSNS)概念设计结题验收会。 也是从2004年开始，章综筹划召开了多年的散裂中子源多学科应用研讨会，亲自设计各种专题报告内容和打电话邀请相关专家学者，该会议现已发展成为我国中子散射界的全国中子散射学术年会。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 275px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/c4fe63a7-d86a-4421-af31-391646d07ceb.jpg" title=" 3.jpg" alt=" 3.jpg" width=" 450" height=" 275" border=" 0" vspace=" 0" / /p p 　　2011年10月20日，章综参加中国散裂中子源工程奠基仪式 /p p 　　2011年10月20日，章综亲自到广东东莞参加中国散裂中子源工程的奠基仪式，而这时候他已经82岁高龄了。 /p p 　　去年8月，我国重大科学装置中国散裂中子源工程顺利通过国家的验收，我国中子科学再添大国重器，如虎添翼，章综奋斗了40年的目标终于在生命的最后一年实现了! /p p 　　他一生埋首科研，几乎没有接受过采访，桃李虽不言，下自成蹊。章先生千古，我们永远铭记! /p

近期，北京大学地球与空间科学学院许成研究员、张立飞教授和费英伟教授联合团队合作发现来自地幔过渡带（深约400公里处）的超高压矿物和古元古代现代板块构造的岩石学证据，在地球深部物质组成和板块构造启动时限等科学问题上取得了重大突破，研究成果相继发表于权威科学期刊Science Advances（2017年）和Nature Communications（2018年）上。其中一些重要的矿物学和岩相学工作是由捷克孟德尔大学宋文磊博士和Jind?ich Kynicky博士与TESCAN总部应用部门（位于捷克布尔诺）使用TESCAN综合矿物分析仪（TIMA）合作完成。 地球内部的结构组成和板块构造运动的起始是当今固体地球科学研究最前沿、最具挑战地球内部的结构组成和板块构造运动的起始是当今固体地球科学研究最前沿、最具挑战性的关键科学问题。俗话说，上天不易，入地更难。人类对于地球内部的了解还非常有限，固体地球的半径达 6400 公里，而目前人工钻探最深仅到 12 公里。科学家只能通过出露于地表的岩石或深部岩浆携带的捕虏体来推测地球的深部物质组成。 （图片来源于网络）板块构造是地球区别于其它太阳系类地行星的主要特征，它不仅影响着地幔的组成和演化，而且还控制着地球的水圈和大气圈，对地球上生命的起源具有重大意义，然而对现今板块构造启动的时间和机制的认识仍然存在很大分歧。近期，北京大学地球与空间科学学院许成研究员、张立飞教授和费英伟教授联合团队合作发现来自地幔过渡带（深约 400 公里处）的超高压矿物和古元古代现代板块构造的岩石学证据，在地球深部物质组成和板块构造启动时限等科学问题上取得了重大突破。研究的成果相继发表于权威科学期刊 Science Advances（2017年）和Nature Communications（2018年）上。其中一些重要的矿物学和岩相学工作都是使用TESCAN综合矿物分析仪（TIMA）完成，文中也对TIMA分析方法进行了具体解读。 △ 研究成果发表在 Science Advances (2017年) △ 研究成果发表在 Nature Communications (2018年)许成团队首次在我国华北克拉通中北部的内蒙古丰镇和河北怀安一带的幔源火成碳酸岩内发现了极少量的厘米级榴辉岩捕虏体（许成等，2018）。榴辉岩（由俯冲板块在深俯冲过程中遭受超高压变质作用形成）主要由绿辉石和石榴石组成，其次为蓝晶石、石英、帘石、多硅白云母和角闪石等。通过各种矿物温压计和 THERMOCALC 程序计算获得其峰期矿物组合石榴石+绿辉石+蓝晶石位于 2.5-2.8 GPa和 650-670℃ 的稳定范围，对应 250 (±15)℃ GPa-1 的低温古俯冲带地热梯度。 △ 图 1：TIMA 解离分析碳酸岩内榴辉岩捕虏体及其矿物组成（修改自许成等，2018）石榴石内独居石 U-Pb 定年确定其变质峰期年龄为 18.4 亿年，这是迄今为止记录的最“冷”的古元古代俯冲带中低温高压变质作用。“冷”的深俯冲作用很可能在古元古代非常普遍，但全球的低温记录很容易被后来陆内碰撞所产生的高温变质作用覆盖。板块构造何时启动一直存在争论，其主要原因在于缺少岩石学证据。该发现提供了直接的岩石学证据表明古元古代存在现代板块深俯冲。这些碳酸岩的地球化学特征显示其地幔源区含有俯冲的地壳物质，进一步表明地球早期已存在地壳物质深俯冲进入地幔，从而导致地幔深部碳循环。此外，科研团队还在这些榴辉岩的石榴石内发现了超硅石榴石（超高压矿物，主要在深源金刚石或者陨石冲击坑中有零星发现）包体（许成等，2017），分析显示该矿物具有高的三价铁 Fe3+（Fe3+/全Fe～0.87），远高于目前金刚石内发现的超硅石榴石（Fe3+/全Fe △ 图 2：TIMA拍摄的榴辉岩捕虏体中的超硅石榴石（Maj）：图 (A) 为石榴石（Grt-II）中超硅石榴石包体的背散射图；图 (B) 显示超硅石榴石包体的铁和铝含量明显高于赋存矿物石榴石（引自许成等，2017） 高温高压合成实验标定其形成压力为14GPa，起源于地幔过渡带（400公里）。该发现为碳酸岩岩浆起源于地幔过渡带提供了直接的矿物学证据，同时异常富三价 Fe 超硅石榴石说明地幔过渡带存在局部富氧成分，这与俯冲地壳物质相关。这一发现对人们认识深部地幔的物质组成和演化具有非常重要的意义。 上述成果中 TIMA 分析工作（图1和图2）是由捷克孟德尔大学的宋文磊博士与 Jind?ich Kynicky 博士和 TESCAN 扫描电镜公司总部（捷克布尔诺）TIMA 应用部门合作完成。由于捕虏体结构复杂、矿物类型多样、颗粒繁多且大小不等（毫米至微米级），有时与寄主岩石和矿物在结构和成分上差别并不显著，因而普通光学显微镜、扫描电镜、激光拉曼和电子探针等分析仪器对于寻找和识别这些包含在捕虏体中且非常稀少的来自地球深部的（高压）矿物效果并不明显，研究过程相当耗时且仅限于对局部的观察，极易遗漏重要信息。全球著名扫描电镜公司 TESCAN 的综合矿物分析仪（TIMA，图4）可以很好的解决以上问题。该仪器是利用扫描电镜的岩石矿物自动定量化分析系统，具有将电镜和能谱高度集成的独特技术，能进行极高分辨率的 BSE 与 EDX 快速全谱成像和大范围面扫描自动拼接功能，可以完成对整个样品的快速、准确的多元素面扫描；其配备的矿物处理专业软件可以辅助分析扫描结果，实现各种矿物相的快速鉴定、分布模式、含量测算以及自定义矿物寻找功能，避免相似结构和成分的分析误差，揭示样品的整体形态、矿物含量、结构构造和矿物共生组合特征。对于以上研究样品量很少的榴辉岩，通过其各矿物含量估算的有效全岩成分将提高变质岩视剖面图温压计的可靠性，同时还可以查明矿物相内部和不同矿物相之间的显微结构关系以及对含量很少（如用于准确定年的锆石和独居石）或未知矿物的辨别，从而获取捕虏体的起源和演化的关键信息。 △ 图 4：TESCAN 综合矿物分析仪（TIMA） 上述科研成果表明，固体地球科学的研究越来越侧重于地质样品的微观结构、精细矿物学和微区原位分析测试。TIMA 对矿物的结构分析和定量解析达到微米的尺度，相对于传统光学显微镜和扫描电镜具有非常大的优势。TIMA 可以对岩芯、岩屑、岩石、矿石、精矿、尾矿、浸出渣或冶炼产品等进行快速定量矿物分析，能有效识别岩石类型，测量矿物种类和分布、颗粒大小、解离或锁定各种参数。此外，还提供亮相搜索模块，可以快速准确鉴定出铂族金属、金银矿和稀土元素。TIMA 已广泛应用于地质、石油、矿业和冶金等领域。目前，北京大学和中南大学今年已经引进了 TESCAN TIMA 综合矿物分析仪，目前设备正在安装调试中，期待 TIMA 用户做出更多重要的研究成果！