变色石榴石的紫外-可见吸收光谱与3D荧光光谱研究

变色石榴石是众多石榴石族矿物中的一种特殊品种,通常为含微量Cr和V的镁铝—锰铝榴石。国内少有人研究,国外主要研究变色石榴石的紫外可见吸收光谱与颜色计算,但未见具红色荧光变色石榴石的相关报道,缺乏荧光光谱研究。本次研究对象为一颗产自坦桑尼亚Umba地区的变色石榴石,具明显的变色效应,且在长波紫外荧光灯下发出红色荧光。通过化学成分测试与光谱测试来详细探讨其变色效应及荧光机制。采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)确定该变色石榴石为镁铝榴石与锰铝榴石的类质同象替代中间产物,含有Cr, V和Fe等微量元素,其平均端元组分为Prp46.28Sps38.40Grs13.57Alm2.33Uvt0.35。紫外-可见吸收光谱中蓝紫区409, 422, 430和486 nm处的强吸收尖峰为Mn^2+的自旋禁阻跃迁造成, 459和503 nm的弱吸收峰则与Fe^2+有关,黄区以571 nm为中心的宽缓吸收带由Cr^3+和V^3+的自旋允许跃迁共同造成。Cr和V是产生变色效应的主要原因。蓝紫区和橙黄区的强吸收,导致两个"透射窗"绿光区与红区的透过率相当,从而使石榴石产生变色效应:日光灯下为黄绿色,白炽灯下呈紫红色。3D荧光光谱中690 nm处的发射峰为Cr^3+的多重禁阻跃迁^2Eg→^4A2g所致,两侧的678和704.5 nm的荧光峰也为Cr^3+所致。可见光中用紫光(400~440 nm)和黄光(550~600 nm)最能激发出样品的红色荧光,这与Cr^3+的两个自旋允许跃迁(^4A2g→^4T1g和^4A2g→^4T2g)对应的吸收宽带有关。当光源的能量正好能允许这两个吸收跃迁发生时,电子吸收能量从基态跃迁至这两个激发态,然后再从最低激发态^2Eg回到基态发射荧光,此时的荧光产额最强。相比于前人研究中的变色石榴石,本文样品中的Fe^2+含量较低(<0.3 Wt%), Fe^2+具有荧光猝灭的作用,因而推测Cr高Fe低是本文变色石榴石能够被激发出红色荧光的主要原因。目前国内还没有关于天然变色石榴石的荧光研究,这为日后进一步研究石榴石的荧光提供了谱学依据与理论基础。