变色镁铝-锰铝榴石的宝石学特征及变色机理研究

石榴子石的化学通式为A_(3)B_(2)[SiO_(4)]_(3),属于岛状硅酸盐矿物。极少数石榴子石因过渡元素(如Cr、V等)的类质同象替代,而在可见光区形成两个透过窗,并随外部光源变化而呈现不同颜色,以日光灯下呈紫至绿色调,而白炽灯下呈黄至红色调最为常见。具变色效应的石榴子石常为镁铝榴石、锰铝榴石或镁铝-锰铝榴石。选取宝石级变色镁铝-锰铝榴石,利用电子探针(EPMA)、傅里叶变换红外(FT-IR)光谱仪、紫外-可见光(UV-Vis)分光光度计和光致发光(PL)光谱仪测试,探求其变色机理。EPMA成分分析显示样品是一种含Cr^(3+)的镁铝-锰铝榴石,含少量钙铝榴石和铁铝榴石。UV-Vis吸收光谱呈现420 nm(Mn^(2+)d-d轨道跃迁^(6)A_(1g)→4Eg)附近的拖尾宽吸收带与571 nm(Cr^(3+)d-d轨道跃迁^(4)A_(2g)→^(4)T_(2g))宽吸收带叠加,形成蓝绿光区(500 nm为中心)和红光区(650 nm以上)的两个透过窗。由于日光灯偏蓝绿光而白炽灯偏红橙光,样品选择性透过两个区域并产生变色效应,样品最终受日光灯激发产生靛青色,而在白炽灯下呈现橙红色调。结合UVVis和PL光谱分析,镁铝-锰铝榴石中的Mn^(2+)、Fe^(2+)和Cr^(3+)在立方体空隙和八面体结构中类质同象替代频繁,Cr^(3+)的最强发光中心位于686 nm附近,是样品在长波下呈现弱红色紫外荧光的原因,Fe^(2+)作为荧光淬灭剂对Cr^(3+)产生的荧光有非常强的抑制作用甚至导致样品在紫外光线下荧光呈惰性。样品出现变色效应的结果是锰铝榴石中含有的Cr^(3+)所致。