蓝宝石成因简论
天然蓝宝石的生长特征、微量元素特征、包裹体矿物特征及野外产出特征研究表明,蓝宝石的形成和存在主要有两种方式:①巨晶——碱性玄武岩浆早期高压结晶固相;②捕虏晶——形成于较深源区的幔源岩石解体矿物形成的蓝宝石被更深部的玄武岩浆携带至地表。但要使蓝宝石尤其是优质蓝宝石完好保存,必须受多种条件的共同制约,玄武岩浆的物质成分、温度、压力、氧逸度、岩浆上升速度等对蓝宝石的保存起至关重要的作用。邹进福(1991)认为含蓝宝石岩浆上升速度的快慢(也可能岩浆在下地壳长期停留或被“压滤”)可能是决定大部分碱性火山岩含矿、不含矿或含矿很贫的一个重要原因,只有岩浆上升速度快,蓝宝石的保存与火山岩的成分及形成时代没有直接的相关关系。因此,只有当岩浆形成温度高、压力大、氧逸度低,同时岩浆上升速度快时蓝宝石才能得以保存。本区含蓝宝石原始玄武岩浆形成温度为1186℃,压力2.4～3.0GPa,氧逸度691Pa,岩浆上升平均速度1.1km/h,完全有利于蓝宝石的保存。
对于昌乐县境内蓝宝石的成因,目前大多数倾向于捕虏晶,因为含矿橄榄玄武岩存在大量深源包体和巨晶矿物,且在深源包体中可见蓝宝石,同时巨晶蓝宝石多见因发生熔蚀作用而在表面形成一层黑色被膜。
近年来,研究者在方山、牛山、朐山等地多层橄榄玄武岩和碧玄岩中发现的中细粒蓝宝石并无黑色被膜,而且蓝宝石在岩石中的分布及其均匀且小而分散,量较多。不难想象,如此众多且均匀分布的蓝宝石不可能是捕虏的,而合理的解释只能是碱性玄武岩在高压下由相对高Al贫Si的条件下分离结晶形成的。本区含矿玄武岩相对高Al、Ti的化学组成也支持这一成因。
因此,研究者认为昌乐县境内的蓝宝石捕虏晶和玄武岩浆早期高压分离结晶均存在,而且捕虏晶是高价值原生矿的主要成矿形式。这样,由于地幔成分的不均一性,故在地幔深部可能存在富Al贫Si区,在此区的高温高压环境中逐渐形成蓝宝石。后来,由于构造运动和岩浆活动,早先形成的蓝宝石被形成于更深部的碱性岩浆捕获而带至地表,在捕获和上升过程中,因p、t条件和环境的改变而发生熔蚀反应,使得蓝宝石表面有一层黑色被膜,而因蓝宝石熔点较高(2050℃,大于岩浆温度),故熔蚀作用较轻微,蓝宝石晶体得以保存。在岩浆形成和上升过程中,由于构造和成岩环境的变化,在某时局部阶段岩浆相对高Al贫Si时,也会由于结晶分异作用形成蓝宝石,尤其是在岩浆上升速度变慢、遇到高Al围岩(如片麻岩、片岩)等成矿构造地球化学障时,蓝宝石便与岩浆中的橄榄石、辉石、锆石、尖晶石等一起晶出。但由于本区岩浆上升速度较快,故晶出蓝宝石大多数颗粒较小(李洪奎,2009)。
(一)蓝宝石颜色
蓝宝石主要有无色、蓝色、绿色、黄色、橙色、棕色、粉红色、紫色、灰色、黑色等多种颜色。国际珠宝界依据颜色将刚玉宝石划分为红宝石、蓝宝石两大品种。传统划分中,中到深红色刚玉宝石统称为红宝石,除去红宝石以外的其他所有颜色的刚玉宝石统称为蓝宝石。浅红色刚玉宝石被划归在蓝宝石品种中,因此出现了浅红色蓝宝石、粉红色蓝宝石的名称。在实际应用中粉红色蓝宝石与红宝石的界限是很难准确划分的。1989年在曼谷召开的国际有色宝石协会(简称ICA)年会上对红、蓝宝石界限提出了一个新的原则,即把所有具红色色彩的刚玉宝石划归为红宝石,其他颜色的刚玉宝石划归为蓝宝石。
蓝宝石的颜色十分丰富,它几乎包括了可见光光谱中的橙、黄、绿、青、蓝、紫所有颜色(图5-7)。刚玉属他色矿物,纯净蓝宝石的颜色是无色,但是绝大多数蓝宝石中含有一定量的微量元素。这些微量元素直接影响到蓝宝石的颜色。蓝色蓝宝石的颜色主要是因为含有微量的铁和钛元素。铁和铬两种元素同时存在于蓝宝石中可以使蓝宝石呈现金色或橙色,如果其中只有铬元素则形成粉红色蓝宝石和红色红宝石。微量元素的不同组合方式成就了蓝宝石的非凡色彩,通常称为彩色蓝宝石。刚玉中不同微量元素与颜色的对应关系见表5-2。
图5-7 各种颜色的彩色蓝宝石
表5-2 蓝宝石中不同致色元素与颜色的对应关系表
不同产地产出蓝宝石的颜色也有一定的规律性可循。下面将按照颜色系列对不同产地产出的蓝宝石进行描述。
1.蓝色系列
蓝色系列是蓝宝石中分布最广泛的颜色系列(图5-8)。全球所有刚玉产地几乎都有蓝色蓝宝石的产出。虽然阿富汗瓦尔达克、坦桑尼亚温扎等矿区以产出红宝石为主,但也有少量的蓝色蓝宝石产出。蓝色蓝宝石是整个刚玉族宝石中分布最广的颜色品种。
图5-8 蓝色蓝宝石
2.黄色系列
斯里兰卡黄色蓝宝石具有浅黄到中等色调的黄色,并且没有任何褐色色调。其中有些较深的色调经过热处理后可以产生天然黄色蓝宝石中非常少见的深黄色、金色和橙色。非常罕见的粉橙色帕德玛蓝宝石主要产自斯里兰卡和越南。坦桑尼亚翁巴矿区偶尔也可出现类似帕德玛蓝宝石颜色的棕橙色蓝宝石。泰国产的优质黄色蓝宝石可以达到金黄色到橙色。澳大利亚昆士兰黄色蓝宝石颜色发绿。斯里兰卡、泰国和澳大利亚是深黄色蓝宝石的主要产地(图5-9)。
图5-9 黄色蓝宝石
3.绿色系列
虽然最优质的绿色蓝宝石来自斯里兰卡,但是非常稀少。斯里兰卡绿色蓝宝的颜色比泰国、澳大利亚、中国山东产出的绿色蓝宝石的颜色浅。泰国、澳大利亚、中国山东绿色蓝宝石的颜色趋于蓝绿色或黄绿色,灰度较重。克拉质量超过10ct,颜色和净度都很好的绿色蓝宝石非常稀缺,但市场需求也并不大(图5-10)。
图5-10 绿色蓝宝石
4.紫色系列
该系列主要包括紫罗兰色和紫色蓝宝石,其主要产地是缅甸抹谷、斯里兰卡和越南。紫红色蓝宝石的价格甚至可以与红宝石相当。
5.BGY型蓝宝石
来自澳大利亚东部、泰国—柬埔寨拜林地区、中国山东昌乐地区(图5-11)、马达加斯加北部安齐拉纳纳地区的蓝宝石,均属于玄武岩型岩浆岩成因。这些矿区产出的蓝宝石颜色以蓝/蓝紫色—蓝绿/黄绿—黄色三种颜色为主,因此被称为BGY型蓝宝石,即蓝—绿—黄色蓝宝石。
图5-11 山东昌乐BGY型蓝宝石
(二)蓝宝石致色原因
蓝色蓝宝石致色原因主要是异核原子价态之间的电荷转移。蓝色蓝宝石中Fe2+与Ti4+分别位于相邻的以面相连的八面体中,Fe、Ti离子的距离为0.265nm,二者的d轨道沿结晶轴重叠,当电子从Fe2+中迁移至Ti4+中时,Fe2+转变为Fe3+,而Ti4+转变为Ti3+,即Fe2++Ti4+→Fe3++Ti3+。在电荷转移过程中,伴随着光谱吸收能量为2.1eV,吸收带的中心位于588nm,其结果是在蓝宝石的c轴方向只透过蓝色,呈现蓝色(图5-12)。当两个八面体在垂直c轴方向上以棱相连接时,电荷转移吸收带略向长波方向位移,使蓝宝石在非常光方向上呈现蓝绿色。
图5-12 蓝色蓝宝石颜色成因
黄色和橙色蓝宝石致色原因有两种主要解释:一是同核原子间的电荷迁移致色,二是色心致色。泰国和澳大利亚黄色和橙色蓝宝石光谱中铁吸收带的存在,证明这些黄色蓝宝石的致色机理可能与铁离子有关。Fe2+转变为Fe3+过程伴随着光谱吸收,从而产生黄色或橙色。不同的致色解释出现在斯里兰卡蓝宝石中,该产地的黄色或橙色蓝宝石的致色原因主要是因为空穴中心致色。二价阳离子替代刚玉晶格中的三价铝离子,在晶格位置形成正电荷不足的位置——正电荷陷阱。为了维持电中性,二价阳离子周围必须有相应的一价阳离子存在或产生电子空位。氧化条件下加热蓝宝石时,电子空位形成并释放出一价阳离子用于平衡所缺失的一价阳离子。因此,二价杂质离子和电子空位共同对可见光吸收产生黄色或橙色。
蓝宝石的化学成分是Al2O3。铝在地壳中的克拉克值为7.51%，属高含量的亲氧亲石元素，大量集中于地球外层。地壳中Al2O3是仅次于SiO2分布最广的氧化物，但自然界中结晶的Al2O3却为数不多，这是因为A2O3对SiO2的化学亲合力很大，易于形成铝硅酸盐。因此，只有在高温富铝贫硅的特殊条件下才能形成结晶体，或结晶体才能保存。
在碱性玄武岩中，蓝宝石是作为巨晶矿物与普通辉石、锆石等共同产出的。因此，有人就认为其属于同时晶出，可以用辉石的形成条件近似地代表蓝宝石的形成条件，即与玄武岩同源，是岩浆早期高压熔离的矿物相，形成时的温压条件均很高，大致相当于上地幔60～100km深度（池际尚等，1988；王艺芬等，1989）。但是，蓝宝石和辉石是否属共生关系，并无确切的证据，仅由其经常同时产出不能得出形成条件相近这一结论。
昌乐蓝宝石与玄武岩的接触关系截然明显。在蓝宝石晶体外缘常有一层厚约0.01～0.03mm的黑色不透明壳，用放大镜（10×）可初步将壳分为两大类：①熔蚀壳，有明显的熔蚀坑；②熔蚀“微晶”壳，壳上有大量不规则排布的微小似微晶物质。
探针分析表明，熔蚀壳成分为Al2O3，熔蚀“微晶”壳上的“基质”和“斑晶”成分仍为Al2O3（表1-2）。用扫描电镜对熔蚀“微晶”壳进行观察，得知叶片状物质并非细小晶体，其熔蚀现象也十分明显。
表1-2 蓝宝石表面壳质成分
测试单位：中国地质大学（武汉）测试中心。
①据韩俊杰，1988。
蓝宝石的产出特征：①薄层碱性玄武岩；②玄武岩中含有大量幔源捕虏体；③与上、下层不含蓝宝石玄武岩岩石学、岩石化学特征等极为相似；④与深大断裂相伴生；⑤山东省局曾观察到幔源捕虏体中产有蓝宝石晶体。可以推断，蓝宝石巨晶并非由玄武岩浆所析离晶出，而是形成于上地幔，由于构造和岩浆活动，被碱性玄武岩浆捕获而带出地表。在捕获及上升运移过程中，温压条件改变使蓝宝石发生熔蚀，但由于新的体系富铝贫硅，因此熔蚀作用较轻微，蓝宝石晶体易于保存。同时，橄榄玄武岩浆中的橄榄石与氧化硅铝发生反应（苏良赫，1990）：
山东昌乐蓝宝石矿物学及其改色
形成细小α-Al2O3晶体附着在幔源蓝宝石晶体表面，形成熔蚀“微晶”壳的雏形。上述反应，用热力学数据加以验证，反应自由能为-6.052J/mol，表明在岩浆的温压条件下，反应向右进行。岩浆继续演化和运移，温压条件不断改变，蓝宝石晶体在低压下不稳定，再次发生熔蚀，大部分蓝宝石表面的微晶刚玉全部熔掉，仅部分蓝宝石表面还残留有早期“微晶”壳的某些特征。
韩俊杰对江苏六合蓝宝石壳进行了分析，发现有的壳化学式为3MgAl2O3·2FeAl2O3（镁铁尖晶石），是岩浆喷溢过程中，蓝宝石晶体与周边富Fe、Mg离子的岩浆发生化学反应的反应边。由于采集和测试样品有限，在昌乐蓝宝石中暂未发现这种反应边，但可以推测，这种反应边可能是存在的。
蓝宝石是幔源成因的观点，可以很好地解释昌乐蓝宝石的各种产状特征，同时也使人们认识到，岩石学特征及岩石化学特征不能成为蓝宝石母岩的判别依据，蓝宝石的形成既有必然性，也有偶然性，避免了找矿的盲目性。
15346201395：蓝宝石成因及形成环境探讨
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15346201395：蓝宝石怎么产生的
百迹答：因此有的学者认为碱性玄武岩中的蓝宝石是上地幔中氧化铝过饱和，氧化硅不足的熔融体在岩浆通道中直接结晶的产物。蓝宝石还产在正长岩体与富镁碳酸盐岩内接融变质带中的硅酸盐矽卡岩中，主要是富铝的正长岩体上侵过程中交代富镁碳酸岩时熔离出来的三氧化二铝，并从围岩中带入微量铁和钛元素，从而形...
15346201395：蓝宝石是如何形成的
百迹答：蓝宝石来自地壳内的炽热岩浆，随着岩浆上升和火山喷发到达地表，岩浆冷却后蓝宝石被凝固在岩石中，这就是蓝宝石的原生矿(primary deposit)。而随着亿万年的地质变化和风化雨淋，这些含有蓝宝石的岩石支离破碎，坚固的蓝宝石，得以重见天日，随着河流的冲刷散步到原生矿下游的广大地区，再经过不知多少年的沉...
15346201395：彩色蓝宝石的形成原因
百迹答：1、形成于地幔的高温高压条件，随岩浆喷出地表，如泰国、澳大利亚、中国山东、美国等国家。2、彩色蓝宝石形成于接触变质作用，如缅甸、克什米尔、中国安徽等地 。
15346201395：蓝宝石是怎样形成的?
百迹答：发现蓝宝石晶体嵌在长石斑晶之中，由此表明蓝宝石是伟晶岩阶段气成热液交代长石的产物。还有超基性云母云英岩蓝宝石矿床，麻粒岩和角闪岩相的变质成因蓝宝石矿床等等。由此可看出，原生蓝宝石的生成是多种成因的。砂矿中的蓝宝石均来自蓝宝石的生成岩或矿床。世界上出产蓝宝石的地方很多，主要有缅甸、...
15346201395：蓝宝石是怎么形成的
百迹答：依据地质成因不同，可分两类：一类是缅甸、斯里兰卡和印度克什米尔产的蓝宝石。另一类是澳大利亚、泰国、中国产的蓝宝石。缅甸等地产的蓝宝石，因含钛致色，故呈鲜艳的蓝色，含绢丝状金红石和指纹状液态包裹体。绢丝状金红石包裹体可产生六射或十二射星光，属优质宝石品种。澳大利亚、泰国、中国产的蓝宝石...
15346201395：颜色及其成因
百迹答：当两个八面体在垂直c轴方向上以棱相连接时,电荷转移吸收带略向长波方向位移,使蓝宝石在非常光方向上呈现蓝绿色。图5-12 蓝色蓝宝石颜色成因 黄色和橙色蓝宝石致色原因有两种主要解释:一是同核原子间的电荷迁移致色,二是色心致色。泰国和澳大利亚黄色和橙色蓝宝石光谱中铁吸收带的存在,证明这些黄色蓝...
15346201395：蓝宝石的颜色是由于什么原因而引起的
百迹答：蓝宝石的颜色主要是由其中所含的铁、钛、铬等元素的存在状态和浓度决定的。
15346201395：红宝石 蓝宝石 金刚石 猫眼石 等玉石都是怎样形成的
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15346201395：宝石颜色的成因
百迹答：一、传统宝石学颜色成因 传统宝石学主要基于宝石的化学成分和外部构造特点,将宝石颜色划分为自色、他色和假色。 1.自色 由作为宝石矿物基本化学组分中的元素而引起的颜色,这些致色元素多为过渡金属离子,如铁铝榴石、绿松石、孔雀石、蓝铜矿等。 2.他色 由宝石矿物中所含杂质元素引起的颜色。他色宝石在十分纯净...
