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石榴石

石榴石
基本资料
类别岛状硅酸盐
化学式通用化学公式X3Y2(SiO4)3
性质
颜色差不多所有颜色
晶体惯态菱形正十二面体正立方体
晶系等轴晶系
解理
断口贝壳状至不规则
摩氏硬度6.0 - 7.5
光泽玻璃至树脂光泽
条痕白色
比重3.1 - 4.3
抛磨光泽玻璃至半金刚光泽
光学性质单折射
折射率1.72 - 1.94
双折射常出现不规则的双折射
多色性只在部分罕见品种
主要品种
红榴石Mg3Al2Si3O12
铁铝榴石Fe3Al2Si3O12
锰铝榴石Mn3Al2Si3O12
钙铁榴石Ca3Fe2Si3O12
钙铝榴石Ca3Al2Si3O12
钙铬榴石Ca3Cr2Si3O12

石榴石(英语:Garnet),是一组在青铜时代已经使用为宝石研磨料英语Abrasive(Abrasive)的硅酸盐矿物。常见的石榴石为红色,但其颜色的种类十分广阔,足以涵盖整个光谱的颜色。英文来自拉丁文"granatus"("grain",即粮食谷物),可能由"Punica granatum"("pomegranate",即石榴)而来,它是一种有红色种子的植物,其形状、大小及颜色都与部分石榴石结晶类似。

石榴石并非单一种矿物,而是一整个矿物群英语Mineral group,该矿物群中的矿物皆有相似的物理性质和结晶形态,但每一种的化学成分都不一样,其中包含了,分别为镁铝榴石英语Pyrope(Pyrope)、铁铝榴石(Almandine)、锰铝榴石(Spessartite)、钙铁榴石(Andradite)、钙锰铝榴石英语Spessartine(Spessartine)、钙铝榴石英语Grossular(Grossular,变种有沙弗来石英语tsavorite(tsavorite)及肉桂石(hessonite))及钙铬榴石英语Uvarovite(Uvarovite)。

石榴石矿物群中有两个固溶体系列:

  1. 红榴石-铁铝榴石-锰铝榴石
  2. 钙铬榴石-钙铝榴石-钙铁榴石

物理性质

光学性质

不同种类的石榴石有很多不同的颜色,包括红、橙、黄、绿、蓝、紫、棕、黑、粉红及透明。其中最罕见的蓝石榴石,于1990年代后期在马达加斯加贝基利(Bekily)首先被发现。此外在美国部分地区、俄罗斯土耳其亦有其踪影。因为高含量的关系(约为1 wt.% V2O3),它的颜色在白热光(incandescent)下会由蓝绿色转为紫色。部分其他种类的石榴石都有转色的性质。在日光下,它们的颜色类别有绿、米黄色、棕、灰及蓝色;但在白热光下,它们会出现淡红、带紫或粉红色。因为它们的转色特性,此种石榴石常被错认为金绿玉(Chrysoberyl)。各种石榴石的光波传输性质由有宝石质素的透明样品至工业用的不透明研磨料都有。矿物的光泽可以分类为玻璃及树脂类。

石榴石分子模型。

晶体结构

石榴石是通用化学式为X3Y2(SiO4)3硅酸盐矿物(Silicate minerals)。X的地方通常被二价英语divalent(divalent)的正离子Ca2+, Mg2+, Fe2+)占据,而Y的地方被三价的正离子(Al3+, Fe3+, Cr3+)占据,配合一个正八面体或由[SiO4]4−提供的四面体框架。石榴石的正十二面体结晶习惯(crystal habit)最常被发现,但亦常见有偏方三八面体(trapezohedron)的晶習(注意此处的"偏方三八面体"在主要的矿物文献会称为立体几何中的鸢形二十四面体(Deltoidal icositetrahedron))。石榴石的结晶属于等轴晶系,也就是晶格有三个同等长度的轴并互相垂直。石榴石并不会出现解理(Cleavage),所以当它们在压力下破裂时会产生明显的不规则小块。

硬度

因为不同种类的石榴石化学成分变化很大,有部分种类的原子化学键比其他的强力。因此这些矿物群展示出的硬度范围会由约6.5至7.5摩氏硬度不等。当中较硬的种类如铁铝榴石常被用作研磨料用途。

石榴石端元种类群

铁铝榴石

片麻岩的铁铝榴石

铁铝榴石,是一种现代称为红宝石(carbuncle,虽然此名称过去泛指所有的红色宝石)的矿物。红宝石英文"carbuncle"源于拉丁文,其意为"活炭"或"燃烧中的炭"。铁铝石榴子石英文"Almandine"是小亚细亚地区阿拉班达(Alabanda)的讹用,而那处在古代正是切割红宝石的地点。铁铝榴石化学式为Fe3Al2(SiO4)3,深红色的透明矿物晶体常被称为珍贵的石榴石而作为宝石,而它亦是最常见的石榴石。铁铝榴石在如云母片岩等变质岩产生,同时亦会附在矿物上如十字石(staurolite)、蓝晶石(kyanite)、红柱石(andalusite)及其他。铁铝榴石的绰号有"东方石榴石"、"铁铝榴石红宝石"、及"红宝石"。

镁铝榴石

镁铝榴石又称红榴石(来自希腊文pyrōpós,其意为"火眼")是颜色以红色占大多数,化学式为Mg3Al2(SiO4)3,镁的位置可以由钙及二价铁取代。镁铝榴石的颜色范围由深红至差不多黑色。透明镁铝榴石会被用作宝石。

来自北卡罗莱纳州梅肯县镁铝榴石的种类是紫红色的,被称为玫瑰榴石(rhodolite),英文源自希腊文,意义为"玫瑰"。为铁铝榴石-镁铝榴石系列(Almandine-Pyrope series)之矿物。

镁铝榴石有很多商标例如来自捷克的"波希米亚石榴石"(Bohemian garnet),有部分商标为误称(misnomer)如"好望角红宝石"(Cape ruby)、"亚利桑那红宝石"(Arizona ruby)、"加利福尼亚红宝石"(California ruby)、"洛矶山红宝石"(Rocky Mountain ruby)。其他有趣的发现有来自马达加斯加转为蓝色的石榴石,是镁铝榴石及锰铝榴石的固溶体。其蓝色不是如蓝宝石在减弱日光下的蓝,而是间中可以在尖晶石见到的怀旧灰蓝色及绿蓝色。但在白色发光二极管的光下它的颜色转变为最佳的矢车菊蓝蓝宝石,或是D区的丹泉石(tanzanite),其原因是蓝色石榴石有吸收发射光的黄色成分的性质。

镁铝榴石是高压岩石的指标性矿物。一些在地幔中产生的岩石如橄榄岩榴辉岩(eclogite),它们含有的石榴石通常会含有一些镁铝榴石种类。

锰铝榴石

锰铝榴石(黄色矿物)

锰铝榴石,化学式为Mn3Al2(SiO4)3。其英文"Spessartine"来自巴伐利亚斯佩萨(Spessart)。它们通常在花岗岩伟晶岩及其关联性岩石,或是部分低品质的变质千枚岩中产生。有漂亮橙黄色的锰铝榴石可以在马达加斯加发现,即马达加斯加石榴石(Mandarin garnet)。紫红色的锰铝榴石可以在科罗拉多州缅因州流纹岩发现。

钙榴石 - 钙位于X的位置

  • 钙铁榴石:Ca3Fe2(SiO4)3
  • 钙铝榴石:Ca3Al2(SiO4)3
  • 钙铬榴石:Ca3Cr2(SiO4)3

钙铁榴石

钙铁榴石,化学式为Ca3Fe2(SiO4)3,依据不同化学成分可以是红、黄、棕、绿或黑色。已确认的种类有黄或绿色的黄榴石(topazolite),绿色的翠榴石(demantoid)及黑色的黑榴石(melanite)。钙铁榴石可以在深处的火成岩例如正长岩蛇纹石(serpentines)、片岩及结晶石灰岩中发现。翠榴石曾因为其产地而被称为"乌拉祖母绿",亦是其中一种最有价值的石榴石。黄榴石是钙铁榴石金黄色的变种而黑榴石则是其黑色的变种。

钙铝榴石在美国国立自然历史博物馆(National Museum of Natural History)展出。

钙铝榴石

钙铝榴石化学式为Ca3Al2(SiO4)3,虽然钙位置可以被二价铁取代而铝的位置则可以由三价铁取代。钙铝榴石英文名称"Grossular"来自醋栗(gooseberry)的植物学名"grossularia",其原因在于在西伯利亚发现由以上成分组成的绿色石榴石。其他颜色有肉桂棕(肉桂石变种)、红及黄色。因为它与有相似黄色的锆石有比较差的硬度,它的另一英文名称为"hessonite",来自希腊文,意思为低等的。钙铝榴石可以在已经变质的石灰岩与符山石(vesuvianite)、透辉石(diopside)、硅灰石(wollastonite)及方柱石(wernerite)的接触面发现。其中一种最引起关注的变种是产自肯亚坦桑尼亚的纯净绿色钙铝榴石称为沙弗来石。此石榴石在1960年代肯亚沙弗(Tsavo)地区发现,而同时亦以此地命名。

钙铬榴石

钙铬榴石化学式为Ca3Cr2(SiO4)3。它是一种罕见的鲜亮绿色石榴石,通常以细小结晶状与橄榄岩蛇纹岩庆伯利岩中的铬铁矿一起发现。它在俄罗斯乌拉山脉芬兰奥托昆普(Outokumpu)的大理岩结晶及片岩发现。

镁铬榴石

镁铬榴石化学式为Mg3Cr2(SiO4)3。纯正端元(endmember)的镁铬榴石永不会在自然界出现。镁铬榴石只会在高压下产生,并常在庆伯利岩中发现。它被用作测试钻石是否存在的一个指标矿物。

合成石榴石的应用例子

  • 钇铁榴石(yttrium iron garnet,YIG),化学式为Y3Fe2(FeO4)3,五个三价铁离子占据两个正八面体及三个四面体的位置,而三价离子被八个氧离子排列成一个不规则立方体。两个铁离子的位置显出不同的自旋,产生磁性。钇是一个有550 K居里温度亚铁磁性(Ferrimagnetism)物质。如果把稀土金属取代个别位置,特别的性质例如磁性将会产生。钇铁石榴石因为其磁性及磁光性质而应用在微波及光学通讯仪器上。
  • 钆镓榴石(gadolinium gallium garnet),化学式为Gd3Ga2(GaO4)3,合成后可以用作磁泡记忆(Magnetic bubble memory)。
  • 钇铝榴石(Yttrium aluminium garnet, YAG),化学式为Y3Al2(AlO4)3,被化学合成后作宝石用途。当涂上(Nd3+)后,钇铝石榴石会被用为Nd:YAG激光器(Nd-YAG laser)的激活激光媒质(Active laser medium)。

历史

石榴石在铜器时代已经成为十分普遍的宝石,当时古埃及人亦会以石榴石美化他们的服饰。前4世纪古希腊已经有以石榴石装饰的手镯。在1842年法国奥布省Pouan发现的宝藏(Treasure of Pouan)中,发现石榴石与一个5世纪日尔曼人战士的骸骨一同埋葬。在英国莱斯特郡发现了一个5世纪的黄金石榴石吊饰。在一个6世纪的法兰克人墓穴中,发现了一个以石榴石装饰的夹发针(Hairpin)。在16世纪,石榴石被认为可以保护心脏免受毒素及瘟疫影响。在文艺复兴维多利亚时代波希米亚出产的红榴石为当时石榴石主要来源,而在19世纪后期,以石榴石装饰的手镯及胸针(brooches)特别普遍。

传说

石榴石在《圣经》故事的传说中担当了一角,有说法称挪亚方舟正是用石榴石照明。另外,有说法认为石榴石是古以色列人第一位大祭司(High priest)亚伦所佩带的彩色胸兜(Hoshen)的十二颗宝石之一,代表犹大支派(Tribe of Judah)。希腊神话中,哈底斯在交还珀耳塞福涅时给她吃下石榴籽,令她必须在一定时间内回到冥界。因此石榴石代表了忠诚、真实及坚贞。另外亦有石榴石在《古兰经》中照亮了第四个天堂的说法。

石榴石在地质学上的重要性

岩石温度的变化历史

石榴石群是利用岩石圈热动力学(geothermobarometry)去理解很多火成岩及变质岩起源的一个关键矿物。石榴石中的元素扩散速度与其他矿物相较之下较为缓慢,而且石榴石亦相对能够抵抗交代作用(metasomatism)。所以个别能够保存其内部复合带的石榴石会被用来理解其身处岩石的温度变化历史。而一些没有复合带的石榴石则会被理解为因为扩散而导致单一化,而因为以上影响而单一化的情况亦可以用来推测身处岩石温度的变化历史。

变质岩形成时的压力强度

由钙铬榴石制作的垂饰,一个罕见的鲜绿色石榴石。

石榴石在分析岩石的变质情况亦有其功用。例如榴辉岩可以被定义为有玄武岩成分的岩石,但主要由石榴石及绿辉石(omphacite)构成。含有红榴石成分较多的石榴石只可以在相对高压的变质岩产生,例如在地壳的底层及地幔中的岩石。橄榄岩可能含有斜长石(Plagioclase),或是含丰富铝的尖晶石,或是含丰富红榴石的石榴石,三种矿物都同时存在的话确认了一个令橄榄石(Peridot)及辉石矿物平衡的压力温度带。以上三种矿物是以它们在橄榄岩矿物集合物中,在压力增加的情况下,以其稳定性来排列。所以石榴橄榄岩只可能在地壳深处产生。石榴橄榄岩的捕虏岩(Xenolith)由庆伯利岩从100km或更深处被带上来,而由捕虏岩碎片中包含的石榴石则会用作钻石勘探(prospecting)中庆伯利岩的指标矿物。在300至400km及更深处,辉石成分因为(Mg,Fe)及Si取代了在石榴石的正八面体(Y)位置的2Al而溶入石榴石中,制造出一个硅含量不寻常地高的石榴石,并有作为镁铁榴石的固溶体性质。此高硅含量的石榴石被确认包含在钻石中。

石榴石的用途

  • 与高压水混合后,石榴石在水刀切割(Water jet cutter)中被用作切割及其他物料。
  • 在美国它是一月的诞生石(birthstone)。
  • 它是结婚纪念日两周年的宝石。
  • 它是康涅狄格州的州矿物(state mineral)。
  • 它亦是代表纽约的宝石。

参看

注释

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参考资料

  • Hurlbut, Cornelius S.; Klein, Cornelis, 1985, Manual of Mineralogy, 20th ed., Wiley, ISBN 0-471-80580-7
  • Color Encyclopedia of Gemstones ISBN 0-442-20333-0

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