绿色之星橄榄石

张 超

2018年美国夏威夷基拉韦厄火山喷发，伴随着火山喷发出来的还有一种绿色的宝石——火山喷发结束后，在街道和海滩边都出现了大量的橄榄石，人们惊呼火山下起了绿色“宝石雨”。同样在夏威夷的帕帕柯勒海滩，整个海滩因为覆盖大量的绿色橄榄石，而被誉为“绿宝石”沙滩。这些绿色的宝石都是从哪里来的呢？让我们一起来了解一下绿色宝石——橄榄石。

橄榄石是八月的诞生石，有着悠久的历史。3500年前，在著名的埃及扎巴贾德岛（现名圣·约翰岛），首次发现了这种绿色的宝石并一直开采至今。古希腊人称它为“太阳宝石”，认为其具有太阳一样的神奇力量，可以驱除黑暗和邪恶，能够给人类带来光明和希望。

橄榄石因颜色与橄榄十分相似而得名。它属于一类数量庞大的矿物家族——硅酸盐。而橄榄石本身也是一类矿物的合称，橄榄石类矿物包括锰橄榄石、镁橄榄石、铁橄榄石、镍橄榄石，等等，这些都是理想的含有单一金属离子的纯粹端员，但是大部分矿物都含有两种或两种以上的金属元素，比如钙铁橄榄石、钙锰橄榄石、铁锰橄榄石、镁铁橄榄石，等等。

其中的镁铁橄榄石是最常见的一类橄榄石。镁铁橄榄石（(Mg,Fe)2[SiO4]）是镁橄榄石（Mg2SiO4）、铁橄榄石（Fe2SiO4）的中间过渡品种。其中的金属元素镁和铁，含量可以相互替换，从镁0%、铁100%到镁100%、铁0%。这种现象称为类质同像，这种部分元素可以完全相互替换的现象也称为固溶体系列，就好比一种固态“溶液”可以溶解其他的固态“溶质”一样，只不过这里液体换成了固体。

橄榄（上图）与橄榄石（下图）

橄榄石理想聚形晶形（据《珠宝玉石学》）

这两种端员的橄榄石由于组分的不同，有很多不同的物理性质。镁橄榄石的熔点有近1900°C，铁橄榄石的熔点约1200°C，前者比后者要高出700°C左右。镁橄榄石的密度要低于铁橄榄石。颜色上来说铁橄榄石为深棕色，镁橄榄石为无色。

作为二者的中间过渡型，镁铁橄榄石的物理性质随两个端员之间铁镁含量的变化而逐渐过渡。当然除了镁和铁之外，橄榄石中还会含有一些微量金属元素如锰、镍、钴、铬、钛等，这些也会对橄榄石的性质有一定的影响。

一般能形成宝石的橄榄石大多为含铁较少的镁系橄榄石，包括镁橄榄石和贵橄榄石（Fe2SiO4含量10%-30%之间）。这主要是因为橄榄石中铁含量在12%-15%时，表现出的颜色会是漂亮的橄榄绿色，而如果铁含量较高颜色会变深，接近深棕色。

不同于很多其他宝石杂质离子的颜色成因（它色），橄榄石的颜色是因为其自身结构中的铁元素致色，属于自色矿物，所以形成的颜色十分稳定。如果含有二价铁离子较多呈现绿色，三价铁离子占主要时则可能为黄色。橄榄石中如果含有微量铬元素并不会引起色调的变化，但会使呈现的绿色调更加明亮。

这里“科普”一下——自色是矿物本身固有的颜色；它色是矿物成分之外的混入元素造成的颜色；假色是由于某种物理光学效应所呈现的颜色。

橄榄石除了普通常见的黄绿色，还会有特殊的品种，如猫眼橄榄石和星光橄榄石，但它们都非常罕见。猫眼石是指橄榄石切割成蛋面时，在光照下会表现出一条明亮光带的宝石品种。星光橄榄石是指在橄榄石弧面宝石中，内部包体对光反射，使得宝石产生十字或四射星光效果。

再来看看橄榄石的内部结构，橄榄石属于岛状硅酸盐结构。岛状硅酸盐是根据硅氧四面体的连接方式命名的，每个硅氧四面体都通过金属阳离子连接起来，就好比一座座小岛被航线连接一样。

具体到橄榄石来说，其特点为孤立的硅氧四面体中氧离子成近似六方最紧密堆积，硅离子填充部分空隙，剩下的空隙由二价的镁离子和铁离子填充。内部结构决定了它的物理性质。橄榄石为斜方晶系，晶体形态有斜方柱、斜方双锥等，但一般完好的晶体形态很少见，大多数表现为颗粒状。橄榄石存在一组中等解理和一组不完全解理，脆性比较大，莫氏硬度6.5-7，略小于石英（7），随铁含量的增加而变高。

橄榄石是主要造岩矿物之一，主要存在于橄榄岩中。橄榄岩是地球上地幔的主要组成成分，是一种主要由橄榄石和辉石组成的岩石。地幔的橄榄岩通过与地壳的物质交换来到地表，主要途径为岩浆喷出作用和侵入作用。

宝石级橄榄石大多是岩浆作用形成的，其内部存在很多包裹体。这些包裹体有矿物类包裹体、气体包裹体、液体包裹体，等等。矿物包裹体有铬铁矿、铬尖晶石、黑云母、铬透辉石、石墨，等等。典型的包裹体形态有气泡状、圆形、扁圆形、荷叶形、睡莲叶状、海百合状包裹体。其中睡莲叶包裹体是橄榄石最常见的包裹体类型。它的形成过程是这样的：橄榄石形成过程中有矿物包裹体颗粒存在，在宝石形成之后，由于后期环境温度发生变化时，包裹体和橄榄石二者的热膨胀系数不同，包裹体膨胀速度快时会将周围的宝石撑裂，从而形成类似荷叶的形态。

看到这里，你可能已经知道了夏威夷的橄榄石是从哪里来的。开篇提到的宝石雨来自火山喷发，沙滩上的橄榄石可能为溢流岩浆带到地表的，它们都来自地球深部。那么橄榄石在什么条件下才会喷出地表呢？它主要分布在哪些地方呢？

第一类，玄武岩中的橄榄岩包体。当玄武岩从上地幔喷出或侵入到地表时，会携带大量幔源的橄榄岩包体，其中就有许多大粒橄榄石晶体。有人认为这些橄榄石是岩浆在地球深部冷却结晶后带到近地表的，也有人认为这些宝石是在岩浆到达近地表之后，随着流体和气体的挥发而迅速结晶的结果。

第二类，岩浆热液变质作用。岩浆热液是在岩浆结晶过程中，从岩浆中释放出来的热水溶液。它最初是岩浆体系的重要组成部分。岩浆热液中除了水还有大量的挥发组分，它们能够与金属形成络合物并很容易将其迁移并在某些地方富集，是重要的成矿类型。这些热液与含有镁铁的围岩接触，经过复杂的化学反应，就会形成橄榄石脉体，可以形成很大的规模。著名的扎巴贾德岛橄榄石就属于热液成因类型，其整个岛屿几乎都是由橄榄岩组成的。

玄武岩中的橄榄岩包体

具体来说，世界上橄榄石的主要产地有红海的扎巴贾德岛、缅甸的抹谷地区、美国、巴西，等等。我国河北张家口、吉林大石河、山西天镇等地也发现过橄榄石。其中除埃及扎巴贾德岛为热液成因外，其余大多为玄武岩包体类型。目前世界上发现的最大的宝石级橄榄石产于红海的扎巴贾德岛。我国河北省张家口市大麻坪汉诺坝玄武岩中，曾发现一颗重约230克拉的橄榄石，是我国橄榄石之最，被称为“华北之星”。

橄榄陨铁切片（左图山西地质博物馆藏、右图朱豪藏品）

其实橄榄石不仅在地球上有分布，还可以来自外太空的其他天体。橄榄石是目前唯一一种来自地球以外的珍贵宝石。在陨落地球的天外来客中，有一部分属于石铁陨石，其中的橄榄陨铁类型有大量绿色橄榄石。当切开橄榄陨铁时，可以看到与金属矿物界限清晰的宝石级橄榄石。橄榄陨铁是非常珍贵的陨石，极具科学研究意义。

如果橄榄石具有清澈透明的颜色和光泽，而且内含物较少，大多被用作珠宝首饰，比如胸针、戒指、耳坠等，属于珠宝市场的中档宝石。人们认为这种宝石代表了和平和幸福，有美好的寓意。

在科研方面，由于其主要来源于地球深部，所以橄榄石和其内部包体的研究对于探究岩浆起源和形成过程、地幔组成和演化等问题可以提供重要的信息。

除了以上两个方面，橄榄石在铸造业、炼钢业、耐火材料等方面也有广泛的用途。

镁橄榄石的耐火性可以用来制作耐火材料，在橄榄石耐火砖的制作过程中，原料可以不预先煅烧，能够有效简化生产流程，降低生产成本。

在铸造钢材中，使用的新型橄榄石的碱性材料，具有较高的热导率、热容量、耐火度和缓慢的热膨胀性能，被广泛用于钢材冶炼特别是高锰钢件及精密合金铸件等材料。

橄榄石可以溶于硫酸，在化工产业中可以制备很多工业化合物，比如制取硫酸镁、冶炼金属镁、生产钙镁磷肥，等等。