红山古玉孔洞内首次发现球粒状铁质矿物.pdf
书书书 2 0 0 7年 1 2月 2 8卷 6期 6 1 5 6 1 9 地 球 学 报 A C T AG E O S C I E N T I C AS I N I C A D e c . 2 0 0 7 2 8 ( 6 ) 6 1 5 6 1 9 本文由中国地质大调查项目“ 地学专项挂图编制” ( 编号 1 2 1 2 0 1 0 6 3 4 0 0 1 ) 资助。 责任编辑 刘志强; 收稿日期 2 0 0 7 0 2 1 2 ; 改回日期 2 0 0 7 1 0 1 6 。 第一作者简介尹继才, 男, 1 9 5 1年生, 研究员, 矿物学岩石学古玉学专业;通讯地址 1 0 0 0 3 4 ,北京市西城区西四羊肉胡同 1 5号; 电话 0 1 0 6 6 5 5 7 4 6 0 ;E m a i l y j c 1 9 5 1 @1 2 6 . c o m 。 红山古玉孔洞内首次发现球粒状铁质矿物 尹继才1 ) 刘卫东2 ) 1 ) 中国地质博物馆,北京 1 0 0 0 3 4 ; 2 )北京石刻艺术博物馆,北京 1 0 0 0 8 1 摘 要 本文通过对红山古玉孔洞内球粒状磁铁矿、 针铁矿、 赤铁矿和金属铁等铁质成分的研究, 并与宇宙尘和古 生代海洋沉积形成的鲕状赤铁矿进行对比, 论证了磁铁矿等铁质矿物球粒的成因。运用这一研究成果, 可作为识 别红山古玉的一种有效的手段。 关键词 红山古玉,球粒状铁质矿物,成因对比 AMi n e r a l o g i c a l S t u d yo f S p h e r u l i t i cF e mi n e r a l s f r o mC a v i t i e s o f H o n g s h a nA r c h a i cJ a d e Y I NJ i c a i 1 牘 L I UWe i d o n g 2 牘 1 牘G e o l o g i c a l M u s e u mo f C h i n a 牞B e i j i n g1 0 0 0 3 4 牷 2 牘S t o n e C a r v i n gM u s e u mo f B e i j i n g 牞B e i j i n g1 0 0 0 8 1 A b s t r a c t B a s e do nas t u d yo f s p h e r u l i t i cm a g n e t i t e 牞g o e t h i t e 牞h e m a t i t e 牞i r o na n do t h e r f e r r o u s c o m p o n e n t s f r o mv u g s o f H o n g s h a nA r c h a i cJ a d ew i t ha c o m p a r i s o nw i t hk i d n e y o r e f o r m e db y P a l e o z o i c m a r i n e d e p o s i t 牞t h i s p a p e r r e v e a l e dt h e g e n e s i s o f m a g n e t i t ea n do t h e r F e m i n e r a l s p h e r o l i t e .T h er e s e a r c hf i n d i n g sm a ys e r v ea sa ne f f i c i e n t m e t h o df o r i d e n t i f y i n g H o n g s h a nA r c h a i cJ a d e . K e yw o r d s H o n g s h a na r c h a i cj a d e 牞s p h e r u l i t i cF e m i n e r a l s 牞g e n e t i cc o m p a r i s o n 自 1 9 0 8年辽宁省大辽河流域发现古玉以来, 一 直倍受人们关注。2 0世纪 5 0年代, 裴文中、 尹达和 梁思永等著名地质学家和考古专家对红山出土的文 物进行了深入细致地研究, 并将其命名为“ 红山文 化” 。中国考古协会理事长苏秉琦发表了权威性论 文和文章, 尤其是玉猪龙的发现, 震惊了全球考古 界。为了鉴别真假红山古玉, 玉器鉴定者必须采用 先进技术和仪器去破解真伪红山古玉之谜。本文以 点带面, 对红山古玉真品的深入地研究和论述, 以达 到普及识别真假红山古玉之目的。 1 玉件的来源与描述 2 0 0 3年 1 1月中旬, 红山古玉收藏家从辽宁省 西部与内蒙古自治区交界地区收集到两件红山文化 时期的古玉。玉器材质为岫岩玉, 表面打磨光滑, 总 体色泽为深绿色, 有明显的酱红色和土黄色铁沁, 局 部或边缘有鸡骨白色的钙沁。 Ⅰ号玉器长 2 2 5c m , 宽 5 0c m , 厚 6 0c m , 顶 部钻有一小圆孔, 直径为 0 7c m , 中上部有一个大 圆孔, 直径为1 5c m 。两孔相距5 . 0c m且均位于玉 件中线上, 顶缘有 0 5~ 0 6c m凸边, 2条刻痕和 3 条浅凹槽, 小圆孔正对应中间凹槽。另外 2个凹槽 对称, 其下两侧各分布 3条均等对称的向上斜倾的 刻痕, 深度由边部向内逐渐变浅, 长度为 2 . 0c m , 再 向下延为两侧对称的燕尾式缺口造型。玉件中下部 为扁平状, 两侧边缘和底部边缘较为平滑, 无棱角。 距底部边缘 6 . 0~ 7 . 0c m处有 1条斜向的自然通裂 纹。故此, 笔者将Ⅰ号玉器暂定为两孔长剑形玉器 ( 图版Ⅰ 1 ) 。 Ⅱ号玉器总体长 2 0 5c m , 宽5 5c m , 厚1~ 0 2 CAGS 表 1 红山古玉孔洞内球粒状矿物的化学成分分析( w B/ %) T a b l e 1 E l e c t r o nmi c r o p r o b ea n a l y s e s ( w B/ %)o f s p h e r u l i t i cF e mi n e r a l s f r o mt h ec a v i t i e s o f H o n g s h a nA r c h a i cJ a d e D b 2 0 1D b 2 0 2D b 2 0 3D b 2 0 4D b 2 0 2 1D b 2 0 2 2D b 2 0 2 3D b 2 0 2 4 S i O 2 4 . 0 30 . 4 90 . 1 90 . 2 96 . 6 10 . 1 30 . 2 65 2 . 8 8 T i O20 . 2 60 . 0 00 . 0 00 . 0 80 . 1 80 . 0 00 . 0 40 . 2 2 A l 2O3 2 . 4 90 . 4 80 . 0 70 . 0 30 . 1 20 . 1 00 . 0 93 . 1 0 F e O6 0 . 9 19 0 . 6 91 3 5 . 8 78 4 . 5 01 3 2 . 3 69 0 . 2 26 7 . 9 18 7 . 4 0 M n O0 . 0 80 . 2 61 . 2 20 . 3 60 . 3 50 . 3 00 . 2 90 . 3 1 M g O0 . 0 60 . 0 20 . 0 00 . 0 00 . 0 90 . 0 30 . 1 20 . 0 0 C a O0 . 0 40 . 0 80 . 0 00 . 1 90 . 0 60 . 0 00 . 3 20 . 0 1 C o O0 . 0 10 . 0 90 . 0 00 . 0 70 . 0 00 . 0 80 . 0 00 . 0 0 N a 2O 0 . 1 00 . 0 00 . 0 00 . 0 00 . 0 40 . 0 00 . 0 00 . 2 8 K2O0 . 0 40 . 0 00 . 0 40 . 0 70 . 0 00 . 0 00 . 0 70 . 0 0 总计6 8 . 5 79 2 . 1 11 3 8 . 0 78 7 . 1 11 3 9 . 9 19 0 . 8 66 9 . 5 01 4 4 . 2 0 名称平均磁铁矿金属铁赤铁矿金属铁磁铁矿针铁矿其他 注① 探针分析, F e O表示全铁;②中国地质科学院矿床所电子探针室周剑雄研究员测试。 c m , 上端厚, 下端薄, 总体扁平。造型与前者几乎一 致。但不同之处为顶缘边部有两个对称的小圆孔, 其直径为 0 6~ 0 7c m , 两孔相距 3 . 0c m 。两圆孔 下方正中两个大圆孔直径均为 1 5c m , 大圆孔与大 圆孔间距为 2 5c m 。下方大圆孔位于燕尾缺口之 下, 距底缘 1 2 5c m 。器形总体以中线为轴, 两侧孔 洞和刻痕均为对称。且正反两面相同, 尺寸准确, 加 工精细。该器件应为部落和族人供奉的器物, 作为 统一部族的象征。故此, 笔者将Ⅱ号玉器暂定为四 孔短剑形玉器( 图版Ⅰ 2 ) 。 2 铁质矿物球粒的发现与描述 2 0 0 6年 9月, 笔者在鉴定两件红山时期的古玉 器件时, 偶然发现玉器的孔洞内含有微小的圆球状 颗粒。在高倍显微镜下观察, 又发现洞壁挂有网状 的丝线, 每一个球粒吸附在网上, 层层叠叠, 布满了 洞壁四周。球粒直径大小约 2 5 0μ m , 形状各异, 以 圆球为主, 夹有少量的棱角状石英颗粒。孔洞内的 丝线可能为微生物所吐出的带有粘性的物质, 并构 成网络, 这种网络又吸附了球状颗粒。假如没有粘 性网络就不能粘住球粒, 即使球粒进入孔洞也不可 能存留下来。遗留在孔洞内球粒的数量与孔洞大小 有关, 大者存留几百粒甚至近千粒, 小者也有 2 0 0~ 5 0 0粒, 没有固定的数量限制。 球粒铁质矿物表面反射有强烈的金属光泽( 图 版Ⅰ 3 ) , 其色泽紫红、 黄紫色, 颜色鲜艳。球粒内为 粉末状黑灰, 而球粒壁较薄( 图版Ⅰ 4 ) 。从外观上 看, 有些球粒呈不规则的形态, 见有由内向外放射状 裂隙( 图版Ⅰ 5 ) , 这是由于形成时, 内部饱满受到水 分浸入, 灰分膨胀所致, 有些球粒呈现空心所致。 笔者将孔洞内球粒矿物颗粒进行电子探针分析 测试, 其成分以磁铁矿和针铁矿为主, 含少量赤铁 矿、 极少金属铁及其他矿物, 如表 1所示。 3 球粒状铁质矿物与宇宙尘对比 3 . 1 现代宇宙尘成分与特征 宇宙尘是地球外来物质, 当它伴随陨石以高速 度穿过大气层, 其表面物质受到高温而汽化, 消融为 尘埃落地。粒径为 2 0~ 8 0μ m , 全晶质结构表面呈 网格状、 龟裂状、 镶嵌状、 熔融状、 花瓣状等不规则的 凹陷结构。1 9 8 8年, 我国科技工作者对沙漠及周边 地区的现代降落宇宙尘颗粒进行电子探针和显微观 察, 发现有较多的铁质、 硅酸盐质的球形颗粒, 还有 少量玻璃质球形颗粒( 戴枫年, 1 9 9 4 ) 。因而现代宇 宙尘分为三大类 ①宇宙尘, 其主体成分为金属铁, 其中金属主要来源于铁陨石, 含 N i 02 7 % ~ 0 4 5 % ( 彭汉昌, 1 9 8 1 ) ; ②硅酸盐质宇宙尘, 含 S i O 2约 3 3 % ~ 3 6 %, 含 F e O约 3 9 % ~ 4 1 %, 含铁较富的硅 酸盐, 其中金属来源于陨石中的硅酸盐相; ③玻璃质 宇宙尘, S i O 2含量大于 6 6 %, A l2O3含量大于 1 5 %, 玻璃陨石及微玻璃的成分相近似, 来源于陨石中的 硅酸盐相。消融型铁质宇宙尘无论是亚微米还是纳 米尺度均可见电讯号较弱的玻璃相分布区, 这就意 味着铁质宇宙尘的形成经历了快速冷凝, 乃至淬火 的过程( 周瑶琪等, 1 9 9 6 ) 。 3 . 2 马兰黄土中的宇宙尘物理化学特征 据赵济湘等( 1 9 9 5 ) 的研究, 马兰黄土内选择≥ 5μ m的球粒 2 0 8颗, 发现有 3种类型 ①强磁性铁 616地 球 学 报2 0 0 7年 CAGS 质球粒; ②弱磁或无磁性不透明的球粒; ③具生物结 构的微生物。经测试前两类属地外物质, 为宇宙尘, 赋存于黄土层中的弱土壤化亚层内。铁质宇宙尘呈 黑色、 褐黑色, 圆球形至椭球形, 个别连球形、 质脆、 具强磁性。表面为多边形晶质镶嵌结构, 网纹状交 织结构及微细文象结构, 个别的表面光滑, 有圆涡形 气印。以 F e O占优势, 未发现 N i , 为 F e 全金属核心 微球粒( 刘东升等, 1 9 8 5 ) 。这可能是由于陨石穿过 大气层时, 被烧蚀使金属元素分异出来的。 硅酸盐宇宙尘呈褐黑色, 圆球形, 光亮度较差, 性脆, 表面呈不规则晶质镶嵌结构, 富铁矿物呈微细 骸晶, 铁质矿物构成了 F e 相贫 S i , 其间矿物富 S i , 这 种共生的不同相所造成的特有结构被作为判别烧蚀 地外物质来源的标志。 马兰黄土层中的宇宙尘化学成份 N a 、 K 、 C r 、 T i 和 M n等元素含量都比较少, 用其可区分出地壳物 质和人工焊渣的球粒( 欧阳自远, 1 9 8 8 ) 。出现球粒 集中的层位时代大致在 0 0 3~ 0 0 5M a 之间。 4 球粒状磁铁矿与海相沉积型鲕状赤 铁矿对比 笔者对红山古玉中发现的球粒状铁矿的成因与 海相沉积型的鲕状赤铁矿的成因进行对比, 以揭示 和证实相同类型而不同成因球粒的形成。以河北省 宣化市庞家堡宣龙式铁矿为例, 该铁矿产于中元古 界长城系串岭沟组地层中, 属滨海浅海相沉积 ( 钱大都等, 1 9 9 6 ) 。矿石砖红色或紫红色, 为鲕状 赤铁石。鲕粒直径一般为 0 6m m , 核心为方解石、 石英、 胶磷矿和石英、 方解石组成的聚合体( 宋淑 和, 1 9 9 4 ) , 外圈呈同心圆状, 横截面为层层铁质包 裹, 层纹清晰可辨( 图版Ⅰ 6 ) , 偶见有砂质包裹体出 现( 图版Ⅰ 7 ) , 鲕粒核心矿物颗粒, 磨光度较好, 甚 至为次棱角状, 这是由于在成矿时海浪带着石英和 方解石砂粒在浅海滨海相中滚动磨蚀而成, 后来 被胶体所包裹。海水大量蒸发和氧化, 形成了圆形 鲕粒。但确系实心鲕粒, 它与红山古玉中的鲕粒核 心大不相同。 通过对红山古玉孔洞内的球粒表面结构和形态 以及内部充填式包裹物质进行了系统的研究, 排除 了宇宙尘的降落聚集的填充, 也排除了海洋形成的 因素。它究竟是如何形成这大小不等的圆形球体 呢本文只能作初步的探讨。 作者认为, 红山古玉真品为随葬品, 当时古人死 后还没有木棺, 火炼等方式。只是将死者生前最喜 爱或代表部族的器物, 放在尸体身上或身边入土, 以 代表对亡者的敬慰。那么尸体被病菌或细菌这种微 生物所分解, 仅剩余骨骼遗存。这些菌类微生物进 入玉件的孔洞和沟槽继续生存与繁衍。由少聚多便 形成了细菌团。细菌和微生物具有带电荷的功能。 如果微生物带负电荷。那么将必然吸附周围的正电 荷。如果一个电子壳层中具有相反自旋的电子数目 相同, 则不会有净磁矩。在这种情况下, 每个轨道都 有完全互补的两个电子, 彼此相反地做转道运动和 自旋运动。仅在有未满壳层的原子或离子中才可能 产生净磁矩。在矿物中, 离子的最外层价电子不能 看作是非共享的, 因为它们参与化学成键( T i b o r Z o l t a i e t a l . , 1 9 8 4 ) 。微生物团负电荷吸引周围土壤 中带有正电荷的铁原子, 使得铁原子围绕微生物有 序的排列呈现出球体。微生物团大就形成了大的球 粒体, 微生物团小就形成了小的球粒体。随着时间 的推移, 吸附的铁原子越聚越多, 形成的球粒也就越 大, 当微生物或菌类具有活性生命体被无机的铁元 素所包裹而封闭隔氧死亡, 其尸体最后变成了灰黑 的粉末物质。当水分沿铁原子与铁原子间缝隙进入 到核部而膨胀, 使得外层的铁壳崩裂,故此出现了 从内向外的放射状裂纹( 图版Ⅰ 8 ) 。如果封闭较 严, 铁质层不会出现裂纹, 其核心为炭灰或空心的球 粒。 5 讨论和结论 ( 1 ) 本文描述的两件玉器均属红山文化时期的 雕刻品。从钙沁和鸡骨白的色泽及玉件上固结钙 华, 刻蚀线条特征等为出土距今 8 0 0 0多年的古玉。 由此可以证实我国红山文化时期就已经应用了对称 理论和对称测量数据, 这种理论与数据相结合的运 用也许是世界各国最早的发明与创造。 ( 2 ) 古玉件内含有磁铁矿球粒, 是否在其周围 土壤也有球粒状铁矿颗粒, 有待于实地详细考察与 样品的收集和进一步研究。 ( 3 ) 玉件孔洞内的磁铁矿表面显示出新鲜和强 烈的金属光泽的成因有待于进一步研究。 致谢 杨淑琴女士提供了红山古玉研究标本, 李建军工程师和张志军博士摄影, 吕林素主任给予 大力支持, 谨致谢忱 参考文献 戴枫年. 1 9 9 4 .沙漠宇宙尘的初步研究.科学通报, 3 9 ( 1 7 ) 1 5 9 3~ 716第 6期 尹继才等 红山古玉孔洞内首次发现球粒状铁质矿物 CAGS 1 5 9 4 . 刘东升, 等. 1 9 8 5 .黄土与环境.北京科学出版社, 1 0 9~ 1 1 2 . 欧阳自远. 1 9 8 8 .天体化学.北京科学出版社, 2 7 3~ 2 8 9 . 彭汉昌. 1 9 8 1 .深海宇宙尘的初步研究.科学通报,2 6 ( 1 1 ) 6 8 2~ 6 8 5 . 钱大都, 等. 1 9 9 6 .中国矿床发现史( 河北卷) .北京地质出版社, 5 9 . 宋淑和. 1 9 9 4 .中国矿床( 中册) .北京地质出版社, 4 3 4 . 赵济湘,肖永林,祝一志. 1 9 9 5 .西安附近马兰黄土中的宇宙尘.科 学通报, 4 0 ( 1 ) 5 8~ 6 0 . 周瑶琪,柴之芳,徐英庭,王大文,白春礼. 1 9 9 6 .用扫描隧道显微 镜研究铁陨石和铁质宇宙尘球粒的亚微米和纳米结构.岩矿测 试, 1 5 ( 1 ) 1~ 1 2 . R e f e r e n c e s D a i F e n g n i a n . 1 9 9 4 .P r e l i m i n a r y r e s e a r c ho nc o s m i c d u s t i nd e s e r t .C h i n e s eS c i e n c eB u l l e t i n , 3 9 ( 1 7 ) 1 5 9 3~ 1 5 9 4( i nC h i n e s e w i t hE n g l i s ha b s t r a c t ) . L i uD o n g s h e n g ,e t a l .1 9 8 5 .L o e s sa n de n v i r o n m e n t .B e i j i n g S c i e n c e P r e s s , 1 0 9~ 1 1 2( i nC h i n e s e ) . O u y a nZ h i y u a n . 1 9 8 8 .C o s m o c h e m i s t r y .B e i j i n g S c i e n c eP r e s s ,2 7 3~ 2 8 9( i nC h i n e s e ) . P e n g H a n c h a n g . 1 9 8 1 .P r e l i m i n a r y r e s e a r c ho nc o s m i c d u s t i nt h e d e e p s e a .C h i n e s e S c i e n c e B u l l e t i n , 2 6 ( 1 1 ) 6 8 2~ 6 8 5( i n C h i n e s e w i t h E n g l i s ha b s t r a c t ) . Q i a nD a d u , e t a l . 1 9 9 6 . T h e d i s c o v e r y h i s t o r y o f m i n e r a l d e p o s i t s o f C h i n a V o l u m eo f H e b e i .B e i j i n g G e o l o g i c a l P u b l i s h i n gH o u s e ,5 9( i n C h i n e s e ) . S o n gS u h e . 1 9 9 4 .M i n e r a l d e p o s i t s o f C h i n a( M e d i u m ).B e i j i n g G e o l o g i c a l P u b l i s h i n gH o u s e , 4 3 4( i nC h i n e s e ) . T i b o r Z o l t a i ,J a n e s HS t o u t . 1 9 8 4 .M i n e r a l o g y .B u r g e s s P u b l i s h i n g C o m p a n y . Z h a oJ i x i a n g ,X i a oY o n g l i n ,Z h uY i z i .1 9 9 4 .T h ec o s m i cd u s t i nt h e M a l a nL o e s s n e a r X i ' a n .3 9 ( 2 4 ) 2 0 6 3~2 0 6 7( i nC h i n e s ew i t h E n g l i s ha b s t r a c t ) . Z h o uY a o q i ,C h a iZ h i f a n g .X uY i n t i n g ,Wa n gD a w e n ,B a iC h u n l i . 1 9 9 6 .O b s e r v a t i o no f s u r f a c es t r u c t u r eo f i r o nc o s m i cd u s t a n di r o n m e t e o r i t ei ns u b m i c r o na n dn a n o m e t e r r a n g eb yt h eu s eo f S c a n n i n g T u n n e l i n gM i r o s c o p y .R o c ka n dM i n e r a l A n a l y s i s ,1 5 ( 1 ) 1~1 2 ( i nC h i n e s ew i t hE n g l i s ha b s t r a c t ) . 图版说明 图版Ⅰ ( 1 ) 两孔长剑形玉器 ( L o n gs w o r d l i k ej a d ea r t i c l ew i t ht w o h o l e s ) ( 2 ) 四孔短剑形玉器 ( S h o r t s w o r d l i k ej a d ea r t i c l ew i t hf o u r h o l e s ) ( 3 ) 球粒状铁质矿物 ( S p h e r i c a l f e r r e o u s m i n e r a l s ) ( 4 ) 铁质矿物球粒的剖面结构( S e c t i o ns t r u c t u r eo f f e r r e o u s m i n e r a l s p h e r e ) ( 5 ) 高倍镜下的铁质矿物球粒剖面结构 ( S e c t i o ns t r u c t u r e o f f e r r e o u s m i n e r a l s p h e r eu n d e r h i g hp o w e r m i c r o s c o p e ) ( 6 ) 鲕状赤铁矿的同心层状结构 ( H o m o c e n t r i c s a m d w i c ho f o o l i t i ch e m a t i t e ) ( 7 ) 赤铁矿鲕粒中的砂质包裹体 ( S a n d yi n c l u s i o n si n o o l i t i cg r a i n s o f h e m a t i t e ) ( 8 ) 铁质矿物外壳的崩裂现象 ( B u r s t a p a r t p h e n o m e n o no f t h ec r u s t o f f e r r e o u s m i n e r a l s ) 816地 球 学 报2 0 0 7年 CAGS 图版 Ⅰ 916第 6期 尹继才等 红山古玉孔洞内首次发现球粒状铁质矿物 CAGS