C-第三講寶石礦物的性質(zhì)

1、第三講 寶石的性質(zhì)寶石礦物的物理與化學(xué)性質(zhì)3-1 寶石材料的化學(xué)成分3-2 寶石材料中的包體3-3 寶石材料的光學(xué)性質(zhì)3-4 寶石礦物的顏色成因與表征13-1-1 寶石礦物的晶體化學(xué)分類 寶石礦物可以晶體化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，按照“大類類亞類族種亞種”順序劃分。例如：氧化物類剛玉族藍(lán)寶石(種)黃色藍(lán)寶石(亞種) 、綠色藍(lán)寶石(亞種)等。1、含氧鹽大類（1）硅酸鹽類 a. 島狀亞類：鋯石、榍石、橄欖石、黃玉、綠簾石、坦桑石、 十字石。 b. 環(huán)狀亞類：綠柱石族、電氣石族、藍(lán)錐礦、堇青石。 c. 鏈狀亞類：翡翠、軟玉、透輝石、薔薇輝石。 d. 層狀亞類：蛇紋石、滑石、高嶺石、葉臘石、地開石、綠泥石。 e. 架

2、狀亞類：長(zhǎng)石族(月光石、日光石、拉長(zhǎng)石、天河石)、方柱石。23-1-1 寶石礦物的晶體化學(xué)分類（2）磷酸鹽類：磷灰石、綠松石。（3）碳酸鹽類：大理石、白云石、菱錳礦。2、氧化物類：（a）剛玉族：紅寶石、藍(lán)寶石；（b）水晶族：水晶、紫晶、黃晶、煙晶、芙蓉石；（c）尖晶石族：尖晶石、金綠寶石。3、自然元素類：鉆石、合成碳化硅。4、鹵化物類：螢石。5、硫化物類：辰砂。33-1-2 類質(zhì)同象與寶石的物理性質(zhì) 大部分寶石礦物的顏色都是有類質(zhì)同像作用引進(jìn)的微量過渡族元素引起的。另外，類質(zhì)同像還會(huì)引起寶石礦物折射率、密度和硬度等物理性質(zhì)的變化，對(duì)寶石的鑒定產(chǎn)生影響。1、剛玉族：當(dāng)Al2O中發(fā)生Cr3+ Al

3、3+時(shí)呈玫瑰紅紅色調(diào),成為紅寶石； 當(dāng)Ti4+ + Fe2+ Al3+時(shí)呈藍(lán)色，成為藍(lán)寶石。2、翡翠：翡翠的主要組成礦物硬玉NaAlSi2O6中的Al3+可以被V3+、Cr3+、Fe3+、 Fe2+、Mn2+等陽離子取代。（a）V3+ + Cr3+ Al3+時(shí),當(dāng)Cr3+含量為1%-2%時(shí)呈現(xiàn)誘人的翠綠色；當(dāng)含量過 高時(shí)，顏色變暗，透明度降低，直至變成黑色的干青種。（b）Fe3+ Al3+時(shí),翡翠呈現(xiàn)呆板的綠色，隨著替代量增加，有淺綠變成暗 綠，直至墨綠色。（c）Fe3+ + Cr3+ Al3+時(shí)翡翠顏色視Fe3+與Cr3+離子總量及相對(duì)含量而定。（d）Fe3+ Fe2+ Al3+時(shí)翡翠呈紫色

4、（有觀點(diǎn)認(rèn)為是Mn或K引起紫色）。43-1-2 類質(zhì)同象與寶石的物理性質(zhì)3、電氣石族：(Na,Ca)(Mg,Fe,Li,Al,Mn)3(Al,Cr,Fe,V)6Si6O18BO33(O,OH,F)4電氣石是含硼的鋁硅酸鹽，由于類質(zhì)同像發(fā)育，因而成分復(fù)雜。（a）主要變種有： 鎂電氣石NaMg3Al6Si6O18BO33(OH)4。 鐵電氣石(黑電氣石)NaFe3Al6Si6O18BO33(OH)4。 鋰電氣石Na(Li,Al)3Al6Si6O18BO33(O,OH)4?！咀ⅰ颗c和與均為完全類質(zhì)同像，與為不完全類質(zhì)同像。（b）理論性端元分子有： 鈉錳電氣石NaMn3Al6Si6O18BO33(OH

5、)4。 鈣鎂電氣石CaMg4Al5Si6O18BO33(OH)4。 富鐵者呈暗綠、深藍(lán)、暗褐或黑色；富鎂者呈黃色或褐色；富鋰和錳者呈玫瑰紅；富鉻者呈深綠色。53-1-2 類質(zhì)同象與寶石的物理性質(zhì)4、綠柱石族： Be3Al2Si6O18的Al-O八面體中的Al3+被少量Fe2+、Mg2+、Mn2+、Fe3+、V3+、Cr3+、Ti4+等陽離子取代，成為“八面體型”綠柱石；Be-O四面體中Be2+主要被Li1+替代，形成“四面體型”綠柱石。六方環(huán)空腔中可充填H2O和Na+、Cs+、Rb+、K+等離子，以補(bǔ)充鋁代硅造成的電荷不平衡。（a）祖母綠(Emerald)： Cr3+含量在0.3%-1.0%左

6、右，翠綠色。（b）海藍(lán)寶石(Aquamarine)：Fe2+引起淺藍(lán)、綠藍(lán)-藍(lán)綠色。（c）摩根石(Morganite)：粉紅色、淺紫色、玫瑰色。 Mn2+致色，Li+取代部 分Be2+，由Cs+、Rb+進(jìn)入來平衡電荷。（d）金色綠柱石(Heliodor)：Fe3+、Fe2+致色，綠黃、橙色、檸檬黃、黃棕 色、金黃色。（e）紅色綠柱石(Bixbite)：堿金屬含量很低，錳則提高近20倍，達(dá)到0.08%。（f）無色透明綠柱石叫做Goshenite，過渡金屬離子含量極低。63-2-1 寶石中的包體 包體在寶石學(xué)中是指影響寶石礦物整體均一性的所有被包裹物質(zhì)和非物質(zhì)結(jié)構(gòu)。即包括結(jié)晶過程中裹入的礦物、巖石

7、或氣液等物質(zhì)包體；也包括環(huán)帶、雙晶、生長(zhǎng)紋、解理、裂紋以及與內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)的表面特征等結(jié)構(gòu)缺陷。一、寶石礦物中的包體分類：1、按照存在形式可分為：物質(zhì)形包體和結(jié)構(gòu)形非物質(zhì)包體。2、按照相態(tài)可分成：固相包體、液相包體、氣相包體及復(fù)相包體。3、按照包體的化學(xué)成分：有機(jī)包體、無機(jī)包體。4、按照與寶石礦物形成的時(shí)間順序：原生包體、同生包體和次生包體。73-2-1 寶石中的原生包體1、原生包體：寶石礦物形成之前就已經(jīng)存在的物質(zhì)，在寶石礦物形成過程中被包裹到寶石內(nèi)部，成為原生包體。原生包體都是固體，可以與寄主相同或不同。合成寶石中可以有種晶（可視為原生包體），一般沒有其他原生包體。Ruby (Myanmar

8、, Mogok) Phlogopite(金云母) and rutile inclusions Indicates no heat enhancement83-2-1 寶石中的原生包體1、原生包體圖片Burma Sapphire (Pyrrhotite (鈣塊云母) inclusions ,unaltered)Indicate no heat enhancement93-2-1 寶石中的原生包體1、原生包體圖片Burma Sapphires，Group of Pyrrholite(鈣塊云母) inclusions indicates no enhancement by heat103-2-1 寶

9、石中的原生包體1、原生包體圖片Apatite solid inclusion in Ruby from Namya (Burma, Myanmar)113-2-1 寶石中的原生包體1、原生包體圖片Apatite solid inclusion in Ruby from Namya (Burma, Myanmar)123-2-1 寶石中的原生包體1、原生包體圖片Zircon and Uraninite(瀝青鈾礦) inclusion in Sapphire from Burma133-2-1 寶石中的原生包體1、原生包體圖片Round solid inclusion in Ruby from N

10、amya (Burma, Myanmar)143-2-2 寶石中的同生包體2、同生包體：是指在寶石形成的同時(shí)形成的包體。同生包體可以使固體、液體、氣體、三者的不同組合，甚至是裂隙、空洞、色帶、幻晶等。它的形成于晶體的差異性生長(zhǎng)、不規(guī)則生長(zhǎng)、生長(zhǎng)間斷、過飽和度變化、外來雜質(zhì)、體系溫壓的突變等因素相關(guān)。（1）同生固態(tài)包體及其形成條件： a. 共格或半共格晶面生長(zhǎng)； b. 快速生長(zhǎng)的長(zhǎng)柱狀或針狀礦物雜亂堆積； c. 固溶體出溶。 固溶體分離是寶石礦物貓眼和星光效應(yīng)的主要原因。高溫完全互溶的固溶體礦物當(dāng)溫度緩慢下降時(shí)，固溶體過飽和而出溶，分成不同的物相。在寶石晶體中出現(xiàn)的片狀或針狀礦物與寄主礦物的某些

11、結(jié)構(gòu)方向平行。153-2-2 寶石中的同生包體（1）同生固態(tài)包體圖片Green spinel inclusions in an unheated sapphire from Sri Lanka163-2-2 寶石中的同生包體（1）同生固態(tài)包體圖片Rutile inclusion in Ilakaka Sapphire (Madagascar)173-2-2 寶石中的同生包體（1）同生固態(tài)包體圖片Green inclusion (spinel) in an unheated sapphire from Madagascar183-2-2 寶石中的同生包體（1）固溶體出溶形成的同生固態(tài)包體圖片Or

12、iented rutile needle inclusions in Ruby from Mong Hsu (Burma, Myanmar)193-2-2 寶石中的同生包體（1）固溶體出溶形成的同生固態(tài)包體圖片Rutile inclusion in Mogok ruby from Mong Hsu (Burma, Myanmar)203-2-2 寶石中的同生包體（1）固溶體出溶形成的同生固態(tài)包體圖片Rutile silk in an unheated Burmese sapphire213-2-2 寶石中的同生包體（2）同生流體包體及其形成原因：偉晶巖型或熱液型寶石礦床在寶石礦物形成過程中常伴

13、有豐富的熱液。生長(zhǎng)過程中的寶石晶體若發(fā)生破裂，成礦溶液會(huì)進(jìn)入其中，裂隙愈合后形成流體包體。“指紋狀包體”就屬此類。Irregular fingerprints in an unheated sapphire from Madagascar223-2-2 寶石中的同生包體（2）一些寶石在生長(zhǎng)過程中內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)管狀孔道或規(guī)則空洞，可能是生長(zhǎng)過快或斷續(xù)造成的。紅寶石中偶爾會(huì)出現(xiàn)彎曲的管狀包體。Curved Tube Inclusions in Ruby from Namya (Burma, Myanmar)233-2-2 寶石中的同生包體（2）寶石在生長(zhǎng)過程中內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)管狀孔道或規(guī)則空洞，可能是生長(zhǎng)過

14、快或斷續(xù)造成的,這在海藍(lán)寶石和紅寶石中偶爾會(huì)出現(xiàn) “管狀包體”，有時(shí)呈斷續(xù)的“絲雨”狀。Fluid feathers with isolated negative tubes Inclusions in Ruby from Namya (Burma, Myanmar)243-2-3 寶石中的同生包體（3）同生非物質(zhì)包體主要表現(xiàn)為：包體分帶、顏色分帶和結(jié)構(gòu)分帶。a. 包體分帶：寶石晶體生長(zhǎng)停頓時(shí)，同期形成的其他晶體顆粒附著在表面，寶石繼續(xù)生長(zhǎng)后形成面狀分布的薄層包體“幻晶”。Burma Sapphire with inclusions Rutile platelet with twinning

15、indicates no heat enhancement253-2-3 寶石中的同生包體b. 同生非物質(zhì)包體的顏色分帶：寶石晶體生長(zhǎng)過程中，流體化學(xué)成分的變化會(huì)在寶石中產(chǎn)生色帶。Sapphire from Malagassy (North) Color zones and twin lamellae263-2-3 寶石中的同生包體c. 同生非物質(zhì)包體的顏色分帶：寶石晶體生長(zhǎng)過程中，流體化學(xué)成分變化在寶石中產(chǎn)生色帶。Whitish and bluish zoning with perpendicualr straemers in a unheated Ruby from Afghanistan

16、273-2-3 寶石中的同生包體e. 同生非物質(zhì)包體的顏色分帶由寶石晶體中的生長(zhǎng)紋引起。(Growth zoning) as seen in a window on a rough Kahmir sapphire283-2-3 寶石中的同生包體d. 同生非物質(zhì)包體的結(jié)構(gòu)分帶由寶石晶體中的雙晶引起。Twining Inclusions in a Ruby from Mong Hsu (Burma, Myanmar)293-2-3 寶石中的同生包體（3）合成寶石中的包體 合成寶石的包體大多屬于同生包體，可以呈固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)，但往往在形態(tài)和組成上與天然寶石明顯不同。例如：助溶劑法合成的紅寶石中存在

17、助溶劑殘留；水熱法合成祖母綠中的鉑金坩堝碎片；合成祖母綠中由硅鈹石和空洞構(gòu)成的“釘頭”狀包體；焰熔法合成紅寶石中的弧形生長(zhǎng)紋和氣泡等。合成寶石中的同生包體形態(tài)與組成是合成寶石與天然寶石區(qū)分的主要診斷性特征。303-2-4 寶石中的次生包體2、次生包體：是指在寶石形成后產(chǎn)生的包體。它是在寶石晶體形成后由于環(huán)境變化所形成的包體。（1）次生裂隙及外來物質(zhì)充填膠結(jié)成因 寶石停止生長(zhǎng)后，寶石晶體中的次生裂隙中可能會(huì)有外來物質(zhì)進(jìn)入并在其中沉淀，因而形成包體。例如：水晶或瑪瑙中的黑色樹枝狀包體；翡翠中氧化鐵的沉淀等。（2）寶石晶體中的鋯石含放射性元素的破壞作用形成“鋯石暈”。（3）寶石晶體形成后，應(yīng)力作用產(chǎn)

18、生的“羽狀紋”。313-2-4 寶石中的次生包體3、次生包體：寶石中的次生包體“羽狀紋”和次生流體包體。Partially healed feather in unheated Kashmir sapphire323-2-4 寶石中的次生包體3、次生包體：寶石中的鋯石包體的放射性造成的次生包體“鋯石暈”。Zircon inclusions with tension cracks333-2-5 寶石中包體的研究意義二、寶石礦物中包體的研究意義1、指導(dǎo)找礦和確定合成寶石的實(shí)驗(yàn)條件。 寶石中的包體是研究寶石形成條件的最直接證據(jù)，通過包體研究可以測(cè)定寶石形成時(shí)的溫度、壓力、氧逸度等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)于找

19、礦勘探、礦床開采以及寶石人工合成都具有重要意義。2、確定寶石品種以及經(jīng)歷的優(yōu)化處理方法。 由于寶石的各物理常數(shù)經(jīng)常相互重疊，因此對(duì)寶石中包體特性、典型包體及包體組合的研究可以幫助確定寶石品種、區(qū)分天然與人工寶石和寶石經(jīng)歷的優(yōu)化處理方法。3、確定對(duì)寶石進(jìn)行合理琢型設(shè)計(jì)及加工方法。 寶石中存在的特殊包體會(huì)增加寶石的價(jià)值。例如：瑪瑙中的流體包體、剛玉族寶石中的平行排列的針狀金紅石包體等要求采用素面琢型設(shè)計(jì)，并合理定向加工才能突出瑪瑙中水膽特征以及顯現(xiàn)貓眼或星光效應(yīng)。 343-2-5 寶石中包體的研究意義4、確定寶石產(chǎn)地。 寶石礦物中的特征包體、及包體組合是目前主要的判斷寶石原產(chǎn)地的方法。例如：祖母綠

20、中含有氟碳鈣鈰礦或含有立方體食鹽的三相包體時(shí)，可以判斷其產(chǎn)地是哥倫比亞。5、對(duì)寶石進(jìn)行分級(jí)評(píng)估。 更多情況下，寶石晶體中的包體會(huì)影響寶石的美觀，因而是寶石分級(jí)的重要參數(shù)。例如：鉆石的凈度分級(jí)就是更具包體的大小、數(shù)量、顏色、位置、分布等來進(jìn)行的。6、確定對(duì)包體進(jìn)行技術(shù)處理方案。 對(duì)物質(zhì)包體的化學(xué)成分和礦物品種的研究可以幫助確定對(duì)寶石進(jìn)行技術(shù)處理的方法。例如：含有金紅石包體的無色或淺色剛玉可以經(jīng)過熱處理使其呈現(xiàn)藍(lán)色；含有深色包體的鉆石可以采用激光打孔，再進(jìn)行酸溶等方法處理，以改善凈度。353-3-1 寶石材料的多色性一、寶石的多色性1、定義：非均質(zhì)體彩色寶石因光波在晶體中震動(dòng)方向不同而呈現(xiàn)不同顏色

21、或顏色深淺發(fā)生變化的現(xiàn)象。2、解釋：寶石晶體對(duì)不同波長(zhǎng)的光的選擇性吸收是根本原因。在二色鏡或單偏光顯微鏡下轉(zhuǎn)動(dòng)寶石可以觀察到寶石呈現(xiàn)不同顏色；不同方向上寶石顏色的深淺則主要有寶石的吸收性造成。例如：某一軸晶寶石晶體對(duì)垂直光軸振動(dòng)的光的吸收要大于平行方向振動(dòng)的光，那么該寶石晶體主軸方向的顏色會(huì)比較深，屬正吸收性。363-3-2 寶石材料的光澤二、寶石的光澤1、定義：寶石光澤是指寶石表面反射光的能力，用反射率R表示。2、表示：不透明寶石的反射率 R=(n-1)2+K2/(n+1)2+K2； 透明礦物的反射率 R=(n-1)2/(n+1)2，吸收率K=I反射/I入射。3、寶石光澤的影響因素： 寶石的

22、光澤主要由折射率和吸收系數(shù)決定，但寶石的表面光滑程度、玉石中組成礦物顆粒的顏色、大小、形狀、定向排布以及顆粒間結(jié)合的緊密程度等都會(huì)影響寶石的光澤。373-3-2 寶石材料的光澤1、寶石光澤分類（1）金屬光澤 R25%，通常n3.0，一般不透明，寶石礦物中極少見， 如黃鐵礦。（2）半金屬光澤 R=19%25%，通常n=2.63.0，一般不透明，如黑鎢礦、 鉻鐵礦。（3）金剛光澤 R=19%10%，通常n=1.92.6，透明半透明，典型代表 是金剛石。（4）玻璃光澤 R=10%4%，通常n=1.31.9，透明半透明，如水晶、 祖母綠等。383-3-2 寶石材料的光澤2、寶石特殊光澤類型（1）油脂光

23、澤 在一些顏色較淺，具有玻璃光澤或金剛光澤的寶石的不平坦斷面、或集合體顆粒表面所見到的類似油脂的光澤。例如，玻璃光澤的石英的斷口或石英巖斷面均顯示出油脂光澤；石榴石和磷灰石端口也顯示油脂光澤。（2）樹脂光澤 一些黃色黃褐色的寶石斷面上顯示出的類似松香等樹脂所呈現(xiàn)出的光澤。例如，琥珀斷面上的光澤就是樹脂光澤，但琥珀拋光面上常顯示的是玻璃光澤。（3）蠟狀光澤 一些透明半透明玉石的礦物隱晶質(zhì)或非晶質(zhì)致密塊體上，由于反射面不平坦而產(chǎn)生的一種較油脂光澤稍弱的光澤。如塊狀葉臘石的蠟狀光澤。393-3-2 寶石材料的光澤續(xù)2、寶石特殊光澤類型（4）土狀光澤 一些細(xì)分散多孔隙玉石因?qū)Σ糠止獾穆瓷涠尸F(xiàn)出的暗

24、淡光澤。如風(fēng)化 程度較高的劣質(zhì)綠松石的光澤。（5）絲絹光澤 一些具有玻璃光澤或金剛光澤的寶石礦物的纖維狀集合體顯現(xiàn)出的絲綢般 光澤。如虎睛石。（6）珍珠光澤 在珍珠表面或一些解理發(fā)育的淺色透明礦物表面見到的一種柔和且多彩的 光澤。如珍珠。403-3-2 寶石材料的透明度三、寶石的透明度 1、定義：寶石允許可見的光透過程度，通常用透射系數(shù)(=I透射/I入射)來 表示，透射系數(shù)介于( 0,1 )直之間。 2、寶石透明度的劃分(一般按1cm厚拋光薄片為樣本) a. 透明：允許絕大多數(shù)光透過，隔著寶石觀察時(shí)可以看清背面物體輪廓與細(xì)節(jié)； b. 亞透明：允許大多數(shù)光通過，隔著寶石觀察時(shí)可以看見背面物體輪廓

25、，看不 清細(xì)節(jié)。如翠榴石。 c. 半透明：允許部分光透過，隔著寶石觀察，僅能見到背面物體輪廓的陰影。 如電氣石。 d. 微透明：僅在寶石邊緣棱角處有少量光透過，隔著寶石已無法看見其背面物 體。如黑耀巖。 e. 不透明：基本上不允許光透過，光線幾乎被寶石全部吸收或反射。如孔雀石。413-3-3 寶石的特殊光學(xué)效應(yīng)四、寶石的特殊光學(xué)效應(yīng) 1、貓眼效應(yīng)（1）定義：在平行光線照射條件下，弧面型寶石表面呈現(xiàn)出一條明亮的光帶，隨著寶石轉(zhuǎn)動(dòng)或光線偏移，明亮光帶位置也發(fā)生移動(dòng)的特殊光學(xué)現(xiàn)象就是貓眼效應(yīng)。（2）形成機(jī)理：弧面型寶石內(nèi)部定向平行排列的一組針狀、片狀包體對(duì)進(jìn)入寶石晶體中光線進(jìn)行反射的結(jié)果。（3）貓眼

26、效應(yīng)產(chǎn)生條件： a. 寶石內(nèi)部存在一組密集、定向、平行排列的纖維狀、針狀、管狀或片狀包體，或者一組特殊的固溶體出溶結(jié)構(gòu)； b. 弧面型寶石底面與包體所在面平行； c. 弧面型寶石的高度與絕大部分包體反射光的聚焦高度一致，并注意使包體延長(zhǎng)方向于寶石長(zhǎng)軸平行。423-3-3 寶石的特殊光學(xué)效應(yīng)續(xù)1、貓眼效應(yīng)形成機(jī)理圖示圖3-3-3-1 貓眼效應(yīng)產(chǎn)生的示意圖433-3-3 寶石的特殊光學(xué)效應(yīng)續(xù)1、貓眼效應(yīng)形成機(jī)理圖示圖3-3-3-2 弧面型寶石的高度與眼線寬度關(guān)系示意圖443-3-3 寶石的特殊光學(xué)效應(yīng)續(xù)1、貓眼效應(yīng)形成機(jī)理圖示圖3-3-3-3 錯(cuò)誤定向?qū)е卵劬€偏離示意圖453-3-3 寶石的特殊光

27、學(xué)效應(yīng)2、星光效應(yīng)（1）定義 在平行光線照射條件下，弧面型寶石表面呈現(xiàn)出兩條或多條明亮的交叉光帶，隨著寶石轉(zhuǎn)動(dòng)或光線偏移，明亮的交叉光帶位置也發(fā)生移動(dòng)的特殊光學(xué)現(xiàn)象就是星光效應(yīng)。（2）產(chǎn)生機(jī)理 弧面型寶石內(nèi)部的兩組或多組各自平行并定向交叉排列的針狀、片狀包體對(duì)進(jìn)入寶石晶體中光線進(jìn)行反射的結(jié)果。實(shí)質(zhì)是由幾組交叉的貓眼效應(yīng)亮帶形成。（3）形成條件 a. 寶石內(nèi)部存在兩組或多組各自平行并交叉排列的密集、定向的纖維狀、針狀、管狀或片狀包體，或者特殊的固溶體出溶結(jié)構(gòu)； b. 弧面型寶石底面與包體所在面平行； c. 弧面型寶石的高度與絕大部分包體反射光的聚焦高度一致。463-3-3 寶石的特殊光學(xué)效應(yīng)續(xù)2

28、、星光效應(yīng)形成機(jī)理圖示圖3-3-3-4 紅寶石星光產(chǎn)生原因示意圖473-3-3 寶石的特殊光學(xué)效應(yīng)歐泊的變彩效應(yīng)483-3-3 寶石的特殊光學(xué)效應(yīng)3、變彩效應(yīng)（1）定義 寶石表面被兩種以上不同顏色的色塊覆蓋，并且隨著觀察角度或光源方向的變化，色塊的位置不斷發(fā)生變化的光學(xué)現(xiàn)象。（2）形成機(jī)理 寶石內(nèi)部組成粒子特殊的三維立體光柵結(jié)構(gòu)對(duì)白光產(chǎn)生衍射和干涉，不同粒徑的分布在寶石表面不同區(qū)域的粒子團(tuán)塊形成不同色斑；并且各粒子團(tuán)塊在不同角度觀察顏色也會(huì)不同，因而產(chǎn)生變彩效應(yīng)。（3）歐泊變彩特點(diǎn) a. 一些灰白色歐泊不出現(xiàn)色斑，僅顯示藍(lán)白色乳光； b. 一些歐泊僅在灰白色基地上顯示波長(zhǎng)較短的藍(lán)、綠色斑； c

29、. 部分高檔歐泊在白色或黑色基地上顯示從紫紅的全部彩色色斑；493-3-3 寶石的特殊光學(xué)效應(yīng)續(xù)3、變彩效應(yīng)（3）歐泊變彩特點(diǎn) d. 色斑排列特點(diǎn)：同一塊歐泊表面不同顏色色斑間雜分布，相鄰色斑的顏色并不按可見光光譜色序排列。例如，紅色色斑可直接與綠色色斑相鄰；在藍(lán)色基底上分布著幾塊顏色近于相同的紅色色斑； e. 色斑顏色特點(diǎn)：同一塊色斑中顏色并不均勻，在色斑邊緣可見到按光譜色色序排列的顏色序列。例如，紅色色斑邊緣可依次出現(xiàn)橙色、黃色、綠色色帶。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)歐泊或轉(zhuǎn)動(dòng)光源是，同一塊色斑顏色將以光譜色色序變化。例如，紅色斑在寶石轉(zhuǎn)動(dòng)或光源偏離角度增大時(shí)依次顯示橙色色斑、橙黃色色斑和黃色色斑。503-3-

30、3 寶石的特殊光學(xué)效應(yīng)續(xù)3、變彩效應(yīng) 歐泊的化學(xué)成分是SiO2nH2O，含水氧化硅為近于等大球在三維空間做規(guī)則排列。每個(gè)球周圍都存在四面體空隙(0.225-0.5倍小球直徑)和八面體空隙(0.414-1倍小球直徑)，氧化硅小球和其周圍的空隙分別相當(dāng)于光柵的衍射單元和光柵常數(shù)，歐泊的近視等大球規(guī)則結(jié)構(gòu)區(qū)域就構(gòu)成了三位立體光柵。（4）歐泊變彩與結(jié)構(gòu)的關(guān)系 a. 球體間隙距離在138-241nm之間時(shí)，允許白光中所有波長(zhǎng)光通過，可形成 七彩歐泊； b. 球體間隙距離在138-204nm之間時(shí)，只允許紫黃色五種光通過，可形成五 彩歐泊； c. 球體間隙距離在138-176nm之間時(shí)，只允許紫藍(lán)綠色三種

31、光通過，可形成 三彩歐泊； d. 球體間隙距離在138-165nm之間時(shí)，只允許紫藍(lán)色二種光通過，可形成二 彩或單彩歐泊。513-3-3 寶石的特殊光學(xué)效應(yīng)續(xù)3、變彩效應(yīng)形成機(jī)理示意圖圖3-3-3-5 歐泊變彩效應(yīng)成因示意圖523-3-3 寶石的特殊光學(xué)效應(yīng)續(xù)3、貴蛋白石與普通蛋白石中含水SiO2顆粒的排布電鏡照片 Precious Opal Common Opal Electron micrographs533-3-3 寶石的特殊光學(xué)效應(yīng)4、變色效應(yīng)（1）定義：寶石礦物的顏色隨入射光光譜能量分布的改變而改變的現(xiàn)象就是變色效應(yīng)。只有變石、藍(lán)寶石和石榴石等少數(shù)幾種寶石有可能出現(xiàn)變色效應(yīng)。在日光燈

32、下變石呈藍(lán)綠色，而在白熾燈光源下變石呈現(xiàn)紅色。（2）變色效應(yīng)與光源光譜特征圖1-3-30 變色效應(yīng)產(chǎn)生的原理543-4-1 寶石礦物的顏色成因一、寶石礦物的顏色類型1-1、自色：寶玉石礦物中基本化學(xué)成分引起的顏色。1-2、他色：寶石礦物中微量元素或帶色包體引起的顏色。1-3、假色：由光的衍射、干涉等物理作用引起的顏色。二、寶石礦物顏色的成因2-1、離子內(nèi)電子躍遷致色晶體場(chǎng)理論2-2、離子間電荷躍遷致色分子軌道理論2-3、能帶間電子躍遷致色能帶理論2-4、晶格缺陷致色色心理論553-4-1 寶石材料的自色1-1、自色 自色寶玉石礦物的致色元素是過渡金屬離子，F(xiàn)e、Cu等豐度高的過渡金屬元素成為礦

33、物的主要組成元素時(shí)，寶石礦物顯示出相應(yīng)的色彩。 橄欖石：Fe2+致色，隨著置換Fe2+的Mg2+含量增加，橄欖石的顏色由淺黃綠色演變成深綠色。綠松石、孔雀石、藍(lán)銅礦：Cu致色，銅元素都是這些礦物的主量元素。561-1 自色類型的寶石橢圓形刻面橄欖石Peridot橄欖石 Peridot rough and tumbled571-1 自色類型的寶石橢球形綠松石Turquoise隨形藍(lán)銅礦Azurite583-4-1 寶石材料的他色1-2、他色 他色寶玉石礦物的致色元素主要也是過渡金屬離子，但它們是類質(zhì)同象混入的微量元素。例如：祖母綠、紅寶石、藍(lán)寶石、碧璽等。寶玉石他色產(chǎn)生的另一個(gè)因素是礦物中的帶色

34、包體染色。例如：翡翠中翡由氧化鐵膠體滲入微裂隙引起橙紅色；東陵石的綠色是石英巖中包裹的鉻云母所致；日光石被出溶的鱗片狀赤鐵礦染成橙紅色等。591-2 他色類型的寶石祖母綠Natural emerald 發(fā)from muzo mine,columbia電氣石Tourmaline601-2 他色類型的寶石電氣石晶體Tourmaline crystal from afghanistan電氣石Tourmaline613-4-1 寶石材料的假色1-3、假色 假色寶玉石礦物的致色是由光的散射、衍射、干涉等物理作用引起。例如：月光石中棕色或藍(lán)白色的月光效應(yīng)就是K長(zhǎng)石中出溶的Na長(zhǎng)石微晶片定向排列引起對(duì)白光的

35、散射與干涉形成；歐泊的變彩效應(yīng)是三維光柵對(duì)白光的衍射產(chǎn)生等。621-2 假色類型的寶石歐泊Opal綠玉髓Chrysoprase 631-2 假色類型的寶石日光石Sunstone 月光石Moonstones643-4-1 寶石的離子內(nèi)電子躍遷致色2-1、離子內(nèi)電子躍遷致色寶石晶體中的過度金屬元素或鑭系與錒系元素分別擁有未充滿的d(3d、4d)軌道和f(4f、5f)軌道。自由離子中簡(jiǎn)并的d或f軌道在配體負(fù)離子形成的晶體場(chǎng)中發(fā)生分裂。中心離子吸收光子后外層電子會(huì)發(fā)生d-d或f-f躍遷，引起對(duì)可見光的選擇性吸收，在寶石礦物晶體中形成色彩。例如：紅寶石、變石和祖母綠的彩色就是微量過渡元素Cr的3d軌道中

36、電子的d-d配位場(chǎng)躍遷的結(jié)果。653-4-1 寶石的離子內(nèi)電子躍遷致色2-1-1、紅寶石中Cr離子內(nèi)電子躍遷致色 紅寶石(Cr3+,Al3+)2O3)中致色離子Cr3+的3d3電子組態(tài)導(dǎo)出的自由離子譜項(xiàng)為：基普項(xiàng)4F，激發(fā)譜項(xiàng)有4P、2G、2D等。 在O2+離子八面體場(chǎng)中，4F分裂為三個(gè)能級(jí)：4A2、4T2、4T1。d電子在4A2 4T2、 4A2 4T1能級(jí)間躍遷過程中分別位于2.25eV和3.02eV附近形成能量吸收帶，各自吸收了黃綠色光和藍(lán)紫色光，白光中的剩余色光形成了紅寶石的紅色。下面的紫外可見(UV)吸收光譜圖清楚地表明了紅寶石中Cr3+的致色機(jī)理。663-4-1 寶石的離子內(nèi)電子躍

37、遷致色2-1、紅寶石的UV吸收光譜圖3-4-1-1 紅寶石的UV吸收光譜673-4-1 寶石的離子內(nèi)電子躍遷致色2-1-2、祖母綠中Cr離子內(nèi)電子躍遷致色 祖母綠(Be3(Cr3+,Al3+)2Si6O18)中致色離子Cr3+的3d3電子組態(tài)導(dǎo)出的自由離子基普項(xiàng)4F 在O2+離子八面體場(chǎng)中同樣分裂為三個(gè)4A2、4T2、4T1能級(jí)。由于Be2+和Si4+影響，d電子在4A24T2、 4A2 4T1能級(jí)間躍遷過程中分別位于2.04eV和2.92eV附近形成能量吸收帶，各自吸收了紅橙黃色光和藍(lán)紫色光，白光中的剩余色光組成了祖母綠鮮艷的綠色。683-4-1 寶石的離子內(nèi)電子躍遷致色2-1、祖母綠的UV

38、吸收光譜圖3-4-1-3 祖母綠的UV吸收光譜693-4-1 寶石的離子內(nèi)電子躍遷致色2-1-3、變石中Cr離子內(nèi)電子躍遷致色 變石(Be(Cr3+,Al3+)2O4)中致色離子Cr3+的3d3電子組態(tài)導(dǎo)出的自由離子基普項(xiàng)4F 在O2+離子八面體場(chǎng)中同樣分裂為三個(gè)4A2、4T2、4T1能級(jí)。由于Be2+影響，d電子在4A24T2、 4A2 4T1能級(jí)間躍遷過程中分別位于2.16eV和2.98eV附近形成能量吸收帶，各自吸收了橙黃色光和藍(lán)紫色光，白光中的紅光和綠藍(lán)光透過幾率近乎相等。因此，外部光源條件就決定了變石的顏色。703-4-1 寶石的離子內(nèi)電子躍遷致色2-1、變石的UV吸收光譜圖3-4-

39、1-2 變石的UV吸收光譜713-4-1 寶石的離子內(nèi)電子躍遷致色2-1、紅寶石、變石、祖母綠的UV吸收光譜圖3-4-1-4 紅寶石(A)、變石(B)、祖母綠(C)的UV吸收光譜723-4-1 寶石的離子間電子躍遷致色2-2、離子間電子躍遷致色 根據(jù)分子軌道模型：以強(qiáng)化學(xué)鍵結(jié)合的各原子軌道重新組合成了分子軌道，電子屬于整個(gè)分子，吸收光能的電子可以在分子中不同原子間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。當(dāng)吸收譜帶位于可見光譜區(qū)時(shí)會(huì)在白光中產(chǎn)生選擇性吸收，形成彩色。 1、金屬原子間的電荷遷移（1）不同價(jià)態(tài)的同核原子間電荷遷移（2）異核原子間的電荷遷移 2、金屬與非金屬原子間的電荷遷移 3、非金屬原子間的電荷遷移733-4

40、-1 寶石的離子間電子躍遷致色1-1、不同價(jià)態(tài)的同核原子間電荷遷移 當(dāng)兩個(gè)不同價(jià)態(tài)的同核原子分布在不同類型格點(diǎn)位置時(shí)，二者間存在能量差。電子在吸收光子能量后發(fā)生轉(zhuǎn)移，并產(chǎn)生光譜吸收帶，從而使寶石產(chǎn)生色彩。 例如：堇青石的藍(lán)紫色就是典型實(shí)例。在堇青石中，F(xiàn)e2+和Fe3+分別處在四面體和八面體位置中，兩種配位體共棱相接。當(dāng)白光照射到堇青石時(shí)，F(xiàn)e2+中3d軌道上的一個(gè)d電子吸收光能后躍遷到近鄰的Fe3+上。吸收帶位于17000cm-1的黃光位置，使堇青石呈現(xiàn)藍(lán)紫色。海藍(lán)寶石、藍(lán)色和綠色電氣石也是Fe2+-Fe3+間電荷遷移致色的。 743-4-1 寶石的離子間電子躍遷致色1-2、異核原子間的電荷

41、遷移致色藍(lán)寶石的顏色是異核原子間的電荷遷移致色的典型實(shí)例。在藍(lán)寶石晶體中，F(xiàn)e2+與TI4+均位于 AlO6八面體中。平行C軸方向，八面體共面連接，F(xiàn)e、Ti離子d軌道沿C軸方向重疊，相鄰八面體中陽離子間距0.265nm，當(dāng)電子從Fe2+轉(zhuǎn)移到TI4+時(shí)(Fe2+Ti4+Fe3+Ti3+)，吸收的光能在2.11eV附近，吸收帶中心位于588nm，垂直C軸截面顯示藍(lán)色。垂直C軸方向，八面體共棱相連， 相鄰八面體中Fe與Ti離子間距增大，吸收帶中心向長(zhǎng)波方向偏移，因而平行C軸方向截面顯示綠-藍(lán)色。753-4-1 寶石的離子間電子躍遷致色2-1、非金屬與金屬原子間的電荷遷移致色寶石晶體中最常見的非金

42、屬與金屬之間的電荷遷移致色是在O2+和Fe3+之間發(fā)生的。 O2+Fe3+強(qiáng)烈吸收可見光中的紫色、藍(lán)色光，導(dǎo)致寶石晶體呈金黃色。金色綠柱石和金黃色藍(lán)寶石的顏色都是實(shí)例。黃色藍(lán)寶石吸收光譜450nm吸收帶和460nm、470nm吸收線763-4-1 寶石的能帶間電子躍遷致色2-3、能帶間電子躍遷致色 能帶理論認(rèn)為固態(tài)晶體中電子不僅屬于某個(gè)離子或分子，而是為整個(gè)晶體共有。組成晶體的每個(gè)原子在自由原子狀態(tài)下簡(jiǎn)并的外層軌道，因原子間的相互作用發(fā)生分裂，重新組合成帶狀分布的存在能隙的軌道序列能帶。其最高占有帶稱價(jià)帶，最低空能帶稱導(dǎo)帶，價(jià)帶頂與導(dǎo)帶底之間的能量間隙稱禁帶。禁帶寬度決定了價(jià)帶電子躍上導(dǎo)帶所吸

43、收光子的能量，從而也就決定了晶體在白光照射下的顏色。能帶理論很好地解釋了鉆石晶體色彩的成因。773-4-1 寶石的能帶間電子躍遷致色2-3、無色透明和黃色系列鉆石顏色成因IIa型鉆石帶隙寬度達(dá)5.4eV，在紫外光譜區(qū)，因此理論上該型鉆石為無色透明。 Ib型鉆石含微量原子N，其電子構(gòu)型是(1S22S22P3)，比C原子(1S22S22P2)多一個(gè)外層電子，這個(gè)額外的電子在靠近價(jià)帶頂?shù)慕麕е猩梢粋€(gè)雜質(zhì)能級(jí)(氮施主能級(jí))，從而縮小了帶隙寬度，電子躍遷進(jìn)導(dǎo)帶所需吸收的能量降到了2.2eV(564nm)，使得該型鉆石呈現(xiàn)黃色調(diào)。783-4-1 寶石的能帶間電子躍遷致色2-3、無色透明鉆石的顏色成因圖3

44、-4-1-1 IIa型鉆石中電子躍遷圖示793-4-1 寶石的能帶間電子躍遷致色2-3、黃色系列鉆石的顏色成因圖3-4-1-2 Ib型鉆石中電子躍遷圖示803-4-1 寶石的能帶間電子躍遷致色2-4、色心致色 寶石晶體中，局部范圍內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)排布偏離晶體格子構(gòu)造的現(xiàn)象稱為晶體缺陷。熱震動(dòng)、應(yīng)力作用、高能射線照射、擴(kuò)散、離子注入等都可能產(chǎn)生晶體缺陷。色心是晶體缺陷的一種，是泛指寶石晶體中能選擇性吸收可見光并使晶體產(chǎn)生顏色的晶格缺陷。色心種類繁多，其中最常見的是電子心(心)、空穴心(心)和雜質(zhì)離子心。813-4-1 寶石的能帶間電子躍遷致色2-4、電子心致色電子心(心)是由晶體結(jié)構(gòu)中陰離子空位引起的。

45、陰離子空位帶正電荷，能夠捕獲電子，一個(gè)陰離子空位和一個(gè)被其捕獲的電子就構(gòu)成了心。色心中的電子可以吸收光子能量而躍到較高的束縛激發(fā)態(tài)，從而產(chǎn)生對(duì)白光的選擇性吸收使寶石致色。例如：在鈉蒸汽中對(duì)NaCl晶體加熱會(huì)使其呈黃色。螢石的紫色也是由氟離子空位捕獲一個(gè)電子形成的心選擇性吸收可見光形成的。823-4-1 寶石的能帶間電子躍遷致色2-4、空穴心致色空穴心(心)是由晶體結(jié)構(gòu)中陽離子空位引起的?？昭ㄐ氖怯申栯x子空位束縛一個(gè)電子“空穴”形成的。例如：在煙晶中，混入晶體的Al3+代替SI4+后在晶格中形成帶負(fù)電荷的“正電荷陷阱”，要求近鄰出現(xiàn)正電荷來平衡。當(dāng)水晶受到輻照后， Al3+最近鄰的O2+將失去一

46、個(gè)多余的電子變成O1+，從而殘留下一個(gè)空穴，形成空穴心。鉆石和黃玉等寶石在輻照后都能產(chǎn)生空穴心致色。從而改善寶石材料的美觀。833-4-2 寶石材料的顏色與表征一、顏色定義顏色是視覺系統(tǒng)對(duì)可見光的生理反應(yīng)。光源、物體和觀察者是產(chǎn)生顏色的三個(gè)要素。寶石的顏色正是可見光、寶石和人眼作用后在人腦中產(chǎn)生的知覺。圖1-4-1 顏色的產(chǎn)生示意圖843-4-2 寶石材料的顏色與表征二、可見光光譜特征及人眼的分辨力1、可見光光譜特征光是電磁波普中的一小段，在光學(xué)中光包括可見光、近紅外光和近紫外光。人們通常把波長(zhǎng)分布在380nm760nm間能被人眼感知的電磁波稱作可見光。（紅700nm、橙620nm、黃580n

47、m、綠510nm、藍(lán)470nm、紫420nm）853-4-2 寶石材料的顏色與表征1、可見光與電磁波普?qǐng)D3-4-2-1 電磁波譜863-4-2 寶石材料的顏色與表征2、人眼對(duì)可見光光譜的分辨力上述顏色與波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系并不固定，除572nm黃光、503nm綠光、478nm藍(lán)光三個(gè)點(diǎn)外，其他波長(zhǎng)的光當(dāng)光強(qiáng)度變化時(shí)顏色都會(huì)隨著改變。 在可見光光譜多數(shù)位置，波長(zhǎng)改變?cè)?-2nm時(shí)人眼才能夠辨別，只有在540nm波長(zhǎng)黃光兩端人眼才具有最佳分辨能力，波長(zhǎng)1nm的變化就能夠引起人眼的反應(yīng)。在整個(gè)可見光光譜中，正常人的視覺可以分辨出大約100種顏色。873-4-2 寶石材料的顏色與表征2、各種波長(zhǎng)色光的顏色與光強(qiáng)度的關(guān)系圖3-4-2-2 各種波長(zhǎng)的恒定顏色線883-4-2 寶石材料的顏色與表征三、寶石顏色分類寶石的顏色客觀上是寶石反射或透射的可見光的組合，主觀上是寶石反射或透射的可見光的組合光通過人眼在大腦中產(chǎn)生的色知覺。寶石顏色可分為彩色系列和黑白系列(非彩色系列)兩類。彩色系列包括可見光譜中各不同色相、不同明度和不同飽和度的色光；黑白系列包括白色、灰色和黑色，他們只有明度差異。當(dāng)反射率達(dá)到80%以上是寶石呈白色、當(dāng)吸收率超過90%時(shí)寶石呈黑色。893-4-