第一篇寶石學(xué)基礎(chǔ)寶石礦物的化學(xué)成分

1、第一節(jié) 寶石礦物化學(xué)成分的特點(diǎn)一、寶石礦物晶體化學(xué)的分類 從晶體化學(xué)的角度，寶石礦物可劃分為含氧鹽類、氧化物類和自然元素類等。(一) 含氧鹽類 大部分寶石礦物屬于含氧鹽類，其中又以硅酸鹽類礦物居多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，寶石礦物中硅酸鹽類礦物約占一半，還有少量寶石礦物屬磷酸鹽類。1硅酸鹽類 在硅酸鹽類礦物的晶體結(jié)構(gòu)中，硅氧絡(luò)陰離子配位的四面體SiO44 -是它們的基本構(gòu)造單元。硅氧四面體在結(jié)構(gòu)中可以孤立地存在，也可以以其角頂相互連接而形成多種復(fù)雜的絡(luò)陰離子(基型)。根據(jù)硅氧四面體在晶體結(jié)構(gòu)中的連接方式，可分成以下幾種。 (1)島狀基型 表現(xiàn)為單個(gè)硅氧四面體SiO44 -或每兩個(gè)四面體以一個(gè)公共角頂相連組成雙

2、四面體在結(jié)構(gòu)中獨(dú)立存在。它們彼此之間靠其他金屬陽離子(如Zr4+、Fe2+、Mg2+、Ca2+等)來連接，它們之間并不相連，因而呈獨(dú)立的島狀。屬于此類的寶石礦物有鋯石ZrSiO4、橄欖石(Mg,Fe)2SiO4、石榴石A3B2(SiO4)，(其中A為Fe2+、Mg2+、Ca2+、Mn2+等二價(jià)陽離子，B為A13+、Fe3+、Cr3+等三價(jià)陽離子)、黃玉A12SiO4(F，OH)2、榍石CaTi(SiO4)O、十字石Fe2A19(SiO4)4O6(O,OH)2和綠簾石Ca2FeAL2(Si2O7)(SiO4)O(OH)等。 (2)環(huán)狀基型 結(jié)構(gòu)中包含由三個(gè)、四個(gè)或六個(gè)SiO44 -硅氧四面體所組

3、成的封閉的環(huán)(分別叫三方、四方和六方環(huán))。環(huán)內(nèi)每一個(gè)四面體均以兩個(gè)角頂分別與相鄰的兩個(gè)四面體連接，而環(huán)與環(huán)之間則靠其他金屬陽離子連接。屬于此類的寶石礦物有藍(lán)錐礦BaTiSi3O9。(三方環(huán))、綠柱石Be3A12Si6O18。(六方環(huán))、堇青石(Mg,Fe)2A13A1Si5O18。(六方環(huán))和電氣石(六方環(huán))等。 (3)鏈狀基型 指每一SiO44 -四面體以兩個(gè)角頂分別與相鄰的兩個(gè)SiO44 -四面體連成一條無限延伸的鏈，鏈與鏈之間通過其他金屬陽離子來連接。屬于此類的寶玉石有翡翠、軟玉、透輝石和薔薇輝石等。 (4)架狀基型 每個(gè)SiO44 -四面體均以其全部的四個(gè)角頂與相鄰的四面體連接，組成在

4、三維空間中無限擴(kuò)展的骨架。屬于此類的寶石礦物有月光石、日光石、拉長石、天河石和方柱石等。 2磷酸鹽類 該類含有磷酸根PO43-，廣陰離子。由于半徑較大，因而要求半徑較大的陽離子(如Ca2+、Pb2+等)與之結(jié)合才能形成穩(wěn)定的磷酸鹽。此類礦物成分復(fù)雜，往往有附加陰離子。屬于此類的寶石礦物有磷灰石Ca5(PO4)3(F,C1,OH)和綠松石CuAl6(PO4)4(OH)8·4H2O等。 (二) 氧化物類 氧化物是一系列金屬和非金屬元素與氧陰離于O2-化合(以離子鍵為主)而成的化合物其中包括含水氧化物。這些金屬和非金屬元素主要有Si、A1、Fe、Mn、Ti、Cr等。陰離子一般按立方或六方最

5、緊密堆積，而陽離子則充填于其四面體或八面體空隙中。屬于簡單氧化物的寶石有剛玉礦物(A12O3)的紅寶石、藍(lán)寶石，SiO2類礦物(SiO2和SiO2·nH2O)的紫晶、黃晶、水晶、煙晶、芙蓉石、玉髓、歐泊、蛋白石及金紅石(TiO2)等。屬于復(fù)雜氧化物的寶石礦物有尖晶石(Mg，F(xiàn)e)A12O4和金綠寶石BeAl2O4等。(三)自然元素類 有些金屬和元素可呈單質(zhì)獨(dú)立出現(xiàn)。屬于此類的寶石礦物有鉆石(成分為C)等。二、寶石礦物的化學(xué)組成及其變化 寶石礦物的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)是決定一個(gè)寶石礦物種的兩個(gè)最基本的因素。只考慮其化學(xué)成分，不考慮結(jié)構(gòu)不能確定一個(gè)寶石種；同樣，只考慮其結(jié)構(gòu)而不考慮化學(xué)成分

6、也不能確定一個(gè)寶石種。例如，化學(xué)成分為碳(C)的固體，只有當(dāng)C以立方對(duì)稱排列時(shí)，才能確定其為鉆石或金剛石；而如果C以六方對(duì)稱排列時(shí)，只能確定為石墨。同樣，都具立方面心格子構(gòu)造的固體，化學(xué)成分為NaCl時(shí)，其為石鹽，而化學(xué)成分為CaF2時(shí)，只能確定其為螢石。因此，化學(xué)成分是寶石礦物存在的物質(zhì)基礎(chǔ)，晶體結(jié)構(gòu)是其存在的表現(xiàn)形式，二者是相互依存的，離開一方，另一方也就不再存在。很顯然，礦物的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)是決定寶石礦物一切性質(zhì)的最基本因素。 作為一個(gè)寶石礦物種，其化學(xué)成分可分為主要化學(xué)成分和次要或微量成分。主要化學(xué)成分是指能保持其結(jié)構(gòu)的化學(xué)成分，如果缺某個(gè)成分，其結(jié)構(gòu)便不能存在或保持。但在保持其結(jié)構(gòu)和

7、物化性質(zhì)基本不變的條件下，主要化學(xué)成分是可以有一定變化的，或者說它可以有一個(gè)變化范圍。因此我們說，寶石礦物的化學(xué)組成并不是固定不變的，而是可以有一定的變化幅度的。如剛玉寶石礦物，是具三方對(duì)稱的A12O3，不含任何次要或微量成分時(shí)，呈無色透明，A1和O均為其主要化學(xué)成分。但A1可以被少量的Cr所替代，而呈現(xiàn)紅色，這時(shí)的Cr就可稱為剛玉的次要化學(xué)成分或微量元素。但Cr的替代量是有限的，更不能全部替代A1，否則就不能保持其三方對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，剛玉也就不能存在了。引起礦物化學(xué)成分變化的原因很多，主要是類質(zhì)同象替代(下一節(jié)將詳述)和一些微細(xì)組分的機(jī)械混入(可以以顯微包體形式存在)。對(duì)寶石礦物而言，雜質(zhì)組分的

8、介入是極其重要的，它可使寶石礦物呈現(xiàn)各種漂亮迷人的顏色(如祖母綠因含有微量Cr元素而呈現(xiàn)美麗的翠綠色)，也可使部分寶石礦物具有特殊的光學(xué)效應(yīng)(如星光效應(yīng)和貓眼效應(yīng)等)。三、寶石礦物中的水 許多寶石礦物含有水，根據(jù)礦物中水的存在形式及它們?cè)诰w結(jié)構(gòu)中的作用，可以把水分成以下幾大類。 1吸附水 吸附水不參加晶格，是滲入在礦物集合體中，為礦物顆粒間隙或裂隙表面機(jī)械吸附的中性水分子(H2O)。吸附水不屬于礦物的化學(xué)成分，不寫入化學(xué)式。它們?cè)诘V物中的含量不定，隨溫度和濕度變化而不同。常壓下溫度達(dá)到100110時(shí)，吸附水就基本上從礦物中逸出，而不破壞晶格。吸附水可以呈氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)。 另外，水膠凝體中含

9、有一種特殊類型的吸附水，稱為膠體水。它被微弱的聯(lián)結(jié)力固著在微粒的表面，通常計(jì)人礦物的化學(xué)組成，但其含量變化很大。例如蛋白石，其分子式為SiO2·nH2O(n為H2O分子數(shù)，不固定)。 2結(jié)晶水 結(jié)晶水以中性水分子(H2O)存在于礦物中，在晶格中占有固定的位置，起著構(gòu)造單位的作用，是礦物化學(xué)組成的一部分。水分子的數(shù)量與礦物其他成分之間有固定的比例。結(jié)晶水從礦物中逸出的溫度一般不超過600C，通常為100200C。當(dāng)結(jié)晶水失去時(shí)，晶體的結(jié)構(gòu)將被破壞并形成新的結(jié)構(gòu)。 比如綠松石就是一種含結(jié)晶水的磷酸鹽，分子式為CuAl6(P04)4(OH)8·4H2O，其中H2O含量達(dá)1947。

10、 3結(jié)構(gòu)水 結(jié)構(gòu)水(也稱化合水)是以O(shè)H-、H+、H3O+等離子形式參加礦物晶格的“水”，其中OH-形式最為常見。結(jié)構(gòu)水在晶格中占有固定的位置，在組成上具有確定的比例。由于與其他質(zhì)點(diǎn)有較強(qiáng)的鍵力聯(lián)系，結(jié)構(gòu)水需要較高的溫度(通常在6001000之間)才能逸出。當(dāng)其逸出后，晶體結(jié)構(gòu)完全破壞。 許多寶石礦物都含有這種結(jié)構(gòu)水，例如：碧璽NaMg3A16(Si6O18)(BO3) 3 (OH)4、十字石Fe2A19(SiO4)4O6(O,OH)2、黃玉A12SiO4(OH，F(xiàn))2和磷灰石Ca5(PO4)3(F,C1,OH)等。 此外，在堇青石和綠柱石平行z軸的結(jié)構(gòu)通道中，常會(huì)有一定數(shù)量的水，含量有一定的

11、變化。其存在形式和結(jié)構(gòu)狀態(tài)到目前仍不太清楚。它是一種特殊類型的結(jié)構(gòu)水，它的失去需要很高溫度。第二節(jié) 類質(zhì)同象對(duì)寶石化學(xué)成分的影響一、類質(zhì)同象的概念 正如前節(jié)所述，礦物化學(xué)成分在一定范圍內(nèi)是可以變化的。這主要是由于兩方面的原因，一是類質(zhì)同象替代；二是外來物質(zhì)機(jī)械混入，即含有不進(jìn)入晶格的包體。所謂類質(zhì)同象，是指在晶體結(jié)構(gòu)中部分質(zhì)點(diǎn)被其他性質(zhì)類似的質(zhì)點(diǎn)所替代，僅使晶格常數(shù)和物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生不大的變化，而晶體結(jié)構(gòu)保持不變的現(xiàn)象。 如果相互替代的質(zhì)點(diǎn)可以任意比例替代，即替代是無限的，則稱為完全類質(zhì)同象，此時(shí)它們可以形成一個(gè)成分連續(xù)變化的類質(zhì)同象系列。例如，橄欖石(Mg，F(xiàn)e)2(SiO4)中的Mg2+F

12、e2+之間的替代，當(dāng)二者都存在時(shí)，可統(tǒng)稱為橄欖石；當(dāng)Mg全部被Fe替代時(shí)，便成為鐵橄欖石Fe2(SiO4)，F(xiàn)e全部被Mg替代時(shí)，就成為鎂橄欖石Mg2(SiO4)。又如，斜長石(由鈣長石分子和鈉長石分子組成)中Na+Si4+Ca2+A13+的替代，都可以在一定條件下形成完全類質(zhì)同象。 如果質(zhì)點(diǎn)替代只局限于一個(gè)有限的范圍內(nèi)，則稱為不完全類質(zhì)同象。例如閃鋅礦(ZnS)中的Zn2+可部分地(最多26)被Fe2+所替代，在這種情況下，F(xiàn)e2+被稱為類質(zhì)同象混人物。此外，當(dāng)相互替代的質(zhì)點(diǎn)電價(jià)相同時(shí)(如Na+K+，F(xiàn)e2+Mg2+)稱為等價(jià)類質(zhì)同象，如果相互替代的質(zhì)點(diǎn)電價(jià)不同(如A13+替代Si4+)則稱

13、為異價(jià)類質(zhì)同象，當(dāng)然后者必須有電價(jià)的補(bǔ)償以維持電價(jià)平衡。比如在鈉長石(NaAlSi3O8)鈣長石(CaAl2Si2O8)系列中，A13+與Si4+之間的替代和Na+與Ca2+之間的替代都是異價(jià)的，但由于這兩種替代同時(shí)進(jìn)行，所以替代前后總電價(jià)仍是平衡的。二、類質(zhì)同象的條件 形成類質(zhì)同象的條件，一方面取決于質(zhì)點(diǎn)本身的性質(zhì)，如原子或離子半徑大小、電價(jià)、離子類型、化學(xué)鍵性等；另一方面也取決于外部條件，如溫度、壓力和介質(zhì)條件等。 1質(zhì)點(diǎn)大小相近 相互替代的原子或離子必須有近似的半徑。一般而言，如果相互替代的質(zhì)點(diǎn)半徑相差越小，相互替代的能力越強(qiáng)，替換量也越大；反之則越弱、越小。在異價(jià)類質(zhì)同象替代中，在元素

14、周期表上對(duì)角線方向的陽離子半徑近于相等，容易發(fā)生替代，從而存在著所謂的對(duì)角線規(guī)則(一般都是右下方的高價(jià)陽離子替代左上方的低價(jià)陽離子)(見表1-2-1)。2電價(jià)的總和平衡 在離子化合物中，類質(zhì)同象替代前后離子電價(jià)總和應(yīng)保持平衡，因?yàn)殡妰r(jià)不平衡將引起晶體結(jié)構(gòu)的破壞。對(duì)于異價(jià)類質(zhì)同象，電價(jià)的平衡可以通過下列方式完成：電價(jià)較高的陽離子被數(shù)量較多的低價(jià)陽離子替代(如云母中3Mg2+替代2A13+)，或者相反；成對(duì)替代，即高價(jià)陽離子替代低價(jià)陽離子的同時(shí)另有其他低價(jià)陽離子替代高價(jià)陽離子，使離子總電位達(dá)到平衡，如斜長石中Na+Si4+Ca2+A13+；藍(lán)寶石中Fe2+Ti4+2A13+等；高價(jià)陽離子替代低價(jià)陽

15、離子伴隨高價(jià)陰離子替代低價(jià)陰離子，如磷灰石(Ca2+,Ce3+)5(PO4)3，(F，O)中Ce3+替代Ca2+，伴隨O2-替代F+低價(jià)陽離子替代高價(jià)陽高子，所虧損的電價(jià)由附加陽離子平衡，如綠松石中LiBe2+、Fe2+A13+所虧損的正電荷分別由半徑較大的Cs+和Na+進(jìn)人綠松石結(jié)構(gòu)通道中平衡。 3相同的化學(xué)鍵性 類質(zhì)同象替代一般是在同種離子類型之間發(fā)生的，如果離子類型不同則很難發(fā)生類質(zhì)同象。因?yàn)殡x子類型不同，極化力強(qiáng)弱各異。惰性氣體型離子易形成離子鍵，而銅型離子則趨向于共價(jià)鍵結(jié)合。例如在硅酸鹽寶石礦物中，A1O之間和SiO之間都主要是共價(jià)鍵，因而經(jīng)常出現(xiàn)A13+對(duì)S4+產(chǎn)的替代。又如Ca2

16、+(惰性氣體型)和Hg2+(銅型)雖然電價(jià)相同、半徑相似，但因離子類型不同，所形成鍵性各異，所以它們之間不產(chǎn)生類質(zhì)同象替代，這就是為什么在硅酸鹽中很難發(fā)現(xiàn)CaHg等類質(zhì)同象的原因。 4熱力學(xué)條件 介質(zhì)的溫度、壓力和組分濃度等外部條件對(duì)類質(zhì)同象的發(fā)生也起重要作用。一般來說，溫度升高時(shí)類質(zhì)同象替代的程度增大，溫度下降則類質(zhì)同象替代減弱。如在高溫下堿性長石中K和Na可以互呈類質(zhì)同象替代而形成(K，Na)A1Si3O8或(Na,K)A1Si3O8固溶體；但在低溫下則發(fā)生固溶體分離，而形成由鉀長石KAlSi3O8和鈉長石NaAlSi3O8兩種礦物組成的條紋長石。壓力的增加往往會(huì)限制類質(zhì)同象替代的范圍，并

17、促使固溶體分離。組分的濃度對(duì)類質(zhì)同象也會(huì)有影響，如在磷灰石的形成過程中，若P2O5的濃度很大，而Ca含量不足，則Sr和Ce族元素可以進(jìn)入晶格占據(jù)Ca的位置，從而使磷灰石中聚集相當(dāng)大量的稀有或分散元素。三、類質(zhì)同象對(duì)寶石礦物物理性質(zhì)的影響 1對(duì)寶石礦物顏色的影響 類質(zhì)同象對(duì)于寶石礦物具有非常重要的意義，因?yàn)榇蟛糠謱毷V物是由于少量類質(zhì)同象 混人物而呈現(xiàn)各種美麗誘人顏色的。現(xiàn)舉幾個(gè)具代表性的實(shí)例。 (1)剛玉 純凈的剛玉礦物是無色的，其化學(xué)成分為A12O3當(dāng)其中A13+被微量Cr3+替代(即Cr3+A13+)時(shí)則呈現(xiàn)玫瑰紅紅色色調(diào)，稱紅寶石；當(dāng)其中A13+被微量Ti4+和Fe2+等替代(即Ti4+

18、Fe2+2A13+)時(shí)則呈現(xiàn)漂亮的藍(lán)色，稱藍(lán)寶石。Fe2+和Ti4+含量越高則藍(lán)寶石的藍(lán)色越深，反之越淺。我國山東藍(lán)寶石的深藍(lán)色就是其中含有過多的Fe所致。 (2)綠柱石 綠柱石的化學(xué)成分為Be3A12Si6O18，純凈的綠柱石是無色的。當(dāng)綠柱石的Be、A1被不同元素替代時(shí)，可以呈現(xiàn)不同的顏色，如綠色、黃綠色、藍(lán)色、黃色和粉紅色等。當(dāng)綠柱石中含有Cr、V等元素時(shí)，就呈現(xiàn)美麗的翠綠色，這就是祖母綠；當(dāng)含有Fe和Sc等元素時(shí)，呈現(xiàn)漂亮的藍(lán)色，這就是海藍(lán)寶石；當(dāng)含有Cs、Mn等元素時(shí)則呈現(xiàn)粉紅色紅色；當(dāng)含有Fe或U時(shí)則呈現(xiàn)黃色色調(diào)或黃綠色色調(diào)。 (3)電氣石 電氣石的化學(xué)成分為(Na,Ca)R3A1

19、6Si6O18 (O,OH,F)4，式中R主要為Mg、Fe、Cr、Li、A1、Mn等，這些元素之間復(fù)雜的類質(zhì)同象替代導(dǎo)致了電氣石的化學(xué)成分十分復(fù)雜，也導(dǎo)致了電氣石具有各種各樣的顏色。在電氣石化學(xué)組成中，Mg2+Fe2+之間和Fe2+Li+、A13+之間呈完全類質(zhì)同象，其中3Fe2+2A13+Li+替代的負(fù)電荷不足，由附加陰離子中OH-被O2-替代來補(bǔ)償；Mg和Li之間的替代，以及Mg、Fe和Cr、Mn之間的替代都是不完全的。當(dāng)電氣石化學(xué)組成中R位以Fe為主時(shí)，則電氣石呈深藍(lán)色甚至黑色；當(dāng)R位以Mg2+為主時(shí)則電氣石呈黃色褐色；當(dāng)電氣石富含Li和Mn時(shí)則呈玫瑰色或淺藍(lán)色；當(dāng)電氣石富含Cr時(shí)則呈深

20、綠色。 (4)翡翠翡翠主要由硬玉礦物組成，硬玉的化學(xué)組成為NaAISi2O6。純凈的硬玉巖是白色的，但當(dāng)硬玉化學(xué)組成中的A1被不同元素替代時(shí)，則顯示不同的顏色：當(dāng)硬玉化學(xué)組成中的A1 被Cr、V替代時(shí)，則翡翠呈誘人的綠色，綠色的深淺與替代程度有關(guān)，當(dāng)Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12之間時(shí)，翡翠的顏色最美麗，呈濃艷的綠色，且為半透明，但當(dāng)Cr含量很高時(shí)，翡翠則呈不透明的黑綠色，即所謂的干青種翡翠；當(dāng)硬玉化學(xué)組成中的A13+被Fe3+替代時(shí)，則翡翠呈發(fā)暗的綠色(不像含Cr翡翠那么鮮艷、明快，而是呆板、缺乏靈氣)，若Fe3+只是少量替代A13+，翡翠呈淺綠色，若Fe3+大量替代A13+，則翡翠呈暗綠色，甚至墨綠

21、色；當(dāng)硬玉化學(xué)組成中的A13+同時(shí)被Fe3+和Cr3+替代時(shí)，翡翠的顏色則視Fe3+和Cr3+相對(duì)比例而定。Cr3+較多則綠色鮮艷一些，F(xiàn)e3+較多時(shí)則綠色偏暗一些；當(dāng)硬玉化學(xué)組成中的A13+同時(shí)被Fe2+和Fe3+替代時(shí)，則翡翠呈紫色，也有人認(rèn)為翡翠的紫色是由于含有Mn或K造成的。 2對(duì)寶石礦物折射率、相對(duì)密度和硬度的影響 類質(zhì)同象不但使寶石礦物的化學(xué)成分發(fā)生一定程度的改變，而且也在一定程度上影響它的折射率和相對(duì)密度等物理性質(zhì)?，F(xiàn)舉幾個(gè)實(shí)例加以說明。 (1)電氣石 如前所述，電氣石的顏色基本上受類質(zhì)同象的種類和程度的影響，實(shí)際上電氣石的相對(duì)密度和折射率也與類質(zhì)同象有密切聯(lián)系。鎂電氣石NaMg

22、3A16Si6O18(BO3)3(OH)4中的Mg2+和鋰電氣石Na(Li,A1)，AI6O18 (BO3)3 (OH,F) 4中的Li+、A13+都有可能被Mn2+和Fe2+替代。研究表明，隨著電氣石成分中Mn、Fe的增加，電氣石的相對(duì)密度(303325)、折射率(n=16351675，ne=16101650)和雙折射率(00160033)都隨之增大。 (2)綠柱石 在綠柱石Be3A12Si6O18。組成中，當(dāng)Be被Li替代(即Li+Be2+)時(shí)，所虧損的電荷主要由半徑較大的Cs+進(jìn)入綠柱石的結(jié)構(gòu)通道來平衡。含Cs越高，則綠柱石的相對(duì)密度(2629)、折射率(n=15661602，ne=15

23、621594)和雙折射率(00040009)也越高，Cs(Cs2O)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)413。 (3)橄欖石 在橄欖石(Mg,Fe) 2SiO4組成中，F(xiàn)e和Mg可以呈完全類質(zhì)同象(Mg2+Fe2+)，隨著其中Fe含量增加，不但橄欖石的顏色加深，而且它的相對(duì)密度(332337)和折射率(165169)也逐漸增大，摩氏硬度(HM=657)也略有增加。 (4)黃玉 在黃玉Al2SiO4 (F,OH) 2的化學(xué)組成中，F(xiàn)作為附加陰離子有時(shí)可被OH-所替代，最高時(shí)可達(dá)F含量的13(與黃玉形成時(shí)的溫度有關(guān))。研究表明，隨著OH-對(duì)P-替代程度的增加，黃玉的相對(duì)密度(3536)逐漸減小，折射率(16031

24、638)逐漸增大。第三節(jié) 寶石中的包體天然寶石是在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中形成的，外來雜質(zhì)的混入、成礦溶液的濃度及溫度壓力的變化都會(huì)寶石的生長產(chǎn)生影響，同時(shí)也會(huì)在寶石的內(nèi)部留下一定的痕跡，這就是我們常說的包體。寶石中包體的形成與礦物包體形成一樣，往往與晶體生長過程中產(chǎn)生的晶體缺陷有關(guān)。晶體中缺陷的形成則和晶體的結(jié)構(gòu)類型、晶核的數(shù)量、晶體的生長速度及環(huán)境(如溫度、壓力、介質(zhì)濃度等)密切相關(guān)。19世紀(jì)初，人們就開始研究礦物中的包體，只是到了19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，由于合成紅寶石和藍(lán)寶石的出現(xiàn)，人們才意識(shí)到寶石內(nèi)部的包體的重要性。 研究寶石的包體極為重要，它可以幫助我們鑒定寶石品種、區(qū)分天然和合成寶石、判別

25、寶石的優(yōu)化處理、評(píng)價(jià)寶石的品質(zhì)和了解寶石的成因甚至產(chǎn)地。一、包體的概念 包體的概念來源于礦物學(xué)，在寶石學(xué)中給予丁沿用和擴(kuò)展。 寶石包體的概念有狹義和廣義之分。狹義包體的概念是指寶石礦物生長過程中被包裹在晶格缺陷中的原始成礦熔漿，其至今仍存在于寶石礦物中，并與主體礦物有相的界線。 廣義包體的概念是指影響寶石礦物整體均一性的所有特征。即除狹義包體外，還包括寶石的結(jié)構(gòu)特征和物理特性的差異，如帶狀結(jié)構(gòu)、色帶、雙晶、斷口和解理，以及與內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)的表面特征等。寶石學(xué)中多涵蓋的是廣義包體概念。二、寶石中包體的分類(一)依據(jù)包體與寶石形成的相對(duì)時(shí)間分類依據(jù)包體與寶石形成的相對(duì)時(shí)間，可將包體分為原生包體、同生

26、包體和次生包體。 1原生包體 原生包體是指比寶石形成更早，在寶石形成之前就已結(jié)晶或存在的一些物質(zhì)，在寶石晶體形成過程中被包裹到寶石內(nèi)部。原生包體的形成主要與介質(zhì)環(huán)境(如成礦溶液成分和濃度的變化)及晶體的快速生長有關(guān)。寶石中的原生包體都是固態(tài)的，它可以與寄主礦物同種，也可以不同(見圖1-2-1)。 合成寶石一般不存在原生包體，但對(duì)于有種晶的一些合成方法，也可把合成寶石中的種晶視為一種原生包體。2同生包體 同生包體是指在寶石生成的同時(shí)所形成的包體，它們的形成主要與晶體的差異性生長、晶體的不規(guī)則生長結(jié)構(gòu)、晶體的生長間斷、溶液過飽和度的變化、外來雜質(zhì)的出現(xiàn)、體系溫度或壓力的突然變化等因素有關(guān)。此類包體

27、可以是固態(tài)的，也可以是含有呈各種組合關(guān)系的固體、液體和氣體，甚至空洞或裂隙等，還可以是導(dǎo)致分帶性的化學(xué)組分變化所形成的色帶、幻晶等。 (1)同生固態(tài)包體 在某些情況下，若包體礦物與寶石晶體沿結(jié)合面的原子結(jié)構(gòu)相似，當(dāng)寶石晶體停止生長時(shí)，包體礦物可聚集和生長在寶石晶體的表面；晶體的重新生長會(huì)覆蓋這些生長在表面的礦物，使之成為包體。 纖維狀礦物的生長速度比主體寶石的生長速度快，因而可以形成長絲狀的包體，如水晶中呈針狀的金紅石、閃石包體(見圖1-2-2)。在高溫下結(jié)晶均勻的固溶體礦物，當(dāng)溫度緩慢下降時(shí)，固溶體的溶解度減小達(dá)到過飽和狀態(tài)，而出溶成為兩個(gè)彼此不同的礦物，可使寶石晶體中含有片狀或針狀礦物晶體

28、，而且它們的方向往往與寄主晶體的某個(gè)結(jié)構(gòu)方向平行。例如：從剛玉中出溶的金紅石結(jié)晶成三組針狀的晶體，相互的交角為120。，而且均平行于剛玉的底軸面。 鈦化合物如金紅石、榍石和鈦鐵礦是寶石中最常見的出溶礦物。這是由于Ti元素的豐度大，易于為寄主晶體所容納并從寄主晶體晶格中出溶。大量的出溶針狀物可在剛玉、石榴石和尖晶石等寶石中產(chǎn)生貓眼和星光效應(yīng)。其他的出溶礦物有日光石、堇青石中的赤鐵礦；月光石中的鈉長石；拉長石中的針鐵礦等。 (2)同生流體(氣液)包體 產(chǎn)于某些地質(zhì)環(huán)境的寶石可含有大量的氣液包體。由于形成條件的制約，氣液包體很少見于火成巖，常見于偉晶巖中。這是因?yàn)閭ゾr形成于較低的溫度，并含有大量的

29、水溶液。 晶體在生長過程中可能破裂，成礦溶液可以進(jìn)入其裂隙中，直到裂隙在適當(dāng)部位愈合為止。以這種方式形成的愈合裂隙在富含水溶液環(huán)境條件下生成的寶石中是常見的。愈合裂隙可以呈扁平狀或彎曲狀，常說的“指紋狀包體”就屬于此類(見圖1-2-3)。 有的寶石內(nèi)部可含有管狀的孔道或具有規(guī)則形狀的孔洞。這是由于寶石晶體在生長的過程中生長阻斷或生長速度過快造成的。在生長過程中，孔道或孔洞的形狀可能會(huì)發(fā)生改變或愈合。如海藍(lán)寶石中的“管狀”包體可以呈斷斷續(xù)續(xù)的“雨絲狀”。 很多情況下，經(jīng)常見到液態(tài)包體與氣態(tài)、固態(tài)包體共存。 (3)同生的非物質(zhì)性包體 寶石晶體中常見同生不均勻性包體，主要表現(xiàn)為下述幾種分帶現(xiàn)象。 包

30、體分帶 寶石晶體生長的暫時(shí)停頓使外來的晶體集結(jié)在寄主晶體的表面。若寄主晶體重新生長，便可形成或多或少的呈面狀分布的薄層包體，即所謂的“幻晶”。 顏色分帶 顏色分帶通常取決于寶石中化學(xué)成分的變化，它反應(yīng)了寶石生長環(huán)境和流體化學(xué)成分的變化，如紅寶石、藍(lán)寶石中的平直或角狀色帶。 結(jié)構(gòu)分帶 結(jié)構(gòu)分帶通常是由寶石中的雙晶造成的，如鉆石、長石和紅藍(lán)寶石中的生長紋和雙晶紋。 合成寶石的包體大都屬于同生包體，它們可以是固態(tài)、氣態(tài)或液態(tài)。但它們往往從形態(tài)和組成上與天然寶石明顯不同，可作為區(qū)分天然與合成寶石的主要或診斷性特征。如助熔劑法合成紅寶石中的助熔劑殘留(見圖1-2-4)，水熱法中合成祖母綠中的鉑金片、合成

31、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紋和氣泡(見圖1-2-5)等。3次生包體 次生包體是指寶石形成后產(chǎn)生的包體，它是寶石晶體形成后由于環(huán)境的變化，如受應(yīng)力作用產(chǎn)生裂隙，外來物質(zhì)沿其滲入及裂隙充填所形成的包體，甚至可能是由于放射性元素的破壞作用所形成的包體。 (1)次生裂隙及外來物質(zhì)充填膠結(jié) 寶石停止生長后產(chǎn)生的裂隙中可能會(huì)有外來物質(zhì)進(jìn)入并在其中沉淀。常見的外來物質(zhì)是鐵和錳的氧化物，如水晶或瑪瑙中的黑色樹枝狀包體(見圖1-2-6)。 (2)放射性元素的破壞作用 有些寶石經(jīng)常含有微量的放射性元素，如鋯石常含有放射性元素u和Th，由于它們的存在不但可以破壞寶石本身

32、的晶體結(jié)構(gòu)，同時(shí)，當(dāng)鋯石作為包體出現(xiàn)在其他寶石礦物中時(shí)，放射性元素在破壞鋯石晶格的同時(shí)，還會(huì)使鋯石的體積增大，也可對(duì)主晶寶石晶格產(chǎn)生破壞，產(chǎn)生的應(yīng)力可導(dǎo)致在鋯石周圍形成放射狀的裂隙等痕跡，這就是我們所說的“鋯石暈”(見圖1-2-7)。 合成寶石往往不存在次生包體。但對(duì)于優(yōu)化處理的寶石，可含有一些次生包體。如，紅藍(lán)寶石的熱處理，往往會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部固態(tài)包體的體積發(fā)生變化，使之發(fā)生爆裂而在周圍產(chǎn)生次生裂隙(見圖1-2-8)；也會(huì)使寶石中存在的Fe、Ti出溶，而形成金紅石針；也可使同生的針狀金紅石包體熔蝕，形成呈點(diǎn)狀排列的金紅石。這些也都可以作為寶石熱處理的鑒定特征。另外，寶石的染色處理、充填處理也可視為

33、次生的包體；擴(kuò)散處理造成的顏色在刻面寶石的腰棱部位的顏色集中、激光打孔處理和KM處理鉆石所留下的痕跡和裂隙也可視為次生包體。(二)依據(jù)包體的相態(tài)分類 根據(jù)包體的相態(tài)特征，可將包體分為固相包體、液相包體、氣相包體。 固相包體主要指在寶石中呈固相存在的包體，如紅寶石中的金紅石、祖母綠中的黃鐵礦和方解石等。 液相包體指單相、兩相的流體為主的包體，最常見的液體為水、溶解鹽(石鹽水、含碳酸的水)，有機(jī)液體也偶有出現(xiàn)(螢石中的石油液態(tài)包體，見圖1-2-9)。例如藍(lán)寶石中的指紋狀包體、螢石和黃玉中的兩相不混溶的液態(tài)包體等。 氣相包體指主要由氣體組成的包體，如琥珀中的氣泡、祖母綠中的CO，氣態(tài)包體、合成紅藍(lán)寶

34、石和玻璃中的氣泡等。 在實(shí)際寶石中，往往可見到兩種或兩種以上相態(tài)包體共存的現(xiàn)象，從而可將其分為單相、兩相、三相或多相包體。單相包體指以固相、液相或氣相單一相態(tài)存在的包體，其多為單相的固態(tài)包體，在合成寶石中也常見單相的氣態(tài)包體(即氣泡)；兩相包體可以是氣液(如指紋狀包體多為氣液兩相包體)、液液(如黃玉中的兩相不混溶的液態(tài)包體)、液固兩相包體；三相包體主要指同一包體內(nèi)含有氣液固三相或液液氣三相包體，如祖母綠中常見的由石鹽氣泡水構(gòu)成的三相包體(見圖1-2-10)。兩相或多相包體的形成往往都與前期形成的流體的液態(tài)包體有關(guān)。當(dāng)流體被捕獲到寶石晶體的孔洞時(shí)，流體可能是均一的(少數(shù)情況下由液體和懸浮晶體、液

35、體和懸浮氣體或兩相不混溶液體組成)，這種均一的流體會(huì)隨著溫度的下降而發(fā)生變化，分離出氣體、固體或其他液體。 天然寶石中存在于液態(tài)包體中的氣態(tài)包體多為低壓水蒸氣、二氧化碳或甲烷。它們多為由于溫度或壓力的下降從溶液中逸出的氣體。 存在于液態(tài)包體中的固態(tài)包體多為鹽類晶體，它們也是液態(tài)包體溫壓的下降造成溶液過飽和從溶液中析出的晶體。主要晶體為鈉、鉀、鈣、鎂的氟化物、氯化物、碳酸鹽或硫酸鹽。其中最常見的是石鹽(氯化鈉)、鉀鹽(氯化鉀)和石膏(硫酸鈣)。(三)依據(jù)包體成分分類 根據(jù)包體成分特點(diǎn)可將包體分為有機(jī)包體和無機(jī)包體兩大類。 有機(jī)包體是指主要由有機(jī)物質(zhì)組成的包體，如琥珀中的動(dòng)植物包體(見圖1-2-1

36、1)及螢石中的石油包體等。 無機(jī)包體是指各種晶體、熔體及氣液流體包體，它們由無機(jī)物質(zhì)組成，絕大部分寶石中的包體都是無機(jī)包體。(四)依據(jù)包體存在形式分類 根據(jù)包體的存在形式，可將包體分為物質(zhì)型包體和非物質(zhì)型包體兩大類。 1物質(zhì)型包體 是指以實(shí)際物質(zhì)形態(tài)存在的包體，如固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)包體等。 2非物質(zhì)型包體 是指由晶體缺陷及后期應(yīng)力作用形成的內(nèi)部缺陷所構(gòu)成的包體，它們往往不是以實(shí)際的物質(zhì)形式存在，而多呈一種現(xiàn)象出現(xiàn)，如空晶、雙晶面、解理紋等。多是由晶體成分的變化、晶體缺陷、放射性蛻變所導(dǎo)致的與主體寶石顏色有明顯差異的色帶、色團(tuán)、色暈等組成的包體，以及由寶石的物理性質(zhì)引起的特征現(xiàn)象。 (1)顏色分布 寶石中顏色的分布特征對(duì)揭示寶石優(yōu)化處理、合成和天然類型是非常有用的。平直的顏色分帶是諸如茶晶、紫晶和藍(lán)寶石等許多天然寶石的典型特征，但平直的色帶并不一定就是天然寶石的特征。焰熔法合成寶石往往具有彎曲的色帶。人工改色的寶石的顏色分布具有獨(dú)特性，在染色