黑曜巖及其仿制品的對比研究①

周樹禮,劉銜宇

(桂林理工大學地球科學學院,廣西桂林541004)

黑曜巖及其仿制品的對比研究①

周樹禮,劉銜宇

(桂林理工大學地球科學學院,廣西桂林541004)

近年來,天然玻璃作為寶石材料在市場的銷售開始慢慢增多。由于天然玻璃和人造玻璃的主要成分都是二氧化硅,且都是無內部固定結構的材料,使得二者難以區(qū)別。文章通過常規(guī)的寶石學特征測定,同時利用偏光顯微鏡下的薄片分析和電子探針等手段對于天然玻璃的一種——黑曜巖和現今市場上出現的仿制品進行了物理性質和化學方面的對比。

天然玻璃;黑曜巖;仿制品;對比

1 天然玻璃和人造玻璃的概述

1.1 天然玻璃

天然玻璃包括天然的火山玻璃如黑曜石、隕石玻璃如莫爾道玻隕石和雷公墨等等。

在當今的寶玉石市場上,天然玻璃這類寶石材料雖然并不被大家所重視,但是也慢慢開始嶄露頭角了。其實在自然界中有若干種天然的玻璃可以用來作為寶石,只要它具有了寶石的特性——即美觀性、耐久性、稀有性。

1.2 人工合成玻璃

仿制寶石材料指的是具有天然寶石外貌,但不具有其化學成分、原子結構和物理性質的材料。人工合成的玻璃在仿制寶石中占據著重要位置。恰當染色的玻璃可以用來模仿所有透明和半透明的寶石材料,以及大多數微透明的寶石材料。玻璃是最古老的一種寶石仿制品,至今仍然被大量的使用。玻璃可以用來仿制幾乎所有的中高檔寶石,如鉆石、祖母綠、月光石、橄欖石、剛玉類寶石材料等。而由于天然玻璃的成分重要的也是SiO2,這樣一來,人工玻璃仿制的成功率就會更高,這也確實蒙騙了不少的珠寶商和消費者。

玻璃是一種非晶質物質,其內部質點在三維空間沒有重復規(guī)律的排列。和天然玻璃一樣,玻璃以其原材料的儲量巨大以及特殊的物理性質被廣泛地應用于珠寶業(yè)中。時至今日,這種材料無論是在使用范圍、加工技術以及材料性質的改善上都有了質的飛躍,已成為了一種相當普及的“廉價寶石”和高度逼真的仿制品材料。近年來它在珠寶業(yè)中又作為高檔寶石的充填物,用以改善寶石的質量。然而,它畢竟是廉價的玻璃,價格上與其他高檔次的寶石根本無法比擬,正因為如此,一些不法的珠寶商借此魚目混珠,以假亂真,以次充好,造成了珠寶業(yè)的一定混亂。

另外,玻璃又可以分為含鉛和不含鉛兩類,無鉛玻璃,主要是由二氧化硅組成,加有鈉和鈣的氧化物。鉛玻璃,主要是由二氧化硅組成,加有鉀和鉛的氧化物。加進鉛的氧化物可以提高玻璃的色散和亮度的特性,但是通常也會使得玻璃的硬度降低。

表1 常見人工合成的玻璃制品的重要參數Table 1 Important parameters of the common synthetic glass

2 天然玻璃和人造玻璃常規(guī)寶石學特征的對比

2.1 光學性質的對比

(1)顏色

天然黑曜巖的顏色從黑色到褐色、紅色、黃色、灰色乃至微綠色和微藍色都有出現,但是市場上出現的仿制品的顏色幾乎全是綠黑色的,且色調非常地統(tǒng)一。

(2)透明度及光澤

黑曜巖一般是半透明到微透明的,其拋光后制成的成品其光澤為玻璃光澤。仿制品大都為不透明,光澤為玻璃光澤。

(3)光學效應的產生

天然黑曜巖中有的會出現彩虹狀的效應,這是因為其內部所含圓形或者是拉長的氣泡對光的折射率所導致的在表面的光彩。

仿制品中的“眼睛”在銷售中也被認為具有彩虹狀效應,但是筆者在研究中認為,這里的彩虹狀效應與合成的工藝有關,是人為的生長很平直的線條而導致的,且仿制品切開后,雖然已經碎開,但是在其表面仍然可以看到“殘缺”的彩虹狀效應。我們仔細觀察時常所見的貓眼,其色彩也可能是因為人為導致的定向排列的包裹體導致的。

(4)折射率

在實驗室利用中國地質大學珠寶學院研制的珠寶折射儀測出其折射率(使用589nm黃光源進行測試)。

對三個仿制品的珠子進行測試(點測法):

將珠子拋磨好后進行折射率測試,

故仿制品折射率大約在1.48～1.49之間(由于樣品數量有限,故數據會有誤差)。

對天然黑曜巖進行測試:

對其不平整的地方進行點測法測試

將天然的珠子拋磨好后進行折射率測試

故天然黑曜巖折射率大約在1.49～1.50之間(由于樣品數量有限,故數據會有誤差)。

(5)誤差

天然玻璃在長波和短波紫外熒光下均無反應。仿制品在長波和短波紫外熒光下也無反應。

2.2 物理性質

(1)硬度

利用摩氏硬度筆,對所取天然的黑曜巖樣品進行刻劃測試。用硬度為五的硬度筆刻劃,用放大鏡觀察刻劃處,無痕跡。故硬度大于5。用硬度為六的硬度筆刻劃,用放大鏡觀察刻劃處,有痕跡。故硬度小于6。

天然玻璃的硬度為5至6之間。同樣對仿制品進行測試,仿制品的硬度亦為5到6之間。

(2)韌性

在磨制薄片前,筆者對樣品進行切割開料時發(fā)現,天然隕石玻璃和黑曜巖在被切割時明顯容易崩裂。但是黑曜巖仿制品卻能比較完好地被分割開來,這樣可見,仿制品的韌性相對來說要好一些。

(3)相對密度

利用珠寶檢測中心的單盤直讀天平進行測試,天然隕石玻璃的三個仿制品樣品的SG分別如下:

表2 樣品的SG測試數據Table 2 SG testing data of the samples

2.3 其內部特征的對比

將天然黑曜巖切磨成薄片,使其透明度變得在透射光下可見,觀察其內部大致情況,可以看到比較平直的互相平行的條紋,還可以看到氣孔。

將仿制品切割成薄片,可以看到非常平直的相互平行的條紋。在自然光下可以見到其中的白色包裹體由于切片的關系出露在表面。顆粒大小直徑為3.5mm左右。這個方向垂直于仿制品虹眼的方向,在平行與虹眼方向切一薄片,在透射光下觀察,發(fā)現其內部比較潔凈,可以看到的是出露在表面的四個白色的包裹體。

3 在偏光顯微鏡下的對比

將天然黑曜巖和仿制品都制成薄片,在偏光顯微鏡下觀察分析。

3.1 黑曜巖在偏光顯微鏡下(40×10放大觀察)

黑曜巖在單偏光鏡下:

顏色:薄片中從無色到灰色都有存在,基質玻璃呈現灰褐色。

解理:無解理,但是可以看到幾處珍珠狀的裂理。

突起:低負突起,說明其R I值小于加拿大樹膠。

其中還可以找到其他的晶體如石英、長石以及鐵礦物等,還可以看到其中的雛晶,有放射狀或者是分散的針狀。

(1)長石

單偏光鏡下觀察:一級灰白干涉色,正低突起,表面光滑,呈現多顆粒的碎裂分布,可以見到一組解理。

正交偏光鏡下觀察:大多呈現消光,其消光角大約15°～20°之間,可以尋找較大的顆粒,用偏光觀察其干涉圖,可確定其二軸晶。

(2)石英

單偏光鏡下觀察一級灰白干涉色,正低突起,表面光滑。但表面有些裂理紋并非解理,其中柱狀輪廓的為平行消光,但是由于其顆粒太小,無法做其干涉圖。

(3)褐鐵礦

顏色特征為黃褐色,薄片中可以看到其為半透明。無解理。

3.2 薄片的偏光鏡下分析

將仿制品磨制薄片在三個方向(平行與虹眼的方向,垂直于虹眼的方向和一個隨機的方向)置于偏光顯微鏡下觀察其特征。

3.2.1 仿制品隨機方向的切片

在單偏光鏡下

下降物臺,貝克線往外移動,為負低突起,褐色條紋狀的結構,在25×10放大下可見到針狀晶體,定向排列,以及極少量的矩形外觀的非均質晶體。

在正交偏光鏡下

視野中幾乎全暗,僅在條紋結構處有微弱的干涉色,矩形狀的晶體呈現一級灰白干涉色,并出現四次消光,但是其顆粒太小(利用目鏡微尺測量得到長度大約在0.5×10-2～2×10-2)無法進行進一步的鑒別。

3.2.2 仿制品平行虹眼方向的切片

在單偏光鏡下

呈淺黃褐色,可以看到下降物臺,貝克線往外移動,為負低突起,褐色條紋狀的結構,可以看到許多細小的針狀的晶體,針狀物長度大約為(利用目鏡微尺測量得到長度)0.5×12-2～2×10-2mm。

在正交偏光鏡下

可以看到許多的細小針狀的晶體有一級灰白的干涉色,由于太小,難以進行進一步的鑒別。

3.2.3 仿制品垂直于虹眼方向的切片

在單偏光鏡下

淺褐色,下降物臺,貝克線往外移動,負低突起,有大量的針狀物,利用目鏡微尺測量得到長度大約在0.5×12-2～2×10-2mm。

正交偏光鏡下

有許多針狀的晶體,且有干涉色為一級灰白,同樣由于晶體太小,無法進行進一步測量

3.3 兩者在偏光顯微鏡下的對比

仿制品與天然黑曜巖之間在偏光顯微鏡下可以看到有很大的區(qū)別:仿制品有極少的斑晶,并且在正交偏光鏡下沒有高的干涉色,其大多看到的是極細的且定向排列的針狀晶體,長度太小,大約0.5×12-2～2×10-2mm,由于條件的限制不能定其種屬;天然黑曜巖中可以看到放射狀或者針狀的雛晶,以及長石、石英和一些鐵礦物。

但是這些內部特征和物理性質的些微差別不足以對兩者進行準確的區(qū)別,下面利用電子探針分析來對兩者進行進一步的研究。

4 電子探針測試

研究隨機對黑曜巖不同顏色的條紋處進行了電子探針的測試,對黑曜巖中的主要成分如SiO2、T iO2、A l2O3、M nO、Fe2O3、FeO、M gO、CaO、N a2O、K 2O、C r2O3等氧化物進行含量測量。由于儀器的條件限制,Fe2O3、FeO無法分開測量,只能測量到鐵元素的整體含量。因此,下表中的FeO,表示的是鐵元素的整體含量,其中可能是Fe2O3和FeO兩者的含量。電子探針測試結果如下:

表3 天然黑曜巖電子探針的測試結果(w t%)Table 3 The test results of natural obsidian by using electron probe

由于儀器老化,測試結果客觀上存在一定的誤差。從以上測試結果可以看出,天然黑曜巖其主要組成元素為O和Si,同時它含有K、Ca、Fe、A l、T i、N a、C r等元素,同時測試結果顯示了黑曜巖中的不同顏色的條帶的成分特點。

第一、SiO2的含量明顯多于其他的物質成分,其為黑耀巖的主要成分;

第二、在條帶中不含錳、鎂、鉻等微量元素;

第三、在兩種條帶中,鈦、鐵、鈣、鉀元素在含量上不存在大的差異,這些元素在兩種條帶中的分布比較平均和穩(wěn)定;

第四、在兩種條帶中,硅、鋁、鈉等元素存在比較明顯的差異,具有一定的分層現象。

由測試結果中元素的分布特點可以看出,在暈彩黑曜巖中,由于硅、鋁、鈉等元素的不均勻分布,造成了暈彩黑曜巖的內部在宏觀上表現為不同顏色的深淺的條紋分層。

這種成分差異的結構可能是黑曜巖在形成過程中,巖漿脈動噴發(fā),致使熔巖產生流動紋層,流動層的攪動帶動溶液中的元素隨紋層的分布造成不均勻,從而導致的顏色的深淺不同。

對仿制品也進行了電子探針的測試,用以分析元素組成。電子探針的測試結果如下:

表4 仿制品電子探針的測試結果(w t%)Table 4 The test results of replica by using electron probe

從上面的數據很容易看出,仿制品中的微量元素幾乎沒有,主要組成的元素除了氧,就是硅、鈣、鉀,其他的元素如錳、鎂、鈦、鐵等微量元素則幾乎為零。與主要幾種玻璃制品的元素含量進行對比之后發(fā)現,其整體的元素組成與冕牌玻璃很接近。

5 結論

由于天然玻璃和人工玻璃的常規(guī)寶石學特征非常的相似,如折射率和比重都大致在一個范圍內,這樣使得兩者的鑒別比較困難,有效的方法是利用其內含物進行區(qū)別,同時適當的化學分析如電子探針的元素分析,在鑒定時也能起決定性的作用。

根據電子探針測試的結果,可以得出人工玻璃其成分主要為SiO2,約為72.65%,其他部分分別為CaO 12.66%、K 2O 14.18%,與主要的幾種玻璃制品相比較后發(fā)現其與冕牌玻璃相接近,而其中不含Fe、M n、K等微量元素。磨片后在偏光顯微鏡下觀察,仿制品內部以針狀物居多,且發(fā)現其比較好的定向性。仔細觀察并沒有發(fā)現能導致其彩虹狀外觀的充滿空氣的空洞,同時在電光源下仔細地觀察可以發(fā)現從珠子的一頭到另一頭的粗的貓眼效應;另外,仿制品切開后,在其表面仍然可以看到“殘缺”的彩虹效應,筆者認為這些仿制品完好的且一致的彩虹外觀是由于人工因素導致的,但由于自身水平和經費以及測試技術的限制,還有待更進一步的研究。

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[3] 上海地礦珠寶網http://www.mygem.com.cn.

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Comparative study of obsidian and its replica

ZHOU Shu-li,LIU Xian-yu
(Guilin University of Technology,Guilin,Guangxi 541004)

In the past few years,natural glass is increasing as one kind of gem stone materials in the market.for the main component of natural glass and man-made glass is silicon dioxide,and both of them have no defined crystal structure,it is hard to distinguish from each other.By using the regular gemological identification as well as polarizing microscope analysis and electron p robe etc,the article has mainly contrasted the physical properties and the chemical composition of one k ind of natural glass obsidian and its replica which appears in now a days market.

natural glass;obsidian;replica;contrast

TS933

A

1673-1433(2010)03-0048-05

2010-04-10

周樹禮(1950-)男,廣西南寧市人,高級實驗師,主要從事珠寶玉石工藝學教學和研究。

廣西地質工程中心重點實驗室開放基金項目資助(桂科能07109011-K 005);地質資源與地質工程廣西高校人才小高地創(chuàng)新團隊項目(桂教人[2005]80);廣西區(qū)教育廳專利資助項目(桂教科200800ZL 036)