水晶與合成水晶的寶石學(xué)特征及檢測鑒別

李溪 吳怡悅 白俊杰 何濤

摘? 要：天然水晶和合成水晶具有非常相似的寶石學(xué)性質(zhì)，文章采用常見寶石學(xué)檢測手段、寶石顯微鏡和紅外光譜儀對天然水晶與合成水晶的寶石學(xué)性質(zhì)進行檢測分析，總結(jié)天然水晶和合成水晶的寶石學(xué)特征。在此基礎(chǔ)上進一步討論天然水晶和合成水晶的鑒別：認為特征內(nèi)部包體結(jié)合紅外光譜圖可以準確區(qū)分水晶和合成水晶。

關(guān)鍵詞：水晶;合成水晶;寶石學(xué)特征;檢測鑒別

中圖分類號：TQ164 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）26-0053-03

Abstract： Natural crystals and synthetic crystals have very similar gemological properties. In this paper， natural crystal and synthetic crystal are studied by common gemological detection methods， gem microscope and infrared spectroscopy. This paper describes the gemological properties of natural crystals and synthetic crystals and discusses the identification of natural crystals and synthetic crystals， arguing that the characteristic internal inclusions combined with the infrared spectra can accurately distinguish natural crystals and synthetic crystals.

Keywords： natural crystal; synthetic crystal; gemological properties; detection and identification

1 水晶的結(jié)晶習(xí)性與分類命名

1.1 水晶的結(jié)晶習(xí)性

水晶通常是指結(jié)晶溫度低于573℃條件下形成的SiO2單晶體，也稱為α-石英[1]。水晶屬于三方晶系，三方偏方面體晶類。水晶晶體通常發(fā)育完好，辨識度高。常見二維發(fā)育的柱狀晶形，晶體一般有六個柱面， 兩端常呈錐狀，柱面常發(fā)育有密集排列的橫紋，柱面可見生長臺階及多邊形蝕像。水晶晶體也常以無色或紫色的晶簇形態(tài)產(chǎn)出，很具觀賞性。

1.2 水晶的分類命名

水晶分類較多，主要化學(xué)成分為SiO2單晶體。純凈時無色透明，含鐵、錳、鋁等微量元素時會形成不同類型的色心，色心致色，使水晶呈現(xiàn)紫色、煙色和黃色等[2]。根據(jù)國家標準GB/T16552-2017珠寶玉石名稱[3]的規(guī)定，水晶規(guī)范命名包括：水晶、紫晶、黃晶、煙晶、綠水晶、芙蓉石、發(fā)晶七種，其他商業(yè)名稱都不能作為標準定名。

2 水晶與合成水晶的寶石學(xué)特征測試

本次研究選取天然水晶23粒，其中包括天然水晶晶體11粒;合成水晶40粒，涵蓋了無色、紫色、黃色、綠色、藍色和煙色六個顏色系列。分別采用常規(guī)寶石學(xué)檢測手段和寶石顯微鏡對其寶石學(xué)特征進行測定，總結(jié)天然水晶和合成水晶的寶石學(xué)特征，并進行對比研究。

2.1 水晶的寶石學(xué)特征測試

（1）顏色：涵蓋無色、紫色、黃色、綠色、藍色和煙色六個顏色系列，顏色柔和，過渡自然。因結(jié)晶生長環(huán)境的變化，顏色存在分布不均勻的現(xiàn)象，可見色帶。（2）光澤：晶面顯示典型玻璃光澤，斷口有時呈現(xiàn)油脂光澤。（3）透明度：水晶透明度一般較高，為透明-半透明。（4）光性特征：一軸晶正光性，具有獨特的“牛眼”干涉圖。紫晶常有巴西律雙晶，在雙晶區(qū)域可見“螺旋槳”干涉圖。（5）折射率：比較穩(wěn)定，為1.544-1.553。（6）雙折射率：0.009。（7）多色性：多色性與體色深淺有關(guān)，一般較弱。（8）吸收光譜：不特征。（9）解理斷口：無解理，可出現(xiàn)典型貝殼狀斷口。（10）摩氏硬度：7。（11）密度：比較穩(wěn)定，為2.66（+0.03，-0.02）g/cm3。（12）放大檢查：常見針狀金紅石、電氣石、綠泥石、赤鐵礦等有色固態(tài)礦物包體;大量氣液兩相包體，氣液固三相包體;負晶;色帶等。（13）晶體特征：水晶晶體發(fā)育完好，形狀規(guī)則，具有特定的晶體形態(tài)，辨識度高，很具觀賞性。表面呈現(xiàn)玻璃光澤，斷口呈現(xiàn)油脂光澤，可見典型貝殼狀斷口。晶體呈現(xiàn)二維延長的柱狀，兩端呈現(xiàn)錐狀。常見六方柱、三方柱、三方雙錐和菱面體單形。由于晶體結(jié)晶環(huán)境的改變，柱面和錐面交替生長，在部分晶體柱面上留有密集平行排列的橫紋[4]。柱面有時可見生長丘、凹坑和生長臺階，這些特征均可作為天然水晶晶體的識別依據(jù)。水晶晶體透明度較高，可見內(nèi)部氣液包體、有色固態(tài)礦物包體、裂隙、幻影等。有色固態(tài)礦物包體規(guī)則排列時，可形成發(fā)晶、“綠幽靈”等觀賞石。

2.2 合成水晶的寶石學(xué)特征測試

合成水晶一般多采用水熱法合成，通過大型高壓釜設(shè)備生產(chǎn)，在高溫高壓、礦化劑催化的條件下使其溶解在水溶液中，控制溶液溫差，產(chǎn)生對流而達到過飽和狀態(tài)，從而在水晶籽晶上析出生長水晶。由于水熱法合成水晶模擬了自然界熱液成礦的過程，因此其與天然水晶的寶石學(xué)特征非常接近，僅在顏色和內(nèi)部包體上有些區(qū)別。

有色合成水晶顏色艷麗，分布均勻，會出現(xiàn)鈷藍色等天然水晶中未曾發(fā)現(xiàn)的顏色，極易識別。部分合成水晶內(nèi)部可見明顯種晶板，種晶板兩側(cè)出現(xiàn)顏色分區(qū)，同時可見“面包渣”包體，氣液兩相“釘狀”包體（垂直于種晶板）及色帶（平行于種晶板），應(yīng)力裂隙（與種晶板成直角）等，這些均是合成水晶的典型特征。無色合成水晶內(nèi)部非常干凈，透明度較高。合成水晶晶體通常呈現(xiàn)平板狀，表面常見密集排列、大小均一的“丘疹”狀小凸起。

3 水晶與合成水晶的檢測鑒別

3.1 天然與合成水晶原石的檢測鑒別

通過肉眼觀察晶體形貌及表面特征、顏色分布，結(jié)合放大鏡或?qū)毷@微鏡觀察其內(nèi)部包體、色帶等特征來鑒別天然和合成水晶晶體。

（1）天然水晶晶體可出現(xiàn)無色、粉色、紫色、黃色、綠色、藍色和煙色七個顏色系列。合成水晶可以出現(xiàn)鈷藍色，在天然水晶中尚未發(fā)現(xiàn)。

（2）天然水晶在自然結(jié)晶生長

過程中，由于周圍結(jié)晶環(huán)境的變化，顏色會出現(xiàn)分布不均勻的現(xiàn)象，但顏色過渡自然。合成水晶顏色艷麗，分布非常均勻。

（3）天然水晶或合成水晶原石

晶體特征區(qū)別明顯：天然水晶一般呈六方柱狀以及菱面體的集合體。柱面上常見橫紋，菱面體晶面常見生長丘、溶蝕坑以及生長臺階;合成水晶一般呈六方板狀，晶面上常見大小一致，分布均勻的“丘疹”狀凸起，內(nèi)部可見明顯種晶板。

3.2 天然與合成水晶飾品的檢測鑒別

由于水晶飾品已不具有原石的晶體外觀，所以區(qū)分“天然”或“合成”水晶需要重點考慮顏色分布及內(nèi)部包體特征。在此基礎(chǔ)上，可借助紅外光譜做出準確區(qū)分。

3.2.1 顏色分布

天然水晶在結(jié)晶生長過程中，由于周圍環(huán)境的變化，造成溫度壓力的變化，同時組分濃度也會發(fā)生變化，這些改變在一定程度上造成了顏色分布不均勻的現(xiàn)象，變化自然。合成水晶顏色艷麗，分布非常均勻，會出現(xiàn)天然水晶不曾出現(xiàn)的鈷藍色。

3.2.2 包體特征

內(nèi)部包體是區(qū)別天然水晶與合成水晶最常用的可靠方法，常借助肉眼、放大鏡或?qū)毷@微鏡。通過對本次樣品的測試，結(jié)合日常鑒定和教學(xué)經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，天然水晶中可出現(xiàn)大量氣液包體和固態(tài)礦物包體，如針狀金紅石、電氣石、綠泥石、方解石、螢石、赤鐵礦、黃鐵礦等。如果發(fā)現(xiàn)水晶中有這些天然礦物包體，基本上可以判斷是天然水晶;如果在水晶中僅發(fā)現(xiàn)有氣液二相“釘狀”包體及“面包渣”包體，很可能為合成水晶。如果水晶中出現(xiàn)裂隙、雙晶、負晶、幻影、節(jié)瘤等生長缺陷及伴生現(xiàn)象，一般可以確定是天然水晶。

3.2.3 紅外光譜特征

寶石在紅外光的照射下，引起晶格（分子）、絡(luò)陰離子團和配位基的振動能級發(fā)生躍遷，并吸收相應(yīng)的紅外光而產(chǎn)生的光譜稱為紅外光譜。紅外光譜特征是檢測研究礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造的有效手段，是鑒別水晶和合成水晶的有力證據(jù)。

本次紅外光譜測試在天津職業(yè)大學(xué)紅外光譜實訓(xùn)室內(nèi)完成，實驗所用儀器為Nicolet iS5，具體測試條件為：透射法，分辨率為4cm-1，樣品掃描時間16（scans），背景掃描時間16（scans），測試數(shù)據(jù)從400-4000cm-1;測試環(huán)境條件：溫度26℃，濕度52%。共測試水晶樣品26粒，其中天然水晶12顆，水熱法合成水晶14顆，顏色包括無色、紫色、黃色、綠色、藍色、煙色六個系列?，F(xiàn)將特征紅外光譜分析結(jié)果總結(jié)如圖2。

（1）紫晶特征紅外光譜。天然紫晶和水熱法合成紫晶的紅外圖譜非常相似，分別在3612.63cm-1、3584.15cm-1、3435.40cm-1及2673.00cm-1、2597.15cm-1、2492.58cm-1、2330.

84cm-1、2236.47cm-1、2138.13cm-1兩處存在特征吸收峰。同時，對比水熱法合成紫晶和天然紫晶紅外光譜圖如圖2-a，認為3544.88cm-1峰可以作為鑒別兩者的主要依據(jù)：天然紫晶缺失3544.88cm-1峰，而水熱法合成紫晶在該處存在明顯吸收。

（2）無色水晶特征紅外光譜。無色水晶測試共包含4粒水晶晶體、2粒天然刻面型水晶、2粒合成水晶標本，選取代表性紅外光譜圖比對如圖2-b：天然無色水晶紅外光譜在3572.35cm-1、3482.15cm-1、3378.62cm-1、3304.66cm-1、3196.64c

m-1、2924.34cm-1、2670.89cm-1、2595.47cm-1、2238.81cm-1處存在明顯吸收峰。與無色合成水晶紅外光譜進行比對，兩者紅外光譜圖存在很大的相似性，但無色合成水晶缺失3482.15cm-1譜峰，而存在3584.68cm-1譜峰，可見紅外光譜可以作為無色天然水晶和合成水晶的依據(jù)。

（3）其他顏色合成水晶特征紅外光譜。本次測試涵蓋市面上常見的有色合成水晶標本，其他顏色合成水晶測試結(jié)果如圖2-c：合成綠水晶、合成藍水晶和合成黃水晶的紅外光譜存在明顯區(qū)別。合成綠水晶紅外光譜在3406.55cm-1、2673.98cm-1、2600.27cm-1、2495.15cm-1、2329.93cm-1、2238.03c

m-1、2139.22cm-1存在明顯吸收峰。合成藍水晶紅外光譜吸收峰比較簡單，僅在2238.03cm-1、2139.22cm-1處存在吸收峰。合成黃水晶紅外光譜吸收峰非常簡單，在4000-400cm-1范圍內(nèi)譜線平直，幾乎無任何吸收，與天然黃晶紅外特征譜峰存在明顯區(qū)別。

在合成煙晶垂直種晶板和平行種晶板兩個方向上分別進行紅外光譜測試，結(jié)果如圖2-d，在3583.66cm-1、3377.

74cm-1、3299.34cm-1、3196.74cm-1、3051.90cm-1和2928.35c

m-1、2668.87cm-1、2592.79cm-1位置處存在明顯吸收峰。值得注意的是，平行于種晶板方向測試時，3583.66cm-1處吸收峰變得異常尖銳，與垂直于種晶板方向測試的紅外光譜該處平滑的吸收峰存在明顯區(qū)別，另外，平行于種晶板方向在2800cm-1以下譜線平直，無吸收峰，這一譜峰差異的原因有待進一步研究。

4 結(jié)論

本文采用常規(guī)寶石學(xué)測試手段、寶石顯微鏡、紅外光譜儀分別測試天然水晶23粒，合成水晶40粒，涵蓋了無色、紫色、黃色、綠色、藍色和煙色六個顏色系列，得出如下結(jié)論：

（1）天然水晶和合成水晶的常規(guī)寶石學(xué)特征非常相

似：具有相似的光澤、透明度、光性、折射率、雙折率、密度、二色性、吸收光譜等寶石學(xué)基本性質(zhì)，僅在顏色和內(nèi)部特征上存在差別：天然水晶顏色存在分布不均勻的現(xiàn)象，顏色過渡自然;合成水晶顏色艷麗，分布均勻，出現(xiàn)天然水晶中未曾出現(xiàn)的鈷藍色。

（2）天然水晶和合成水晶礦物晶體，可以通過晶體形貌加以區(qū)別。天然水晶晶體發(fā)育較好，形狀規(guī)則，整體呈現(xiàn)柱狀和錐狀的結(jié)合體，也可以雙晶和晶簇的形態(tài)產(chǎn)出，識別度高。表面可見平行密集排列的生長橫紋，也可以見到生長臺階和溶蝕坑。合成水晶晶體通常為平板狀，晶面上常見圓形微凸起的“丘疹”狀結(jié)構(gòu)。

（3）寶石顯微鏡下觀察：天然水晶中常見針狀金紅石、電氣石、綠泥石、赤鐵礦等有色固態(tài)礦物包體;大量氣液兩相包體，氣液固三相包體;負晶;色帶等。合成水晶內(nèi)部干凈，僅發(fā)現(xiàn)有氣液二相“釘狀”包體及“面包渣”包體，這些包體往往出現(xiàn)在種晶板附近。

（4）紅外光譜儀測試：a.3544.88cm-1峰可以作為鑒別紫晶和合成紫晶的主要依據(jù)：天然紫晶缺失3544.88cm-1峰，而水熱法合成紫晶在該處存在明顯吸收;b.與天然無色水晶相比，合成無色水晶缺失3482.15cm-1譜峰，而存在3584.68cm-1譜峰;c.合成綠水晶存在特征吸收光譜，合成藍水晶和合成黃水晶的紅外光譜圖非常簡單，紅外光譜可以作為天然黃水晶和合成黃水晶的鑒定依據(jù);d.合成煙晶在平行種晶板和垂直種晶板方向紅外光譜存在少許差異，原因有待進一步研究。

參考文獻：

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3-2017 GB/T16554-2017珠寶玉石國家標準釋義[M].北京：中國標準出版社.

[4]何濤，張良鉅，王玲.桂西方解石脈型水晶晶體的形貌特征與成因[J].桂林工學(xué)院學(xué)報，2009，29（04）：434-438.