天然刚玉宝石与优化合成刚玉宝石的内含物区别.doc

天然红宝石与优化合成红宝石的内含物区别摘要：详细介绍了天然、合成以及优化处理红宝石中常见的包裹体类型以及相似包裹体的区别特征，表明包裹体在区分天然、合成与优化处理宝石中提供了有力依据，也为今后在对它们进行区分鉴别提供有效信息。1 背景介绍 随着经济与科学技术的发展，在对优质天然宝石供不应求的情况之下，人造合成宝石和优化处理宝石应运而生，并且不断发展创新。它们无论从数量、质量还是价格上，都占据了巨大的优势，引起珠宝市场上的广泛关注。合成刚玉作为其中一种重要的人造宝石，使众多学者对其各种特征展开了不同深度和层面的研究。 红宝石是最早合成并进行商业化生产的宝石，尤其是在1902年法国科学家维尔纳叶利用焰熔法成功合成红宝石1之后，经过多年来技术不断地改进以及人们对刚玉生长环境认识的不断深入，人们模拟红宝石不同的生长环境，合成出了质量优良的红宝石。 由于合成、优化的红宝石晶体在其物理性质、化学成分和晶体结构等方面与所对应的天然红宝石基本相同，即两者具有相近的硬度、比重，相同的双折射率和折射率范围等。常规的参数测定难以达到准确区分天然品与优化合成品的目的。因此，从能够反映生长环境的包裹体着手，找到两者包裹体的特征及差异。2 天然红宝石的矿床类型红宝石的矿床有原生矿床和次生矿床两种。原生矿床主要为两种成因：1、岩浆岩型矿床，即在地幔高温高压的条件下形成，并随岩浆喷出地表形成的矿床。2、变质岩型矿床，即在区域变质或接触变质作用的条件下，由一水硬铝石等变质而来。次生矿床主要是指经过风化、搬运等作用富集形成的矿床。我国的红原生矿床主要为玄武岩型，次生矿床主要是砂矿。3 天然红宝石中常见的包裹体及其特征 根据1989年国际有色宝石协会（简称ICA）在曼谷召开的年会对红、蓝宝石提出的新的界定原则，以及我国2003年出台的珠宝玉石鉴定标准GB/T16553-2003，刚玉宝石可根据颜色划分为：1、红宝石，主要指具有红色色彩的刚玉宝石，如红色、橙红色、紫红色的刚玉宝石；2、蓝宝石，指除了红宝石以外的其他各色宝石，如蓝色、绿色、黄色、无色的刚玉宝石。23.1天然红宝石中常见的包裹体及特征 天然红宝石中常可见丰富的固态包体、具有特殊形态的流体包体、气液两相包体以及一些生长特征等。3.11固态包体 红宝石中的固态包体种类较为丰富，其中以金红石针最为常见（如图一），根据它的晶体形态和排列方式，常可作为红宝石产地鉴别的依据，不仅如此当大量的金红石针按一定方向平行排列时，可出现星光效应。除此外，红宝石内还可见呈不透明乳白色团块状的白云石、无色透明的方解石菱面体；浑圆状或八面体形的尖晶石包体；微黄色、具有六边形断面、六方柱完好或被溶蚀呈浑圆状的磷灰石包体；暗红色浑圆状的铁铝榴石包体；呈细小粒状的无色或略带褐色的锆石包体，其周围多伴有一圈盘状裂隙；黑色的六边形粒状磁黄铁矿包体等。其中，含有的丰富的灰白色、细针状水铝矿以及几乎缺失的金红石包体为泰国的红宝石提供了产地鉴定依据。而目前仅有越南产出红宝石被发现含有呈橘黄色的三水铝石2。图一 红宝石中的金红石针3.12流体包体 红宝石具有形态丰富的流体包体，它们大多分布在晶体缺陷中，可聚集呈指纹状、羽状、圆盘状，也可表现出大致的定向性，集体呈现出清晰的梳状、网状。其中，以泰国和斯里兰卡的红宝石最具代表性。它们通常由单相或多相流体，或流体与熔体共存组成。流体包体的形态有时也可作为红宝石产地鉴定的依据。此外，红宝石还可发育有个体粗大分散或成串出现的负晶，它的内部常被液体或气液两相流体所充填，有时也可为空晶。3.13其他特征 红宝石属于三方晶系，具六方桶状晶形，可见平直的色带或夹角为120的角状色带。天然的红宝石具有菱面体裂理，有时会沿裂理面充填黄色铁锰质的氧化物。除此以外，天然红宝石可发育一组到三组的聚片双晶，其中缅甸抹谷红宝石中发育的一组聚片双晶可表现出“百叶窗”式的图案，泰国红宝石则常出现两组以上的聚片双晶，缅甸的另一个新矿区孟速矿区所产的红宝石则常可见两到三组聚片双晶，且双晶边缘常伴有细针状的水铝矿。与此同时，中低档天然红宝石常具有愈合裂隙或次生开放裂隙，其内部常被气、液包体充填，或被黄色或棕色的铁质物质充填或浸染。4 合成红宝石中常见的包裹体及其特征 目前市面上可见的合成红宝石的方法有：焰熔法、助熔剂法、水热法、晶体提拉法以及区域熔炼法。其中晶体提拉法和区域熔炼法由于生产成本、生产速率以及产品质量和生产技术等方面的限制，在市场化生产中没有得到广泛使用。目前，焰熔法因其生产成本低、生产速度快而作为市场上合成红宝石最为主要的方法，其次为助熔剂法和水热法。（在此不对合成星光红宝石进行讨论）4.1焰熔法合成红宝石的包裹体及其特征 焰熔法合成红宝石是一种生产工艺较为简单、生产速度快（通常几小时可产出20g以上的完好梨晶）、成本较低的合成宝石。它也是市场上合成宝石常用的一种方法。焰熔法合成红宝石在内含物方面与天然红宝石区分主要有以下几点：4.11气泡 气泡是焰熔法合成红宝石的一个重要特征。气泡通常呈较小的球状、椭球状，有时可呈管状、蝌蚪状异形气泡，它可单个出现或聚集在一起呈云雾状、带状（如图二）。4.12弯曲生长纹 弧形的生长线是焰熔法合成红宝石与天然红宝石区别的又一重要依据3（如图三）。它是在焰熔法合成过程中形成的生长纹，纹路间存在有微弱的颜色色调差异，当沿生长线聚集有细小气泡或残留添加剂时，其弯曲特征更显明显。但随着合成技术的提高，生长纹的弯曲特征变得不明显。4.13未熔粉末 在合成过程中，可能存在部分没有完全熔融的原料粉末附着于生长的晶体上，随晶体生长被包裹于内部。由于反应的原料粉末粒度较小，因此很难将未熔粉末包体准确的与其内细小的气泡准确区分开。4.14火痕 由于合成红宝石价格低廉，加工中常由于高速抛光造成表面产生雁形状排列的细小裂纹，即为火痕（如图四）。 图二 焰熔法合成红宝石的气泡云 图三 焰熔法合成红宝石的弯曲生长线图四 合成红宝石中的火痕目前，已出现经过再次热处理的焰熔法合成红宝石，这种宝石由于经过再次加热、冷却，其生长线的轮廓会变粗变模糊，更难观察出来。与此同时，还可能由于加热后投入有机溶剂中而形成似指纹状的包体。因此，在区分焰熔法合成红宝石和天然红宝石的时候应该小心谨慎，综合各种测试结果进行判断，得出结论。4.2助熔剂法合成红宝石的包裹体及其特征 助熔剂法合成的红宝石与天然红宝石十分相似。在常规宝石鉴定中，虽然内部特征可作为两者区分的重要手段，但是助熔剂法合成的红宝石也同样可具有平直的生长纹和指纹状包体，因此，需要结合其他内部特征及其他测试进行判断、鉴定。4.21铂金片 助熔剂法合成的红宝石是在铂坩埚中生长形成的，因此，可在该方法合成的红宝石中看见呈三角形、六边形以及不规则多边形的铂金片包体。在反射光下，铂金片包体为钢灰色，具有金属光泽。透射光下，铂金片不透明，呈现暗灰或黑色，转动宝石观察，可见包体颜色变亮、光泽增强。铂金片的出现常作为合成红宝石的有力依据（如图五）。4.22助熔剂残余 助熔剂残余是助熔剂法合成红宝石的最主要固态包体（如图六），它具有特定的颜色和一些特殊的形态。助熔剂残余绝大部分在透射光下是不透明的，可显示灰黑、棕褐甚至是黑色，在反射光下，则呈现浅黄色、橙红色，且具有一定的金属光泽。助熔剂包体可呈单个管状包体也可聚集呈栅栏状，还可见微小助熔剂包体呈雨点状、网格状、彗星状面纱状等形态聚集。偶尔的，由于该方法合成红宝石中的熔滴未脱玻化前呈均一的玻璃态，在急速冷却条件下，热胀冷缩，可在熔滴中心形成一个空洞，空洞边缘为收缩后的固态，有时可在可在空洞边缘结晶出助熔剂的晶芽，呈马赛克结构2。4.23色带、生长带 助熔剂法合成红宝石中可见直线状、角状生长环带，使之难以与天然红宝石生长带进行区分。但两者相比较而言，天然品无弯曲色带，且色带较宽、不规则，而此方法合成的红宝石色带通常较窄，有时可呈弯曲状。除此以外，该方法合成红宝石还会出现不均匀色块，或搅动状的颜色分布现象。4.24双晶 助熔剂法合成的红宝石中，常仅有一组沿菱形六面体方向发育的双晶纹，且很少贯穿整个宝石。这可以成为与大多天然红宝石区分的有力证据。 图五 助熔剂合成红宝石中的助熔剂残余和铂金属片 图六 助熔剂合成红宝石中的助熔剂残余4.3水热法合成红宝石的包裹体及其特征 水热法合成技术是模拟一种更接近天然宝石在热液环境中生长的技术，它能够合成出于天然红宝石极为相近的红宝石。但是由于早期合成红宝石的生产制造成本过高，使之没能得到商业化的生产。直至1992年原苏联Tairus公司的Alexan成功将水热法合成红宝石达到商业化生产。但是现今，用此方法合成红宝石仍然受到结晶速度慢、生长周期长、成本高的制约。4.31种晶片 种晶片是水热法合成红宝石的典型内部特征。种晶片与生长出来的红宝石两者的包体可存在明显差异，在两者结合面上，还可出现包体截断的现象。此外，在桂林水热法合成红宝石中，可以见到在种晶片两侧还可发育不规则晶芽或雾状气泡。有时候，还可发现在种晶面上或其附近有独立存在或呈段旭壮分布的尘埃状包体，它们连成网状，称为“面包渣状包体”，据专家推测，其可能为气液两相包体。4但是通常，水热法合成的红宝石在切磨过程中常将种晶片切除，因此，为其与天然红宝石区分造成一定难度。4.32金属包体与钉状包体由于水热法合成红宝石的生长环境，导致在其内部可分散或局部聚集有金属包体。这些金属包体多为三角形、四边形等多边形的形状，且在透射光下不透明，在反射光下具有金属光泽。“钉状”包体为水热法合成红宝石的特征流体包体，较大的钉状包体中心可充填有深色液态物质，细小的钉状包体则可呈细针状密集定向的排列。4.33生长纹 水热法合成红宝石普遍具有明显的、颜色深浅不一的生长纹。可呈现锯齿状、水波纹状。由于不同晶面的生长速度不同，因此在快速生长过程中，还可形成交织成网状的生长纹或呈三角形色带。 桂林水热法合成红宝石，除了其具有的典型的“面包渣状包体”，还因其种晶片常相对较薄，致使在加工成品过程中无法切除而存在于成品宝石内部。这种新的水热法合成红宝石，由于没有采用Tairus合成红包石种晶1211的定向5，而采用了另一种结晶学方向作为生长面6，使生长出的晶体更为纯净，生长纹和内含物明显减少。5 优化处理红宝石的包裹体及其特征 优化处理是指在宝石原本基础上，通过一定的方法和处理手段，改善和提高它的外观美丽程度，以此来提高它的商业价值。在此处，仅对红宝石中两种最常见的优化处理方法产生的包裹体及特征进行介绍，即：热处理红宝石和充填处理红宝石。5.1热处理红宝石的包裹体及特征 热处理红宝石通常是指在一定温度压力的条件下，一定气氛的环境中，不添加或加入一些物质或溶剂进行反应，以达到改善或改变原先红宝石的颜色，或者隐藏某些合成手段所留下的明显痕迹的目的。经过热处理的红宝石，由于受到温度变化及反应气氛和介质的影响，会使其原先的内部特征发生变化，这些常可以作为判断热处理红宝石的依据。5.11熔蚀的固体包体 经过热处理的红宝石其内部的固体包体会发生不同程度的变化。红宝石内部含有的低熔点包体，如：长石、磷灰石、方解石等，会由于处理温度高于其熔点而发生不同程度的分解或熔化，使原本的晶体包体形态圆化或呈毛玻璃状，甚至在表面出现麻点状熔蚀凹坑，有时候还会使晶体包体熔化产生白色或透明的粉末状物质。7红宝石内的高熔点晶体包体，在热处理过程中，由于内部固体包体的热膨胀系数与主晶红宝石的热膨胀系数存在过大差异，较大的固体客晶包体会产生圆盘状裂隙，有时沿裂隙面会分布一些不规则的细小指纹状玻璃体。红宝石内金红石针在经过高温加热反应后，会出现金红石针断裂、熔蚀的现象，呈现出点状线、断续线的现象，较粗大的金红石针还可被溶蚀呈线状熔滴。5.12流体包体的胀裂以及后期反应物的充填红宝石内原生的流体包体在高温条件下，会发生分解、熔化，发生膨胀破裂，有的呈指纹状分布，有的沿膨胀的的裂隙浸入，表现为不同伸展方向的椭圆形。热处理红宝石常需要硼酸钠作为辅助试剂，因此经过热处理后的红宝石其裂隙内常会被硼酸钠充填，表现为指纹状包体，硼酸钠基本上都是沿宝石的开放裂隙进入的，且反射光下呈橙红色，具有一定的金属光泽。因此，可作为与天然红宝石中指纹状包体区分的依据。5.13生长线 生长线多是晶体生长过程中，由于物质成分变化导致的结果，加热过程有利于物质成分间的交换和扩散，因此，经过热处理的红宝石，其原先的生长线常发生变形或变得模糊。因此，热处理常被用来减弱焰熔法合成红宝石弯曲生长纹的明显程度。 热处理红宝石在国标中属于优化，因此在商业销售时，不需要指出。且由于热处理后的红宝石的内部特征虽然发生了一定变化，但它的变化程度受到热处理温度、时间以及环境等多种因素的影响，造成包体形态和变化的众多可能性和不确定性。因此，区分热处理与天然红宝石一直是常规宝石鉴定工作中的一个难点。在对待这个问题的时候，应该尽量谨慎小心。5.2充填处理红宝石的包裹体及特征 红宝石是一种裂隙发育的宝石种，因此可以通过充填处理将充填物注入、填充到红宝石的裂隙、空洞或空隙中，掩盖其裂隙缺陷，从而提高宝石的透明度、亮度，改善宝石的颜色，进而提高红宝石的外观和价值。充填处理也是需要在一个加热的条件下进行，因此，充填处理后的红宝石除了具有充填后的内部特征外，还具有一些热处理后留下的特征。5.21不一致的表面光泽 填充裂隙或孔洞的玻璃的光泽低于红宝石，在反射光下检查宝石的表面可见玻璃充填的位置呈界线清晰的暗色的斑状 ，不一致的表面光泽，是充填处理最直接的标志之一（如图七）。 5.22溶蚀边 当充填玻璃的熔点较高，处理的时间较长，以便使玻璃能更好地深入裂隙，同时玻璃的化学性质具有较强的侵蚀性，会出现溶蚀边，红宝石经被侵蚀、溶解、5.23充填物的流动构造等现象 充填在裂隙及孔洞中的玻璃可能会存在流纹、气泡、脱玻化的枝状微晶等现象，为证明其为玻璃而非天然包裹体提供的重要证据。 值得提出的是，新型铅玻璃充填的红宝石以为充填物具有与红宝石主晶相近的折射率，使两者表面光泽差异特征不明显。在观察方向上，充填裂隙的可见度很低，但可在某些方向上观察到裂隙面有不同程度的蓝紫橙红色的异常闪光。仔细放大观察，有时可见充填物为黄色透明物质，并在其周围存在面状分布的扁平气泡群和小空隙8。由于充填物与红宝石硬度差异较大，充填空洞的表面抛光一般较差。图七 红宝石玻璃充填处理6总结1、一些包裹体的组合出现可以作为红宝石产地鉴定的依据，同时也为学者研究红宝石生长、形成环境提供有效信息。2、包裹体是区别天然红宝石与合成红宝石的重要依据。但是任然存在一些形态相似难以区分的包裹体，如：天然以及合成红宝石中均会出现的指纹状和羽状包体。因此，在区分它们的时候应该清楚宝石的生长过程和环境，确定包体的相态以及其在透射、反射光下的颜色、光泽等，再对它们加以判别、区分。3、当包体等内部特征不能使天然与合成红宝石区分时，应采用其他手段（红外吸收光谱等）进行判断。并不是所有红宝石内部都具有指向性的特征包体。4、红宝石内部含有的包裹体可对于红宝石进行优化处理的类别进行一定区分，但是不同的反应条件，可能会对判断依据造成一定的影响。5、大多是优化处理过程都伴随有加热条件，因此，大多数经过优化处理的红宝石都具有热处理红宝石特征的内部包体。6、沿红宝石裂隙面出现的异常闪光现象以及扁平状气泡群可作为高铅玻璃充填红宝石的重要依据之一。 目前，出现了一种玻璃态物质清理技术9，这种技术可以针对一些优化处理进入红宝石的轻微玻璃态残余物进行清理，通过适当氢氟酸浸泡辅以超声波震荡清洗，去除优化处理进入宝石的轻微玻璃态残余物。虽然目前这种技术主要