托帕石颜色改善方法及检测.doc

托帕石颜色改善方法及检测杨 军 （丽江市质量技术监督综合检测中心）摘 要：托帕石是一种常见的中档宝石，硬度高，色泽柔美，晶莹剔透，是一种漂亮而又便宜的宝石。在西方国家，托帕石象征着和平和友爱，被誉为“友谊之石”，其矿物学名称为黄玉，托帕石是其英文名称Topaz的译音。今天，由于科技的高速发展，成千上万的无色托帕石被人们改成蓝色。通过收集托帕石的各种资料，国外不少文献提到黄色托帕石经过热处理可以变成粉红色，且颜色稳定，这种经过粉红化的托帕石比起未经处理的黄色托帕石，它的欣赏与使用价值提高了。我们在市面上看到的许多“蓝托帕石”恐怕是当代科技的产物。本文重点阐述了托帕石的颜色成因、改色方法以及对改色品的检测。关键词：托帕石；颜色成因；辐照处理；热处理Topaz color improvement method and testingYangJun ChenMinJing (Comprehensive Technical Inspection center of Lijiang ,Yunnan 674100 )Abstract: Topaz is a common midrange gem, high hardness, colour and lustre is gentle, glittering and translucent, is a kind of beautiful and cheap gems. In western countries, Topaz is a symbol of peace and friendship, known as the friendship worldstone, its mineralogy name for Topaz, Topaz is its English name Topaz of transliteration. Today, because of the rapid development of science and technology, thousands of colorless topaz by people into blue gems. Through collecting the kinds of materials Topaz, foreign many documents mentioned yellow Topaz palmer stele inscriptions were widely used overheating handling can be pink, and stable color, this kind of padmes after pink stone than untreated yellow stone, its torre palmer appreciation and use value increased. We saw many on market blue Topaz is afraid is contemporary science and technology of the product. This paper expounds the Topaz color formation, a variation of variation method and tasted inspection.Key words: Topaz；Color war-causes； Irradiation processing；Heat treatment1 颜色成因托帕石的化学式是Al2（SiO2）（F，OH）2。成分中F-和OH-可以互相替代，二者比值变化不定，大致为3：1-1：1。不同成因的托帕石，F-和OH-的比例往往不同，伟晶岩中产的托帕石，F-的含量比OH-多，可达3：1。而热液成因的托帕石中F-：OH-接近1：1。另外，作者简介：杨军（1975），男，本科，工程师， 珠宝玉石鉴定，E-mail：549640401.托帕石还常含有一些微量元素，比较常见的有Fe、Cr、Ni、Ti、Mg、Mn、Nb、Ta等。这些微量元素的组合和含量对于托帕石颜色有重要影响。托帕石的颜色有多种，常见的有无色、黄色、浅黄、浅蓝、黄褐色和粉红色等，红色和绿色很少见。关于托帕石颜色的形成机理，目前研究得不多，已提出的观点有2种：一是色心成色说；二是过渡金属离子的d-d电子跃迁成色说。不论哪种观点，可以肯定，托帕石的颜色与其所含的杂质元素及F-与OH-的比值有密切关系，与其内的点缺陷类型和浓度也有一定关系。当然对托帕石致色机理的正确认识，有待进一步详细研究。2 改色方法托帕石经放射性射线照射或加热，能改变托帕石的颜色。巴西所产的无色者，经X射线照射后变成淡黄色，巴西托帕石加热至150时先出现暗色，接着依次出现紫、红、橙、黄和暗蓝色。灼烧时最终从黄色变成褐色。德国萨克森地区产的托帕石经X射线照射后，由黄色变成红黄色。巴西产的一种黄褐色品种经X射线照射，其色可以变浓。但另一蓝色品种无论怎样照射，则保持原色不变。中国云南省等地区产出的无色透明晶体经钴-60照射或加热可变成黄、棕黄、棕褐色，可惜处理后的颜色不稳定，极易褪色。2.1 辐照处理在托帕石的人工改善中，辐照处理是最重要的方法。它可以把浅色或无色的托帕石改变成较深的蓝色和黄色。据辐射源的不同，辐射处理的方法主要有4种：射线、X射线、电子辐照和中子辐照。 一般用60Co作辐射源，其放射出的射线有2种，分别有1.33MeV和1.77 MeV的能量。托帕石在射线辐照下，大约累计辐照吸收剂量达2000Mard以上，才能产生明显的颜色变化。一般情况下，射线的强度越大，辐照时间射线越长，则辐照效果就越好，但颜色变化有一定的限度，当颜色浓度达到一定限度后，射线强度继续增大，辐照时间延长，并不能使颜色变得更深。在用于处理托帕石的射线辐射源中，源辐射强度通常是2-10万Ci，最大可达32万Ci。辐照时间为20-60d之间不等。射线首先把托帕石由无色变成黄棕至褐色，但这些颜色不太稳定，进一步加热至200-300，1.5h后可使托帕石由黄棕至褐色，但这些射线变成蓝色。由于射线能量较少，尽管穿透力比较强，所致颜色均匀，但颜色较浅，一般为浅蓝色，现在用射线改善的托帕石已不多见了。低能电子的能量低于10 MeV，它主要由各种电子加速器产生，有较强的穿透能力。用低能电子来辐照托帕石效果比射线稍好，所用时间也短得多，大约只要几天就可以了。但所产生的颜色仍然偏浅，因此，低能电子仍不是理想的辐照粒子。高能电子（10 MeV）主要通过线性加速器或回旋加速器获得，它可以使托帕石产生2种色心，即蓝色和蓝紫色心，而且颜色较浓，国外称之为天蓝色。用高能电子辐照托帕石时，能在很短时间内使托帕石中产生很高的温度，因此，必须在辐照过程中不断用冷却水冷却托帕石样品，以免高温损毁宝石。另外，高能电子辐照有时可使托帕石产生微弱放射性。核反应堆中释放出的中子束有很高的能量，用它辐照托帕石进行改色，不仅效率高，而且得到的颜色很深。经中子辐照的托帕石，一般不需要经热处理，就变成了深蓝色，宝石贸易中称其为“伦敦蓝”。有时为了消除灰色色调，提高蓝色的亮度，可适当做一点热处理。除了上述4种方法辐照处理托帕石外，国外还采用一种所谓“混合法”使托帕石致色。这种混合法一般是先采用核反应堆中子辐照处理，然后用线性加速器发射的高能电子辐照处理，最后进行热处理，就可以得到更深的蓝色，并且不含“伦敦蓝”中的灰色色调，宝石贸易中称这种蓝为电蓝、超级蓝或瑞士蓝。托帕石经辐照处理而产生的颜色大多比天然托帕石的颜色更深、更稳定、更迷人，尤其是深蓝色托帕石酷似海蓝宝石，深受广大消费者的喜爱，在欧美市场上十分畅销。托帕石经辐照和热处理除了可变成蓝色外，有些棕色、粉红色或紫红色托帕石经辐照后，可变成棕色，但加热至200以上又可恢复成粉红色或紫红色。另外，据报道，近几年出现的绿色托帕石也是辐照处理致色的，使用的辐射源是线性电子加速器，这种绿色不稳定，在日光照射和加热至150左右就会变成蓝色。值得一提的是，用高能电子或核反应堆中子辐照托帕石致色同时，往往诱生放射性，其放射性与托帕石原石的微量元素受激活化有关，研究表明，经辐照过的托帕石宝石可含有10多种放射性元素，不同核素的半衰期是不同的，如46Sc半衰期为83.9d，182Ta半衰期为11d，59Fe半衰期为45.1d,134Cs半衰期为2.62a和60Co半衰期为5.26a等。托帕石的放射性活性度大小与托帕石本身的杂质元素种类、含量、分布及使用的中子或电子的辐射剂量有关。放射性残留较高的托帕石，可以放出大量的射线和粒子，如果不加防护，与人身接触，可造成人体造血机能障碍及神经系统障碍等多种疾病。为了尽可能减少残余放射性，除了应充分注意托帕石的地质背景，选用Sc、Ta、Fe等元素含量较少和不含Sc、Co、Be等元素的托帕石做辐照原料外，还应减少热中子通量，选择合适的辐照工艺。另外，必须严格按照国家有关放射性防护规定，把有放射性残余的辐照致色托帕石放置到豁免值以下才能出售。2.2 热处理热处理主要用于对辐照处理的托帕石进行后处理，消除托帕石中的黄色色调，使辐照产生的棕黄褐色或绿色变成稳定的蓝色。有些含铬的棕色托帕石在加热至300-400时，可变成粉红色或紫红色，这种粉红色十分稳定，一般加热（200）和日光照射不会使它发生褪色。不过托帕石的加热处理要谨慎，温度选择不当，可能会使托帕石褪色，不同产地和不同颜色托帕石的褪色温度不同。有些托帕石的黄色或棕色在日光照射下或100左右温度下就会发生褪色，变成无色，而有的托帕石和棕色托帕石要加热至200-400才会变成无色或蓝色。已有的研究表明，托帕石所有经辐照产生的颜色在加热到500以上时，都会恢复原色或变成无色，再次辐照处理又可产生颜色。3 改色处理的检测对于托帕石改善处理的检测，一直是珠宝界人士和鉴定学专家们研究的课题。尽管十多年来，人们不断探索检测托帕石是否经过人工处理的有效方法和技术，然而收效甚微。因为人工处理所产生的各种颜色，天然的未经处理过的托帕石也有。尽管经辐照处理的托帕石的颜色大多比天然托帕石的颜色更深，但这不足以证明托帕石是否经过辐照处理过。另外，热处理所产生的粉红色比未处理的天然粉红色托帕石具有更强的二色性。天然蓝色托帕石与人工改色的蓝色托帕石之间在热发光性方面有一定的差异，当把托帕石加热时，辐照处理过的蓝色托帕石在达到360左右，会发射出很强的光，而天然蓝色托帕石则不会出现这种情况。不过这些检测方法是否有普遍适用性，还有待大量的试验进一步证实。目前在宝石贸易中，对托帕石放射性检测比较重视，而托帕石是否经过人工处理似乎并不重要，因为：托帕石经辐照和热处理所产生的蓝色和黄色是比较稳定的；现有检测方法和手段还不能准确而有效区分天然托帕石和人工处理托帕石。经过人工辐照改色的托帕石的颜色稳定，在高温或低温下存放较长时间以及在酸、碱、盐溶液中浸泡均无影响。与天然的蓝色托帕石相比，改色前后的托帕石除颜色发生变化外，其硬度、密度、折射率、双折射率等物理和化学性质几乎完全一致。虽然有人提出红外光谱、热发光等鉴定方法，但由于存在测试困难等问题，目前尚未找到鉴定辐照处理的蓝色托帕石的有效方法。如何迅速、简便、准确的区分天然与辐照处理蓝色托帕石仍然是当今珠宝检测的难点。各种类型托帕石的阴极发光颜色大致相同，都呈蓝色荧光，但是阴极发光的强度和起始激发电压存在显著的不同。在高压9.5-10.5KV、电子束流0.95-1.05MA的实验条件下，天然蓝色托帕石的阴极发光最亮，为中等亮度的蓝光；天然无色托帕石次之，为中弱亮度的蓝光；辐照处理的蓝色托帕石的发光最弱，为微弱的蓝光，往往只有棱角处受到电子集中轰击的部位才有发光。各种天然和辐照处理托帕石的阴极发光光谱均有宽缓的曲线，发光峰的主波长位于492-500nm，这也是托帕石呈现蓝色荧光的主要原因，它们的发光光谱没有可识别的峰形和峰位的区别。天然蓝色托帕石的发光强度最大，发光峰的强度多在40-50计数；无色托帕石的发光强度次之，发光峰的强度多在20-30计数；辐照处理蓝色托帕石的发光强度最弱，发光峰的强度低于15计数，仅为天然蓝色托帕石的1/3。在电子束轰击下，天然托帕石（不论蓝色或无色）容易发光，样品出现荧光的最低激发电压仅4-5KV之间，而辐照处理的蓝色托帕石的最低激发电压明显较高，在6-7KV之间，与发光性较弱的特点一致，说明天然托帕石与辐照处理的蓝色托帕石的阴极发光机制不同。4 结束语本文重点介绍了托帕石的改色方法及目前主要的鉴别方法，可以看出，在鉴定过程中，托帕石是否经过改色处理，目前仅停留在使用大型仪器设备进行鉴定，这样鉴定成本非常高，并且在实际操作中也不适用。用常规检测设备所进行的实验结果以及人们凭经验得出的结论，都