我的GTC
珠宝展览馆科普文章科研技术珠宝标准
当前位置: 首页 > 科研科普 > 科研技术

认识天然刚玉宝石的优化与鉴定
时间: 2018-05-24 10:31:57     文章来源: 朱亚江  作者:朱亚江

刚玉宝石-红蓝宝石属世界五大名贵宝石。自进入中国消费市场备受到广大消费者关注。围绕其优化、处理、合成等的种种传闻,也时时冲击着人们的消费信心。借助现代传媒技术,一些别有用心的传言,以讹传讹,混淆概论、...

刚玉宝石-红蓝宝石属世界五大名贵宝石。自进入中国消费市场备受到广大消费者关注。围绕其优化、处理、合成等的种种传闻,也时时冲击着人们的消费信心。借助现代传媒技术,一些别有用心的传言,以讹传讹,混淆概论、张冠李戴,毫无根据的列举一些所谓的事实和理论依据,利用刚玉宝石中的“宝石”二字把刚玉宝石的优化与其它无机和有机宝石的优化与热处理混为一谈,或以“擦边”的形式将刚玉宝石的处理合法化,于不动声色中灌输给人们。

根据我国国家标准GB/T16552(2017),天然刚玉宝石的优化(烧)是人们模仿自然,在没有任何人为添加的前提下,以物理加热的方法激发天然刚玉宝石固有的隐形美(即改变或改善宝石主体颜色和色调,提升宝石品级),并非人为增加任何化学制剂,如助溶剂、染色剂等。优化不仅不会对天然宝石的结构产生任何改变,所激发显现的色泽和透明度也是宝石固有的、永恒的,是许多优质天然刚玉宝石在大自然中早已经历过的。


1、刚玉宝石的优化不等于热处理更不等于宏观概念上的宝石热处理。

1.1、刚玉宝石的优化

从形成到被开采面市,天然刚玉宝石经历了数亿年复杂的地壳运动,这期间不乏大大小小的火山喷发和地热涌动等。当然不是每一次火山喷发和地热涌动都能使每一粒刚玉矿物成为人们喜爱的宝石。为了满足市场的需要,在充分认识理解了天然宝石级刚玉形成机理的基础上,人们模仿自然,以纯物理的方法、在不添加任何化学添加剂的前提下,将人们所喜爱的天然刚玉宝石早已经历过的热物理变化在人为环境下重新演绎,以增加市场供给。这是人类智慧的产物,也是被国际珠宝界广泛认可的。


1.2、刚玉宝石的热处理.

刚玉宝石的热处理是在优化的基础上,人为地在加热体系中加入某些化学添加剂,以达到扩展加热效果的目的。

在宝石学里,刚玉宝石的优化与处理虽然都与人为加热密不可分,但二者早已有了明确的界定标准:即在加热体系中是否人为添加化学添加剂。然而总有一些人利用不同语言文字的不同表达方式,玩弄文字游戏,硬把优化与处理两个完全不同的概念混为一谈,搞出所谓的“优化处理”、 “老烧”与“新烧”或“一度烧”与“二度烧”混淆刚玉宝石的优化与处理。


1.3、宝石学范畴的宝石热处理。

“宝石热处理”一词来源于宝石学,这里的“宝石”是宏观意义上的宝石,它囊括了所有可供热处理的无机与有机宝石,这里的“热处理”同样也是广义的,它包括各种与“加热”有关的处理手段。


2、刚玉宝石的颜色与透明度。

    2.1、刚玉宝石的颜色

宝石的颜色是界定刚玉矿物与刚玉宝石的重要依据之一,是人眼对透过宝石的被宝石中微量元素所携带的电子选择性吸收后剩余光波的感知。

刚玉宝石属它色宝石,十分纯净时呈无色透明,当含有微量元素时产生颜色。来源于刚玉自然生长体系的微量元素以随机的方式被刚玉矿物捕获,它们可以是离子或(微)晶体等,或以类质同相的方式进入宝石晶格、或以机械混入物的方式停留在宝石晶体中。它们通常是不均匀的、相互重叠的。即使是同一矿脉的不同个体所含微量元素的赋存状态也存在广泛的差异。


 2.1.1、红色刚玉宝石-红宝石的呈色原理。

红宝石属刚玉宝石,因含0.3%-4%的微量元素铬而呈红色。这里的微量元素铬是以类质同象的方式取代了刚玉晶格中的铝原子形成三氧化二铬。因铬离子半径(75.5pm)大于铝离子(67.5pm),三氧化二铬电子轨道被挤压造成电子吸收光能变异产生红色。


2.1.2、铬的特性。

铬、银白色金属,质极硬。原子序数24。原子量51.996,外层电子结构3d54s1。熔点摄氏1875°,沸点摄氏2680°。化学性质不活泼。与氧生产氧化物。


2.1.3、彩色刚玉宝石-蓝宝石的呈色原理。

蓝宝石是除红色刚玉宝石之外的蓝、黄、白、绿、粉等彩色刚玉宝石的总称。蓝宝石的主要致色微量元素较红宝石复杂,有铁、钛、镍、铬等,致色原理也较红宝石复杂。除了以类质同相进入刚玉晶格中的微量元素致色,晶体中的微量元素同样可以致色。以蓝、黄色蓝宝石为例:蓝色蓝宝石除了以晶格中的铁、钛离子间的电子跃迁致色,还可以以晶体中相应价态的铁和钛离子间的电子跃迁致色,黄色蓝宝石同样不单以晶格中的铁离子致色也可以以晶体中的铁离子致色。


2.2、刚玉宝石的透明度与净度

透明度同样决定着刚玉矿物是否能成为刚玉宝石。刚玉宝石的透明度是人眼对透过宝石晶体的光束的感知。宝石的透明度取决于宝石对光的吸收因数。吸收因数越大,透明度越低。

 刚玉宝石属离子晶格,离子晶格因缺少自由电子具有较高的透明度。但晶体内的微量元素同样决定着宝石晶体的电子含量,即对光的吸收因数。这些微量元素以随机的不均匀的方式存在。它们所携带的电子相互重叠逐层吸收不同能级的入射光,在制造混合色调的同时也增大了宝石晶体对入射光的吸收因数。


3、优化原理和范围。

优化技术是因势利导,在不损伤刚玉宝石晶体结构的前体下,在可控气氛和温度的加热设备中选择不同的气氛条件、加热速率、温度范围及恒温时间等,运用氧化、还原(氧扩散)技术改变宝石晶体中致色微量元素的价态、消除色心、析出多余微量元素,使宝石的颜色和透明度得到改变和改善。


 3.1、刚玉宝石的基本特性。

刚玉宝石属alfa型氧化铝-alfa三氧化二铝,在alfa型氧化铝晶格中,氧离子为六方紧密堆积。AI3+对称地分布在氧离子围成的八面体配位中心,晶格能很大,故熔点、沸点很高。


3.2、优化改变、改善刚玉宝石主体颜色和色调

根据刚玉宝石的晶格特性、致色原理、致色微量元素的赋存方式和优化技术的基本原理,优化技术所能调整的仅仅是以机械混入物形式进入宝石晶体的微量元素和杂质(微)晶体中的微量元素和电子色心。


4、优化提升刚玉宝石的品级。

4.1、优化改变刚玉宝石颜色。

以优化的方式改变刚玉宝石的主体颜色是优化的主要目的之一。通过氧化、还原的方式改变宝石晶体中的微量元素致色价态,从而实现改变宝石的主体颜色。


4.1.1、通过优化改变红色刚玉宝石的主体颜色的可能。

红色刚玉宝石-红宝石的致色微量元素是进入刚玉晶格以类质同相方式取代了铝原子的铬(三氧化二铬),但致色机理并非铬离子的某一价态直接致色或铬离子与其它某种微量元素间的电子跃迁。基于三氧化二铬在红宝石中的致色原理和铬离子熔点较高等特性,摄氏1900°的氧化、还原技术不可能在不损伤刚玉晶体结构的前提下直接作用于宝石晶格中的铬离子,改变(加深、淡化)其主体颜色。


4.1.2、优化仅能改变某些彩色刚玉宝石-蓝宝石的主体颜色。

优化技术改变彩色刚玉宝石-蓝宝石的主体颜色也不是无条件的,随心所欲的。鉴于一部分彩色蓝宝石(蓝色和黄色蓝宝石等)的主要致色微量元素和致色机理与红色刚玉宝石决然不同,且未进入宝石晶格的微量元素的不同价态可直接成为宝石的主体颜色(以铁、钛离子间的电子跃迁或铁离子的某一价态直接致色),优化技术可以以氧化、还原的方式改变晶体中致色微量元素价态从而改变宝石的主体颜色。如宝石晶体含有适量的铁和钛,且含量均衡,仅因二者的价态不合适不能产生铁和钛离子间导致蓝色的电子跃迁。再如宝石晶体中虽含有适量的铁,但价态不佳同时又缺乏钛。

根据现有技术:这种以改变宝石晶体中微量元素价态改变刚玉宝石主体颜色的技术还很有限,仅限于改变晶体中有限的几种微量元素价态。


4.2、优化技术改善刚玉宝石主体色调。

生长于自然环境,刚玉宝石晶体可同时含有多种微量元素。它们的绝大多数都有自己的致色价态,在宝石良好的折射作用下这些叠加的微量元素必然产生混合色。优化技术正是以改善这些微量元素的致色价态(使其不致色或调整到统一的价态下)从而改善宝石的主体色调。


4.2.1、改善同一微量元素的不同价态。

由于同一种微量元素在宝石中的不同赋存状态可能导致价态不一致,多种价态的同一种微量元素聚合、叠加必然造成多种颜色的混合,宝石所呈现的颜色必然是不理想的难以接受的。应用氧化、还原技术将晶体中的微量元素归结到与晶格中的相一致,实现改善宝石主体色调的目的。


4.2.2、以热扩散的方式使宝石晶体中不均匀的聚合微量元素扩散开来。

致色微量元素在宝石中的赋存状态千姿百态,可出现点、线和片状聚合叠加、呈现颜色的点、带、斑混合浓淡不均的现象。人们利用原子的热运动习性,将聚合、叠加的微量元素均匀的扩散开来。


4.2.3、改变红色刚玉宝石晶体中铁和钛等微量元素的致色价态。

许多带有杂色色调和黑灰色宝石心的红色刚玉宝石正是因为晶体中含有过量的(铁、钛等)微量元素,致使宝石主体颜色欠佳。优化技术通过高温改变这些微量元素的致色价态使其不再致色,从而消除杂色色调和黑灰色宝石心。


4.2.4、析出、刚玉宝石晶体中多余的微量元素。

前面讲过微量元素是天然刚玉宝石不可避免的内含物。许多存在于宝石晶体中的微量元素熔点和沸点较低(如铁、钛等)。在热作用下这些微量元素中的原子在原子热运动习性的作用下被析出晶体,宝石的主体色调得到提升。(能够析出的仅是晶体表层中的微量元素。且析出量及其有效。)


4.2.5、破坏杂色色心(电子陷阱)。

无论红色还是彩色刚玉宝石的杂色色调并不仅仅由微量元素致色。色心是能量产生颜色的结构缺陷。可以理解为“掉到空穴陷阱中的电子,吸收可见光中某一能量,产生电子跃迁而显示颜色的中心”。空穴陷阱的浓度不一,显示出来的颜色也不一样。如果不同深度的空穴陷阱同时存在、叠加,会显示混合色。优化(加热)宝石,相当于给落入陷阱的电子增加一定能量,使色心中的电子可以被激发到更高的能级,跳出陷阱发生逃逸,该陷阱能的色心被破坏,颜色消失。


4.3、优化改善刚玉宝石透明度。

在许多人看来刚玉宝石以优化的方式改善宝石透明度是宝石优化的一个主要目的。但事实并非如此。

前面我们讲过:影响宝石透明度的直接原因是宝石晶体中的电子。而刚玉宝石晶体中的电子来源于混入的微量元素离子和(微)晶体包裹体。只要有微量元素离子和晶体包裹体存在就必然有刚玉晶体以外的电子存在。虽然这些微量元素离子和晶体包裹体的熔点、沸点和气化点均低于刚玉晶体,但要把这些深居于刚玉宝石晶体中的微量元素在不破坏宿主晶体结构的前提下,从晶格能、晶体密度等均远大于它们的晶体中尽数析出完全是不可能的。

优化改善宝石透明度的原理与改善宝石主体色调的原理基本相同,正是利用氧扩散的方式,在改变包裹体微量元素致色价态的同时附带析出部分微量元素(离子)包裹体。达到有限改善宝石透明度的目的。


4.4、消除丝光,淡化生长纹。

从刚玉宝石的丝光和生长纹对宝石的实际影响看,消除丝光、淡化生长纹只是优化技术的附带效应。

刚玉宝石中的丝光是出熔的金红石纤维所致。金红石的化学成分是钛。钛的熔点为摄氏1660°。当刚玉宝石经过摄氏1900°的优化,金红石纤维被熔蚀断裂,宝石失去丝娟光泽。

宝石生长纹是刚玉宝石生长过程中形成的结构性缺陷。虽是缺陷,但并不会对宝石的物理或化学稳定性产生任何影响。仅在高档刚玉宝石的净度等级上略有影响。


4.5、消除矿物晶体包裹体的颜色、折射和散射。

通常情况下刚玉宝石的矿物包裹体包含许多含氧盐类矿物晶体。这些晶体包裹体不仅有自己的致色微量元素,还有折射率和散射率,所有这些在制造杂色色调的同时也影响了宝石的净度。优化不仅可以改变它们的致色离子价态消除杂色色调的同时也以熔蚀的方法消除了它们的折射和散射。让宝石晶体更洁净。


4.6、改变个别矿物包裹体的晶体结构。

以氧化的方式改变某些矿物包裹体的晶体结构或至色离子价态消除矿物包裹体的颜色(如使低型锆转化为中、高型锆)。

优化技术虽然改变了某些矿物包裹体的晶体结构消除了它们制造的杂色色调,但也给刚玉宝石晶体制造出新的张力裂,以及由张力形成的干涉光。


5、经优化的刚玉宝石特征

刚玉宝石的优化特征是一个复杂的、系统的特征体系。传统优化温度为摄氏1200-1900°。现代优化技术较传统向低温扩展到摄氏300°。因我国国家标准不要求在刚玉宝石鉴定书中标注受检宝石是否经过优化,也没有这类官方鉴定标准。在此笔者只能在混乱的非官方经验中根据个人经验筛选一部分。


5.1、低温优化(摄氏300-1200°)。

这一温区的优化主要针对的是颜色、透明度和净度都已达到宝石级的刚玉,其目的以弱化宝石所含低熔点微量元素离子和(微)晶体包裹体制造的杂色色调、折射率和散射率。这类优化通常只经历一次优化过程。优化后的刚玉宝石杂色色调变弱,部分熔点较低的含氧盐类矿物晶核和雏晶包裹体呈无色熔体。

低温优化的鉴定特征:微粒包裹体有轻微熔蚀(不易察觉)同时伴有团块分布的微透明浅蓝色或灰白色熔体。(如图5.1.1


5.1.1、低温优化后的熔体包裹体


客观的讲;低温优化后的刚玉宝石与所谓的“无烧”并无明显差别(10倍放大镜下)。完全没必要在“有烧”还是“无烧”上纠缠。


5.2、高温优化(摄氏1200-1900°)

这类优化的功能和特征较低温优化复杂的多,优化次数可从一次到二、三次不等。宝石主体的颜色、色调、透明度、净度变化和优化痕迹也较明显。但在没有参照比对物的情况下某些特征并不容易掌握、辨识。在此只能就易于掌握的特征加以介绍。

1、被烧失的蓝紫色色调(红宝石)。蓝紫色色调是多数天然红色刚玉宝石难以避免的杂色色调。在摄氏1200-1900°的氧化反应下,随着宝石晶体中铁离子价态的改变,铁、钛离子间的电子跃迁被消除,部分铁离子被析出,蓝紫色色调消失。

2、碎裂的丝绢状包裹体。虽然随出产地的不同宝石中的丝娟状包裹体可能多寡不一、长短不一,但金红石出容物是许多刚玉宝石的主要包裹体。在摄氏1200-1900°的高温下出熔的金红石纤维必然被溶蚀,成为绵延的省略号似的点状包裹体,宝石失去丝绢光泽(反射光下)。(如图5.2.2

图5.2.2、碎裂的金红石纤维包裹体


3、低熔点晶体包裹体失去自身的颜色、折射和散射成为无色溶体包裹体。部分低熔点晶体也是它色晶体。经高温优化,这些包裹体不仅失去原有的致色离子价态,同时成为粒度不等的溶体,失去自身的折射与散射。(如图5.2.1-5.2.4


5.2.1优化前的含氧盐类包裹体

5.2.2优化后的含氧盐类包裹体

5.2.3、优化前的含氧盐类包裹体

5.2.4、优化后的含氧盐类包裹体


4、晶体中没有被析出的微量元素离子团形成灰白色云雾。失去了致色价态又没有被析出的微量元素,如铁和钛等经优化后成为灰白色云雾包裹体(显微镜下)。(如图5.2.5


5.2.5、优化后的云雾包裹体


5、负晶包裹体。高温优化的温度接近刚玉熔点,通常需恒温一段时间。经长时间的高温炙烤,刚玉中的某些晶体缺陷出现溶蚀,当温度缓慢下降,被熔蚀的晶体缺陷出现二次结晶,由于缺少二次结晶所需成矿离子,晶体缺陷无法得到完全修复,晶体缺陷便以负晶的形式出现。(如图5.2.6


5.2.6、优化后产生的负晶




6、优化产生爆裂。这类爆裂的特征与天然裂隙决然不同。简单的讲:这类爆裂的直接原因有两种:1、以某些熔点较高的固相包裹体受热膨胀导致宿主晶体爆裂。这类爆裂多呈以固相包裹体为中心的盘状裂隙。2、以液相包裹体受热膨胀导致的爆裂。这类爆裂多呈不规则气液包裹体。这两种裂隙均未受到外来矿物的侵蚀污染,故裂隙干净明亮。

必须指出;优化所造成的晶体爆裂多以固、液包裹体受热膨胀所致,故这类裂隙不会太大或绵延致宝石表面。其次晶体爆裂是饰品宝石的致命缺陷。因此凡可能产生晶体大面积爆裂的包裹体,都会尽可能在优化前去除。


7、部分体积较大的低熔点晶体包裹体被熔蚀呈泡状包裹体。这种优化特征多出现在抵挡刚玉宝石中。(如图5.2.7



5.2.7、优化后的泡状晶体包裹体


8、多棱腰。刻面彩色宝石琢磨虽没有钻石那么严格。按照国际惯例:刻面彩色宝石的腰部通常也无需抛光。但、当琢磨成形后的刻面宝石经高温优化后,部分棱面,尤其是冠面的部分棱面常出现溶蚀再结晶现象。二次抛光也就势在必然,二次抛光所产生的多棱腰也就在所难免。


6、总结。

        通过以上简述可以看出:刚玉宝石的优化不是无条件的,万能的。所针对的是含有过致色量微量元素的、具有一定透明度和净度的宝石级刚玉矿物和琢磨成形的刚玉宝石。

查阅我国互联网某些有关于刚玉宝石优化与鉴定的文章,我们会发现这些文章大都首先把优化与热处理搅和在一起,接着就把市面上90%以上的刚玉宝石(尤其是红宝石)纳入经热处理改色的范畴。再接着就是大肆鼓吹热处理的功效,如、经热处理的红色刚玉宝石颜色更鲜艳,透明度更高,并可产生指纹包裹体、愈合裂和星光效应等等。一句话:热处理是包罗万象的、无所不能的。有关这方面的鉴定也是难上加难的。

细细研读这些文章,人们会发现这些文章总是有意无意地回避优化与处理的界定标准,回避刚玉宝石呈色的微量元素种类和特性,回避各色刚玉宝石的呈色机理等,回避影响宝石透明度的物理、化学因素。回避形成指纹状包裹体、愈合裂和星光效应等的物质基础和化学、物理原理等。

因此要弄懂刚玉宝石的优化与优化特征,必须首先弄懂优化的原理。弄懂刚玉宝石的基本特性、呈色微量元素和微量元素的特性,以及呈色机理,做到有理有据。

 

参考文献

1】《系统宝石学》

2】《宝石学基础教程》

3】《热处理刚玉宝石》

4】《云南红宝石热处理中铁离子析出研究》

5】《同济大学缅甸红宝石热处理工艺及其机理研究》

6】《蓝宝石改色的原理及方法

7】《红蓝宝石改善工艺原理及特种》

图片来源

【1】  互联网

【2】  作者拍摄

点赞11
分享到:
相关文章
推荐