第1节

矿物与宝石的吸引力从何而来

不需要成为科学家，我们也能欣赏矿物和宝石等自然材料的魅力。我们可能并不清楚其形状和颜色与其物理性质上的缺陷密切相关。地质学家和矿物学家投入巨大的精力，考察众多荒凉之地，只为收集大量样本，研究各种颜色的石头和岩石碎块的性质。有些幸运儿发现了新的商业矿床，或者发现了一种新的矿物。新矿物可能会以发现者或当地地区的名字命名，这会带来声望。以这种方式出名确实不容易，因为实际上，矿物的种类只有4000到5000种。相比之下，天然碳化合物多达50多万种。在外行看来，地球上的矿物种类似乎无穷无尽，这主要是因为，即使是一种矿物，也会因所含杂质而呈现颜色的变化。矿物也可以通过多种方式组合成不同的岩层。因此，天然矿物只有5000种，这个数字可能令人吃惊（它比标准汉字的数量还少）。然而，对天然材料的了解帮助人们开发出数百种合成晶体，它们的性质更加理想或更易控制。合成晶体与天然矿物的主要区别在于，合成晶体更加纯净。科学家们还制造出许多无法在自然条件下形成的新材料。图8.1展示了一些迷人的天然矿物。

图8.1 迷人的天然矿物

注：（a）中展示了各种颜色和图案的天然矿物，这些颜色和图案仅存在于极少数矿物中。（a）中所示为玛瑙钟乳石与紫水晶钟乳石。（b）和（c）是两种不太常见的矿物，常用于制作桌面和珠宝，（b）为绿色的磷铝石，（c）为淡紫色的紫硅碱钙石。这三张图片均由我的朋友——在西班牙国家自然科学博物馆工作的哈维尔·加西亚·几内亚博士（Dr. Javier Garcia Guinea）提供。

合成宝石

合成宝石的出现，最初可能是基于对利润与大尺寸天然石材的综合需求。典型例子是合成红宝石与蓝宝石的开发，100多年前人们就发现，通过氢氧火焰将宝石组分的粉末熔融，可以合成宝石。基本材料是氧化铝，纯氧化铝晶体非常坚硬且透明。它的切片可以制成极好的防刮手表表面，而且大多数情况下，我们会认为它只是一块普通的玻璃。如果在混合物中加入一些氧化铬，铬离子很容易取代晶格中的铝离子（它们具有相同的化学键），晶体变成宝石，我们称之为红宝石。这项技术相当简单。熔化的液滴从火焰的加热区域落下，生长成一个微小的子晶。子晶决定了晶体的生长模式，通过精密的控制，它可以形成一个大晶体，比如长12英寸，直径几英寸。我们可以从这些巨大的块状物（称为刚玉）上切割出一部分，用来制造珠宝或激光器等。事实上，1960年，世界上第一台激光器诞生，它所使用的材料就是红宝石。

在同样的主体材料中加入不同的掺杂剂，会产生不同的颜色，在氧化铝中添加镍会产生黄色蓝宝石。蓝宝石呈现出蓝色是由于其中掺杂了钛，但这相当困难，因为钛的化学性质决定了它需要与四个氧原子形成四个共价键，而铝和铬只需要三个氧原子。铝离子和铬离子都是三价离子，而钛离子是四价离子。要解决这个问题，需要再次添加杂质，然后生长高质量的蓝色蓝宝石。

珠宝行业可能不太关注合成宝石和大颗天然红宝石或蓝宝石之间的竞争，因为仔细检查就会发现，与天然宝石相比，合成材料通常过于完美。因此，珠宝商是少数喜欢缺陷的群体之一。在珠宝之外的应用领域，蓝宝石结构的真正价值在于其极高的硬度及其化学惰性。天然宝石与合成宝石之间的质量差异往往非常明显（图8.2）。紫水晶只是掺有杂质的石英（晶体二氧化硅）。

图8.2 天然宝石与合成宝石的对比

注：图中展示了用天然紫水晶与合成紫水晶制成的珠宝。看上去完美无瑕的水晶其实是人工合成宝石。天然材料往往有明显的缺陷，其价值也更高。图片由哈维尔·加西亚·几内亚博士提供。

加热对宝石颜色的影响

将晶体放在中等温度下进行热处理，其结构变化很小，但晶体中的电子获得了足够的能量，开始四处移动，可能会形成新的化学键，从而改变材料的光学吸收性质。如果吸收带出现在可见光区域，我们就会看到有色晶体。目前市场上售卖的矿石中，有许多矿石的颜色并非天然形成，黄玉和锂辉石便是两个典型例子。

黄玉（topaz）得名于红海中的一个岛屿，在梵语中是“火”的意思。自然界中的黄玉颜色包括无色、蓝色、黄色和红色，颜色取决于杂质及其晶格中的电子成键方式。有些颜色非常受欢迎，因此人们通过各种热处理进行颜色转换。每年约有300吨矿石接受这样的处理。

锂辉石，即硅酸铝锂LiAl（Si2O6），通常情况下，它是灰色或不透明的晶体，颜色相当单调。但有两种透明的宝石级锂辉石，分别是紫锂辉石（kunzite）和翠绿锂辉石（hiddenite）。两者的英文名称都是典型的矿物名，粉色或紫色锂辉石以纽约珠宝商的名字命名，而绿色/黄色锂辉石则以这种材料的发现者希登（Hidden）的名字命名。毫无光彩的石头没有多少市场价值，而它们的颜色往往源自锰杂质。从性质上来说，这些杂质锰是三价离子（Mn3+），如果材料受到X射线或伽马射线照射，它会转变为四价离子（Mn4+），晶体就会变成一种诱人的亮绿色，这种颜色很受消费者欢迎。

翡翠是一个通用名称，它涵盖了一系列不同颜色的类似材料，从绿色到白色或棕色。绿色翡翠往往具有更高的价值，它的颜色与铁杂质有关。人们再次尝试用科学手段来改变颜色，从而提高其价值。表面化学反应可以实现这一点，通过离子交换，可以使铁离子进入表面。也可以采用离子束注入的方法。这种处理在商业上并未完全成功，因为材料只有表面发生了性质改变，它很容易被刮伤，从而暴露出内层真正的颜色。

要进行矿物勘探，我们需要充分认识各种矿物，不仅是博物馆和商店中展示的形式，还有当矿物处于地下或矿井时所呈现的完全不同的形式。我们知道，珍贵的宝石可能隐藏在看起来平平无奇的晶洞中（如紫水晶），或与其他矿物结合。很多人可能还不知道，与我们之后看到的宝石相比，它们在矿山中可能呈现出完全不同的颜色。一个典型的例子是方钠石。这种矿物不适合晶体学的初学者，尽管基本的外形是立方体，但具体的结构单位是氯化钠在钠铝硅酸基质中的混合物。化合物方程式为（NaAlSiO4）6（NaCl）2（即晶胞的结构单位大约有46个离子）。氯的存在意味着它的反应方式与摄影所用的卤化物相似，在摄影所用的卤化物中，曝光后原子可以四处移动。因此，在矿井中，光线昏暗，晶体看起来苍白无色，但如果将它们带到阳光下，接受紫外线的照射，晶体会发生光化学反应，由于晶格空位缺陷，矿物变成深蓝色。这些缺陷提升了矿物的价值。

金刚石

——最佳宝石

从机械方面来说，金刚石比蓝宝石更加坚硬，因此它在工业上主要用作切割和磨削工具，如采矿用的钻头。在这种用途中，石头是否有颜色或瑕疵都不重要，只需要保证低价格、大批量的产出。我们可以合成金刚石，但这是一个比合成蓝宝石更加困难的挑战。合成金刚石的目标是将任何形式的碳（如石墨）转变为致密的金刚石晶体结构。我们不仅需要较高的熔化温度，还需要复杂的冷却方法，因为简单的熔体冷却无法形成金刚石，反而会得到柔软的黑色石墨。石墨当然不是坚硬的材料，也不具有宝石的价值。其中的问题与前文所说的石英相同，从熔体冷却到室温的过程中，会出现多个不同的结构相。人们熟悉的天然金刚石之所以会形成这样的晶体结构，除了高温的作用外，还有地幔内高压的影响。要合成金刚石，就需要复制这种高压的环境。

科学家是相当执着的一群人（用固执来形容可能更加恰当），他们会被这类极具挑战性的问题吸引。如今，科学家已经可以合成宝石大小的金刚石，只是成本昂贵。大颗宝石的生产经济效益不高，但对较小的变色金刚石来说，合成是一种现实的商业选择，并且在工业方面确实有广阔的市场。

金刚石的吸引力在于其极高的折射率，因此可以通过切割使它散射光线。它们质地坚硬且化学性质稳定，所以用浪漫的话语来说，钻石（经过雕琢的金刚石）象征纯洁持久的爱情。不幸的是，它们本身并不纯净。金刚石形成于地球深处，这意味着它不仅具有高度有序的碳原子结构，并且在地幔中处于熔融状态时，它已将各种微量杂质囊括其中。我记得一位来自钻石公司的朋友曾说，他分析的每一颗钻石至少都含有40种微量杂质元素。就像红宝石一样，人造金刚石也比天然金刚石更加纯净。但它添加了一种杂质，那就是合成时使用的促进晶体生长的微量化学催化剂，在某些情况下这种催化剂是镍。

最近人们开始尝试控制合成金刚石中的氮杂质，在无法使用硅或其他标准半导体的情况下，合成金刚石可以作为高温半导体使用。

低价高仿钻石的市场相当可观。基本上人们只需制造一种折射率非常高的材料（以提供与金刚石类似的光学性质），并且对可见光是透明的（像金刚石一样）。事实证明，这是一种强有力的激励，刺激晶体制造取得巨大进展，不仅生产出高折射率的金刚石替代品（如所谓的立方锆石和钛酸锶），还制造出其他许多具有有趣性质的化合物。这些化合物被用于现代光学系统和激光器。

特大天然水晶

宝石的价格往往会因尺寸大小而变化，因为与小颗宝石相比，人们发现的大颗宝石非常稀少。对大多数材料来说，颜色均匀的大尺寸天然水晶（例如几厘米宽）是罕见的，但也有一些经典的巴西石英，其质量能达到一吨。这样的水晶大多无法保证完全透明与完美，总会包含变色区域。一种常见的石英杂质是铝，它会使石英呈烟熏似的棕色，但与其他矿物相比，大多数石英是纯净透明的。石英矿脉中几乎没有可溶的杂质。但也有例外，比较典型的就是紫水晶形成过程中掺杂的石英（图8.2），其晶体结构中包含铁、锰或钛。野外地质学家知道，紫水晶可能隐藏在看起来平平无奇的晶洞内部。这些晶洞是晶体生长的压力容器，因此在内壁上形成的材料颜色和等级取决于起始材料的浓度，再加上化学反应与晶体生长时的高温。有一些盐会被优先吸收，因此在大晶洞内形成的指状物的颜色会沿着长度发生变化。晶体矿物总是生长在岩石的内壁上。图8.3是不同类型的晶洞，不仅有常见的紫水晶（标本长度超过2米），还包括一些巨大的石膏晶洞。这些紫水晶晶洞可能是目前发现的最大的晶洞。我有两位来自西班牙的朋友，他们是地质学家，在图8.3中，他们舒服地坐在于巴西海岸发现的一个巨大石膏晶洞内。这些还不是目前发现的最大的石膏晶体。实际上，超大晶体是来自墨西哥奈卡矿（Naica）的亚硒酸盐晶体（selenite），那里有长11米、宽4米的单晶。非地质学家可能对此感到困惑，其实亚硒酸盐只是石膏的另一个名称。两者都是二水合硫酸钙（CaSO4·2H2O）。虽然名称中含有硒，但实际上亚硒酸盐一般不含硒。这个名称来源于希腊语中“月亮”（selene）一词，因为这种半透明矿物的外表会让人联想到月光。

图8.3 巴西晶洞内的天然石膏和紫水晶

注：（a）是哈维尔·加西亚·几内亚与马丁·费尔南德斯（Martin Fernandez）坐在他们发现的一个晶洞内。（b）是罗伯托·阿尔马扎（Roberto Almarza）站在几个大型紫晶洞前。（c）是石膏晶洞内部。图片由哈维尔·加西亚·几内亚博士提供。

是否存在如此大尺寸的金刚石？

相比之下，即使是目前已知的最大金刚石，其尺寸也远不及上面提到的这些天然水晶。例如，最初的“光明之山”（Koh-I-Nor）钻石重约280克拉（1克拉=0.2克）。由于其中一个部分变色，它被琢磨到只有109克拉。除了“光明之山”，还有几颗有记载的大钻石，但它们都存在严重的问题，比如库利南钻石（Cullinan）中心有一个大黑点，或者原石尺寸很大，但质量太差，无法琢磨成优质宝石。库利南钻石重达3100克拉，可能只是一个大矿石的部分碎块。它被切割成9颗大宝石，其中最大的一颗被称为“非洲之星”（Great Star of Africa，重530克拉）。原石的价值已无从考证，但据估计，目前“非洲之星”的价值远远超过5亿美元。

克拉这个单位可能难以让我们直观感受石头的大小，但一个621克的金刚石体积约为177立方厘米。如果是球形，其直径约为7厘米（大致相当于一颗网球的大小）。