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第三章宝石的矿物学基础一、矿物学基础1．矿物：矿物是指地质作用形成的天然单质或化合物，它们具有相对固定的化学组成，固态者还具有确定的内部构造；它们在一定的物理化学条件内稳定，是组成岩石和矿石的基本单元。金刚石（Diamond）1.5厘米产地:山东蒙阴自然金（Gold）13厘米产地：青海自然铜(Copper)8厘米产地：美国方铅矿(Galena)7厘米产地：美国自然银(Silver)2.5厘米产地:河南闪锌矿(Sphalerite)1厘米产地:美国自然硫(Sulfur)6厘米产地:俄罗斯辰砂(Cinnabar)2厘米产地：贵州铜仁辉锑矿（Stibnite）9厘米产地：湖南新化黄铁矿(Pyrite)10厘米产地：法国雌黄(Orpiment)15厘米产地:湖南石门雄黄(Realgar)6厘米产地:湖南石门金刚石蓝宝石海蓝宝石说明：1）矿物系地球、月球及其他天体中天然形成的产物。2）矿物具有一定的成分、结构、形态和性质，藉此可鉴别矿物种。但是，由于形成环境的复杂性，矿物的这些特征可在一定范围内变化，故这些特征常可作为反映矿物成因的标志。3）任何一种矿物均只是在一定的物理化学条件下相对稳定，得以保存。当外界条件改变至超出矿物的稳定范围时，矿物即会变成在新的条件下稳定的其他矿物。4）矿物的集合体，即可组成岩石或矿石。2．矿物的分类：矿物的分类方法很多，其中晶体化学分类是目前被广泛采用的一种分类方法。矿物的晶体化学分类是以矿物的化学组成和晶体结构作为分类的依据（既考虑化学成分又考虑晶体结构的分类），因为成分和晶体结构决定了矿物的性质，并与一定的生成条件相关联，在一定程度上也反映了自然界化学元素结合的规律，该分类比较合理，目前被广泛采用。矿物的晶体化学分类：(1)自然元素大类：金刚石C，自然金Au等金刚石自然金(2)硫化物及类似化合物大类：辰砂HgS，黄铁矿FeS2等辰砂辰砂辰砂黄铁矿(3)氧化物和氢氧化合物大类：氧化物类：红、蓝宝石Al2O3石英族SiO2赤铁矿Fe2O3锡石SnO2尖晶石MgAl2O4金绿宝石BeAl2O4金红石TiO2石英簇赤铁矿刚玉晶体乌钢石/赤铁矿尖晶石锡石金红石金绿宝石(4)卤化物大类：萤石CaF2萤石晶体(5)含氧盐大类：硅酸盐类：锆石、橄榄石……约占宝石的50%锆石晶体各种颜色品种锆石橄榄石橄榄石晶体碳酸盐类：孔雀石、菱锰矿、冰洲石冰洲石孔雀石菱锰矿磷酸盐类：磷灰石、绿松石、磷铝锂石等磷灰石磷灰石磷铝锂石绿松石硫酸盐类：重晶石、天青石柱状天青石晶体硼酸盐类：硼砂等硼砂3．矿物的化学成分目前已知的矿物约有3000种左右，绝大多数是固态无机物。液态的（如自然汞）、气态的（如氮）以及有机物（如琥珀），仅占数十种。在固态矿物中，绝大部分都属于晶质矿物，只有极少数（如水铝英石、蛋白石）属于非晶质矿物。(1)矿物的化学成分a.化学组成基本固定这类矿物的化学成分基本上是固定不变的，或者说其成分上变异范围非常小，以致在通常情况下可以忽略不计，它们遵守化学上的定比定律或倍比定律。如：金刚石C红宝石Al2O3等b.化学组成不固定如固溶体，含沸石水和层间水的矿物、胶体等SiO2·nH2O欧泊火欧泊“晶质”欧泊黑欧泊白欧泊c.不符合化学比如方铁矿Fe1-x0是由于晶体结构中存在某种缺陷所造成的。水钙铝榴石Ca3Al2[SiO4]3–x(OH)4x主要成分：1-100%次要成分：1%-1/万微量成分：1/万水钙铝榴石中的黑色包体（2）类质同象和同质多象类质同象：晶体结构中某种质点（原子、离子或分子）为他种类似的质点所代替，仅使晶格常数（格子要素）发生不大的变化，而结构类型保持不变，这种现象称为类质同象。橄榄石(Mg,Fe)2[SiO4]Mg2+Fe2+橄榄石①红宝石和蓝宝石Al2O3Al3+Cr3+Fe2++Ti4+②祖母绿和海蓝宝石Cr3+Fe3+③红碧玺和绿碧玺MnLiCr类质同象可根据代换量的多少分为两种类型：完全类质同象：代换量不受限制如橄榄石不完全类质同象：代换量不能超过一定限度，如红宝石此外类质同象还可分为：等价类质同象：等价离子替换异价类质同象：不等价离子替换类质同象可以影响矿物的颜色、折射率、密度等，例如橄榄石，随着Fe2+的增加，颜色变深，折射率、密度等均增大。同质多象：同种化学成分的物质，在不同物理化学条件下（温度、压力、介质）形成不同结构晶体的现象，称为同质多象。碳（C）的同质多象变体：金刚石等轴晶系石墨六方晶系六方金刚石六方晶系（陨石撞击地表时所形成）SiO2的同质多象变体β石英（高温石英）六方晶系--573℃（常压）以上α石英（低温石英）三方晶系--573℃以下石英（SiO2）与欧泊（SiO2·nH2O）不是同质多象！！β石英α石英Al2SiO5:红柱石斜方Al2[SiO4]O较低温、低压蓝晶石三斜Al2[SiO4]O中压、中高温矽线石斜方Al[AiSiO4]O较高温蓝晶石矽线石红柱石Ca[CO3]：方解石三方文石斜方方解石的透明亚种——冰洲石珍珠的主要成分是文石4.矿物的形态矿物的形态是指矿物的存在形式，以矿物单体、矿物规则连生体及同种矿物集合体形式出现的外貌特征。单晶体：单晶、双晶，晶簇等矿物集合体：同种矿物的多个单体聚集在一起的整体。矿物集合体二、矿物的物理性质（一）光学性质颜色、光泽、透明度、发光性（荧光、磷光）（二）力学性质硬度、解理、断口、韧性、脆性等（三）其他性质电学、热性、磁性等（一）矿物的光学性质颜色：颜色是具有一定波长的电磁波。在整个电磁波谱中，能引起人眼视觉的可见光只是一小部分，一般取400~700nm波长作为可见光的范围（实际范围可达380~780nm）。从物理意义上讲，颜色意味着一定波长范围的电磁波辐射，当其刺激我们的视神经时，我们就产生了颜色的感觉。体色：透射色表色：反射色日常见到的自然光，就是由以上几种色光混合而成的白光。将各种色光的颜色排成扇形圆环图，任意一对对角扇形区两种颜色的色光，都可以适当比例混合成为白光，这两种颜色称为互补色。红橙黄黄绿绿蓝靛紫原色光（三原色）：红、绿、蓝三种色光称为原色光。颜色三要素：色调、饱和度、亮度色调：指色彩或色相饱和度：颜色的鲜艳程度亮度：即彩色的明亮程度红白青黄绿蓝品红宝石的颜色是宝石对不同波长的可见光选择性吸收的结果。当可见光（白光）照射宝石时：如果宝石选择吸收了某些波长的色光，则宝石呈透射或反射色光的混合色，相当于被吸收色光的补色或补色的混合色；如果宝石普遍均匀的吸收所有色光，则宝石随吸收程度不同而呈黑、灰或白色；如果所有的色光都有通过宝石，则宝石呈无色透明。光的选择吸收：均匀吸收：无色——白——灰——黑选择吸收：彩色呈色机理过渡金属离子的内部电子跃迁致色离子间的电荷转移致色色心致色能带间的电子跃迁致色物理光学致色成分：Al2O3,含Cr2O3Cr3+→Al3+有3个d电子基态e激发态吸收紫光、绿-黄光,透过红光、蓝光（少量）,呈红色、紫红色吸收ACD红宝石的呈色机理1）过渡金属离子的内部电子跃迁致色过渡金属元素等的d(f)电子跃迁（致色离子）过渡金属元素Cr、Ni、Co、V、Ti、Fe、Mn等Cr3+刚玉——红色祖母绿——绿色红宝石祖母绿2）离子间电荷转移致色蓝宝石成分：Al2O3含Fe2+、Ti4+等杂质。Fe2+——Ti4+电荷转移吸收红、黄光，呈蓝色。元素离子间的电子转移此外，董青石、蓝色、绿色的电气石均为电子转移致色。电气石电气石3）色心致色色心：可以吸收光波的晶体结构缺陷。主要有两种：电子色心：缺失原子（缺位）受放射性幅照捕获1个电子形成；例：紫色萤石空穴色心：额外原子（填隙原子）受放射性幅照激发1个电子形成。例：烟晶两者结果都造成有不成对的电子而发生能级分裂，吸收光波产生颜色。空穴色心烟晶、紫晶电子色心紫色萤石色心致色的还有蓝黄玉、锆石、天河石、钻石等。电气石萤石满带（价带）-充满面电子导带——未充填满电子禁带宽度-两能带间能量差ev禁带满带——已充满电子Eg原子轨道原子能级能带处在价带顶部的电子当受到外来能量激发，可以跃迁到导带上去。Eg大于3.1eV（紫光），可见光全部透过，宝石呈无色透明。Eg小于1.77eV（红光），可见光全部被吸收，宝石呈黑色或灰色。Eg处于1.77—3.1eV之间，部分可见光被吸收，则呈现透射光的颜色。4）能带间的电子跃迁致色金刚石的呈色金刚石的呈色，为无色透明。因为其带隙宽度为5.5ev,大于可见光的能量，不影响呈色。当含有少量的氮（N）原子，氮的最外层比碳多一个电子，在钻石带隙内形成一个杂质能级,称为施主能级,这个杂质能级位置低,即可吸收紫外光及部分紫光,使钻石呈黄色.当含有少量硼（P）时,硼的最外层比碳少一个电子，在带隙中形成受主能级，能吸收可见光0.4ev、接受从填满的价带激发来的电子，使钻石呈蓝色.能带理论所解释的宝石颜色致色原因颜色矿物实例禁带宽度Eg低于可见光能量紫-蓝色黄色红色白色铜蓝金、黄铁矿铜银、铂禁带宽度Eg在可见光能量范围内红色赤铜矿、辰砂禁带宽度Eg大于可见光能量纯净无色金刚石、刚玉、绿柱石石英、黄玉、萤石由微量组分引起的颜色蓝色黄色Ⅱb型金刚石（含硼）Ⅰa型金刚石（含氮）5）物理光学致色指由于宝石内部的结构、构造、裂隙、包裹体等到因素，对光发生物理光学作用而使宝石呈色。这些作用主要有：A干涉作用致色B衍射作用致色C散射作用致色D有色包体致色A.干涉作用致色•干涉：当两条光线相遇而叠加沿同一路线传播时，由于彼此的位相原因造成光波相互增强或抵消的一种光学现象，其效果是产生非纯正光谱色。•常见于有裂隙、薄层包裹体或具不同物质薄层结构的材料。•例一：晕彩石英•例二：珍珠B.衍射作用致色•衍射：为光干涉的一种特殊类型。•这种现象主要见于欧泊：•产生衍射的宝石具有规则的不同折射率的交替层堆积，当白光与之相互作用时发生光波的定向传播，其效果产生纯正光谱色。C.散射作用致色•宝石材料内部结构不规则、或粒度超出衍射限定范围（约100~400nm）、或含直径大于可见光波长的包裹体、微晶微裂隙或气泡，入射光线与这些不符合衍射条件的物质界面相互作用，造成光在不同方向上的反射而呈现颜色。例：普通蛋白石、乳石英等。D有色包裹体致色宝石材料中含有有色包体杂质，因它们的体色影响，使宝石呈现出相应的颜色。例如，石英中可含蓝线石包体而呈蓝色、日光石因含红色赤铁而呈红色等。传统颜色分类自色：指矿物自身所固有的颜色，是其主要成分和结构所决定的。如橄榄石、绿松石、蓝铜矿、孔雀石、黄铁矿、青金石等。他色：次要成分或杂质所引起的颜色。如红宝石：Cr3+蓝宝石：Fe和Ti假色：由于某种物理原因所引起的颜色，暗铜红色的斑铜矿氧化面薄膜形成紫蓝混杂的斑驳色彩——锖色，即是假色，欧泊的变彩等。光泽：材料表面反射光的能力和特征叫光泽。矿物反光的强弱主要取决于矿物对光的折射和吸收的程度。光泽的强弱与其内部的成分和结构有关。与化学键的性质有关，可以由反射率表示。反射率越高，光泽越强，光泽由强至弱有：金属光泽黄金、黄铁矿半金属光泽磁铁矿、铌铁矿金刚光泽金刚石、白铅矿玻璃光泽玻璃、水晶等金属光泽：据矿物新鲜平滑的晶面、解理面或磨光面上反光的强弱，配合矿物的条痕和透明度，矿物的光泽分四个等级：金属光泽：反光很强，似平滑金属磨光面的反光。矿物具金属色，条痕呈黑色或金属色，不透明。半金属光泽：半金属光泽：反光较强，似未经磨光的金属表面的反光。矿物呈金属色，条痕为棕色、褐色等深彩色，不透明～半透明。金刚光泽：反光较强，似金刚石般明亮耀眼的反光。颜色和条痕均呈浅色（如浅黄、桔红、浅绿等）、白色或无色，半透明～透明。玻璃光泽：玻璃光泽：反光较弱，呈普通平板玻璃表面的反光。矿物为无色、白色或浅色，条痕呈无色或白色，透明。特殊变异光泽特殊变异光泽：矿物不平坦的表面或矿物集合体的表面上的特殊变异光泽。常见的特殊变异光泽有：树脂光泽油脂光泽沥青