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翡翠–地殼與地函偶然交會的結晶

104/03/06 瀏覽次數 14916
翡翠帶著神祕的翠綠色彩吸引了無數的愛好者,長久以來已超越和闐羊脂玉成為華人珠寶界的寵兒。華人喜好翡翠更甚於鑽石,尤其是伴隨中國經濟的起飛,近年來翡翠的需求直線上升,價格已不再是一般人能負擔得起的。

翡翠或翠玉是硬玉類的天然玉石中顏色翠綠的極品,頂級翡翠比起寶石級的鑽石更是難得一見。翡翠之為人喜愛,除了傲人色彩及細緻且堅韌的質地外,產量的稀少也是原因之一。

許多人對翡翠的喜愛來自收藏在臺北故宮博物院精美絕倫的翠玉白菜,它是全球華人夢想一睹的國寶,2014年日本之旅的盛況不亞於當年蒙納麗莎之展。翠玉身世之謎引發了眾多粉絲的好奇,翠玉到底是什麼?為什麼質地和顏色那麼獨特而自然?大自然是如何創造它的?翠玉是否可以人工合成?

翡翠的礦物學

石之美者 東漢許慎的《說文解字》給玉石做一個很好的定義:「石之美者也」是玉。所謂「美者」並不一定指外貌或質地。其實,許多被收藏的玉石背後都有一個故事,或許是家傳的寶石,或是親友送的禮物,或許是旅遊遇到的紀念品,或偶爾撿到的一顆小石子,在擁有者心裡都是寶貝,都是「美者」,都是玉。

因此,玉石的廣義定義包含了任何的美石,中華夏商周各朝流傳下來的古玉,以及石器時代出土的玉石,其所屬的礦物就有30種以上,可見玉的種類之多。其中以軟玉類(nephrite)最為人知,中華古玉也以這類居多,新疆的和闐玉和臺灣玉都屬於這一類。臺灣卑南文化的獨特玉雕來自花蓮豐田產的軟玉。

另一類稱為硬玉(jadeite jade),主要產於緬甸,俗稱緬甸玉。由於其在明、清兩代以後始傳入中國,在古玉中並不常見,是後起之秀。硬玉中高品質而帶有顏色的稱為翡翠,取名自小巧美麗的翡翠鳥,一般雄紅雌綠,因此「雄赤曰翡,雌青曰翠」。

翡翠不僅有綠色的,也有呈現紅色的,偶爾還會出現其他顏色。近年來西方國家把頂級翡翠稱為帝王翡翠(imperial jadeite),是玉的佼佼者。軟玉與硬玉稱為真玉,其他則歸為似玉類,例如雞血石、壽山石、土耳其玉、綠松石、蛇紋石、天河石等。

玉石與礦物有何不同 礦物是一種天然產出的均質固態材料,依據學理的定義,它本身具有特定的化學成分(化合物)。其內的原子有規則排列的稱為晶質或結晶,例如鈉輝石、綠柱石、剛玉、透閃石,以及常見的石英、長石等,這些都屬於礦物。

寶石是指單一礦物而且品質良好的晶體,例如紅寶石、藍寶石都是礦物剛玉的寶石級的單晶,也就是說同一礦物可以有不同的寶石名稱,祖母綠是綠柱石礦物的綠色單晶。

玉石就不是單一礦物,而是由無數相同或不同的礦物小晶體組成的,例如硬玉主要由礦物jadeite(學名鈉輝石,中譯也叫硬玉)以及少數其他類礦物(如透輝石、透閃石、鈉長石、石英、方解石、石墨等)的小晶體組合而成。而軟玉中的礦物與硬玉大不同,多數是透閃石或陽起石等。再舉個常見的例子,水晶是石英的單晶,但若許多細小的石英微晶組合成塊就是玉髓或瑪瑙。

翡翠顏色之謎 地球上萬物多彩繽紛,是大自然神奇的一面,但人們習以為常,很少人會想像沒有顏色的世界是何等的灰鬱,大自然這枝彩筆又是如何在萬物上刷上其獨特的顏色?

經由彩虹透露出太陽光內含使人類眼睛感受不同顏色光譜的祕密,波長由長而短分為紅、橙、黃、綠、藍、(靛)、紫6或7個連續波段的可見光譜。倘若可見光譜完整無缺,各顏色光混合在一起就呈現白光,若其中有波段缺失或被吸收,就呈現剩餘(互補)的色光的混合色。

物質對各波段的吸收能力各異,因而呈現不同的顏色。例如,當陽光照射紅色的寶石時,紅光以外的波段大部分被吸收,只有紅光以及少部分未被吸收的透出或反射,因此呈現紅色。

寶石和玉石變化萬端的顏色讓人著迷,即使同一種玉石都可能呈現不同的色彩。就以硬玉為例,多數含純鋁離子的硬玉呈現灰白色或半透明,但硬玉中的鋁有時會被大小相似,價數相同的過渡元素 (Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni)離子取代。

若被少量的鉻離子或三價鐵或兩者一起取代,則會呈現略為不同的綠色;被錳離子取代則帶粉紅色。有時被二種以上的離子同時取代,或二價和三價離子共存時,會讓色彩更加多樣性,例如少量二價及三價鐵同時取代則呈薰衣草色。其顏色的深淺則取決於被離子取代的多寡,以及原石所含共存的礦物,例如顆粒間滲入氧化鐵就帶紅色,滲入氧化鉻則帶綠色。

有趣的是,相同陽離子(鉻、鐵或錳等)在不同的礦物晶體中會呈現不同的顏色。例如同樣是三價的鉻離子,在剛玉晶體中使紅寶石呈現紅色,在硬玉的晶體中卻使翡翠呈現翠綠色,而在軟玉或祖母綠中,顯現的綠色又與翡翠略有不同。這現象早期曾經讓礦物學家相當困惑,一直到1930年代美籍德國物理學家漢斯.貝特(Hans Bethe, 1906 -2005,1967年諾貝爾獎得主)等人發展出晶場理論(參閱本刊438及482期)後才有所了解。

簡而言之,當光線照在含鉻離子的硬玉(翡翠)上時,會使離子最外圍電子從低能階激躍到高能階,激躍所需的能量相當於紫光及紅色光的能量,因此紫光及紅橙光就被吸收,只有綠光、弱藍等色光透出,因而散發出翡翠獨有的迷人翠綠色。但在祖母綠中激發鉻離子電子所需的能量,與在翡翠中略有差異,造就軟玉或祖母綠獨特美感的綠色。

紅寶石中鉻離子外圍電子被激發所需的能量與在翡翠或祖母綠中的不同,相當於紫光及橙光的能量,因此紫藍及橙黃光被吸收,紅光及弱綠藍光透出而呈現特有的鴿血紅色。這類電子能量的改變,歸因於鉻離子在晶體中的位置和其周圍的陰離子距離等所形成的「晶場」的不同。

翠玉麗質的肌體 翡翠與軟玉類的臺灣玉之所以能夠從玉石中脫穎而出,除了迷人的色澤外,細膩圓潤的肌體也是原因。古人常拿玉來比喻人,所謂「謙謙君子,溫潤如玉」。自然界中,硬玉是由許多小晶體組合而成。寶石級的翡翠,其小晶體粒度一般小於0.15毫米,形狀是柱狀、纖維狀或混合狀,這些晶體顆粒越細、越均勻,或其間鑲嵌越緊密,其透明度(水頭)就越好。

一般玻璃種、冰種翡翠中顆粒的平均粒度約在0.05~0.15毫米之間。翡翠越純或顆粒越均勻,光澤就顯得越溫潤,翠玉含纖維狀越多或顆粒間編織越完備,質地也越強韌。市面上經過酸洗處理過的翠玉,雖然去掉了汙點雜色,但也破壞了原有的質地,留下可提供分辨優化處理與否的痕跡。

硬玉的主要礦物硬度是6.5~7.0,比軟玉礦物的6~6.5高。但硬玉因含有其他礦物,所以其硬度範圍大約在6~7之間,只比軟玉範圍略高,因此並非所有硬玉都比軟玉硬。然而高品質的硬玉或翡翠一般含硬玉礦物的量很高,硬度也較大。另一方面,硬玉通常也含有在軟玉中常見的纖維相互交織的組織,因此韌性大,在玉石中僅次於軟玉,適合玉雕成纖細的藝品。

天然翡翠的成因

全球硬玉礦床主要產地除緬甸外只有少數地區,例如美國加州、瓜地馬拉、紐西蘭、日本、俄國等地,而其中含高品質翡翠的原石除緬甸外就如鳳毛麟爪了。在地球上,翡翠同鑽石一樣,也得在地球深處歷經高壓千錘百鍊及歷經千百萬年才能醞釀成菁華,稱為「綠鑽」也不為過。

翡翠的成因不僅是科學的議題或是探勘礦脈的指引,也引起翡翠愛好者一探究竟的興趣。雖然有人認為硬玉(翡翠)礦脈如同鑽石礦也是由岩漿凝固而成,但目前多數學者傾向於它是「高壓低溫變質作用」的產物。

首先有人會問:硬玉為什麼須在地球深處高壓下才能生成?這個問題同鑽石須在高壓下才能形成的理由類似,是因為鑽石、硬玉等高壓礦物結晶的原子排列十分緊密(硬玉密度3.4 g/cm3,相對於軟玉2.9~3.1),在高壓下才能穩定,當壓力不夠時就會分解或轉換成低壓的礦物。

緬甸翡翠的身世 要了解翡翠的出身,首先得從硬玉礦的產地和長相著手。依據地質學家對全球各地硬玉礦的研究,硬玉礦床多數存在於板塊隱沒所造成的獨特高壓低溫變質帶中。含翡翠的硬玉更常與蛇紋岩比鄰而居,例如緬甸與日本硬玉礦都賦生於蛇紋岩中,意味硬玉的誕生與蛇紋岩息息相關。而且,硬玉礦經常以岩脈狀出現,表示它是由流體物質填充或水溶液沉澱在岩盤的裂隙中而成。

現在就以緬甸的翡翠礦為例,敘述它們的身世吧!其實緬甸的翡翠礦的身世相當複雜,我國中央研究院團隊及中國幾個研究機構都曾以最新的同位素或稀土元素等地球化學科技,追蹤硬玉翡翠礦的根源(如同DNA用於物種的研究),翡翠礦的成因近年來才較明朗。

地殼與地函偶然交會的結晶 翡翠礦的遠祖可能源自於地殼與地函的物質,大約在恐龍盛行的中生代,印度洋板塊向北開始隱沒入今日歐亞大陸邊緣。只是,這時候印度陸塊尚未碰撞亞洲陸塊。

印度洋板塊下的地函物質(橄欖岩)在板塊隱沒擠壓下,偶爾會被鏟刮起到地殼內,形成由地殼和地函岩石混合的蛇綠岩帶。臺東(利吉混同層)也發現有類似的蛇綠岩。隱沒海洋地殼偶爾也會帶入少量的海水,在地熱的加持下成為超臨界熱液。這些高壓熱液對地殼和地函物質產生變質作用,地函的橄欖岩一部分轉換成蛇紋岩(蛇紋岩化作用),而地殼的基性岩(玄武岩或輝長岩)也變質為綠色片岩或角閃岩等。

蛇紋岩化後殘留含有少矽質富鐵鎂的地函物質的熱液,又與地殼岩石進行大換血(交代變質作用)。其中,在極罕見的條件下(例如從長石中減少矽含量)硬玉礦會伴隨生成,這種「減矽作用」很可能是硬玉礦在不必增加原有壓力下,僅經由物質的交代能夠形成硬玉礦的主因。

偶爾其中溶解硬玉的物質(鈉、鋁、矽、鉻、鐵等)的殘留熱液會填充到裂隙中,就形成脈狀的硬玉翡翠礦床。硬玉翡翠就這樣在地殼與地函偶然交會中誕生,是大自然在巧合且可遇不可求下贈與人類的禮物。至於硬玉礦床誕生的時間,2013年中研院團隊利用鈾同位素進行精確的定年,是七千七百萬年前(晚白堊紀),比前人認為是侏羅紀要晚許多。

翡翠的成玉作用 早期生成的硬玉石肌體粗糙,但隨後的「成玉作用」使得部分硬玉礦物重新結晶,使顆粒變細、肌體緻密。其中極少數帶有翠綠色翡翠來自地函來源的蛇紋岩中的鉻、鐵成分,經由高溫熱水運載鉻、鐵離子至硬玉礦物中取代其中的鋁離子。翡翠顏色深淺與鉻、鐵離子取代的量有關,這是為什麼翡翠的綠色變化可以很大,使得翠玉白菜綠色由濃而淡逐漸變化,可謂鬼斧神工。

寶石級翡翠含鉻、鐵量約0.02~2%左右,過猶不及都可讓翡翠失色,這是頂級翡翠物以稀為貴的原因。徜若鉻濃度太高,玉石中就會呈現暗濃綠色,俗稱的鐵龍生,因有非硬玉礦物(鈉鉻輝石,Kosmochlor)伴生,所以使品質降低。

緬甸翡翠的產狀 最早的緬甸翡翠玉器至少可推溯至約一千八百年前緬甸驃人古文明所使用的珠豆,其原石來源已不可考,但很可能是在緬甸北部欽敦江的支流霧露河的河床中發現的。後人就溯溪而上,在目前主要礦區道茂礦體中發現原生及次生礦床。翡翠礦除了原生礦體(山石)外,古代河床(沖積層)中的鵝卵石或礫石所形成的次生礦床(水石),也是緬甸玉的重要產地,有名的老坑如:帕敢、韋卡等玉坑。沖積層中的水石是經過水流的侵蝕衝擊碰撞而存留下來的,因此其韌性及強度一般都較佳。

硬玉記錄了地球的脈動 硬玉翡翠在地殼深處生成,又如何出現在地表呢?鑽石可藉由火山噴出地表,但地球深處高壓生成的硬玉,必須藉由特殊的地殼變動才能抬升至地表。

地殼地盤的升沉是大自然的常態,古之所謂的「滄海桑田」,在短暫人類時空中屢有發生,更何況漫長的地質年代。根據最近(2013年)中國地質大學利用鉀氬同位素定年研究,緬旬硬玉礦體抬升發生在約在四千五百萬年前。緬甸的硬玉翡翠何其幸運,搭乘喜馬拉雅山造山運動的早班電梯,從至少約25公里深的地殼上升到地表上。

硬玉也是研究板塊運動及地體構造的地質學者的最愛。除了極少數的硬玉礦床外,少量的硬玉礦物也零星存在於地球各處高壓低溫的變質帶裡,它的出現意味著該地的地殼曾經有過大變動,地質學者經由對它的研究得以了解地球千百萬來的脈動。

讀者可能會問:臺灣地殼的變動很大,是否曾發現過硬玉?臺灣花蓮玉里的確有高壓低溫的變質帶,但只發現了高壓礦物藍閃石,尚無發現硬玉的紀錄。硬玉需要更高的壓力(深度),可能存在於更深處,目前尚未被抬升到地表。

翡翠的合成

挑戰大自然 人類成功合成珠寶用的紅寶石、藍寶石和祖母綠的歷史已超過半世紀,而合成寶石級鑽石的技術目前也已近市場化。翡翠是否也可以人工合成?讓喜愛翡翠的大眾可享擁有翡翠的喜悅。

翡翠的合成是從原來不是硬玉的物質,製造出含硬玉礦物的寶石級的玉石。不同於目前市場上所謂的玉的優化處理(經人工酸洗及潤色或表面鍍層等)或玉粉壓製成形,也不是單純合成硬玉而已,人工合成的硬玉必須達到寶石級才算人造翡翠。

上世紀60年代初期,岩石礦物學家及地球物理學家為了研究地球內部的變質作用及岩漿的成因,成功合成了硬玉。雖然所合成的硬玉是粉末狀,但所獲得有關硬玉的溫壓條件、晶粒的形狀大小與成長速率,以及翡翠顏色成因等知識,對於日後嘗試合成寶石品級的硬玉或翡翠提供了重要的資訊。

美國奇異公司(GE)當年最先合成出鑽石的團隊在1984年又率先研發出可合成3克拉綠色硬玉的技術,並獲得專利。所合成的硬玉在許多性質上都類似於天然綠色硬玉,唯有透明度、光澤及顏色的均勻度與寶石級的翡翠相差甚遠。

此後中國、日本等科研單位也陸續發表有關翡翠合成的研究,例如中國科學院長春應用化學研究所於1994年利用類似奇異公司的方法,宣稱合成出15克拉外觀近似寶石級的翡翠戒面,但後來發現晶粒間殘留著含鉻玻璃質。翡翠的合成到這裡似乎遇到瓶頸。幸而再經過多年的研發改進,美國奇異公司的研發團隊終於在2002年及2005年兩度獲得專利,使翡翠的合成再現曙光。

翡翠合成的祕方 要在實驗室中以有限的時間,完成大自然幾百萬年的工作,是合成翡翠最大的考驗。如何獲得接近天然翡翠的顏色、透明度及溫潤質地?如何增進合成翡翠纖維狀的組構,使其韌性接近天然玉石的技術,更是深具挑戰性。

這取決於初始樣品的性質,以及合成過程和火候。一般來說,初始玻璃質材料越均勻,色澤也較佳,溫度越高壓力越大,容易使玻璃質完全結晶成硬玉,晶體成長也越快,整體的組構會越緻密,質地越溫潤,透明度越高。但為了維持硬玉在這個溫度下的穩定,必須同時提高合成的壓力。然而較高的溫度及壓力意味著挑戰設備的極限和較高的成本,目前美國奇異公司的研究顯示,較佳的條件是溫壓在攝氏1,600~1,700度及5.3~5.6萬大氣壓左右,且時間約1小時。

此外,加溫加壓及降溫降壓的快慢可決定翡翠的完整性和微小裂痕的多寡,而結晶時周遭的壓力分布、樣品內溫度的梯度等會影響翡翠均勻性或晶體纖維的方向性及光學性質。倘若適宜地調控這類影響因子,甚至可合成出自然界很少出現的貓眼或星光的翡翠。

科學家除了從實驗的嘗試及錯誤中獲得經驗外,過去岩石學研究變質岩再結晶作用,以及材料科學高溫燒結金屬、光電陶瓷或超硬材料所發展出的理論模型(例如成核與生長理論、顆粒界面擴散理論等),以及最先進的分析及光譜儀器,是人類挑戰大自然最有效的工具。從目前的進展看來,成功合成寶石級翡翠似乎指日可待!

深度閱讀
  1. 余樹楨(民98)晶體顏色的變化,科學發展438,58 - 61。
  2. 吳毓純(民102)七彩寶石的祕密,科學發展482,6 -11。
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