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礦物科技:人造寶石礦物

人造寶石是應用礦物科學與材料科學所合成出來可媲美天然寶石的完美晶體,除了可提供高品質且大量的材料做為工業用途外,也可做為寶石飾品。
 
 
 
「寶石」通常是指天然產出具有美麗外表的礦物,它們大多有較高的硬度與高經濟價值,且因產量或蘊藏量都甚為稀少而凸顯其珍貴。為了滿足社會上的大量需求,寶石學與礦物學專家才致力於尋找各種人造的材質做為天然寶石的替代品。

實際上「人造寶石」就是應用礦物科技所發展出來的新領域,專家透過礦物科學,運用各種方法製造出各種人造寶石,以做為天然寶石的替代品。人造寶石有價格便宜、品質易於控管、產量可以人為控制等優點。

材質種類與分類

天然寶石可區分為礦物類、有機寶石類與其他3大類。一般而言,越是高價值的寶石就越值得用複雜昂貴的合成方法製造,較便宜的寶石則常用玻璃塑膠灌模方式來仿製。以下簡單說明這3大類的區別。

絕大部分寶石都是礦物類寶石,主要成分是矽酸鹽類礦物。此外,還有元素類、氧化物、氫氧化物、鹵化物、硫化物或各種鹽類的寶石礦物,例如元素類的金剛石(鑽石)、氧化物類的剛玉、氫氧化物類的水鎂石、鹵化物類的螢石、硫化物類的黃鐵礦、磷酸鹽類的綠松石等。

有機類寶石主要是生物來源,包含由鈣質生物遺骸、分泌物或殼體組成的珍珠、珊瑚、硨磲(貝殼),以及純粹有機成分(硬蛋白質或樹酯)所構成的琥珀、象牙、牛角、玳瑁等。

至於其他類,既不屬於礦物類也非有機寶石,主要常見的有以岩石為主體而非單一礦物的寶石,例如青金岩、黑曜岩與女媧石(實際上是一種火山集塊岩)。

礦床條件

美國寶石學院(Gemological Institute of America, GIA)把寶石分為鑽石和有色寶石(colored stones)兩類。其中鑽石是眾所周知的高價值寶石,而有色寶石中,僅有少數幾種符合產量稀少、價格較高且穩定等條件。一般認為貴重的寶石包括鑽石、紅寶石、藍寶石、祖母綠、金綠寶石等,都符合產量稀少、供需平衡、價格穩定居高的條件。此外,近幾年輝玉(翡翠)和閃玉由於產量減少以及華人市場的需求,價格也有越來越高的趨勢,近十年間漲幅甚至超過百倍。

天然寶石受限於生成的礦床條件嚴苛,蘊藏量有限且開採困難等因素,產量原本就少。若要進一步去蕪存菁,挑出顏色佳、淨度好、等級較高的寶石級原礦就更為難得,這也是為什麼天然寶石非常稀有的主要原因。雖然寶石學專家在技術上已可製造出大量高等級且近乎完美又便宜的人造寶石,天然寶石仍然因為其「稀少性」,在價格上遠遠超過人造寶石。

人造寶石的種類

人造寶石可區分為合成寶石(synthetic gems或created gems)及仿造寶石(imitation gems)兩類。通常合成寶石指的是人工合成的寶石晶體,這些晶體跟天然的寶石具有相同的晶體結構與成分,差別僅在於並非天然產出而是由人工製造的。仿造寶石則是指材質的結構與成分都不同於天然寶石,僅是在外觀上與天然寶石相似的仿製品。

合成寶石最典型的例子,就是人工合成的水晶(石英晶體)、祖母綠(綠柱石晶體)、紅寶石、藍寶石或鑽石等,由於結晶構造和成分都與天然寶石完全相同,因此大部分的寶石學儀器及鑑定方法都難以區分。仿造寶石則是以蘇聯鑽(立方晶系氧化鋯)、玻璃、塑膠、陶瓷等材質,經切磨或模鑄後成為外觀與天然寶石相似的「假」寶石。

研究寶石的手段和方法

不論是鑑定天然還是人造寶石,方法都是透過各種礦物的物理、化學和光學特徵來區別與分類,除了破壞性方法不可使用外,各種非破壞性的觀察、測試或儀器都可用於寶石研究。寶石學方法除了有助於辨別寶石的種類外,還可進一步區別是否是人造寶石或其他仿品。

寶石大都由較純的礦物所組成,可能會有些微成分的變異,但以同一種寶石而言,其物理、化學和光學性質應是固定不變的。但仍有少數寶石由於成分或結構上有較大變化,其性質也隨之改變,最有名的例子是石榴子石家族。當石榴子石中含有不同成分比例與離子種類時,就會在某些性質上產生差異。

直接觀察方法與範例

任何寶石拿到手,第一步必然是肉眼的直接觀察,但到底要觀察什麼才有助於辨識寶石呢?其實,早在寶石學與各類儀器存在之前,古今中外都已有寶石、玉石的買賣,商人們靠的就是肉眼觀察和一些徒手方法,雖是經驗法則,卻也不乏科學根據。

以未切磨的原石(rough stone)而言,用寶石晶體外形所顯示的晶系、晶型和晶癖(crystal systems, crystal forms and crystal habits)來判斷寶石的品種,就相當有幫助。此外,觀察原石斷裂面,還可得知解理組數與解理發達程度。例如產於偉晶岩中的海水藍寶巨型晶體(綠柱石家族中呈現藍綠色系的稱為海水藍寶),從其原石的六角柱狀晶型可知應是六方晶系,且綠柱石類常有平行底面的解理,也可在原石中觀察到。

對於已切磨的寶石,可針對其顏色、光澤與透明度觀察。寶石的顏色是視覺上最直接且快速的認定依據,有經驗的鑑定師或珠寶商從某些特徵性的色彩就能判斷出可能的寶石品種。例如緬甸產橄欖石,直接觀察可發現其顏色是很特別的橄欖綠色,且天然寶石內還可發現包裹有內含物晶體。寶石的折射率很高時(超過2.0),會呈現金剛光澤(大量切割面全反射),較低的折射率則呈現出玻璃光澤(反光面較少,容易漏光)。

又如切磨成三角形明亮式的立方晶系的氧化鋯(俗稱蘇聯鑽),是一種知名的仿鑽人造寶石,自然界並不存在,但由於擁有接近鑽石的高折射率(2.15,鑽石是2.42)與色散,因此呈現火光閃爍的金剛光澤。透明度則在鑑別玉與玉的仿品時至關重要,像一般岫玉(葉蛇紋石)與水沫子(聚晶鈉長石的商業名稱)在透明度上,都會比真正的輝玉和閃玉高很多。

簡單的儀器測試方法

除了主觀的「肉眼直接觀察」外,還可以透過儀器的量測得到寶石客觀的物理、化學、光學性質等具體數據。只是鑑定寶石的儀器價格不斐且取得不易,因此對於一般民眾來說,儀器測試方法未必是較好的手段。但仍有4種較容易取得的工具,可用來幫助鑑定寶石。例如折射儀可量測折射率,聚光燈與放大鏡可以觀察寶石晶體內部的細微構造,分光鏡可以測試吸收光譜等。此外,簡單的天平也可以用來估計比重,硬度計可以估計硬度。

使用高階的寶石專用顯微鏡,可以很清晰地看到包裹在寶石晶體中的不同物質(一般稱為「內含物」),以及顯微結構或特殊現象。例如橄欖石有很強的雙折射現象,若透過顯微鏡或放大鏡觀察具有強雙折射的寶石底部刻面稜線,會發現底部稜線有明顯的「雙重影像」,類似平行分岔的外觀,這個現象就可做為橄欖石的重要辨識依據。

此外,由於天然或人工製造的寶石內含物不同,也可以用來判定是否是天然寶石。例如天然寶石中常含有其他礦物包體,人造寶石則有氣泡或液體內含物。有些經驗豐富的專家甚至可以用便宜的寶石放大鏡,來判斷寶石的種類或真偽。
人造寶石的辨識與區分

「仿造寶石」由於性質與天然寶石差異顯著,從寶石的物理、化學和光學性質都可明確區別,例如透過折射儀量測折射率或比重測量等方法,都可清楚辨識出人工仿造品。其中玻璃與塑膠因為成分的變化頗大,因此包括比重、折射率等性質變異也很大。蘇聯鑽(立方晶系氧化鋯)的性質變異雖小,比重卻高達5.4,這一點相當容易與天然寶石區分(天然寶石比重很少超過5),即使僅用手掂量都可明顯感覺其差異性。

合成寶石無論在成分、性質或構造上幾乎都與天然寶石一致,因此使用一般的礦物學方法,例如折射率、比重、硬度、解理等都無法區別。鑑別合成寶石的最後把關手段,除了使用更精密的分析儀器(如可見光吸收光譜儀、紅外線光譜儀)以外,就只能倚靠寶石顯微鏡觀察了。

由於天然寶石產生於各種不同地質條件的礦床中,生長過程中會包裹各種天然內含物,如礦物晶體、液體、兩相物、三相物等。然而合成寶石只會包裹氣泡、助熔劑、鉑金屬片等人造內含物,因此辨別天然與人造寶石往往必須倚靠這些有如「指紋」一般的內含物特徵。

例如天然的星光紅寶石,在高倍顯微鏡下可見定向排列的金紅石針狀晶體以120度相交,有如霓虹燈般閃爍。合成的紅寶石中則僅見氣泡內含物,包含圓形、橢圓形、魚雷形等,最典型的則是魚雷狀氣泡,若是天然紅寶石就不會見到氣泡內含物。

人造寶石是應用礦物科學與材料科學所合成出來可媲美天然寶石的完美晶體,除了可提供高品質且大量的材料做為工業用途外,也可做為寶石飾品。本文描述了一些簡單的方法,可以用來鑑別天然與人造寶石,讀者若能多看多練習,慢慢累積辨識的經驗,必能成為一位業餘的寶石專家,減少被騙上當的機會。
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