水晶與合成水晶的寶石學特征及檢測鑒別

李溪 吳怡悅 白俊杰 何濤

摘? 要：天然水晶和合成水晶具有非常相似的寶石學性質，文章采用常見寶石學檢測手段、寶石顯微鏡和紅外光譜儀對天然水晶與合成水晶的寶石學性質進行檢測分析，總結天然水晶和合成水晶的寶石學特征。在此基礎上進一步討論天然水晶和合成水晶的鑒別：認為特征內部包體結合紅外光譜圖可以準確區分水晶和合成水晶。

關鍵詞：水晶;合成水晶;寶石學特征;檢測鑒別

中圖分類號：TQ164 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）26-0053-03

Abstract： Natural crystals and synthetic crystals have very similar gemological properties. In this paper， natural crystal and synthetic crystal are studied by common gemological detection methods， gem microscope and infrared spectroscopy. This paper describes the gemological properties of natural crystals and synthetic crystals and discusses the identification of natural crystals and synthetic crystals， arguing that the characteristic internal inclusions combined with the infrared spectra can accurately distinguish natural crystals and synthetic crystals.

Keywords： natural crystal; synthetic crystal; gemological properties; detection and identification

1 水晶的結晶習性與分類命名

1.1 水晶的結晶習性

水晶通常是指結晶溫度低于573℃條件下形成的SiO2單晶體，也稱為α-石英[1]。水晶屬于三方晶系，三方偏方面體晶類。水晶晶體通常發育完好，辨識度高。常見二維發育的柱狀晶形，晶體一般有六個柱面， 兩端常呈錐狀，柱面常發育有密集排列的橫紋，柱面可見生長臺階及多邊形蝕像。水晶晶體也常以無色或紫色的晶簇形態產出，很具觀賞性。

1.2 水晶的分類命名

水晶分類較多，主要化學成分為SiO2單晶體。純凈時無色透明，含鐵、錳、鋁等微量元素時會形成不同類型的色心，色心致色，使水晶呈現紫色、煙色和黃色等[2]。根據國家標準GB/T16552-2017珠寶玉石名稱[3]的規定，水晶規范命名包括：水晶、紫晶、黃晶、煙晶、綠水晶、芙蓉石、發晶七種，其他商業名稱都不能作為標準定名。

2 水晶與合成水晶的寶石學特征測試

本次研究選取天然水晶23粒，其中包括天然水晶晶體11粒;合成水晶40粒，涵蓋了無色、紫色、黃色、綠色、藍色和煙色六個顏色系列。分別采用常規寶石學檢測手段和寶石顯微鏡對其寶石學特征進行測定，總結天然水晶和合成水晶的寶石學特征，并進行對比研究。

2.1 水晶的寶石學特征測試

（1）顏色：涵蓋無色、紫色、黃色、綠色、藍色和煙色六個顏色系列，顏色柔和，過渡自然。因結晶生長環境的變化，顏色存在分布不均勻的現象，可見色帶。（2）光澤：晶面顯示典型玻璃光澤，斷口有時呈現油脂光澤。（3）透明度：水晶透明度一般較高，為透明-半透明。（4）光性特征：一軸晶正光性，具有獨特的“牛眼”干涉圖。紫晶常有巴西律雙晶，在雙晶區域可見“螺旋槳”干涉圖。（5）折射率：比較穩定，為1.544-1.553。（6）雙折射率：0.009。（7）多色性：多色性與體色深淺有關，一般較弱。（8）吸收光譜：不特征。（9）解理斷口：無解理，可出現典型貝殼狀斷口。（10）摩氏硬度：7。（11）密度：比較穩定，為2.66（+0.03，-0.02）g/cm3。（12）放大檢查：常見針狀金紅石、電氣石、綠泥石、赤鐵礦等有色固態礦物包體;大量氣液兩相包體，氣液固三相包體;負晶;色帶等。（13）晶體特征：水晶晶體發育完好，形狀規則，具有特定的晶體形態，辨識度高，很具觀賞性。表面呈現玻璃光澤，斷口呈現油脂光澤，可見典型貝殼狀斷口。晶體呈現二維延長的柱狀，兩端呈現錐狀。常見六方柱、三方柱、三方雙錐和菱面體單形。由于晶體結晶環境的改變，柱面和錐面交替生長，在部分晶體柱面上留有密集平行排列的橫紋[4]。柱面有時可見生長丘、凹坑和生長臺階，這些特征均可作為天然水晶晶體的識別依據。水晶晶體透明度較高，可見內部氣液包體、有色固態礦物包體、裂隙、幻影等。有色固態礦物包體規則排列時，可形成發晶、“綠幽靈”等觀賞石。

2.2 合成水晶的寶石學特征測試

合成水晶一般多采用水熱法合成，通過大型高壓釜設備生產，在高溫高壓、礦化劑催化的條件下使其溶解在水溶液中，控制溶液溫差，產生對流而達到過飽和狀態，從而在水晶籽晶上析出生長水晶。由于水熱法合成水晶模擬了自然界熱液成礦的過程，因此其與天然水晶的寶石學特征非常接近，僅在顏色和內部包體上有些區別。

有色合成水晶顏色艷麗，分布均勻，會出現鈷藍色等天然水晶中未曾發現的顏色，極易識別。部分合成水晶內部可見明顯種晶板，種晶板兩側出現顏色分區，同時可見“面包渣”包體，氣液兩相“釘狀”包體（垂直于種晶板）及色帶（平行于種晶板），應力裂隙（與種晶板成直角）等，這些均是合成水晶的典型特征。無色合成水晶內部非常干凈，透明度較高。合成水晶晶體通常呈現平板狀，表面常見密集排列、大小均一的“丘疹”狀小凸起。

3 水晶與合成水晶的檢測鑒別

3.1 天然與合成水晶原石的檢測鑒別

通過肉眼觀察晶體形貌及表面特征、顏色分布，結合放大鏡或寶石顯微鏡觀察其內部包體、色帶等特征來鑒別天然和合成水晶晶體。

（1）天然水晶晶體可出現無色、粉色、紫色、黃色、綠色、藍色和煙色七個顏色系列。合成水晶可以出現鈷藍色，在天然水晶中尚未發現。

（2）天然水晶在自然結晶生長

過程中，由于周圍結晶環境的變化，顏色會出現分布不均勻的現象，但顏色過渡自然。合成水晶顏色艷麗，分布非常均勻。

（3）天然水晶或合成水晶原石

晶體特征區別明顯：天然水晶一般呈六方柱狀以及菱面體的集合體。柱面上常見橫紋，菱面體晶面常見生長丘、溶蝕坑以及生長臺階;合成水晶一般呈六方板狀，晶面上常見大小一致，分布均勻的“丘疹”狀凸起，內部可見明顯種晶板。

3.2 天然與合成水晶飾品的檢測鑒別

由于水晶飾品已不具有原石的晶體外觀，所以區分“天然”或“合成”水晶需要重點考慮顏色分布及內部包體特征。在此基礎上，可借助紅外光譜做出準確區分。

3.2.1 顏色分布

天然水晶在結晶生長過程中，由于周圍環境的變化，造成溫度壓力的變化，同時組分濃度也會發生變化，這些改變在一定程度上造成了顏色分布不均勻的現象，變化自然。合成水晶顏色艷麗，分布非常均勻，會出現天然水晶不曾出現的鈷藍色。

3.2.2 包體特征

內部包體是區別天然水晶與合成水晶最常用的可靠方法，常借助肉眼、放大鏡或寶石顯微鏡。通過對本次樣品的測試，結合日常鑒定和教學經驗發現，天然水晶中可出現大量氣液包體和固態礦物包體，如針狀金紅石、電氣石、綠泥石、方解石、螢石、赤鐵礦、黃鐵礦等。如果發現水晶中有這些天然礦物包體，基本上可以判斷是天然水晶;如果在水晶中僅發現有氣液二相“釘狀”包體及“面包渣”包體，很可能為合成水晶。如果水晶中出現裂隙、雙晶、負晶、幻影、節瘤等生長缺陷及伴生現象，一般可以確定是天然水晶。

3.2.3 紅外光譜特征

寶石在紅外光的照射下，引起晶格（分子）、絡陰離子團和配位基的振動能級發生躍遷，并吸收相應的紅外光而產生的光譜稱為紅外光譜。紅外光譜特征是檢測研究礦物成分和結構構造的有效手段，是鑒別水晶和合成水晶的有力證據。

本次紅外光譜測試在天津職業大學紅外光譜實訓室內完成，實驗所用儀器為Nicolet iS5，具體測試條件為：透射法，分辨率為4cm-1，樣品掃描時間16（scans），背景掃描時間16（scans），測試數據從400-4000cm-1;測試環境條件：溫度26℃，濕度52%。共測試水晶樣品26粒，其中天然水晶12顆，水熱法合成水晶14顆，顏色包括無色、紫色、黃色、綠色、藍色、煙色六個系列。現將特征紅外光譜分析結果總結如圖2。

（1）紫晶特征紅外光譜。天然紫晶和水熱法合成紫晶的紅外圖譜非常相似，分別在3612.63cm-1、3584.15cm-1、3435.40cm-1及2673.00cm-1、2597.15cm-1、2492.58cm-1、2330.

84cm-1、2236.47cm-1、2138.13cm-1兩處存在特征吸收峰。同時，對比水熱法合成紫晶和天然紫晶紅外光譜圖如圖2-a，認為3544.88cm-1峰可以作為鑒別兩者的主要依據：天然紫晶缺失3544.88cm-1峰，而水熱法合成紫晶在該處存在明顯吸收。

（2）無色水晶特征紅外光譜。無色水晶測試共包含4粒水晶晶體、2粒天然刻面型水晶、2粒合成水晶標本，選取代表性紅外光譜圖比對如圖2-b：天然無色水晶紅外光譜在3572.35cm-1、3482.15cm-1、3378.62cm-1、3304.66cm-1、3196.64c

m-1、2924.34cm-1、2670.89cm-1、2595.47cm-1、2238.81cm-1處存在明顯吸收峰。與無色合成水晶紅外光譜進行比對，兩者紅外光譜圖存在很大的相似性，但無色合成水晶缺失3482.15cm-1譜峰，而存在3584.68cm-1譜峰，可見紅外光譜可以作為無色天然水晶和合成水晶的依據。

（3）其他顏色合成水晶特征紅外光譜。本次測試涵蓋市面上常見的有色合成水晶標本，其他顏色合成水晶測試結果如圖2-c：合成綠水晶、合成藍水晶和合成黃水晶的紅外光譜存在明顯區別。合成綠水晶紅外光譜在3406.55cm-1、2673.98cm-1、2600.27cm-1、2495.15cm-1、2329.93cm-1、2238.03c

m-1、2139.22cm-1存在明顯吸收峰。合成藍水晶紅外光譜吸收峰比較簡單，僅在2238.03cm-1、2139.22cm-1處存在吸收峰。合成黃水晶紅外光譜吸收峰非常簡單，在4000-400cm-1范圍內譜線平直，幾乎無任何吸收，與天然黃晶紅外特征譜峰存在明顯區別。

在合成煙晶垂直種晶板和平行種晶板兩個方向上分別進行紅外光譜測試，結果如圖2-d，在3583.66cm-1、3377.

74cm-1、3299.34cm-1、3196.74cm-1、3051.90cm-1和2928.35c

m-1、2668.87cm-1、2592.79cm-1位置處存在明顯吸收峰。值得注意的是，平行于種晶板方向測試時，3583.66cm-1處吸收峰變得異常尖銳，與垂直于種晶板方向測試的紅外光譜該處平滑的吸收峰存在明顯區別，另外，平行于種晶板方向在2800cm-1以下譜線平直，無吸收峰，這一譜峰差異的原因有待進一步研究。

4 結論

本文采用常規寶石學測試手段、寶石顯微鏡、紅外光譜儀分別測試天然水晶23粒，合成水晶40粒，涵蓋了無色、紫色、黃色、綠色、藍色和煙色六個顏色系列，得出如下結論：

（1）天然水晶和合成水晶的常規寶石學特征非常相

似：具有相似的光澤、透明度、光性、折射率、雙折率、密度、二色性、吸收光譜等寶石學基本性質，僅在顏色和內部特征上存在差別：天然水晶顏色存在分布不均勻的現象，顏色過渡自然;合成水晶顏色艷麗，分布均勻，出現天然水晶中未曾出現的鈷藍色。

（2）天然水晶和合成水晶礦物晶體，可以通過晶體形貌加以區別。天然水晶晶體發育較好，形狀規則，整體呈現柱狀和錐狀的結合體，也可以雙晶和晶簇的形態產出，識別度高。表面可見平行密集排列的生長橫紋，也可以見到生長臺階和溶蝕坑。合成水晶晶體通常為平板狀，晶面上常見圓形微凸起的“丘疹”狀結構。

（3）寶石顯微鏡下觀察：天然水晶中常見針狀金紅石、電氣石、綠泥石、赤鐵礦等有色固態礦物包體;大量氣液兩相包體，氣液固三相包體;負晶;色帶等。合成水晶內部干凈，僅發現有氣液二相“釘狀”包體及“面包渣”包體，這些包體往往出現在種晶板附近。

（4）紅外光譜儀測試：a.3544.88cm-1峰可以作為鑒別紫晶和合成紫晶的主要依據：天然紫晶缺失3544.88cm-1峰，而水熱法合成紫晶在該處存在明顯吸收;b.與天然無色水晶相比，合成無色水晶缺失3482.15cm-1譜峰，而存在3584.68cm-1譜峰;c.合成綠水晶存在特征吸收光譜，合成藍水晶和合成黃水晶的紅外光譜圖非常簡單，紅外光譜可以作為天然黃水晶和合成黃水晶的鑒定依據;d.合成煙晶在平行種晶板和垂直種晶板方向紅外光譜存在少許差異，原因有待進一步研究。

參考文獻：

[1]何濤.解石脈中天然SiO2晶體內外部特征分析[J].科技通報，2014，30（12）：1-3+6.

[2]何宇東.天然水晶和合成水晶的鑒別研究[D].中國地質大學（北京），2013.

[3]國家珠寶玉石質量監督檢驗中心.GB/T16552-2017 GB/T1655

3-2017 GB/T16554-2017珠寶玉石國家標準釋義[M].北京：中國標準出版社.

[4]何濤，張良鉅，王玲.桂西方解石脈型水晶晶體的形貌特征與成因[J].桂林工學院學報，2009，29（04）：434-438.