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【ELEMENTS】宝石学 一个发展中的科学

2021-04-21  艾昊讲珠宝

钻石、红宝石、翡翠、翡翠、珍珠——他们都是许多梦想的种子。宝石与爱情和浪漫联系在一起,但也与权力、金钱和掠夺财富联系在一起。宝石在世界文化中一直扮演着不可或缺的角色。一分钟前,你可能还在奥斯卡颁奖典礼上被明星们闪闪发光的璀璨珠宝弄得眼花缭乱,下一分钟你就会听到对缅甸宝石的禁运的消息。

需要意识到,宝石应该是真正的宝藏,它必须是真实的。这就是宝石学家扮演重要角色的地方。起初,这只是一个识别宝石仿制品的问题,对矿物具有充分了解,再加上敏锐的观察力,就足够了。但很快,人们开始尝试对宝石进行改善,即使是古埃及人也对玛瑙进行热处理,从而使其呈现更诱人的颜色。“埃及蓝”(铜蓝)的生产,一种类似绿松石的东西,可以被认为是晶体生长技术的起点,这种“新技术”最终在19世纪产生了第一颗合成红宝石和祖母绿。

几个世纪以来,由于大多数宝石是天然矿物,因此宝石学只是矿物学的一个分支,直到20世纪70年代和80年代,人工宝石的生产规模不断扩大,以及20世纪90年代以来宝石优化处理工艺的数量和复杂性的激增,促使了一种更加多学科的方法。如今的宝石学融合了光谱学、材料物理学、化学,甚至一些生物学的元素(如珍珠研究),宝石学已经从一种贸易实践发展成为一门公认的科学。每年约有价值1500亿美元的宝石和珠宝被出售。宝石本身价值200-250亿美元,其中钻石占了最大的份额(约85%)。

宝石在世界各地均有开采,一些国家,如巴西、斯里兰卡、缅甸、澳大利亚和马达加斯加,多年来以出产许多或特别美丽的宝石而闻名。今天的主题是宝石学的所面临的问题以及发展。

宝石并不容易定义

宝石是用于首饰及装饰品的材料,因此必须满足稀有、较高的硬度和韧性,可以抵抗正常使用时的磨损和腐蚀等特点。这是一个非常普遍的定义,但我们需要注意的是,“稀有”是一个相对的概念,如果一颗宝石过于稀有,不足以建立一个市场,最终导致鲜为人知,这些宝石就属于“稀有宝石”的范畴,属于专业的收藏领域,比如说硼铝石、塔菲石、斜方水硼镁石等等。事实上,目前只有不到200种材料被认为是相对常见的宝石,其余都是“稀有宝石”。

不过,稀有宝石可以通过强大的营销活动来提高整体的价格,比如说蓝锥矿、红色绿柱石等。此外,尽管大多数具有较高的硬度和韧性,但有些宝石之所以有趣,是因为他们很难进行切磨,水镁石和石盐就是非常好的例子,因此不能镶嵌在首饰当中。这些宝石被称为“纸上收藏者”,主要是因为这些易碎的宝石通常被保存在折纸中,即一张纸折叠几次,已达到安全的保存样品的目的。

由于绝大多数的宝石属于天然矿物,这就引出了“珍贵的石头(precious stone)”这样的概念,基于文化与国家,这个术语至少包括钻石、红宝石、蓝宝石和祖母绿等,对于一个给定的宝石,只有少数品种具有较高的价值,其余并不符合“珍贵”这一术语,例如,一颗50克拉,D色,FL级别的钻石,相对于一颗直径只有3毫米的褐色或黑色的钻石;一颗15克拉亮蓝色的帕拉伊巴碧玺相对于一颗深绿色的弧面型碧玺。

并不是所有的宝石都是稀有的,有很多宝石的价格只在中等水平,这就是我们为什么更倾向于用“宝石材料”来进行表述,而不是简单的使用“宝石”这一名词,它更好的涵盖了当今首饰市场中所使用的各种各样的产品。另外,我们并不建议使用“半宝石”这一术语,在我们看来,这一术语毫无意义。此外,并不是所有的石头或者矿物都是宝石学家所感兴趣的,他们只研究那些能够加工成宝石或者宝石中有趣的内含物,而这些只是现存矿物种类中有限的集合。最后,并不是所有的宝石都是“石头”,珍珠就是一个很好的例子。

天然宝石是自然界产出的宝石,同时包括哪些后期经历过优化处理的宝石。在这些天然宝石中,多数为单晶体,还有一些非晶体,例如欧泊和天然玻璃,有些并不是单一种类,而是一种固溶体,例如石榴石、橄榄石等,有些属于岩石,例如翡翠、青金石等,还有些部分或全部由有机物组成,例如琥珀、珍珠、珊瑚等。

“赝品”

在宝石材料中存在几种类型的赝品,其中历史最悠久的就是仿宝石——那些看起来更有价值,但是与所仿宝石具有不同的结构和化学组成的材料。仿宝石自古有之,主要原因是美丽的宝石非常稀有。一些专家用imitations和simulants来进行区分,其中前者仍然是天然宝石(注,例如无色水晶可以模仿无色蓝宝石),后者属于人工制品(注,例如合成立方氧化锆可以模仿钻石)。二十世纪初期,热处理的无色锆石是最常见的钻石仿制品。

合成宝石是实验室生长的,且与天然材料具有相同的晶体结构和化学组成(杂质成分除外)。合成宝石至今已经有一个多世纪的历史了,可追溯至1885年,人们将天然红宝石熔化并再结晶,被称为“日内瓦红宝石”进行售卖。 

天然宝石或人工宝石均可通过宝石的优化处理改善外观,尤其是宝石的颜色和净度,例如,浅色的蓝宝石可通过铍扩散处理变为橙色。

有些名字相比之下具有很高的吸引力,一般情况下,一种外形相似,但价值较低的宝石会借助贵重宝石的名字来进行命名,再加上一个当地或地方的名字,以避免身份被盗用,例如“赫基默钻石“Herkimer diamond”很显然不是钻石(注:中文名字为闪灵钻),而是一种明亮的、无色的、双锥状的石英,发现于纽约Herkimer,类似的,发现与南非的绿色钙铝榴石被称为“德兰士瓦玉”。

在任何学科中不恰当的,或者故意模糊的名字均是不恰当的。但是,这一类名称并不包括一些令人混淆的特定的宝石名称,例如“黑王子红宝石”,它被认为是尖晶石已经有很长一段时间了,红宝石和尖晶石在过去很长一段时间经常被混淆,因此尖晶石被称为“balas ruby”。

拼合宝石由几种材料拼合而成,最常见的例子为欧泊的二层石或三层石。高质量变彩效应的欧泊是非常罕见的,常以片状形式产出在岩石的裂缝中,因此极为脆弱。为了避免这些缺陷,较薄的欧泊常被制作成为三层石,底部为具有明亮的黑色,顶部为无色耐磨的弧形玻璃或石英的弧形,就像三明治一样,这样的制作方式有助于将漂亮的宝石投放在市场,否则很难进行售卖。还有一种马赛克欧泊,利用大胆的颜色和尖锐的几何图案,用许多碎片创造出一颗真正的宝石。

人造宝石是人工制造,但没有天然对应物的材料(注:原文为“Engineered gems”,直译为工程宝石,但在国标中,人造宝石对应的英文名称为artificialstones,根据前后文将其翻译成“人造宝石”)。人造原材料通常是天然的,但宝石学性质(通常是颜色)发生了变化,但在天然宝石中未见。Aqua Aura 石英开启了人造宝石之路,通过一层薄的黄金薄膜制作出海蓝宝石的蓝色。这种材料获得了巨大的成功。如今,托帕石常进行镀膜处理,从而获得各种各样的颜色和特殊光学效应,“电镀托帕石mystic topaz”就是一个典型的例子。总而言之,目前已经有多达500多种不同的材料被称之为宝石,而且名单还在继续增加。(注:托帕石的镀膜在中国实际被称为镀膜处理,属于优化处理的范畴)

 钻石和彩色宝石

历史上,钻石和彩色宝石之间具有明显的区别,其中彩色宝石的本质意义是“除了钻石以外的一切宝石”。但是这种区分方式并不准确,因为其他宝石的无色品种被归类为“无色彩色宝石”中,而彩色钻石仍然属于“钻石”,而不是“彩色宝石”。这两大类通常分属不同的领域,分别具有独立的专家和实践者,在相应的课程中也分属不同的类型,这一点是非常荒谬的,但是,截止目前仍然没有提出更好的分类体系。

一个多学科交叉的科学

很显然,宝石学是一门研究宝石的科学,它的主要核心是鉴定宝石材料,首先确定宝石的身份,然后区分他们是天然的还是合成的,或是否经过优化处理。此外,钻石的4C分级也是宝石学的一个重要组成部分。最近引入了珍珠的品质分级,并且其他彩色宝石的分级(尤其是颜色分级)也逐渐开始,但仍然没有一个体系被广泛接受。

宝石的产地也是一个重要的分支,因为有些特定产地的彩色宝石被认为更有价值,例如克什米尔的蓝宝石比缅甸或斯里兰卡蓝宝石价格更高。有趣的是,一个多世纪以前,钻石也具有类似的特点,印度的钻石高于巴西钻石,而巴西钻石的价格高于南非钻石。随着精细的质量分级体系的引入,这种区别已经消失了,因此,如今宝石的产地更类似于品牌,是一种营销手段。

相关领域

为了更好的鉴定宝石或确定宝石的产地,宝石学常常涉及到相关的专业领域,例如,晶体生长研究可以帮助宝石学更好的理解宝石内部的生长结构、可以用于指示生长环境的内含物,这些宝石学性质在确定一颗宝石的产地或宝石为天然或合成等方面非常有用。

宝石矿床地质可用于帮助理解宝石中的内含物以及微量元素组成,最终会指导开采,确保未来的宝石生产,最终确定市场的稳定。最近,地球化学已经成为宝石学非常重要的一部分,微量元素和同位素分析可用来区分天然宝石与人工宝石,或确定宝石的产地。了解宝石颜色成因是基础,因为宝石的价值往往与宝石的颜色有关,尤其是颜色的稳定性以及颜色是否为天然或经过优化处理。宝石的发光性是宝石鉴定一个重要部分,但并不很好理解其成因。

新技术与新设备

宝石学的基础是观察,因为这非常有效,而且快速、无损,由于观察并不需要复杂且昂贵的仪器,因此有人认为这并不是很科学,如果充分利用自己的视力就能得到正确的科学答案,是不需要使用复杂仪器的。如今这种负面的感觉正在消失,自上世纪六十年代开始,宝石学家已经成为光谱技术的主要用户,开始是紫外-可见光-近红外吸收光谱,然后是中红外,以及近年来所使用的拉曼光谱和各种发光技术。其中紫外-可见光-近红外吸收光谱可用于研究宝石的颜色成因,红外光谱有助于检测宝石中的次要成分,如水、二氧化碳和有机充填物。宝石学家也经常使用各种显微技术,例如光学和电子显微镜。目前仍在发展用于特定宝石学用途的微观光谱方法。

术语问题

一门科学建立的第一步是对研究对象或概念建立正确的分类,宝石学从一种商贸实践发展成为一门科学,因此宝石学最好能够的命名方法仍然需要进一步的分类。一个关键的问题就是科学术语在商业上更容易被接受,但是商业上某些属于常常不正确,甚至是模糊的。例如,合成蛋白石这一商业术语已经被接受了数十年,包括哪些含有二氧化硅,但不含水的材料,例如吉尔森合成欧泊,而真正的合成欧泊应含有天然欧泊所有的成分(SiO2·nH2O),包括水。如今,关于商人宣传的合成钻石的术语能走多远存在着相当大的争论:“人造的”和“实验室培养的”被接受,但“培育的”却未被许多国际组织认可。

宝石学从业人员

宝石学家是宝石学的实践者,因此能够正确且有效的对宝石材料进行鉴定和分级,但很少有宝石学家属于“全职”,这其中包括实验室的宝石学家,在全世界主要的宝石实验室工作的人,多数为钻石分级,这些人中可能有几十个宝石学家,在致力于宝石学研究,这其中只有少部分人是经过训练的科学家。

多数宝石学家除了从事宝石学的相关工作外,还会从事一系列相关的活动。珠宝商使用宝石材料制作首饰及艺术品,他们必须要了解宝石的物理及光学性质,以便安全的镶嵌(有些宝石易碎),并保持美观(有些宝石的颜色会随方向发生变化),这一点对宝石加工也是如此。零售商需要宝石学知识售卖宝石、镶嵌宝石,并充分评估维修情况,批发商和原石经销商分别售卖宝石成品和宝石原石。显然,他们在区分宝石真假方面面临着巨大的经济利益。

专家(司法、保险、海关)等也属于这种情况,他们在法律上负责提供有关宝石(镶嵌或不镶嵌)的信息,评估师在特定的时间内确定宝石的商业价值。考古学家研究历史文明的宝石。他们首先必须正确的识别宝石,考古学的一个重要部分就是重建贸易路线,因此对于确定宝石产地具有强烈的兴趣。最后,但并非最不重要的是,宝石学吸引了大量热情的业余爱好者,他们往往是推动协会和当地宝石俱乐部发展的重要组成部分。

数量较少的科学家以及多数商人参与其中,让人们感觉宝石学并不是一门科学。这种观点在地质学家和物理学家中极为常见。这主要是由于宝石学项目在世界各地大学的稀缺性和缺少高质量的宝石学研究有关。然而,宝石学实际上是一门历史悠久的学科,很多优秀的研究都是由宝石学家完成的。

一个新兴的科学——矿物学的未来

 宝石学起源于希腊和罗马的博物学家与哲学家,公元315年,泰奥弗拉斯都(Theophrastus)描述了石头(包括宝石)是如何形成的,普林尼(Pliny)(大约公元79年)已经提到了关于宝石的鉴定问题,特别是关于绿色宝石材料(smaragdus)和处理过的材料(如处理过的玛瑙)。几个世纪后,大约在文艺复兴时期,普林尼仍然是这一领域的重要参考人物。宝石学作为一门现代科学的发展始于1817年的Haüy和他的同时代人。在19世纪,许多宝石学研究工具被发明出来,例如折射仪、偏光镜(当时由电气石制成),这两个设备仍然是宝石学鉴定的基础。

宝石学多年来一直受益于科学方法的投入,但是,在过去几十年中的国际会议中,主要是地质学和矿物学领域的会议(例如国际矿物学协会会议和国际地质大会)才专门讨论宝石材料的特别会议。直到最近,宝石学才真正成为一个独立的科学分支,它的第一个ISI期刊(Gems & gemology, 2004年5月接受)和第一个在全同行评审后基于接受摘要的科学会议(宝石学研究会议,2006年8月,圣地亚哥,加利福尼亚,美国)。越来越多的科学家把他们的工作集中在宝石学材料和主题上,在实验室致力于确立学科,如矿物学、地质学、物理学和数学。

因此,宝石学正成为一门得到更广泛认可的科学。它代表了未来矿物学、地球化学和岩石学学生的专业领域之一。我们相信,与宝石合作的兴奋是宝石学发展背后的驱动力之一——宝石很美,有丰富的历史,提供复杂的挑战和有益的研究机会。 

后记:

该文献发表于2009年,距今已经有12年的历史了,宝石学在这十几年间已经有了非常大的突破,宝石学所应用到的技术手段以及相关学科的知识越来越多,显然已经成为了一种交叉学科,比如地质学、地球化学、材料科学、光谱学等等,相关的从业人员也越来越多,这其中就包括宝石学的科研工作者,这就为宝石学的发展提供了非常重要的人力基础。

不过宝石学仍然是一个“冷门”学科,相对于其他相关学科的科研工作者来讲,宝石学的学者显然太少了,这背后的原因有很多,例如,宝石并不是一个国家或地区的经济支柱,合成宝石技术并不如材料科学更具有科技及经济价值等等,这一系列的原因就会导致关于宝石方面的科研项目明显过少,科研经费也明显过低,不会出现“973”、“863”这样的重大项目。

此外,宝石学的发展具有一定的“滞后性”,例如一个新的宝石品种的出现,一个新矿床或新型矿床的出现,一种新的人工宝石,一种新的宝石优化出方法等等,只有这些在市场上出现的时候,宝石学的科研工作者才会跟进;另外,宝石学的相关研究也在追逐相关的“热点”,比如说,宝石学中研究最多的仍然是在市场上具有一定影响力的宝石品种,我们就会发现,研究最多的就是钻石、红宝石、蓝宝石、祖母绿等,其他宝石的研究相对就会少很多。另外,宝石学的热点也在随着社会的发展而不断的变化,例如,近些年来绿松石的研究猛然增多,很明显这是市场效应带来的结果。

作为一个珠宝从业者,我们真心的希望,宝石学的发展能够越来越好,为宝石领域的发展做出重大的贡献。

 参考文献:

Emmanuel Fritschand Benjamin Rondeau. Gemology: The Developing Science of Gems. Elements. 2009.

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