水晶与合成水晶的宝石学特征及检测鉴别

李溪 吴怡悦 白俊杰 何涛

摘  要：天然水晶和合成水晶具有非常相似的宝石学性质，文章采用常见宝石学检测手段、宝石显微镜和红外光谱仪对天然水晶与合成水晶的宝石学性质进行检测分析，总结天然水晶和合成水晶的宝石学特征。在此基础上进一步讨论天然水晶和合成水晶的鉴别：认为特征内部包体结合红外光谱图可以准确区分水晶和合成水晶。

关键词：水晶;合成水晶;宝石学特征;检测鉴别

中图分类号：TQ164 文献标志码：A 文章编号：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 水晶的結晶习性与分类命名

1.1 水晶的结晶习性

水晶通常是指结晶温度低于573℃条件下形成的SiO2单晶体，也称为α-石英[1]。水晶属于三方晶系，三方偏方面体晶类。水晶晶体通常发育完好，辨识度高。常见二维发育的柱状晶形，晶体一般有六个柱面， 两端常呈锥状，柱面常发育有密集排列的横纹，柱面可见生长台阶及多边形蚀像。水晶晶体也常以无色或紫色的晶簇形态产出，很具观赏性。

1.2 水晶的分类命名

水晶分类较多，主要化学成分为SiO2单晶体。纯净时无色透明，含铁、锰、铝等微量元素时会形成不同类型的色心，色心致色，使水晶呈现紫色、烟色和黄色等[2]。根据国家标准GB/T16552-2017珠宝玉石名称[3]的规定，水晶规范命名包括：水晶、紫晶、黄晶、烟晶、绿水晶、芙蓉石、发晶七种，其他商业名称都不能作为标准定名。

2 水晶与合成水晶的宝石学特征测试

本次研究选取天然水晶23粒，其中包括天然水晶晶体11粒;合成水晶40粒，涵盖了无色、紫色、黄色、绿色、蓝色和烟色六个颜色系列。分别采用常规宝石学检测手段和宝石显微镜对其宝石学特征进行测定，总结天然水晶和合成水晶的宝石学特征，并进行对比研究。

2.1 水晶的宝石学特征测试

（1）颜色：涵盖无色、紫色、黄色、绿色、蓝色和烟色六个颜色系列，颜色柔和，过渡自然。因结晶生长环境的变化，颜色存在分布不均匀的现象，可见色带。（2）光泽：晶面显示典型玻璃光泽，断口有时呈现油脂光泽。（3）透明度：水晶透明度一般较高，为透明-半透明。（4）光性特征：一轴晶正光性，具有独特的“牛眼”干涉图。紫晶常有巴西律双晶，在双晶区域可见“螺旋桨”干涉图。（5）折射率：比较稳定，为1.544-1.553。（6）双折射率：0.009。（7）多色性：多色性与体色深浅有关，一般较弱。（8）吸收光谱：不特征。（9）解理断口：无解理，可出现典型贝壳状断口。（10）摩氏硬度：7。（11）密度：比较稳定，为2.66（+0.03，-0.02）g/cm3。（12）放大检查：常见针状金红石、电气石、绿泥石、赤铁矿等有色固态矿物包体;大量气液两相包体，气液固三相包体;负晶;色带等。（13）晶体特征：水晶晶体发育完好，形状规则，具有特定的晶体形态，辨识度高，很具观赏性。表面呈现玻璃光泽，断口呈现油脂光泽，可见典型贝壳状断口。晶体呈现二维延长的柱状，两端呈现锥状。常见六方柱、三方柱、三方双锥和菱面体单形。由于晶体结晶环境的改变，柱面和锥面交替生长，在部分晶体柱面上留有密集平行排列的横纹[4]。柱面有时可见生长丘、凹坑和生长台阶，这些特征均可作为天然水晶晶体的识别依据。水晶晶体透明度较高，可见内部气液包体、有色固态矿物包体、裂隙、幻影等。有色固态矿物包体规则排列时，可形成发晶、“绿幽灵”等观赏石。

2.2 合成水晶的宝石学特征测试

合成水晶一般多采用水热法合成，通过大型高压釜设备生产，在高温高压、矿化剂催化的条件下使其溶解在水溶液中，控制溶液温差，产生对流而达到过饱和状态，从而在水晶籽晶上析出生长水晶。由于水热法合成水晶模拟了自然界热液成矿的过程，因此其与天然水晶的宝石学特征非常接近，仅在颜色和内部包体上有些区别。

有色合成水晶颜色艳丽，分布均匀，会出现钴蓝色等天然水晶中未曾发现的颜色，极易识别。部分合成水晶内部可见明显种晶板，种晶板两侧出现颜色分区，同时可见“面包渣”包体，气液两相“钉状”包体（垂直于种晶板）及色带（平行于种晶板），应力裂隙（与种晶板成直角）等，这些均是合成水晶的典型特征。无色合成水晶内部非常干净，透明度较高。合成水晶晶体通常呈现平板状，表面常见密集排列、大小均一的“丘疹”状小凸起。

3 水晶与合成水晶的检测鉴别

3.1 天然与合成水晶原石的检测鉴别

通过肉眼观察晶体形貌及表面特征、颜色分布，结合放大镜或宝石显微镜观察其内部包体、色带等特征来鉴别天然和合成水晶晶体。

（1）天然水晶晶体可出现无色、粉色、紫色、黄色、绿色、蓝色和烟色七个颜色系列。合成水晶可以出现钴蓝色，在天然水晶中尚未发现。

（2）天然水晶在自然结晶生长

过程中，由于周围结晶环境的变化，颜色会出现分布不均匀的现象，但颜色过渡自然。合成水晶颜色艳丽，分布非常均匀。

（3）天然水晶或合成水晶原石

晶体特征区别明显：天然水晶一般呈六方柱状以及菱面体的集合体。柱面上常见横纹，菱面体晶面常见生长丘、溶蚀坑以及生长台阶;合成水晶一般呈六方板状，晶面上常见大小一致，分布均匀的“丘疹”状凸起，内部可见明显种晶板。

3.2 天然与合成水晶饰品的检测鉴别

由于水晶饰品已不具有原石的晶体外观，所以区分“天然”或“合成”水晶需要重点考虑颜色分布及内部包体特征。在此基础上，可借助红外光谱做出准确区分。

3.2.1 颜色分布

天然水晶在结晶生长过程中，由于周围环境的变化，造成温度压力的变化，同时组分浓度也会发生变化，这些改变在一定程度上造成了颜色分布不均匀的现象，变化自然。合成水晶颜色艳丽，分布非常均匀，会出现天然水晶不曾出现的钴蓝色。

3.2.2 包体特征

内部包体是区别天然水晶与合成水晶最常用的可靠方法，常借助肉眼、放大镜或宝石显微镜。通过对本次样品的测试，结合日常鉴定和教学经验发现，天然水晶中可出现大量气液包体和固态矿物包体，如针状金红石、电气石、绿泥石、方解石、萤石、赤铁矿、黄铁矿等。如果发现水晶中有这些天然矿物包体，基本上可以判断是天然水晶;如果在水晶中仅发现有气液二相“钉状”包体及“面包渣”包体，很可能为合成水晶。如果水晶中出现裂隙、双晶、负晶、幻影、节瘤等生长缺陷及伴生现象，一般可以确定是天然水晶。

3.2.3 红外光谱特征

宝石在红外光的照射下，引起晶格（分子）、络阴离子团和配位基的振动能级发生跃迁，并吸收相应的红外光而产生的光谱称为红外光谱。红外光谱特征是检测研究矿物成分和结构构造的有效手段，是鉴别水晶和合成水晶的有力证据。

本次红外光谱测试在天津职业大学红外光谱实训室内完成，实验所用仪器为Nicolet iS5，具体测试条件为：透射法，分辨率为4cm-1，样品扫描时间16（scans），背景扫描时间16（scans），测试数据从400-4000cm-1;测试环境条件：温度26℃，湿度52%。共测试水晶样品26粒，其中天然水晶12颗，水热法合成水晶14颗，颜色包括无色、紫色、黄色、绿色、蓝色、烟色六个系列。现将特征红外光谱分析结果总结如图2。

（1）紫晶特征红外光谱。天然紫晶和水热法合成紫晶的红外图谱非常相似，分别在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-1两处存在特征吸收峰。同时，对比水热法合成紫晶和天然紫晶红外光谱图如图2-a，认为3544.88cm-1峰可以作为鉴别两者的主要依据：天然紫晶缺失3544.88cm-1峰，而水热法合成紫晶在该处存在明显吸收。

（2）无色水晶特征红外光谱。无色水晶测试共包含4粒水晶晶体、2粒天然刻面型水晶、2粒合成水晶标本，选取代表性红外光谱图比对如图2-b：天然无色水晶红外光谱在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处存在明显吸收峰。与无色合成水晶红外光谱进行比对，两者红外光谱图存在很大的相似性，但无色合成水晶缺失3482.15cm-1谱峰，而存在3584.68cm-1谱峰，可见红外光谱可以作为无色天然水晶和合成水晶的依据。

（3）其他颜色合成水晶特征红外光谱。本次测试涵盖市面上常见的有色合成水晶标本，其他颜色合成水晶测试结果如图2-c：合成绿水晶、合成蓝水晶和合成黄水晶的红外光谱存在明显区别。合成绿水晶红外光谱在3406.55cm-1、2673.98cm-1、2600.27cm-1、2495.15cm-1、2329.93cm-1、2238.03c

m-1、2139.22cm-1存在明显吸收峰。合成蓝水晶红外光谱吸收峰比较简单，仅在2238.03cm-1、2139.22cm-1处存在吸收峰。合成黄水晶红外光谱吸收峰非常简单，在4000-400cm-1范围内谱线平直，几乎无任何吸收，与天然黄晶红外特征谱峰存在明显区别。

在合成烟晶垂直种晶板和平行种晶板两个方向上分别进行红外光谱测试，结果如图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位置处存在明显吸收峰。值得注意的是，平行于种晶板方向测试时，3583.66cm-1处吸收峰变得异常尖锐，与垂直于种晶板方向测试的红外光谱该处平滑的吸收峰存在明显区别，另外，平行于种晶板方向在2800cm-1以下谱线平直，无吸收峰，这一谱峰差异的原因有待进一步研究。

4 结论

本文采用常规宝石学测试手段、宝石显微镜、红外光谱仪分别测试天然水晶23粒，合成水晶40粒，涵盖了无色、紫色、黄色、绿色、蓝色和烟色六个颜色系列，得出如下结论：

（1）天然水晶和合成水晶的常规宝石学特征非常相

似：具有相似的光泽、透明度、光性、折射率、双折率、密度、二色性、吸收光谱等宝石学基本性质，仅在颜色和内部特征上存在差别：天然水晶颜色存在分布不均匀的现象，颜色过渡自然;合成水晶颜色艳丽，分布均匀，出现天然水晶中未曾出现的钴蓝色。

（2）天然水晶和合成水晶矿物晶体，可以通过晶体形貌加以区别。天然水晶晶体发育较好，形状规则，整体呈現柱状和锥状的结合体，也可以双晶和晶簇的形态产出，识别度高。表面可见平行密集排列的生长横纹，也可以见到生长台阶和溶蚀坑。合成水晶晶体通常为平板状，晶面上常见圆形微凸起的“丘疹”状结构。

（3）宝石显微镜下观察：天然水晶中常见针状金红石、电气石、绿泥石、赤铁矿等有色固态矿物包体;大量气液两相包体，气液固三相包体;负晶;色带等。合成水晶内部干净，仅发现有气液二相“钉状”包体及“面包渣”包体，这些包体往往出现在种晶板附近。

（4）红外光谱仪测试：a.3544.88cm-1峰可以作为鉴别紫晶和合成紫晶的主要依据：天然紫晶缺失3544.88cm-1峰，而水热法合成紫晶在该处存在明显吸收;b.与天然无色水晶相比，合成无色水晶缺失3482.15cm-1谱峰，而存在3584.68cm-1谱峰;c.合成绿水晶存在特征吸收光谱，合成蓝水晶和合成黄水晶的红外光谱图非常简单，红外光谱可以作为天然黄水晶和合成黄水晶的鉴定依据;d.合成烟晶在平行种晶板和垂直种晶板方向红外光谱存在少许差异，原因有待进一步研究。

参考文献：

[1]何涛.解石脉中天然SiO2晶体内外部特征分析[J].科技通报，2014，30（12）：1-3+6.

[2]何宇东.天然水晶和合成水晶的鉴别研究[D].中国地质大学（北京），2013.

[3]国家珠宝玉石质量监督检验中心.GB/T16552-2017 GB/T1655

3-2017 GB/T16554-2017珠宝玉石国家标准释义[M].北京：中国标准出版社.

[4]何涛，张良钜，王玲.桂西方解石脉型水晶晶体的形貌特征与成因[J].桂林工学院学报，2009，29（04）：434-438.