宝石的秘密

段景颐

全世界有230多种矿物被认定为宝石，其中最常见的仅有20～30种。大多数宝石形成于地球深处的高温高压环境。少数宝石因为形成条件极为苛刻，所以只存在于小块区域。宝石为何稀有？它们的不同颜色和质地是如何形成的？宝石有哪些造假手段？

刚玉：红宝石蓝宝石都是宝石级的刚玉

2014年，在莫桑比克北方某个小镇，21岁的年轻矿工佩德罗把自己找到的一枚巨大红宝石卖给了一位来自越南的宝石商。几年后，他花光了这笔巨款，打算再来镇上碰运气。但因当局开始限制私人挖掘，他没机会前往矿区。就算是在几年前，红宝石矿工的日子也并不好过：一名熟练矿工每天工作lO小时，

大多数情况下也只能找到1～3颗小粒红宝石，卖不了几个钱。

在红宝石的另一个产区马达加斯加，一些宝石商租下红宝石矿洞，并雇用地质专家一同进洞寻找红宝石。在完成前期勘测、分析、钻设爆破孔和铺设引爆线等漫长准备工作后，一声声爆炸接连响起。品

质最优的红宝石在矿洞内被宝石商取走，剩下的碎料被运出洞分拣。

红宝石和蓝宝石都是宝石级的刚玉（氧化铝），形成于板块交界地带的地下深层。但除了红宝石外，所有其他颜色的宝石级刚玉都被叫作蓝宝石。红宝石的红色由地层中的铬元素入侵晶体形成。红宝石形成过程中周围岩层不能出现二氧化硅，否则无法形成红宝石。但二氧化硅几乎是地球上最常见的矿物，因此红宝石产量比天然钻石更少。即使在世界红宝石最大产区缅甸，要获取1克拉（0.2克）红宝石平均要筛选400吨原石（钻石的这一平均数为250吨）。

你可能听说过一些机械手表中采用了红宝石机芯，其实它们的正式名称是“宝石轴承”，由人造红宝石制成。相比金属轴承，宝石轴承热胀冷缩系数更小、硬度更大、静摩擦系数更小，能有效提高手表精度，延长转动部件寿命。

钻石：因火山活动和陨石冲击形成

地球深层的煤炭在高温高压下被挤成钻石？事实并非如此。煤炭由植物残骸形成。地球第一次大规模成煤期始于3.6亿年前。天然钻石至少形成于9亿年前，最古老的形成于35亿年前。钻石的“辈分”远高于煤炭。

天然钻石主要形成于位于地下150～250千米深处的金伯利岩。在这样的深度，一些矿物结晶被含碳热流体包裹，晶体中的其他矿物质被碳元素置换出来，碳元素取而代之形成钻石。但也有些钻石是碳元素在高温高压下结晶形成的。火山喷发将位于地下深层的金伯利岩输送到地表，能够搭上“顺风车”的钻石只是少数。

除了被火山活动送上来，钻石还能被陨石砸出来。20世纪70年代，俄罗斯科学家在波皮盖陨石坑中发现大量冲击钻石，估计总储量达数十万吨，波皮盖陨石坑一跃成为全世界己知最大的钻石矿藏。波皮盖陨石坑位于一处石墨矿床，陨石的巨大冲击力产生的高压高温让部分石墨转变成了钻石。此外，板块交界地区的海底俯冲带也会形成钻石。

钻石的硬度在天然矿石中排第一，其“显微硬度”是硬度第二高的刚玉的150倍。钻石矿石被叫作金刚石。“金刚”二字既反映硬度，也指金属般的金刚光泽。钻石属于等轴晶系晶体——晶体在三条轴上的长度是一样的，对称性极高，晶体质地均匀，这让品相好的钻石具有接近纯净水的折光率。钻石的金刚光泽除了受本身色泽、纯净度等影响外，切割工艺对其影响也很大。1919年，珠宝学家兼数学家的托克沃斯基设计出具有58个刻面的“圆形明亮式切割”技术，能让光线在钻石内部尽可能多次反射，并集中从钻石正上方的切面射出，让钻石看起来格外闪亮。钻石彩虹般的火彩则来自被散射后的白光。

完全由碳構成的纯净钻石是完全无色的。如果某些元素挤进钻石晶格，置换原本的碳原子，就会形成其他颜色的钻石。例如氮置换能形成黄钻，硼置换能形成蓝钻，而氢置换能让部分钻石产生紫罗兰色。当金伯利岩附近存在含铀或钍的岩层时，这些放射性元素衰变产生的强辐射会导致钻石晶格中出现空缺，致使钻石吸收红光，因此钻石会呈现出罕见的绿色。钻石晶格错位或变形会形成粉钻。如果钻石出现高密度的夹杂物，会形成黑钻。

在西非地区，人们发现一种露兜树科植物几乎只生长在金伯利岩上方的土壤中。这成为寻找钻石矿的线索。

翡翠：玉石中的皇后

在缅甸北部一个偏僻村庄，成千上万的工人正在演绎着现代版的“愚公移山”。工人从山坡上松软的泥土中撬出巨石，另一些工人将巨石砸成较小的石块。筛掉多余泥土后，这些石头被一批批送往赌石场。在那里，翡翠赌石老手可通过皮料判断原石是否来自“名坑”。如果不具备这种基础知识，赌石者几乎注定血本无归。

翡翠是全世界知名度最高的玉石品种之一，被归为“硬玉”类。除了翡翠之外的其他玉石品种都叫作“软玉”，比如和田玉、蓝田玉、独山玉……全世界只有5个国家产翡翠，而只有缅甸北部面积仅13平方千米的矿区能够出产宝石级翡翠，这是因为该地区处于印度板块和欧亚板块交接带，不但拥有翡翠形成所需要的俯冲和造山运动，而且受到多个方向的挤压和拉扯作用，同时还满足极高压强和相对低温的条件。复杂的地质构造给翡翠的形成提供了丰富的原料，多变的地层活动则让缅甸出产的翡翠拥有多变的种（质地）、水（透明度）和色（颜色）。

进入石器时代晚期后，人类开始加工并使用玉石制品。玉石也影响了全世界许多文明。早在1.2万年前，生活在如今中国辽宁海城市仙人洞的古人类就能够把岫玉（绿色蛇纹石）加工成砍斫器（用于劈砍的工具）。6000多年前，生活在苏格兰高原的古人用意大利阿尔卑斯山上出产的玉石制作成玉斧。3000多年前，已知最古老的的美洲文明——奥尔梅克开始将玉制成人首等礼器，后续的玛雅文明和阿兹特卡文明也延续了这种传统。生活在新西兰的毛利人一直就有用和田玉（全世界许多地区都出产和田玉）制作饰品和工具的传统。

在13世纪（元代）前，中国品质最好的玉还属和田玉。但缅甸翡翠进入中国后就不是这样了。据传13世纪时，一位云南商人在穿越缅甸北部时意外发现了一块质地如同凝脂且夹杂鲜艳绿色的石头。这种翠绿色的玉石后来被命名为“翡翠”。明朝期间，陆续有少量缅甸翡翠流入中国，但中国人并不知道翡翠的具体来源。清代乾隆时期，汉人第一次摸清了缅甸北部的翡翠产区位置。从此以后，汉人开始逐渐进入该产区，大量缅甸翡翠被运往北京，北京汇聚全国最顶尖玉雕师，翡翠工艺品逐渐在中国风行。

祖母绿：最稀有的绿柱石

祖母绿的名字来源于古波斯语中的“绿色”一词（其发音接近汉语“祖母”一词）。作为全世界公认的宝石之王，祖母绿也是世界上历史最悠久的宝石之一。祖母绿深受埃及艳后克娄巴特拉的喜爱，但一些历史学家称她的祖母绿藏品中有不少是同为绿色的橄榄石。祖母绿也是俄罗斯沙皇王冠上的珠宝。祖母绿被制成眼镜供古罗马皇帝尼禄观看角斗士竞技，也被用来装饰印度莫卧儿王朝皇帝沙·贾汗的孔雀王座，还引发了16世纪西班牙人对哥伦比亚祖母绿矿的大肆掠夺。

祖母绿是绿柱石家族中最稀有品种，大约每100万枚绿柱石中才有1枚祖母绿。祖母绿拥有独特的绿色，古罗马学者老普林尼赞美唯有祖母绿的色泽能缓解眼疲劳。这种绿色源自祖母绿中微量的氧化铬。祖母绿已十分稀少，少数会出现“查皮丘现象”的祖母绿更是其中珍品。查皮丘祖母绿有六边形核心，并向周围发散六条黑线。一些科学家认为，这可能是祖母绿在生长过程中遭遇其他矿物质侵入形成的。因为祖母绿性脆，表面往往都有细裂纹和一些夹杂物，所以都要浸油、胶或树脂，以填补小裂缝。

绿柱石中含有稀有轻金属铍。由铍制成的空间望远镜反射镜不但重量轻，还不易在超低温环境下变形。因此，美国宇航局为了获取制造高性能反射镜所需的铍，专门在犹他州沙漠中开采绿柱石。

海蓝宝是绿柱石家族中第二受歡迎的成员。相比祖母绿，海蓝宝的裂缝和夹杂物都较少。摩根石也是一种独特的绿柱石，颜色有橙色、粉红色和淡紫色。一些绿柱石虽然是绿色的，但因为只有淡淡的绿色，颜色没有迈进祖母绿的颜色门槛，所以只能被叫作“绿色绿柱石”。

蛋白石：极品价格超过极品钻石

蛋白石也叫欧泊，虽然不是晶体类矿物，硬度也较低，却是少数几种能够媲美甚至超越钻石火彩的宝石（除蛋白石外还有锆石、榍石等）。蛋白石的构成和玛瑙很类似，只不过前者多了一些水（一般占总重量的6%～10%）。蛋白石闪耀火彩的秘密在于其内部无数的二氧化硅微球。白光进入蛋白石后，穿过二氧化硅微球并发生衍射，组成白光的多个波长的光被分散开，形成彩虹般的火彩。

尽管蛋白石的构成元素并不罕见，但宝石级的蛋白石极少，其中90%出产于澳大利亚，因此蛋白石也被澳大利亚定为代表本国的宝石。白色和粉色的蛋白石较为常见，而黑色和橘红色的优质蛋白石却十分稀少。在所有黑蛋白石中，极少数会出现被称为“小丑纹”的规则马赛克图案，其每克拉单价甚至超过最高等级的钻石。

荧光矿石：电子被激发产生荧光

美国新泽西州富兰克林镇的多个矿山中发现的357种矿物中，有91种能发出荧光，被称为“荧光矿石”。在众多矿山中，斯特林山矿出产的荧光矿石品质最好：鲜红色的方解石、深黄色的硅钙铅锌矿石、蓝紫色的锌黄长石、亮绿色的硅锌矿石……数十亿年的无数次地质运动让各种荧光矿石共同出现在斯特林山矿，它们在紫外线照射下发出各色光芒，因此斯特林山的矿道也被称为“彩虹隧道”。

荧光矿石在紫外线和阴极射线照射下会发出荧光。这是因为其原子的电子受照射后被激发到能量较高的轨道，但这只是暂时的，当电子重新回到原始电子轨道时，少量能量会以光子的形式释放，形成荧光。矿物中含有的钨、钼、铅等金属阳离子和稀土元素都能让矿物产生荧光。但如果矿石中出现铁、镍、钴、铜等元素，就会一定程度上抑制甚至消除矿物的荧光效应。

除荧光矿石外，红宝石、钻石和蛋白石等宝石也会出现荧光现象。南非出产的一种浅黄钻能够在紫外线照射下发出强烈蓝色荧光。20世纪初，许多钻石商人故意收购发出强烈蓝色荧光的钻石，因为这种蓝光能抵消钻石本身黄色的影响，让钻石看起来更白。但如果蓝色荧光过强，就会导致钻石显现过多乳白色光泽，反而会让钻石降级。

形形色色的宝石造假

1000多年前，古印度人开始从事红宝石开采、加工和贸易。红宝石很稀少，高品质的“鸽血红”更罕见。怎样卖出品质一般和有瑕疵的红宝石，成了宝石商人头痛的问题。一些古印度宝石商意外发现：将红宝石置于火焰上加热至临近熔点时再自然冷却后，原本颜色暗淡的劣质红宝石竟然焕发出鲜艳血红色，其中的杂色也消失不见了。现在红宝石加工商沿用了这套加工技术，不过他们不是用明火，而是用微波将红宝石均匀加热到900～1800℃。

据古罗马哲学家塞内卡和学者老普林尼的文字记载，古埃及墓葬中已经有用玻璃替代宝石的情况。塞内卡提到：“有时候人们熬煮石头，让它们看起来像祖母绿。”老普林尼说：“人们用玻璃粉伪造宝石印章，有时候还把石头黏起来当作玛瑙。还有著名的印度水晶，其实并不是什么珍贵矿石，而是染色的普通水晶。”染色宝石、拼接宝石等几种造假手段至今依然存在。

树脂化石琥珀也是造假重灾区。许多大型展会上有不少价格便宜、各种颜色的“琥珀原石”，它们其实是塑料。也有许多商人用产于波罗的海的柯巴树脂冒充琥珀。柯巴树脂比琥珀“年轻”得多，只是一种亚化石。还有造假者利用工业填缝胶包裹昆虫，冒充虫珀。比起前面几种手段，下面的造假方式更是费尽心思。一些商家将品质一般的琥珀打碎并加热熔化，添加染料后再利用高压使其融合，名为压制琥珀。用这种方法制造出来的人造琥珀有容易辨识的特殊纹理，因此有些商家故意将其烤成深色，冒充昂贵的缅甸血珀。

1893年，法国化学家亨利·莫桑在美国亚利桑那州的一个陨石坑中发现一些闪耀的颗粒，他认为这些石头是由陨石撞击产生的钻石。直到1904年，他才发现自己错了。这些颗粒其实是和钻石非常类似的碳化硅。为了纪念莫桑，人们将碳化硅命名为莫桑石。莫桑石无论硬度还是火彩都和钻石几乎无异，因此一些商家会用莫桑石和同样十分类似钻石的氧化锆冒充钻石。

合成宝石：品质不输天然宝石

红宝石是人类能够合成的第一种宝石。1837年，法国化学家高登用重铬酸钾和明矾结晶出第一批人工合成红宝石。但这样制作出来的红宝石不透明，达不到宝石级水平。1877年，法国化学家弗雷米利用长时间加热氧化铝等物质，在容器内壁上获得了小粒红宝石结晶。1891年，弗雷米的学生伐诺伊成功开发出“焰熔法”，只需要两小时就能生长出12～15克拉重的球形红宝石。自此，人工合成红宝石终于得以开始大规模生产。直到今天，红宝石合成技术依然在不断创新。

人工合成钻石主要有两种方法。一种是在顶压机中放入碳粉和小粒钻石种子，在高温高压下碳粉熔化，逐渐冷却后碳粉就能在种子上结晶，形成更大的钻石。另一种方法是将置于密闭腔内的钻石种子加热到800°C，同时通入甲烷和氢气，利用微波或激光将气体电离成等离子体。电离会破坏气体的分子键，让碳原子能够附着在钻石种子上并缓慢结晶。2018年，美国一家实验室通过这种方法合成了一颗重达6克拉的宝石级钻石。

人工合成的一些宝石的品质完全不输最优质的天然宝石，这在很大程度上动摇了天然宝石的高价地位。另一方面，人类也在不断挖掘宝石除观赏、收藏以外的新价值及用途，例如将红宝石用于生产激光发射器，或者将钻石用于制造量子计算机。

（责任编辑王川）

蚂蚁堆里的宝石

在一些地方的蚁穴出口的小山丘边缘，人们可能会发现闪亮的地幔宝石——石榴石。蚂蚁在挖掘地下通道时，有时会发现石榴石并将它们搬运到地面丢弃。这些宝石被称为蚂蚁山石榴石。在一些石榴石密集分布的地区，蚂蚁山石榴石会在蚁穴附近大量聚集，并且被雨水沖刷干净。鲜红色的石榴石和周围土壤形成强烈对比。十分显眼。

宝石开采也对生态环境产生影响

马达加斯加是重要的宝石出产地，全世界大约有一半蓝宝石产自这里。但马达加斯加也是全球第四大岛屿，为全球贡献了5%的生物多样性。2016年9月，马达加斯加发现了更多优质蓝宝石矿。仅仅数月内，4.5万名矿工涌入马达加斯加3600平方千米的热带雨林，伐木建矿、疯狂挖掘导致热带雨林土壤大量流失。随着一座座私矿立起来，矿区周边形成面积更大的人类生活区。全世界的狐猴几乎都生活在马达加斯加，而猖獗的采矿活动造成的栖息地碎片化严重地威胁包括上百种狐猴在内的本地特有物种的生存。一些狐猴种群开始出现营养不良、种群个体数量减少等种群衰弱迹象。

宝石开采也会消耗大量能源。全世界最大钻石销售商戴比尔斯在西澳大利亚开采的钻石，包括开采、清洗和加工等环节在内，每克拉平均需要消耗80.3千瓦时电量。实验室舍威钴石的每克拉耗电量为20～80千瓦时。此外还有运输钻石消耗的燃油，钻石的外包装、展示耗电等等，更别提部分国家钻石产区至今依然存在生产安全问题。

世界上最稀有的6种矿物

在全世界已被确认的5000多种矿物中，半数属于稀有矿物。而下面这6种矿物更是稀有，与它们相比，就连钻石和红宝石都只能算常见矿物。

红钻在钻石中，最稀有的就是红钻。红钻的成色原理既不是夹杂杂质，也不是被辐射照射，而是因为钻石晶格爱到来自一个方向的高压，发生塑性变形，这导致钻石中某些层面反射红光。也有科学家认为红钻的成因可能是晶格中混入了氮原子。红钻几乎只产于澳大利亚的一个矿坑，从1999年至今这座矿只出产了30颗红钴。

蓝色黝帘石一些珠宝公司在广告中宣称坦桑石的稀有度比钻石高上千倍。其实坦桑石只是商品名.它的真正名称叫黝帘石。黝帘石本身不是很稀有，但天然蓝色黝帘石真的十分罕见。蓝色来自于黝帘石中混入的杂质钒。黝帘石只出产于坦桑尼亚马里兰尼矿山8平方千米的矿区，它们是在造山运动过程中形成的。珠宝店中的坦桑石几乎都是蓝色的，它们的蓝色来自于热处理工艺。

海森石目前人们只在美国加利福尼亚州莫诺湖中发现过海森石——种呈放射状生长的罕见晶体。有科学家猜测，当湖水长时间干涸。浓度过高的磷会使微生物中毒。因此.湖水中的鞘丝藻用湖水中的氧、钾、钠和镁元素在体内合成海森石晶体，并排出体外。也有科学家猜测，海森石是鞘丝藻死亡后释放的化合物与湖水中元素发生化学反应后形成的。海森石遇水融解，这也是它们非常罕见的原因之一。

撒丁石撒丁石是人类发现的第一种同时含有钼和钍的矿物（目前只发现两种），具有放射性。它得名于意大利撒丁岛，晶体呈白色菱形。

布里奇曼石本身并不稀有，地幔38%的质量来自于这种镁铁硅酸盐。布里奇曼石罕见的原因在于它在常温常压下会转变成非晶质。要想得到布里奇曼石晶体，压强必须超过120万个标准大气压。2014年，科学家意外在一个陨石坑中发现了一个被其他矿物包裹起来的天然布里奇曼石晶体。

芬格石这是一种只生长于萨尔瓦多的伊萨克火山喷气孔中的含砷酸芬钒铜矿，它由火山喷气孔中的蒸汽凝华而成。要形成这种矿物，不但需要特定的化合物种类和比例，还需要特定温度。如果其中钒和铜的比例不对，就无法形成芬格石。芬格石遇水会融解，這导致其极为稀有。20世纪80年代，科学家仅在伊萨克火山喷气孔中收集到了数微克芬格石。