黄色矿物晶体种类及颜色成因初探

2021-12-20崔亚男郝琦董兰

西部资源 2021年3期

崔亚男郝琦董兰

摘要：在所有矿物晶体中，黄色矿物晶体占比较大，深受矿物晶体收藏家喜爱。常见的黄色矿物晶体有黄色水晶、黄色钻石、黄色蓝宝石等，它们的颜色成因各不相同，黄色水晶主要为晶格缺陷致色；黄色钻石主要为晶格缺陷致色和能带间电子跃迁致色；黄色蓝宝石主要为能带间电子跃迁和离子间的电荷迁移致色；黄色石榴石主要为离子间的电荷迁移致色；黄色葡萄石主要为离子间的电荷迁移致色；黄色石英质玉石主要是铁的氧化物致色；黄色冰洲石主要是致色离子和色心致色；黄色绿柱石主要是环状结构通道中的[Fe2（OH）4]2+多聚合离子致色；黄色电气石主要是占据Y位与O配位的Ni2+致色；黄色长石主要由Fe2+、Fe3+之间的电荷迁移致色。

关键词：黄色矿物晶体；颜色成因

矿物晶体是指在自然界中天然形成的化合物，如果生长的空间足够大，则可形成完整的晶体形态。矿物的颜色是矿物最直观的一项特征，也是矿物晶体质量评价的一个重要表征，是矿物对可见光选择性吸收的结果。人肉眼可看到的颜色分为赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种，中国古人以“黄为尊，红为贵”，所以自古以来黄色就深受人们的喜爱。矿物晶体颜色丰富，可以涵盖可见光光谱里的所有颜色。其中黄色矿物晶体种类繁多，是矿物晶体中的一个重要组成部分。

1.常见黄色矿物晶体种类

评判一块矿物晶体质量如何，除了其晶体形态、尺寸大小外，最重要的一个衡量标准就是其颜色，往往颜色越艳丽，饱和度越高，其价值也越高。

常见黄色矿物晶体有水晶、钼铅矿、钒铅矿、铬铅矿、白钨矿、金绿宝石、绿柱石、钻石、蓝宝石、碧玺、石榴石、玛瑙、日光石、金红石、方解石、葡萄石、锆石、自然硫、自然金、虎晶石、黄铁矿、翡翠、软玉等。这些矿物晶体虽然都是黄色，但其颜色成因却各不相同。

2.矿物晶体颜色成因

矿物晶体的颜色是可见光照射到晶体上，经过反射、折射、透射、吸收等一系列光学作用后，剩余可见光进入人眼后的颜色组合。传统的矿物晶体颜色成因分为自色、他色和假色，

自色是指矿物晶体的颜色是由矿物晶体自身所含有的基本化学组分中的元素所引起的颜色，比如绿松石、孔雀石等。他色是指矿物晶体的颜色是由其中所含的杂质元素所引起的颜色，常见的致色元素有Fe2+、Fe3+、Cr3+、Ti4+、Mn4+、 Ni2+、V3+、Co3+等。比如Cr3+使红宝石呈现红色、Co3+使尖晶石呈现蓝色、Mn4+使锂辉石呈现紫色等。假色是指矿物晶体的颜色与其化学成分和内部结构没有直接关系，而是由于光在晶体中穿梭所发生的物理现象（折射、反射等）形成的颜色。比如月光石、拉长石、欧泊等。

现代科学技术的发展使人们对矿物颜色的成因有了更清晰、更准确的认识。产生了晶体场理论（离子内部的电子跃迁呈色）、分子轨道理论（离子间的电荷迁移呈色）、能带理论（能带间的电子跃迁呈色）以及晶格缺陷呈色理论来揭示矿物晶体颜色成因的本质[1]。

3.不同种类矿物晶体颜色成因

3.1黄色水晶

黄色水晶是水晶中一个比较名贵的品种，有天然的黄水晶，也有其他颜色水晶经过加热形成的黄水晶。根据王萍等（2004）的研究认为，黄色水晶有三种可能的成因类型：（1）辐射（天然或者人工）黃水晶的颜色与Al+O-空穴心有关；（2）紫水晶加热到450℃～500℃形成的黄水晶颜色与煅烧过程中Fe3+以及Fe3++O-色心变成铁氧化物的次显微析出物有关；（3）有些烟晶加热到300℃～320℃变为黄水晶与有些烟晶中不仅有使水晶呈烟色的Al3++O-空穴心，还存在Fe3++O-色心或者Fe3+，煅烧形成铁氧化物的次显微析出物，从而产生黄色[2]。

3.2黄色钻石

钻石根据是否含N元素分为Ⅰ型钻石和Ⅱ型钻石，其中氮在晶格中呈聚合状不纯物存在为Ⅰa型钻石；氮在钻石内呈单独不纯物存在为Ⅰb型钻石；不含氮，碳原子因位置错移造成缺陷为Ⅱa型钻石；不含氮但含少量硼元素为Ⅱb型钻石。

黄色钻石的成因有两种，Ⅰa型钻石中不同聚合态形式的N可形成不同的结构缺陷，从而形成不同的色心，对可见光产生不同的吸收，多个色心共同作用吸收了可见光中的紫光和蓝光，从而使钻石呈现黄色。Ⅰb型钻石中，N原子比C原子结构中多一个电子，这个多余的电子在带隙内形成一个杂质能级，只要足够能量的光量子将这个多余电子激发到导带中，并由此引起紫光—蓝光范围内的光被吸收，其他光透过，则钻石就呈现黄色[1]。

3.3黄色蓝宝石

蓝宝石是指除去红宝石以外的其他所有颜色的刚玉宝石。包括蓝色、绿色、黄色、橙色、粉色、紫色、无色等多种颜色的刚玉宝石。韩孝朕等（2019）认为非洲黄色蓝宝石的颜色是由Fe3+外层d电子跃迁和O2-与Fe3+的电荷转移两种呈色机制共同所致[3]。丁竞等（2015）认为山东黄色蓝宝石呈色主要是过渡金属离子的d—d跃迁、Fe2+—Fe2+耦合对、Fe2+—Fe3+耦合对和Fe2+—Fe3+电荷转移跃迁共同作用[4]。

3.4黄色石榴石

石榴石因其矿物晶体形态酷似石榴籽而得名。按其化学成分不同分为两大系列，铝质系列和钙质系列。石榴石的颜色也特别丰富，除蓝色以外的其他颜色几乎均有出现。常见的黄色石榴石有锰铝榴石（商业名称为芬达石榴石）、钙铝榴石（当钙铝榴石中的Ca2+被Fe2+取代时称为桂榴石）等。

吴浩秋（2016）认为Fe3+是钙铝榴石的主要致色离子，随着钙铝榴石中Fe3+含量的增加，钙铝榴石整体的颜色呈现橙—黄色调。锰铝榴石的主要致色离子为Mn2+和Fe2+，随着Mn2+含量的增加，Fe2+含量的减少，锰铝榴石中黄色调增加[5]。朱琳（2015）认为橙红—橙黄色石榴石中为Fe3+致色，Ca2+对颜色无贡献。明亮的橙红—橙黄色石榴石（芬达石）中为Mn2+致色，橙红色石榴石中红色调是由Cr3+导致的[6]。

3.5黄色葡萄石

葡萄石是一种含水硅酸盐，多以集合体产出，因其颜色清新如剥了皮的葡萄一般而得名。因其与翡翠具有相似的光泽和结构而作为翡翠的一种平价替代品。

程晓宇（2018）通过紫外—可见光谱发现黄色葡萄石具有430nm为中心的宽吸收带和580nm附近的弱吸收带，认为葡萄石的黄色调主要是由于Fe3+部分替代Al3+，发生电子跃迁所致[7]。杜华婷（2018）通过紫外—可见光光谱推测黄色系葡萄石的颜色主要由O2+-Fe3+-OH电荷转移产生，并通过LA-ICP-MS激光剥蚀等离子质谱分析Mn元素含量是决定葡萄石呈黄色还是黄绿色的关键因素。Mn元素含量相对很大时，葡萄石呈黄色[8]。

3.6黄色石英质玉石

石英质玉石是由隐晶质—显晶质石英矿物组成，石英质玉石品种繁多，如石英岩、木变石等显晶质石英质玉石；玉髓、玛瑙等隐晶质石英质玉石。在石英质玉石中，黄色是其最常见的颜色。

张勇（2016）通过对云南龙陵、安徽霍山、广西贺州3个产地的石英质玉石进行了显微镜观察、拉曼光谱和紫外可见光吸收光谱测试，通过紫外可见光吸收光谱的一阶导数图谱，对石英质玉石的黄色和红色部位进行了研究。结果表明黄色石英质玉石紫外可见光吸收光谱一阶导数图谱的特征峰有545nm～535nm和435nm，认为黄色石英质玉石主要由赤铁矿致色[9]。

周丹仪等（2013）对黄色—红色系列隐晶质玉石颜色成因的前人工作进行了详细整理，认为黄色—红色系列隐晶质玉石颜色主要是由富存在石英颗粒之间的铁的氧化物产生的，为杂质矿物致色[10]。

3.7黄色冰洲石

冰洲石是指无色透明的方解石，因杂质离子的存在而具有其他颜色。冰洲石具有三大光学特征，即高透波率，强双折射，良好的偏光性，被用于国防工业和制造高精度光学仪器。

罗跃平（2002）对不同色调黄色冰洲石的微量元素进行测试发现Mn、Pb元素随着黄色调的加深而含量增加，认为Mn、Pb元素可能是引起黄色冰洲石的致色离子。此外，放射性元素Th也随着黄色调的加深而含量增加，被认为是由于放射性元素对其辐照而使其内部产生缺陷产生色心而致色。加热褪色实验标明Mn元素是造成黄色冰洲石在350nm～460nm处产生吸收的原因。因此，Mn2+、Pb2+、CO32+的相互作用使冰洲石产生了黄色[11]。

3.8黄色绿柱石

绿柱石类宝石品种丰富，包括我们熟知的祖母绿、海蓝宝石、摩根石都是绿柱石家族的一员，黄色也是绿柱石中一个常见的颜色。也称金色绿柱石。

胡丁瑜（2010）采用紫外可见光光度计对内蒙古乌拉特前旗黄色绿柱石的定向切片吸收光谱进行测试发现内蒙古黄色绿柱石紫外—可见光光谱没有出现八面体位Fe3+、Fe2+的吸收，并且Cr3+、V5+元素含量很少，不对该区黄色绿柱石颜色产生影响，进而认为内蒙古乌拉特前旗黄色绿柱石的颜色可能与环状结构通道中的[Fe（2OH）4]2+多聚合离子有关[12]。

除了天然形成的黄色绿柱石外，还可以通过辐照处理将无色绿柱石变为黄色绿柱石。亓利剑（2012）对新疆无色绿柱石进行辐照改色处理和变温退火实验使绿柱石晶格上替位杂质离子Fe2+、通道中的填隙[Fe2（OH）4]2+聚合离子及OH自由基的带电性质、配位体结构及化学键发生改变产生损伤心而产生黄色绿柱石[13]。

3.9黄色电气石

电气石，又称碧玺，是一种重要的宝石矿物，因其颜色丰富，光彩夺目，深受人们的喜爱。因其具有热电效应而可以吸附灰尘，也被称为“吸灰石”。

电气石属于环状硅酸盐矿物，矿物晶体化学组成复杂，通用化学式为XY3Z6[Si6018] [B03]3V3W，其中X、Y、Z为不同价态的阳离子。

李明（2019）对彩色电气石颜色成因机制进行了研究，通过对不同颜色的电气石的微量元素测定认为占据晶体结构中Y位的过渡金属离子引起电气石的颜色，占据晶体结构中Z位的过渡金属离子不引起电气石的颜色，除了占位，过渡金属离子的价态、配位阴离子的种类等也影响电气石的颜色。电气石的颜色来自于过渡金属离子的d-d电子跃迁。而黄色电气石的颜色由占据Y位与O配位的Ni2+引起。通过对不同颜色电气石精细结构特征进行分析，认为电气石结晶程度的降低一定程度上有利于晶体颜色的产生[14]。

3.10黄色长石

长石是地壳中最丰富的矿产之一。许多宝石品种也属于长石家族，比如正长石中的月光石，透明长石（冰长石），微斜长石的绿色变种天河石，斜长石中的日光石、拉长石等。

曹越在2006年通過可见光吸收光谱测试对内蒙古固阳县的黄色拉长石进行实验发现存在380nm和420nm附近的吸收峰，认为固阳县拉长石颜色的成因与Fe3+有关。然后分析了Fe3+铁的作用认为固阳拉长石吸收光谱中380nm处吸收峰半高宽较窄，推测与Fe3+d-d电子跃迁有关，420nm处吸收峰半波宽较宽，推测与Fe2+、Fe3+之间的电荷转移有关。由于380nm处吸收位于可见光范围以外，对肉眼可观察到颜色无重要作用，因此420nm左右的吸收峰，对黄颜色的产生起到了重要的作用。因此其致色原因应该是Fe2+、Fe3+之间的电荷转移。此外，他还分析推测Fe3+在长石结构中占据四面体位置是其呈黄色的原因[15]。

4.结语

黄色矿物晶体种类较多，致色原因也各不相同，通过对前人工作的整理，分别对黄色水晶、黄色钻石、黄色蓝宝石、黄色石榴石、黄色葡萄石、黄色石英质玉石、黄色冰洲石、黄色绿柱石、黄色电气石进行分析，认为黄色水晶主要为晶格缺陷致色；黄色钻石主要为晶格缺陷致色和能带间电子跃迁致色；黄色蓝宝石主要为能带间电子跃迁和离子间的电荷迁移致色；黄色石榴石主要为离子间的电荷迁移致色；黄色葡萄石主要为离子间的电荷迁移致色；黄色石英质玉石主要是铁的氧化物致色；黄色冰洲石主要是致色离子和色心致色；黄色绿柱石主要是环状结构通道中的[Fe2（OH）4]2+多聚合离子致色；黄色电气石主要是占据Y位与O配位的Ni2+致色；黄色长石主要由Fe2+、Fe3+之间的电荷迁移致色。

参考文献：

[1]张蓓莉.系统宝石学[M].北京：地质出版社， 2008. 65-69

[2]王萍，李国昌，刘曙光.江苏东海有色水晶的品种以及颜色成因分析[J].珠宝科技2004， 16（3）：32

[3]韩孝朕，康燕，冯锡淇等.非洲黄色蓝宝石的致色机理及改色研究[J].硅酸盐学报2019， 47（7）：991-992

[4]丁竞，薛秦芳.山东黄色蓝宝石紫外—可见吸收光谱表征[J].超硬材料工程. 2005， 17（2）：59-60

[5]吴浩秋.橙—红色系列石榴石宝石学特征及颜色成因研究[D].北京：中国地质大学， 2016：70-71

[6]朱琳.红色—黄色石榴石的宝石学特征研究[D].北京：中国地质大学， 2015：53

[7]程晓宇，戴慧，曹素巧等.黄色葡萄石的光谱学研究[J]. 2018， 28（2）：安徽地质. 155-156

[8]杜华婷.葡萄石颜色的影响因素及质量评价[D].北京：中国地质大学， 2018：29

[9]张勇，魏然，柯捷等.黄色和红色石英质玉石的颜色成因研究[J].岩石矿物学杂质. 2016， 35（1）：139-146

[10]周丹仪，陈华，陆太进.黄色—红色系列隐晶质石英质玉石颜色成因研究进展[J].珠宝与科技—中国珠宝首饰学术交流会论文集（2013）：197-185

[11]罗跃平.冰洲石的矿物学特征及其褪色实验研究[D].北京：中国地质大学， 2002：30-34