浅谈缅甸琥珀表面元素组成与颜色和透明度的联系

刘清扬（澳洲国立大学本科一年级）

引言

“兰陵美酒郁金香，玉碗盛来琥珀光。”

——李白《客中行》

在中国古代，琥珀就因具有独特的透光性、光泽、颜色和形状而被赋予了非常丰富的寓意，并被视为一种非常珍贵的宝石。而对琥珀进行的古生物学研究更是证明，这种美丽的宝石同时也是远古时期的“3D照相机”，能将地史时期的生物面貌清晰地呈现在我们眼前。

琥珀是一种聚合形成的树脂化石。不同树木分泌的树脂成分各有差异，但都主要由萜类化合物形成(J Robles et al., 2000)。柯巴树脂是树脂向琥珀转变过程中的一个阶段，在特定条件和很长时间尺度下，柯巴树脂的性质可变得更加持久和稳定，从而形成琥珀，因此柯巴树脂和琥珀化学成分之间存在相似性和过渡关系(杨一萍和王雅玫，2010)。

缅甸琥珀近来的研究红红火火，Yang Meng-chu等（2012）使用U-Pb同位素定年的方法对缅甸琥珀围岩中的锆石进行测定，得出缅甸琥珀形成的地质年代为98.79±0.62 Ma（百万年），属于白垩纪。研究发现，能溶于有机溶剂的高聚物和有机溶解成分 (有机小分子和低聚物等) 是缅甸琥珀的主要成分，包括化学式为C9H8O3、C10H12O2、C8H10O等的多种有机物，在氧气充足的情况下可以燃烧(黄睿等，2015)。有学者将缅甸琥珀誉为一种生物学的财富，因为其中包含爬行动物和哺乳动物等多门类远古生物的记录。缅甸琥珀在揭示白垩纪生物种群面貌上发挥了重要作用。

人们自古以来就偏爱晶莹剔透的事物，如果色彩和透光性上佳就会成为更加优异的选择，因此琥珀就成了树脂中的最佳代表。通常衡量琥珀形态好的标准是：透光性好和色泽均匀。琥珀的宝石学价值则随着透光度和颜色的提升而提高。缅甸琥珀的颜色表现与其包含的微量元素有较为紧密的联系，重金属的存在对琥珀的荧光强度有影响(梁慧芳，2016)。本文希望通过一系列的实验将此结论更加细化。

本次实验的目的：通过分析缅甸琥珀主要元素分布的规律和含有微量元素的比率，初步探讨琥珀成色 (包括颜色和透光度) 与其组分的关系。颜色和透明度的描述是较为主观的，所以这里我们采用肉眼判定的方法。

实验材料

本次实验中选择了两块含有昆虫包裹物的缅甸琥珀作为代表进行分析，两块标本分别为GMPKU-1号琥珀 (蚊子包裹体) 和GMPKU-2号琥珀 (蜱虫包裹体) 。

实验方法

在每一块琥珀的正反面分别选择多个尽量均匀分布的点，点位数量的选择综合考虑了时间成本和有效性等方面。再使用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）和能谱仪（Energy Dispersive Spectroscopy，简称EDS）方法进行每个点的能谱分析，从而得出每一个点的元素组成。

EDS 方法及原理概述：

能谱仪（EDS）主要对微区成分进行定性分析，其原理为：电子枪发射出的高能电子束激发样品表面可以产生一定能量的特征X射线。因为不同元素产生的特征X射线能量不同，所以可通过检测不同光子的能量确定元素的种类，之后用EDS谱图上的峰强度反映出样品中元素含量的多少。

实验过程：

首先，在标本表面镀上一层碳，让整块标本可以导电。在每一块标本上分别使用记号笔标记要进行能谱分析的点，每一块的每一个面上选择多于14个尽量均匀分布的点，所选择的点位尽量不要包含特殊点（如包裹的特殊矿物）。其次，为了后续分析更加有依据，在扫描电镜下拍摄每一个面的影像，在此过程中要注意让不同照片的视野保持一致。

考虑到琥珀是由柯巴树脂转变而成，具有一定的透光性，所以在三维建模上可能会遇到很大的问题。主要有两种解决方法：（1）将琥珀标本翻模和（2）在标本上面镀上不透光材料。之后使用激光扫描的方法，建立三维模型。

因为要进行缅甸琥珀的颜色和透光度的分析，所以这里选择用单反相机（设备：佳能750D）分别对所选择的标本进行360°环绕拍摄。确保每一次旋转角度较小，让相邻的两张照片有较多的重合部分。在拍摄标本光源较为单一的情况下，不同角度的照片合在一起描述某一特征会更加有说服力。拍摄GMPKU-1号琥珀获16张照片，从中选出4张图进行拼接；拍摄GMPKU-2号琥珀获14张照片，从中选出5张图进行拼接。

实验数据

GMPKU-1号琥珀标本：

缅甸琥珀表面通常不是以非常规整的形态存在的，常有凹坑。此特征在本文中GMPKU-2号琥珀的三维模型上比较明显。GMPKU-1号琥珀和GMPKU-2号琥珀都为不规则的椭圆状，但大小有明显的差异。

图1 GMPKU-1号琥珀标本3D建模

图2 GMPKU-1号琥珀标本

图3 GMPKU-1号琥珀标本在扫描电镜下的成像照片（单张照片的视野10.2mm）

表1 GMPKU-1号琥珀标本，在图3标号位置所示的元素质量百分比

这一组数据较为集中，只有一组较为特殊的值（第15组），其中氧元素的质量百分比为95.2654，硫元素的质量百分比是2.4999。肉眼观察可知，整块琥珀颜色分布十分均匀，只有个别颜色较深的条带 (如图2所示)。使用表格中数据做均值，其中氧和硫元素的质量百分比分别是99.9317和0.0682 (已排除第15组数据)。

表2 GMPKU-1号琥珀表1背面相同位置的特殊点的元素百分比

这一组数据十分离散，选择的是在电镜下呈现特殊现象的点，如图3中最明亮的点。因此，在表1中没有出现过的元素会在表2的数据中占有较大的百分比。3-2和4-1这两个点的硫元素含量都为100%，其在电镜下的成像近似为黑色。但如点3-1也呈现与这两个点相似的颜色。

GMPKU-2号琥珀标本：

图4 GMPKU-2号琥珀的三维建模

图5 GMPKU-2号琥珀标本

图6 GMPKU-2号琥珀标本的电子显微镜（SEM）成像照片；视野8.70mm

表3 GMPKU-2号琥珀标本的元素质量分布（取样位置编号如图6所示）

这一组数据较GMPKU-1号琥珀标本的数据而言较为离散。肉眼观察可知，整块琥珀颜色的分布不如第一块样本均匀，整体颜色比第一块样本更深（如图2和图5所示）。使用总体数据做均值，其中氧和硫元素的质量百分比分别是99.45993和0.464086。由此可见此块样本硫元素的含量远大于第一块样本的。因此推测，随着硫元素含量的上升，琥珀的颜色会变得越来越深。

表4 GMPKU-2号琥珀表3背面相同位置的特殊点的元素质量百分比

这一组数据十分离散，因为在选择点的时候包含了特殊情况，如图6的最明亮的点。取样方法属于表3中的特殊点位，所以会出现比较特殊的数据。这组数据证明，缅甸琥珀包含很多不同种类的微量元素，如钴和镁元素。

实验结论

4.1 通过以上数据可以证明：缅甸琥珀表面含有很多微量元素，如钴和镁。

4.2 金属氧化物及相关化合物通常在电镜下表现为颜色较深的条纹，通常包含3种以上的元素。总的来说，琥珀表面的元素成分由于暴露在空气中，可能会发生改变。

4.3 这两块琥珀的数据说明，随着硫元素质量百分比的上升，琥珀的颜色变得更深。在同一块琥珀上，硫元素质量百分比的波动与颜色深浅不一的条带相对应。

4.4 通过在白冷光下由单反相机拍摄的照片可得，GMPKU-2号琥珀样本的透光性要低于GMPKU-1号琥珀标本。再通过表2和表4的数据比较可知，GMPKU-2号琥珀样本的微量元素比率要大于GMPKU-1号琥珀标本。由此可以推断：缅甸琥珀的透光性与所含杂质的种类和比率有关（在此，将杂质定义为出现的非常规化学元素，将比率划定为出现的概率）。

实验的改进方法及后续可以探究的问题

5.1 拍摄单反照片时，可将背景选择得更加简单：如在托盘内放置一张白纸。其次可以提升光源的强度，从而更好地表现缅甸琥珀的通透性。

5.2 在进行EDS和SEM分析的时候，可以选择镀硅元素。因为碳元素的质量百分比可能会影响所分析的颜色透光度，因此可以尝试选择对透光度影响较小的硅元素作为电导体。

5.3 对于这两块标本，后续可以进行折光率的测试，让透光度的衡量更加客观。

5.4 本次实验只是对琥珀表面的元素组成进行了测试，未来可就内部成分组成进行进一步分析，并以此来讨论其与颜色的关系。

实验论文指导老师

江大勇 教授

（北京大学地球与空间科学学院）

季承 副研究员

（中国科学院南京地质古生物研究所）