杂质元素|宝石为什么五光十色？

见多识广的各位一定看过
这样

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在欣赏宝石矿物的同时
大家不免心里有疑问
宝石为什么有这么多颜色呢？

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这个问题拆解开来，
不过两个问题
1.我们怎么看到宝石（和颜色）
2.宝石怎么呈现特定的颜色

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先来说说
我们是怎么
看到这个多姿多彩的世界
必要条件
光+宝石+眼睛+（脑？）
我们所看到的颜色
实际上
是视网膜接受光后
刺激大脑
形成的感觉

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黄钻
光通过宝石后
反射、折射、衍射、透射、
漫反射、
选择性吸收
……
由人眼作为接收器
大脑作为CPU
一种美妙的视觉体验
便充盈周身

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青金石
需注意的是，
这种光必须是可见光，
不然
人眼将无法转化为可感知的信号。

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人感知颜色的过程
那么，
对宝石自身而言，
这种颜色是怎么产生的？

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粉钻
一般情况下，
我们所感知到的宝石颜色
是宝石内部致色因子
对光源不同波长
选择性吸收
和透射、反射等
一系列猛如虎的操作后
导致的结果。

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翡翠
若是透明宝石，
光透射居多，
反射较少，
所观察到的颜色
由透射光谱决定。

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绒铜矿
若是不透明宝石，
光则反射居多，
我们所看到的颜色
由反射光谱决定。

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和田玉
解决了怎么看到的问题，
你或许又有疑问
这些不同的颜色又是怎么形成呢？
这就引入了颜色成因的问题
颜色成因
传统观点从宝石的化学成分和外部构造出发，将宝石颜色的成因分为：自色、他色和假色。
自色
致色因子是宝石矿物中基本化学组分的元素
大多数为过渡金属族元素，如Cu、Fe等
典型矿物：

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孔雀石（Cu）

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橄榄石（Fe）

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绿松石（Cu）

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铁铝榴石（Fe）
他色
不是宝石矿物的主要组成部分，是杂质元素
不含杂质元素时呈无色，含微量杂质元素即可产生不同的颜色效果
同一元素在不同的宝石矿物中可呈现不同颜色，如Cr、Fe、Mn、Co等
典型矿物：

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红宝石（Cr）

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金绿宝石（Cr）

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祖母绿（Cr）

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尖晶石（Fe、Cr）

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蓝宝石（Fe）

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碧玺（Mn）
假色
宝石矿物内部含有的平行排列包裹体、平行解理、出溶片晶等对光的折射、反射、散射等
典型矿物：

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月光石（晕彩）

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斑铜矿（锖色）

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透石膏（晕色）

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拉长石（变彩）
随着近现代科学的发展，
人们发现，
宝石的颜色与其内部结构
也有很大关系。

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紫色萤石（晶格缺陷致色的代表）
随之诞生了
晶体场理论、
分子轨道理论、
能带理论、
晶格缺陷致色理论
解释宝石矿物的颜色成因

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祖母绿的d-d晶体场跃迁和UV吸收光谱
除此之外，
矿物机械混入杂质
也会影响矿物的颜色。
比如市场上所谓的
“绿幽灵”“聚宝盆”“红兔毛”等
水晶一类的矿物
都是机械混入了
如赤铁矿、绿泥石等矿物
而呈现颜色

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因机械混入物致色的各色水晶
说到颜色，
另一个不得不提的
就是宝石的光谱
上次写绒铜矿时
几位粉粉也说到了光谱
不得不说，
大家对光谱的关注度还是有的。
但好几位粉粉说，
自己虽然是地质人，
但真的不太看得懂。
（所以，非常有必要写！）

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前面说到，
宝石的颜色是
基于宝石对光的选择性吸收
和其他光物理作用后，
由未被吸收的光组合成的。
这些未被吸收的光，
借助分光镜，
便可衍射呈形色各异的光谱。

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光栅式分光镜原理示意图
入射光经过宝石后被选择性吸收，剩余光通过光栅衍射形成特征光谱
分
光
镜

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台式分光镜
不同宝石所含致色元素不同，
同种元素在不同宝石中的表现不同，
因此呈现特色而固定的吸收光谱。
特征光谱
小TIPS
并不是所有的宝石都有特征光谱，比如长石、尖晶石、碧玺等；也不是所有宝石也都有光谱，比如无色透明的宝石（水晶、透石膏等）。
不同致色元素的特征光谱占据不同区域的吸收带（线）。
同一致色元素的不同种类宝石在同一区域的吸收强度、具体位置不同。
分光镜只能对某些有特征光谱的宝石进行鉴定，并不是一劳永逸。
通过分光镜对特征光谱定名也需要大量的练习和经验。（换句话，初学者可能无法在手持分光镜中看到光谱）
1
铬谱
铬元素主要致红色和绿色，也可导致变色效应。
铬谱的主要表现是：红区最强的两条线位于深红色区域，另有许多窄线；黄区-绿区有宽吸收带；蓝区若干窄线；紫区吸收。
典型矿物：
红色系列：红宝石、红色镁铝榴石、帕帕拉恰蓝宝石（橙红色）、红色尖晶石（不显著）
绿色系列：祖母绿、翡翠（绿）、铬绿碧玺、翠榴石、沙弗莱（铬钒钙铝榴石）、铬透辉石、绿玉髓、翠铬锂辉石
其他颜色：变石（具有变色效应的金绿宝石）

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铬元素致色的宝石
左上-变石；右上-镁铝榴石；
左下-翡翠；右下-红宝石。
红宝石
红区690nm左右一对强双线，两条弱吸收线，黄绿区620-540nm吸收带（逐渐减弱），蓝区476,475,468nm吸收线（三条强度逐渐减弱），紫区吸收
红色镁铝榴石（捷克、美国产）
红区686nm左右一对吸收强线，两条弱吸收带，564nm为中心的宽吸收带，505nm处吸收线。含铁丰富者可有蓝区440nm，445nm吸收线
2
铁谱
铁元素主要致蓝色、绿色、红色和黄色等。
铁谱的主要表现是：绿区、蓝区可能存在强吸收带或吸收线，其余部分可能吸收。
典型矿物：
蓝色系列：蓝色蓝宝石、海蓝宝石、蓝色碧玺（不显著）
绿色系列：橄榄石、硼铝镁石、绿色碧玺、绿色尖晶石（后二者不显著）
红色系列：铁铝-镁铝榴石
黄色系列：金绿宝石、金色绿柱石

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铁元素致色的宝石
左上-蓝宝石；右上-海蓝宝石；
左下-橄榄石；右下-金绿柱石。
蓝色蓝宝石
蓝区450nm吸收带或450nm、460nm、470nm吸收线（逐渐增强）
橄榄石
蓝区453nm、473nm、493nm强吸收带（逐渐变弱）
3
锰谱
锰元素主要致粉色和橙色。
锰谱的主要表现是：最强的吸收带位于紫区并延伸至紫区外。
典型矿物：
菱锰矿、蔷薇辉石、锰铝榴石、芙蓉石、翡翠（紫色）

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锰元素致色的宝石
左上-锰铝榴石；右上-菱锰矿；
左下-蔷薇辉石；右下-芙蓉石。
锰铝榴石
蓝紫区430nm、420nm、410nm吸收线和460nm、480nm、520nm吸收带，有时可见504nm和573nm吸收线。
4
稀土谱
稀土元素（铷、镨等）主要致黄色和绿色。
稀土谱的主要表现是：黄绿区特征细线。
典型矿物：
磷灰石、稀土玻璃

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磷灰石
磷灰石
黄区580nm吸收双线
5
钴谱
钴元素主要致蓝色和粉色。
钴谱的主要表现是：黄区、绿区排列三条强吸收宽带。
典型矿物：
钴玻璃、蓝色合成尖晶石

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铬元素致色的宝石
左-蓝色合成尖晶石（Co合成）；
右-Co玻璃
蓝色合成尖晶石（Co合成）
黄区、绿区排列三条强吸收宽带，呈现宽宽窄的变化。
6
铀谱
铀元素在分光镜下可见明显的吸收线，致色不明显。
铬谱的主要表现是：红区吸收线最强，其他区域均可有吸收线出现。
非！常！好！看！（初学者找自信必备矿物）
典型矿物：锆石

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锆石
锆石（各种颜色）
必有红区635.5nm吸收线，其余区域伴随1-40条强弱不同的吸收线
实际上，
除上述的六种光谱之外，
还有很多其他的宝石矿物
拥有自己的特征光谱，
比如
顽火辉石505nm、550nm吸收线，
无色-浅黄色钻石415nm吸收线等；
还可区分优化处理和合成宝石，
比如
铬盐染色的翡翠在红区有吸收带，
合成蓝色尖晶石的特征黄绿区吸收带等；
可以说，
光谱的乐趣妙不可言~
所以
亲爱的朋友，
你知道
宝石为什么五光十色了吗？
校对：张腾飞
【杂质元素|宝石为什么五光十色？】来源：中科院地质地球所
原文有删改
编辑：fengyao